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射頻原理

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為何要用GaN技術來實現5G通信?這些特性是關鍵!

在射頻和功率應用中,氮化鎵(GaN)技術正日益盛行已成為行業共識。

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GaN器件分為射頻器件和電力電子器件,射頻器件產品包括PA、LNA、開關器、MMIC等,面向基站衛星、雷達等市場;電力電子器件產品包括SBD、常關型FET、常開型FET、級聯FET等產品,面向無線充電、電源開關、包絡跟蹤、逆變器、變流器等市場。而按工藝分,GaN器件則分為HEMT、HBT射頻工藝和SBD、Power FET電力電子器件工藝兩大類。

目前,射頻市場主要有三種工藝:GaAs,基于Si的LDMOS,以及GaN 工藝。GaAs器件的缺點是器件功率較低,通常低于50W。LDMOS器件的缺點是工作頻率存在極限,最高有效頻率在3GHz以下。GaN則彌補了GaAs和Si基LDMOS這兩種傳統技術的缺陷,在體現GaAs高頻性能的同時,結合了Si基LDMOS的功率處理能力。

在射頻PA市場,LDMOS PA帶寬會隨著頻率的增加而大幅減少,僅在不超過約3.5GHz 的頻率范圍內有效,采用0.25微米工藝的GaN器件頻率可以達到其4倍,帶寬可增加20%,功率密度可達6~8 W/mm(LDMOS 為1~2W/mm),且無故障工作時間可達100 萬小時,更耐用,綜合性能優勢明顯。

5G帶動GaN崛起

傳統上,LDMOS技術在無線基礎設施領域占主導地位,但這種情況是否正在發生變化?這個問題的答案是肯定的。

由于5G需要大規模MIMO和Sub-6GHz部署,需要使用毫米波(mmWave)頻譜,而這將要面對一系列的挑戰。GaN技術可以在sub-6GHz 5G應用中發揮重要作用,有助于實現更高數據速率等目標。高輸出功率、線性度和功耗要求正在推動基站和網絡OEM部署的PA從使用LDMOS技術轉換到GaN,GaN為5G sub-6GHz大規模MIMO基站應用提供了多種優勢:

· GaN在3.5GHz及以上頻率下表現良好,而LDMOS在這些高頻下受到挑戰。
· GaN具有高擊穿電壓,高電流密度,高過渡頻率,低導通電阻和低寄生電容。這些特性可轉化為高輸出功率、寬帶寬和高效率。
· 采用Doherty PA配置的GaN在100W輸出功率下的平均效率達到50%~60%,顯著降低了發射功耗。
· GaN PA的高功率密度可實現需要較少印刷電路板(PCB)空間的小尺寸。
· 在Doherty PA配置中使用GaN允許使用四方扁平無引線(QFN)塑料封裝而不是昂貴的陶瓷封裝。
· GaN在高頻和寬帶寬下的效率意味著大規模MIMO系統可以更緊湊。GaN可在較高的工作溫度下可靠運行,這意味著它可以使用更小的散熱器。這樣可以實現更緊湊的外形。

構建RF前端(RFFE)以支持這些新的sub-6GHz 5G應用將是一項挑戰。RFFE對系統的功率輸出、選擇性和功耗至關重要。復雜性和更高的頻率范圍推動了對RFFE集成、尺寸減小、更低功耗、高輸出功率、更寬帶寬、改善線性度和增加接收器靈敏度的需求。此外,收發器、RFFE和天線之間的耦合要求更嚴格。

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5G sub-6GHz RFFE的一些目標,以及GaN PA如何幫助實現這些目標呢?具體包括如下:

· 更高的頻率和更高的帶寬:5G使用比4G更高的頻率,并且需要更寬的分量載波帶寬(高達100 MHz)。GaN-on-Silicon-carbide(GaN-on-SiC)Doherty PA在這些頻率下實現比LDMOS更寬的帶寬和更高的功率附加效率(PAE)。GaN器件的更高效率,更高輸出阻抗和更低寄生電容允許更容易的寬帶匹配和擴展到非常高的輸出功率。

· 在更高數據速率下的高功率效率:GaN具有軟壓縮特性,使其更容易預失真和線性化。因此,它更容易用于數字預失真(DPD)高效應用。GaN能夠在多個蜂窩頻段上運行,幫助網絡運營商部署載波聚合以增加頻譜并創建更大的數據管道以增加網絡容量。

· 最大限度地降低系統功耗:我們如何滿足5G的高數據率要求?我們需要更多基礎設施,例如數據中心,服務器和小型蜂窩。這意味著網絡功耗的整體增加,從而推動了對系統效率和整體功率節省的需求,這似乎很難。同樣,GaN可以通過提供高輸出功率以及提高基站效率來提供解決方案。

以上內容來源:半導體行業觀察翻譯自「Microwaves & RF」

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上圖顯示了一個示例性sub-6GHz RFFE的框圖,該RFFE使用了Doherty PA設計來實現高效率。新產品方面,2018 年12月,Qorvo發布了行業首款28GHz的GaN前端模塊QPF4001,擴大了其5G 業務范圍。在基站設備制造商涉足5G 之后,這款新FEM 可以幫助他們降低總體系統成本。

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28 GHz 頻段是早期基于5G 的固定無線接入(FWA) 部署的首選頻段,使運營商能夠滿足5G 對速度、延遲、可靠性和容量的要求。QPF4001 FEM 在單個MMIC 中集成了高線性度LNA、低損耗發射/接收開關和高增益、高效率多級PA。針對5G 基站架構中間隔28 GHz 的相控陣元件,對緊湊型5x4 毫米氣腔層表貼封裝進行了優化。

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Qorvo 的新款GaN FEM 讓毫米波相控陣系統變得更小、功能更強大,也更加高效,能夠把信號引導到需要更多帶寬的區域。本應用采用了Qorvo 的高效率0.15 微米GaN-on-SiC 技術,讓用戶能夠更高效的達到更高的EIRP 級別,同時最小化陣列尺寸和功耗,從而降低系統成本。

Qorvo IDP事業部總裁James Klein 說:“Qorvo 利用我們具有悠久歷史的毫米波技術,讓5G 成為現實。三十年來,我們一直在解決點對點、衛星通信和國防行業采用的集成電路所面臨的功率、尺寸和效率挑戰,這些努力促成了如今Qorvo 的5G 創新。我們的GaN 技術被用于進行數十次5G 現場試驗,而這個新模塊將進一步減小尺寸和功耗,對于對毫米波頻率產生關鍵影響的超小陣列,這一點至關重要。”

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*Qorvo 目前擁有廣泛的GaN 工藝技術,可用于制造5G 應用產品


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