GaN усилители мощности: драйвинг Sub-6 GHz 5G Massive MIMO за пределами LDMOS

В предыдущей статье этой серии мы исследовали технологии Massive MIMO, движущие全国ное развертывание 5G. В то время как mmWave обещает высокополосную производительность, ближайшие несколько лет 5G будет в основном определяться Sub-6 GHz развертываниями, требующими скачка в возможностях RF фронт-энда.

Инженеры должны доставлять базовые станции, интегрирующие RFFE теснее, уменьшающиеся в размере, режущие потребление энергии, повышающие выходную мощность, расширяющие полосу пропускания, заостряющие линейность и поднимающие чувствительность приемника — все при более тесной связке между трансивером, RFFE и антенной. Только компактный, высокоэффективный, стоимоэффективный PA может удовлетворить эти требования и сделать Massive MIMO жизнеспособным.

Питание Sub-6 GHz Massive MIMO

Эволюция RF усилителей мощности доминировала LDMOS с 1990-х, особенно ниже 2 ГГц, где ее низкая стоимость сделала ее выбором по умолчанию. Арсенид галлия (GaAs) предлагал конкурентную альтернативу на более высоких частотах, но за счет более низкой выходной мощности и более высокой цены. LDMOS закрепила рынок в эре 2G, однако с 3G и 4G эффективность достигла плато. Несмотря на продвижения такие как топологии Дорти и envelope tracking, операторы перешли к нитриду галлия (GaN) во время китайского развертывания 4G LTE в 2014 году.

GaN, хотя новее, стал предпочтительным полупроводником для высокомощных, высоко-RF применений — именно того, чего требует Sub-6 GHz 5G. Его превосходная выходная мощность, линейность и эффективность подтолкнули OEM к замене LDMOS на GaN. В то время как LDMOS все еще доминирует в сегодняшних RF базовых станциях, GaN готова вытеснить ее в 5G Massive MIMO развертываниях.

Преимущества производительности GaN

Первичное преимущество GaN — более высокая плотность мощности, результат ее более широкого запрещенного зазора, дающего более высокие пробойные напряжения. Это позволяет больше мощности на единицу площади, расширяя покрытие и позволяя меньшие, более дешевые RFFE.

GaN усилители мощности могут работать при температурах до 250 °F, за пределами лимитов кремния. Их превосходная теплопроводность упрощает дизайн радиаторов, уменьшая размер и стоимость — критично для мобильных сетевых операторов с огромными инфраструктурными бюджетами.

Более высокая эффективность режет операционные расходы. В конфигурациях Дорти GaN достигает средних эффективностей до 60% на 100 Вт выходе, драматически снижая энергопотребление для Massive MIMO массивов.

GaN также превосходит в широкополосной производительности. В то время как LDMOS ограничивается 4 ГГц, GaN может обрабатывать до 100 ГГц с пятикратно более высокой плотностью мощности. Ниже паразитная емкость и более высокое выходное сопротивление упрощают широкополосное согласование, позволяя одному широкополосному PA обслуживать несколько Sub-6 диапазонов и уменьшая потребность в отдельных узкополосных радио.

Тем не менее, LDMOS остается стоимоэффективным выбором для определенных частот, и GaAs все еще предлагает нишевые преимущества. Однако отраслевой сдвиг к GaN подчеркивает ее стратегическое значение для Sub-6 GHz Massive MIMO.

Принятие GaN ускоряется по базовым станциям и другим секторам вроде обороны и аэрокосмики. Растущий объем драйвит экономию масштаба, снижая цену в то время как доставляя энергетические, размерные и многодиапазонные выгоды. Линейность также улучшается; GaN только во втором поколении для базовых станций против пятнадцатого у LDMOS, и текущие исследования обещают еще более высокую производительность скоро.

По мере исчезновения барьеров, системные дизайнеры должны овладеть тем, как использовать уникальные свойства GaN.

Что встроенные дизайнеры должны знать

Встроенные дизайнеры могут использовать сильные стороны GaN, но должны принять материал-специфические лучшие практики. Следующая статья в этой серии распакует дизайнерские гайдлайны, развенчает мифы и зачертит будущее GaN за пределами RF.

---

Roger Hall — General Manager High Performance Solutions в Qorvo, Inc., ведет программное управление и прикладную инженерию для Wireless Infrastructure, Defense and Aerospace и Power Management рынков.

---

Связанные материалы:

• 5G и GaN: Понимание sub-6Ghz Massive MIMO инфраструктуры
• 5G и GaN: Сдвиг от LDMOS к GaN
• 5G и GaN: Что встроенные дизайнеры должны знать
• 5G roll-out: марафон, не спринт
• 10 ключевых трендов в беспроводной технологии

Для большего Embedded, подпишитесь на еженедельную email рассылку Embedded.