5G通信带动GaN 技术的崛起

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GaN器件分为射频器件和电力电子器件,射频器件产品包括PA、 LNA、开关器、 MMIC等,面向基站卫星、雷达等市场;电力电子器件产品包括SBD、常关型FET、常开型FET、级联FET等产品,面向无线充电、电源开关、包络跟踪、逆变器、变流器等市场。而按工艺分,GaN器件则分为HEMT、HBT射频工艺和SBD、Power FET电力电子器件工艺两大类。

目前,射频市场主要有三种工艺:GaAs,基于Si的LDMOS,以及GaN 工艺。GaAs器件的缺点是器件功率较低,通常低于50W。LDMOS器件的缺点是工作频率存在极限,最高有效频率在3GHz以下。GaN则弥补了GaAs和Si基LDMOS这两种传统技术的缺陷,在体现GaAs高频性能的同时,结合了Si基LDMOS的功率处理能力。

在射频PA市场,LDMOS PA带宽会随着频率的增加而大幅减少,仅在不超过约3.5GHz 的频率范围内有效,采用0.25微米工艺的GaN器件频率可以达到其4倍,带宽可增加20%,功率密度可达 6~8 W/mm(LDMOS 为 1~2W/mm),且无故障工作时间可达 100 万小时,更耐用,综合性能优势明显。

5G带动GaN崛起

传统上,LDMOS技术在无线基础设施领域占主导地位,但这种情况是否正在发生变化?这个问题的答案是肯定的。

由于5G需要大规模MIMO和Sub-6GHz部署,需要使用毫米波(mmWave)频谱,而这将要面对一系列的挑战。GaN技术可以在sub-6GHz 5G应用中发挥重要作用,有助于实现更高数据速率等目标。高输出功率、线性度和功耗要求正在推动基站和网络OEM部署的PA从使用LDMOS技术转换到GaN,GaN为5G sub-6GHz大规模MIMO基站应用提供了多种优势:

GaN在3.5GHz及以上频率下表现良好,而LDMOS在这些高频下受到挑战。

GaN具有高击穿电压,高电流密度,高过渡频率,低导通电阻和低寄生电容。这些特性可转化为高输出功率、宽带宽和高效率。

采用Doherty PA配置的GaN在100W输出功率下的平均效率达到50%~60%,显着降低了发射功耗。

GaN PA的高功率密度可实现需要较少印刷电路板(PCB)空间的小尺寸。

在Doherty PA配置中使用GaN允许使用四方扁平无引线(QFN)塑料封装而不是昂贵的陶瓷封装。

GaN在高频和宽带宽下的效率意味着大规模MIMO系统可以更紧凑。GaN可在较高的工作温度下可靠运行,这意味着它可以使用更小的散热器。这样可以实现更紧凑的外形。

构建RF前端(RFFE)以支持这些新的sub-6GHz 5G应用将是一项挑战。RFFE对系统的功率输出、选择性和功耗至关重要。复杂性和更高的频率范围推动了对RFFE集成、尺寸减小、更低功耗、高输出功率、更宽带宽、改善线性度和增加接收器灵敏度的需求。此外,收发器、RFFE和天线之间的耦合要求更严格。

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5G sub-6GHz RFFE的一些目标,以及GaN PA如何帮助实现这些目标呢?具体包括如下:

更高的频率和更高的带宽: 5G使用比4G更高的频率,并且需要更宽的分量载波带宽(高达100 MHz)。GaN-on-Silicon-carbide(GaN-on-SiC)Doherty PA在这些频率下实现比LDMOS更宽的带宽和更高的功率附加效率(PAE)。GaN器件的更高效率,更高输出阻抗和更低寄生电容允许更容易的宽带匹配和扩展到非常高的输出功率。

在更高数据速率下的高功率效率: GaN具有软压缩特性,使其更容易预失真和线性化。因此,它更容易用于数字预失真(DPD)高效应用。GaN能够在多个蜂窝频段上运行,帮助网络运营商部署载波聚合以增加频谱并创建更大的数据管道以增加网络容量。

最大限度地降低系统功耗:我们如何满足5G的高数据率要求?我们需要更多基础设施,例如数据中心,服务器和小型蜂窝。这意味着网络功耗的整体增加,从而推动了对系统效率和整体功率节省的需求,这似乎很难。同样,GaN可以通过提供高输出功率以及提高基站效率来提供解决方案。

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上图显示了一个示例性sub-6GHz RFFE的框图,该RFFE使用了Doherty PA设计来实现高效率。新产品方面,2018 年12月, Qorvo发布了行业首款28GHz的GaN前端模块QPF4001,扩大了其 5G 业务范围。在基站设备制造商涉足 5G 之后,这款新 FEM 可以帮助他们降低总体系统成本。

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28 GHz 频段是早期基于 5G 的固定无线接入 (FWA) 部署的首选频段,使运营商能够满足 5G 对速度、延迟、可靠性和容量的要求。QPF4001 FEM 在单个 MMIC 中集成了高线性度 LNA、低损耗发射/接收开关和高增益、高效率多级 PA。针对 5G 基站架构中间隔 28 GHz 的相控阵元件,对紧凑型 5x4 毫米气腔层表贴封装进行了优化。

Qorvo 的新款 GaN FEM 让毫米波相控阵系统变得更小、功能更强大,也更加高效,能够把信号引导到需要更多带宽的区域。本应用采用了 Qorvo 的高效率 0.15 微米 GaN-on-SiC 技术,让用户能够更高效的达到更高的 EIRP 级别,同时最小化阵列尺寸和功耗,从而降低系统成本。

Qorvo IDP事业部总裁 James Klein 说:“Qorvo 利用我们具有悠久历史的毫米波技术,让 5G 成为现实。三十年来,我们一直在解决点对点、卫星通信和国防行业采用的集成电路所面临的功率、尺寸和效率挑战,这些努力促成了如今 Qorvo 的 5G 创新。我们的 GaN 技术被用于进行数十次 5G 现场试验,而这个新模块将进一步减小尺寸和功耗,对于对毫米波频率产生关键影响的超小阵列,这一点至关重要。”

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