5G通信的高带宽和大功率如何解决?GaN或许可以一战

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数据显示,全球4G/5G基站市场规模将在2022年达到16亿美元,其中用于Sub-6GHz频段的M-MIMO PA器件年复合增长率将达到135%,用于5G毫米波频段的射频前端模块年复合增长率将达到119%。高增长的背后是射频市场的机遇,但同时也是挑战。从2G到4G再到将来的5G,高速增长的数据流量使得调制解调难度不断增加,需要的频段越来越多,对射频前端器件的性能要求也越来越高。

以5G为代表的Sub 6G通信射频系统非常复杂,尤其是那些需要使用高载波频率和宽频带的新技术,包括载波聚合、Massive MIMO等。为此,很多半导体公司在技术上全面开花希望利用先进的半导体工艺技术应对甚至引领新一代的通信技术需求。以ADI为例,该公司全面拥有GaN、GaAs和SiGe以及28纳米CMOS等完整工艺,努力打造更具高集成度、低功耗和低成本的整合系统解决方案。然而,在下一步的5G系统部署以及高端测试应用和卫星及航天应用中,无疑以高带宽和大功率为优势的GaN是其中的佼佼者,正在进入许多应用领域。
 
 
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GaN器件广泛应用在基站和蜂窝基础设施等电信应用,测试测量设备等仪器仪表,以及高温油井井下应用、有线电视、卫星通信和空间应用。

关键指标PK,GaN“一枝独秀”

事实上,在射频领一直是各大半导体企业激烈竞争名利场,各种技术堪称百花齐放。就功率放大器的功率和频率性能而言,了解各种商用工艺技术的优劣是很有用的。右图显示了几种技术支持的功率与频率范围。
 
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GaAs是过去20年微波通信的主要技术。硅LDMOS在窄带应用方面很有优势,但主要限于4GHz以下的频率。GaN/Si对6GHz以下的应用很有吸引力,但高衬底损失限制了其最高工作频率。但值得指出的是,GaN/SiC工艺技术在功率和频率方面的市场覆盖率最广。
 
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何时使用何种技术?ADI专家绘制的这个图给出了很好的基本例子。

当然,不得不指出的是,每种工艺技术都有其优点和缺点。何时使用何种PA技术取决于应用的频率和输出功率要求。L波段1-2 GHz和S波段2-4 GHz中的低频应用可以使用预匹配FET。X波段8-12 GHz及更高频率的应用,更多地依赖于MIMIC。

上图是一个S波段雷达PA级联的例子。对于1W以下的第一级驱动器,GaAs PA一般能提供足够好的性能,所以通常使用这种PA。HMC409就是这种PA的一个很好的例子。对于10W的第二级驱动器,MIMIC多级PA是一个合适的选择。HMC1114就是这种PA的一个很好的例子。对于500W的第三级输出器件,可以使用预匹配FET。

射频特性比较,GaN vs. GaAs

GaN和GaAs半导体器件之间有一些显著的差异。这些差异使得GaN具有超过GaAs的一些关键性能优势:

——GaN的带隙电压高于GaAs。GaN为3.4 eV,GaAs为1.42 eV。结果是GaN器件具有更高的击穿电压,允许使用更高供电轨,以满足更高的功率需求。——GaN的供电轨通常为28-50 V,GaAs为5-7 V。同等尺寸的器件,功率容量越高,则功率密度越高。这是一个对许多应用都很重要的品质因数。
——GaN的介电常数低于GaAs。
——SiC上GaN的热导率远高于GaAs。这意味着器件中的功耗可以更容易地转移到周围环境中。
——百万小时平均失效前时间的最高通道温度更高。GaN的典型AMR为225°C,而GaAs为150°C或175°C。
——GaN单芯片的功率可达到100W,而GaAs单芯片只能达到5-8W。
下表总结了GaN、GaAs和硅技术之间的一些差异。
 
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与GaAs相比,GaN的优点非常明显,上面的列表还可以罗列很长。例如,更高的功率附加效率(PAE),IC尺寸更小,功率密度更高(可以达五倍),等等。

实物为证,举几个栗子

GaN的价值定位是它能同时提供高功率带宽和PAE。

HMC1099LP5DE就是一个很好的例子,它是一款GaN 10 W功率放大器,覆盖10 MHz到1100 MHz的频率范围,具有50Ω匹配RF输入和RF输出端口。当Psat大于10 W时,它提供约70%的PAE,它可以连续运行或脉冲式运行,适合大多数一般应用。

该价值定位的另一个很好的例子是HMC 8205 BF10,它基于GaN技术,具有高功率、高效率和宽带宽。该产品的工作电源电压为50 V,在35%的典型频率下可提供35 W RF功率,带20 dB左右的功率增益,覆盖几十种带宽。这种情况下,相比类似的GaAs方案,只需要一个IC就能提供高出约10倍的功率。在过去数年,这可能需要复杂的GaAs芯片组合方案,并且无法实现相同的效率。

最后一个例子是HMC1114LP5DE,它是一款覆盖2.7 GHz至3.8 GHz的GaN 10 W功率放大器,具有50 Ω匹配RF输入和RF输出端口。当Psat大于10 W时,它提供约54%的PAE。它可以连续运行或脉冲式运行,适合公共移动无线电、无线基础设施、雷达、发射机以及测试测量应用。

本文总结

随着越来越多电子设备支持更高频率,对更高频率电子战系统的需求将会出现井喷。在电信行业,随着5G走向市场,sub 6GHz基础设施将大面积部署,并且随着更高带宽的需求增长而持续增加。卫星通信系统的工作频率主要为C-波段至Ka-波段。因此,系统工程师需要努力尝试设计一些能够覆盖整个频率范围的电子设备。GaN芯片技术的带宽优势和功率密度优势帮助简化设计、加速上市时间,减少要管理的器件库存等方面发挥着积极的作用。
 
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