谈谈 5G 毫米波技术及基站解决方案

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自 2015 年开始,网络逐渐从 4G 网络往 5G 网络过渡,当中最明显的一个变化就是网络频率的增加。在 4G 时代,我们主要使用的 2.6GHz 及以下的频率,而到了 5G 时代,频段已经扩展到 Sub 6GHz,毫米波的到来更是将网络频率提升到 28GHz、39GHz 等更高频段。

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进入 5G 时代,另一个明显的变化就是频宽的增加。在 4G 时代,网络的带宽都是 2×20MHz,到了 5G 时代,频宽则获得了大幅提升。例如 3.5GHz 网络的带宽就已经高达 200MHz,有些 OEM 厂商更是带来了 300MHz 和 500MHz 这样的带宽。毫米波的引入更是可以将网络带宽扩展到 2GHz。

在这种情况下,基站整版效率的改善,也是大家的一个重要关注点。

“要达成设计者的目标,这就涉及 PA 等关键器件的性能提升。在 4G 时代,大家在基站里基本都是用 LDMOS 的 PA,而进入 5G 时代,大家都将目光投向了适用频段更高,效率更优的 GaN PA。”Qorvo 无线基础设施事业部工程师经理荀颖(Jenny Xun,以下都用 Jenny)说。她进一步指出,从产品形态上看,5G 的基站较之以往网络的同类产品有了前所未有的转变。在 4G 时代,基站的布置都是以宏基站搭配微基站配置为主流。但进入 5G 时代,基站形态更加多样化。sub 6G mMIMO,室内小基站以及 mmWave 基站将会在其中发挥重要的作用,这也给厂商们带来了机会。

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“天线阵列的变化则是 5G 的另一个明显转变。在 4G 时代,基站最多使用 8×8 的阵列,但到了 5G,阵列扩展到 32×32,甚至 64×64,有些毫米波应用场景的天线阵列更高。”Jenny 说。

在这些技术转变背后,伴随而来的是相关市场需求的增长。

如上图所示,5G 带来了各种各样的需求,其中毫米波 RU 的出货量更将获得明显的增长。下图则给我们带来了这个市场的详细表现。

从地域上看,在 2025 年之前,主要以北美市场为主,这与美国现在已经商用了 5G 毫米波有很重要的关系。而在 2025 年之后,我们可以看到,随着中国、日本和韩国的加大投入,亚太地区将会迎来 5G 毫米波 RU 的爆发。下图还从功率和架构这两个不同角度,展示了 5G 毫米波 RU 的发展趋势。

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Jenny 在会议上指出,按照发射功率和扫描角的需求,我们可以把 5G 毫米波的应用分成以下几种:一种是高功率的城市宏基站,这种场景下对 EIRP 的要求很高,达到 65dBm。其对垂直和水平的扫描角度也有严格要求;另一种用例则是面向农村的高功率宏基站,这种用例同样有高功率的 EIRP(65dBm),但在这种用例下,对垂直方面的扫描要求没那么高;第三种是低功率的室外宏基站,其 EIRP 需求只有 45dBm;此外,还有一种是室内的小基站和 Repeater,这种用例对 EIRP 的需求范围是 45dBm 到 52dBm。

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“我们可以做出预测,网络覆盖永远是领先于容量需求的。为此我们需要先解决 5G 毫米波的信号覆盖需求,才有可能迎来市场容量的提升。”Jenny 说。

Jenny 进一步表示,从下图,我们可以看到 Sub-6GHz 和毫米波的混合组网形态。当中 Sub-6GHz 网络是用来保证网络覆盖和基本的连接,让人无论走到哪里都能获得 5G 信号。频率大于 6GHz 的毫米波频段则是用来满足如体育场、大型商场和飞机场等大吞吐量的应用场景。

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“面对 5G 的多样化布网需求,Qorvo 的多样化产品布局能够给开发者提供全方位的支持”,Jenny 说。从她的介绍我们得知,首先在工艺上,Qorvo 能提供包括 GaAs、GaN、BAW、TC-SAW、SOI、SiGe 和 CMOS 等在内多种工艺,可以制造满足 5G 频段需求的各种射频器件;来到封装方面,Qorvo 同时还有塑封、空腔等封装技术,满足各种器件的不同封装需求。

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接下来,我们以 5G 给 PA 设计带来的挑战为例,说明 Qorvo 在射频领域方面的实力。

如下图所示,随着网络的演进,信号带宽大幅度提升,这就给 PA 的线性提出了更高的要求。在这个过程中,PAR 也在同步增加,要在这种情况下保证信号回退的效率,这同样给 PA 的效率提出了更高的要求。此外,因为载波聚合、热功耗和尺寸的需求,5G 给 PA 设计带来了前所未有的新挑战。

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“为此,我们不但要求 PA 拥有更高的效率和频率,同时还要求有更大的视频带宽,同时还需要有更好的宽带线性化技术。在这种场景下,GaN PA 就能发挥重要作用”,Jenny 说。

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如上图所示,运营商在实际工作中,希望拥有更低的运营成本、更低的资本支出、更高的可靠性、更高的数据吞吐,这正是 GaN 解决方案所具备的。从下图,我们更是看到基站在不同场景下对不同工艺的需求,作为一个行业专家,Qorvo 能够提供全面的技术覆盖,帮助客户解决相关问题。由此图也可以看到 GaN PA 在 5G 时代的重要意义。

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熟悉 GaN 的读者应该知道,当前的氮化镓器件有不同的衬底,其中 Qorvo 专注的 SiC 基 GaN 在 PA 应用上拥有巨大的价值,当中就包括了高效率、高带宽和协助打造小尺寸设备的特点。这主要与 SiC 基 GaN 拥有更低的寄生电容、更低的 RF 损耗、更高的击穿电压和更好的热传导性有关。Qorvo 的 GaN 器件,则能更好的体现上述的 GaN 优势。Qorvo 还能根据不同的应用场景需求,提供不同的方案以供选择,这从下图可以看到。

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“基于这些技术布局,Qorvo 能够为客户提供覆盖多个频段的,包括 FEM、PA、开关和 LNA 在内的各类产品。此外,技术更优的集成化方案也是 Qorvo 发力的一个方向。这些方案在成本上和功耗上有独到的优势,也能帮助客户更快地把产品投入市场,这恰好都是客户所需要的”,Jenny 在会议上指出。

3.11

从发展历程上看,Qorvo 的 PA 已经进行了多次的演进,那么驱使其进步的背后驱动力是什么?在谈到这一点的时候,Jenny 表示,这主要与公司对 PA 要达成的目标有一贯的坚持——那就是希望公司的 PA 能够拥有高功率和高效率,用较小的阵列去实现高 EIRP,进而带来更大的覆盖范围。所以,实现较小的阵列尺寸和更小的整板功耗,是 Qorvo 做产品研发的时候所重点关注的。

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“同时拥有高输出功率和高效率,是我们对 PA 的最根本要求”,Jenny 强调。而从下面的两个图的对比,我们更清楚了解了 Qorvo 产品的优势。

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从上面的介绍我们可以得出结论,GaN 在射频应用中有其他材料无法比拟的优势,通过不同材料的对比,我们能更清楚看出了这种材料的领先。

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作为一个领先的射频系统方案供应商,Qorvo 面向 5G 毫米波需求提供了领先的 PA、FEM 和 LNA 等射频器件产品。针对不同的应用场景,Qorvo 也能提供不同的解决方案。

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来源: Qorvo半导体

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