为什么说 GaN 越来越重要?

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本文来自Qorvo半导体

在早前于四川成都举办的 2021 中国西部微波射频技术研讨会上,Qorvo 基础建设事业部高级销售经理 Kevin He 发表了一个题为《基于5G 基站的毫米波技术和解决方案》的演讲。

高级销售经理

Qorvo 基础建设事业部高级销售经理 Kevin He

 

在演讲中他首先说道,自 2015 年开始,通信系统开始了快速演进。这主要集中体现在两个方面:一方面是频率不断提高,另一方面是频带不断增宽,这种改变的带来的好处就是能给终端用户带来更高的传输速率。同时,在这个演进过程,也给相关的射频元器件也提出了更高的需求,线性就是其中一个代表。因为你的速率越高,频带越宽,对器件的线性要求就越高。

 

“从数据上看,现在的通信系统能够提供 2Gbps,甚至 5Gbps 以上的速度,这给器件,尤其是射频 PA 方面带来的挑战相当大。”Kevin He 强调。

 2Gbps

 

Kevin He 进一步指出,以国内为例,现在的 5G 都是在 Sub-6Ghz 的频段运行。但因为拥有更高的传输速率,全球都对毫米波有了更高的关注度。伴随着速度的进一步增加,相关器件面临的挑战也明显提升。虽然过去这两年,毫米波发展非常迅猛,但商用的比例并不是很高,这与供应链和器件目前还没有足够成熟有很大的关系。

 Sub-6Ghz

 

据 Kevin He 介绍,从基站侧看,毫米波的使用的使用场景有几种:一种是 EIRP(Effective Isotropic Radiated Power,等效全向辐射功率)为 65dBm 的应用,这是面向城市的、功率比较大的应用的。它对垂直或水平的波束扫描都有要求;第二种功率也是 65 dBm,面向的应用场景是在郊区。因为这种场景对垂直高度楼宇的需求会少一些,所以它基本是一种水平波束扫描、这种情况下对天线阵列数量需求的复杂度会降低;第三种是室内型的低功率应用,这种应用的功率为 45 dBm,相对较小,波束扫描基本上是垂直和水平扫描;最后一种是室内型的小站,其功率从 45dBm 到 52dBm 不等,其天线阵列更简单。

毫米波

 

Kevin He 认为,虽然现在毫米波的需求还比较少,但从市场的发展来看,提前发展相关技术是非常有必要的一个事情。因为毫米波与 Sub6 Ghz 是一个相互补充的关系,其中 Sub-6Ghz 是用来做广域覆盖的,而毫米波则在一些热点、传输回传等应用上有比较大的优势。这两种 5G 技术相互结合为,为客户提供完美的体验。

 

“作为一个拥有晶圆、封装、硬件和软件的全产业链供应企业,Qorvo 能够帮助开发者解决 5G 带来的问题。”Kevin He 说。

晶圆、封装、硬件和软件

 

据介绍,从器件层面看,5G 毫米波带给 PA 的挑战体主要体现在线性度和效率两个方面,因为这是衡量 PA 的两大指标,但这两个指标又是相互抑制的。同时,随着频段更宽、频率更高,这两个指标更难做好。因此如何在设计的过程中在两者之间找好一个平衡,是给相关供应商带来的最大考验。而毫米波的高带宽和高频段,更是提高了实现这个目标的难度。

 PA

 

此外,从 3G 到 5G 的演进过程当中,信号的调制方式都在不断演进,所以信号的峰均比对 5G 器件来说,也是一个比较大的挑战。因为峰均比越高,线性度的要求也更高,带给 PA 的挑战也更大。这就让氮化镓逐渐成为了行业关注的重点。

 

Kevin He 在演讲中透露,在 5G Sub-6 Ghz 频段的早期,氮化镓的应用比例并没有那么高,LDMOS 器件依然是应用的主流。但国内外的供应商都开始密集投入到氮化镓中去,这主要是因为大家看好氮化镓在 5G 的后续发展中将发挥重要作用。

5G Sub-6 Ghz 频段的早期

具体到实际开发而言,因为 5G 的信号更复杂,带宽也很宽,所以我们需要对 PA 的线性度进行校正,在算法上,也需要不断更新。“就目前从算法的层面看,已经有足够的能力去校正氮化镓的 DPD 线性度,这就使得氮化镓在 Sub-6Ghz 频段下的应用比例在最近两年获得了不断提升。”Kevin He 说。

 

据了解,在最早阶段,氮化镓主要应用在军品上,消费电子商用的频率并没有那么高,尤其是毫米波场景中,因为相对出货量没那么高,这就使得氮化镓的成本问题更凸显。但因为 Sub-6 Ghz 频段对氮化镓的广泛采用,这就使得氮化镓的成本有了大幅度的下降,让客户更能接受这个技术。

 

Kevin He 指出,对客户来说,采用氮化镓,也能给他们带来多方面的优势。这首先体现在运营成本上。传统的基站的电费成本给运营商带来了巨大的压力,但氮化镓的应用,可以在这方面带来很好的优化;此外,器件成本、可靠性和高效率也都是氮化镓能给客户带来的提升。

 

“氮化镓带来的以上四点优势,是以前的 LDMOS 或砷化镓等工艺器件所不具备的。”Kevin He 强调。

氮化镓

 

他进一步表示,具体到 PA 方面,氮化镓能带来的提升包括三个方面。首先,能支持更高信号带宽。这是由氮化镓的低寄生容性和高阻等特性决定的;其次,具备更高的效率,这是由其低射频损耗带来的;第三,可以输出更高的功率。在高频段、宽带宽的应用下,想要在提高功率的同时保持更好的线性,对器件要求相当大,而氮化镓的特性,让它们能轻易应对这种挑战。

 

Qorvo 拥有多个工艺,能为不同频率的应用提供相应的氮化镓器件支持,具体特性如下图所示。

 

氮化镓器件支持

 

和传统的砷化镓器件相比较,在同样条件下,氮化镓的寿命和使用时间都比砷化镓高很多。在器件节温来看,氮化镓器件的表现比砷化镓器件高很多。

 

从 5G 基站的需求看来,他们要求器件能支持更多的频段,同时还能做到小型化,这在毫米波时代需要 128T 甚至 256T 的天线阵列的前提下,更是必须的;此外,硬件成本也是限制 5G 基站发展的一个重要因素;最后,功耗也是运营商需要考量的一个关键。

 5G 基站

 5G 基站2

以现在的 Sub-6 Ghz 基站为例,因为运营商要求设备供应商把 32T 的 AAU 做到 10Kg 以下,这就给设备商带来了很大的挑战。因为在其中的散热部分,会给基站的重量下降带来很大的限制。换而言之,只有提高系统的效率,才能优化散热片部分的设计。这就给本身效率高的氮化镓器件带来了机会。得益于其这个优势,设备商就可以减少基站的散热片大小和尺寸,打造能满足运营商需求的基站。

Sub-6 Ghz 基站

 

从天线角度看,如图所示,天线阵列应该采用锗化硅工艺制造。但采用这种工艺设计的天线,输出功率大不了。因为一旦功率过高,器件的效率就达不到。这就意味着在同样的 EIRP 的情况下,所需的天线路数更多。来到砷化镓方面,功率则可以做到相对高一点。氮化镓则可以做到更高。

天线

“对 Qorvo 来说,我们想把器件每一路的功率做得更高,这样的话在相同 EIRP 情况下,天线阵列的路数可以做得更少,同时可以保证同样的总输出功率。减小的天线阵列还能带来成本降低、尺寸和效率等优势。”Kevin He 最后说。

功率做得更高rf21080915

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