GaN“戏精加戏”,抢滩登陆5G市场

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随着蜂窝基站利用载波聚合等先进的调制方案和技术,商用GaN PA的早期应用可能会下降。 但在此之后,随着毫米波应用尤其是大规模MIMO的兴起,GaN的市场前景依然强劲,因为很可能没有其它候选技术,能够满足大规模有源电子扫描阵列所需的功率密度要求。
 
据麦姆斯咨询介绍,5G的角逐似乎正在不断加速,尤其是在美国,AT&T和Verizon等主要电信运营商宣布将在2018年底之前推出5G服务。先进的LTE(LTE-A)已经迅速升级扩展到当前的基站(BS)。LTE-PRO(亦即4.5G)的现场试验正在全面展开,下载速度已经达到1 Gbps。固定无线接入(FWA)技术也已经通过了大量的现场试验,展示了毫米波(mmWave)频谱的早期成功应用。
 
5G发展时间表
 
5G发展时间表
数据来源:《5G对射频(RF)前端产业的影响》
 
对5G的严格要求不仅体现在宏观上带来基站密度致密化,还要求在器件级别上实现功率密度的增强。据麦姆斯咨询报道,GaN(氮化镓)将在未来几十年内以20%的复合年增长率(CAGR)显著地渗透两个主要市场——国防和无线通信。虽然许多其它化合物半导体和工艺也将在5G发展中发挥重要作用,但很明显地,GaN将以其功率/效率水平和高频性能,在高性能无线解决方案中发挥关键作用。
 
先进调制方案考虑因素
 
随着蜂窝技术的发展,所使用的调制方案通常是由具有高峰值平均功率比(PAPR,峰值功率与信号的平均功率之比)的非恒定包络来定义的。如下图所示,PAPR从3G(W-CDMA)的大约2:1急剧增长到了4G(LTE / OFDM)的7:1。并且,虽然OFDM等先进调制方案在有限的网络资源下实现了非常高的速度,但是频谱效率的提高,是以功率放大器(PA)的能量效率下降为代价的。
 
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移动通讯信号PAPR的发展
 
为了避免信号失真,必须对高PAPR波形进行线性放大。如果信号通过非线性PA,则会发生带内失真,进而增加误码率(BER)和带外辐射,从而导致相邻信道干扰。因此,这些高功率放大器往往需要在线性和效率之间进行权衡。
 
 
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数据传输速度vs. 载波单元(Component Carrier)
数据来源:《5G对手机射频前端模组和连接性的影响》
 
载波聚合考虑因素
 
除了存在不断增长的PAPR设计约束,还需要运行在比传统PA更宽的带宽上。移动网络运营商(MNO)已经面临着实现更高数据速率的需求,但严重受限于低于20 MHz的带宽。载波聚合便是为了在频谱稀疏的运行区间大幅增加有效带宽。载波聚合将同一频带内(带内)或不同频带内(带间)的无线信道组合起来,以提高无线数据速率,并降低延迟。
 
LTE-A允许载波单元具有高达20MHz的带宽,最多支持5个这样的带宽,可以组成高达100MHz的带宽进行聚合。过去,移动网络运营商还可以使用覆盖单个20 MHz频段的系统,但未来必须大幅提升网络容量,才能支持即将到来的移动流量暴涨。现在的技术需要最高支持20倍的带宽,来处理这些多频带和多载波系统。
 
支持这些先进的调制方案需要面对多方面的问题,目前已经开发出了多个已知的解决方案。有些包括数字预失真(DPD)以提高线性度,Doherty和包络跟踪(ET)技术以获得更高效率。GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)凭借其固有的高击穿电压、高功率密度、大带宽和高效率,已成为基站PA的有力候选技术。对于约翰逊品质因数(FoM)(衡量高频功率晶体管应用的半导体适用性),GaN器件比硅(Si)、砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)和磷化铟(InP)要高出几个数量级。
 
相比现有的硅LDMOS和GaAs解决方案,GaN器件能够提供下一代高频电信网络所需要的功率和效能。而且,GaN的宽带性能也是实现多频带载波聚合等重要新技术的关键因素之一。由于LDMOS无法再支持更高的频率,GaAs也不再是高功率应用的最优方案,预计未来大部分6GHz以下宏网络单元应用都将采用GaN器件。
 
GaN基站应用
 
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2015~2025年电信基站主要趋势
数据来源:《RF GaN市场应用、技术及衬底-2018版》
 
根据市场研究机构ABI Research的研究数字,2014年基站RF功率器件市场规模为11亿美元,其中GaN占比11%,而横向双扩散金属氧化物半导体技术(LDMOS)占比88%。2017年,GaN市场份额预估增长到了25%,并且预计将继续保持增长。如下图所示,蜂窝基站GaN市场占整个RF功率市场的最大份额将超过50%。对于5G基站PA的一些要求可能包括3~6GHz和24GHz~40GHz的运行频率,RF功率在0.2W~30W之间。凭借其良好的传播特性,早期的5G网络可能会采用低于6 GHz的频段。
 
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GaN预计到2025年将主导RF功率器件市场,抢占基于硅LDMOS技术的基站PA市场
 
如前所述,GaN-on-SiC HEMT是基站PA的主要候选技术,因为它们能够在比硅LDMOS晶体管更大的带宽、更高频率下,在Doherty配置中实现更高的功率附加效率(PAE)。GaN HEMT技术也可以非常坚固耐用,在高功率负载严重不匹配的情况下运行,并且性能降低最小。这种固有的高工作电压和输出阻抗带来了低损耗、宽带匹配和大输出功率。
 
此外,其更大的安全运行区(SAO),可减轻由于功率波动引起的任何热场或电场击穿问题,从而最大限度地减少对基站设备的维护需要。GaN MMIC的低噪声系数性能结合其高功率密度,使它们成为发射器链中PA基板和接收器链中低噪声放大器(LNA)的潜在理想选择。已有几种现有GaN 低噪声放大器实施方案能实现低噪声要求,同时可承受高入射功率而不会造成损坏。
 
GaN毫米波应用
 
毫米波(mmWave)频谱是实现5G的关键;其大量可用带宽是支持高数据速率应用(如4K/8K视频流)以及增强现实和虚拟现实(AR/VR)应用的有力选择。小型基站是利用毫米波频带的理想选择,因为它们可以在城市环境中紧密排布,减轻高频信号的有损传播特性。为了实际目的,这些小型基站必须易于安装在高尺寸、重量以及功率受限的结构上。
 
有关尺寸问题,事实上随着晶体管和天线尺寸在更高频率下的逐渐减小,某种程度上已经解决。不过,更小尺寸的组件,通常具有较差的热管理特性,因为较大的表面积能够更好地在设备上分散热量。SiC衬底具有相对较高的热导率(~120 W/MK),因此可以更容易地将热从晶体管转移到散热器。对于成本较低的小型基站应用,化学气相沉积(CVD)金刚石(~1800 W/MK)比SiC具有更大的热导率。
 
GaN PA已经用于尖端卫星通信中的Ka波段转发器。即将到来的高吞吐量卫星(HTS)和低地球轨道(LEO)中小型卫星需要外形尺寸更小的元件,以便在功率极其受限的环境中实现高度集成。该技术可以用于24 GHz以上的5G毫米波段。当前0.2um、0.15um和0.1um的GaN工艺可使截止频率进入W波段,功率密度约为2W/mm。
 
GaN PA在较低频率下表现出的高功率密度、宽运行带宽、良好的PAE和线性度,以及低噪声性能,在毫米波频率下也具有相同的性能表现。AlGaN / GaN异质结构特别适用于高频性能,与基于AlGaAs / GaAs的器件不同,AlGaN / GaN异质结构的大自发和压电极化效应,可产生电子通道而不需要任何调制掺杂。
 
GaN用于大规模MIMO
 
当前的基站技术涉及具有多达8个天线的MIMO配置,以通过简单的波束形成算法来控制信号,但是大规模MIMO可能需要利用数百个天线来实现5G所需要的数据速率和频谱效率。 大规模MIMO中使用的耗电量大的有源电子扫描阵列(AESA),需要单独的PA来驱动每个天线元件,这将带来显著的尺寸、重量、功率密度和成本(SWaP-C)挑战。
 
这将始终涉及能够满足64个元件和超出MIMO阵列的功率、线性、热管理和尺寸要求,且在每个发射/接收(T/R)模块上偏差最小的射频PA。由于GaN芯片每年在功率密度和封装方面都会取得飞跃,到了大规模MIMO系统在商业上可行的时候,GaN很可能成为一种自然选择。
 
结语
 
GaN衬底已经在军用雷达中使用了数十年,但是这类应用的机密性,在某种程度上阻碍了它在商业领域的成长和成熟。GaN器件发源于美国国防部,已经广泛应用于新一代航天和地面雷达系统。GaN的高功率性能提高了雷达的探测距离和分辨率,设计人员对该新技术的应用也已经日趋成熟。然而,与军事相关的技术总是非常敏感。随着国防应用领域日益青睐GaN器件,非军事应用领域或将受到影响,尤其是针对该技术的市场并购行为。如果涉及军事应用,政府势必横加干预,例如FGC Investment Fund对Aixtron的并购,以及英飞凌(Infineon)对Wolfspeed的并购。
 
尽管如此,恰如Yole及其他调研机构的预测,对这种宽带隙材料的需求正在发生转变,这将从根本上消除军事和集成设备制造商(IDM)对独立代工厂和设计公司的排他性。
 
此外,蜂窝通信技术及行业的发展,为GaN的应用提供了非常有前景的利基市场。商业领域的这种需求,很可能会推动GaN基器件的制造,并最终降低GaN基器件的批量价格。
 
随着蜂窝基站利用载波聚合等先进的调制方案和技术,商用GaN PA的早期应用可能会下降。 但在此之后,随着毫米波应用尤其是大规模MIMO的兴起,GaN的市场前景依然强劲,因为很可能没有其它候选技术,能够满足大规模有源电子扫描阵列所需的功率密度要求。
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