碳化硅上的氮化镓为5G铺平了道路

电信行业负责连接全球数十亿人和数百万企业。电信业的增长是基于新技术，使连接能够为客户提供新的和有吸引力的功能，并证明升级和扩展蜂窝网络基础设施的投资是合理的。随着早期4G LTE技术支持的数据通信的出现，通信服务的爆炸式增长使手机和蜂窝网络在整个发达国家无处不在。下一代电信技术5G有望带来另一场超越通话，短信和简单互联网的连接服务革命，并可能迎来真正的信息时代。

为了提供实现这些新应用要求所需的吞吐量和可靠性，需要新技术。实现这种下一级连接的部分问题是在更高频率下发送和接收高质量RF信号的成本和复杂性，同时在同一区域内为数量级或更多的其他用户设备提供服务。可以帮助应对这些挑战的两项关键使能技术是碳化硅氮化镓（GaN-on-SiC）功率放大器和大规模多输入多输出（mMIMO）天线。

本文旨在为读者提供与将服务和基站从4G升级到5G就绪和5G技术相关的需求变化和设计挑战的背景。讨论中包括一些关键细节，这些细节解释了mMIMO天线如何成为新常态，以及新的通信技术（如GaN-on-SiC功率放大器）对于部署符合5GPP规范和用户不断增长的期望的3G服务至关重要。

5G基站趋势

许多人可能认为，现在5G的推出已经开始，4G技术即将淘汰。事实并非如此，因为仍有计划向许多采用较旧4G / 3G技术的地区提供4G服务，并升级和维护4G服务，为未来的5G基站安装做准备。为4G构建的网络基础设施也有可能继续使用并合并到5G部署中，就像2G和3G合并到4G服务中一样。因此，4G技术仍有市场，包括用于4G蜂窝频段的LDMOS功率放大器。

然而，5G服务的建设还需要新技术和新方法，以满足高度拥挤地区每秒数百兆比特（Mbps）吞吐量的5G期望，同时提高可靠性并减少延迟。因此，关于大规模5G部署的大部分讨论和规划都涉及安装小型蜂窝，这些小型蜂窝在整个城市和郊区分布得更加密集。此外，目前有4G系统正在从2T2R和8T8R MIMO升级到32T32R和64T64R mMIMO天线，以期利用mMIMO技术来帮助升级4G服务，以满足5G期望，然后才能部署全频谱5G（sub-1 GHz，sub-6 GHz和毫米波频谱）。

这些新的5G基站和5G就绪的4G升级需要更多的天线元件，以及更多的蜂窝发射器。为了将这些新型mMIMO天线的尺寸和重量保持在最小，需要仔细设计和选择RF组件。减小 mMIMO 天线尺寸和重量的常见设计决策是用具有嵌入式射频硬件的组合 4G/4G mMIMO 天线替换现有的 5G 天线。这种类型的致密化可以大大降低成本，特别是当它涉及塔空间和风荷载费用时，但它的代价是需要更高功率密度的RF发射器，这些发射器必须非常可靠，以减少由于组件故障而导致的维护和服务故障增加的可能性。

虽然这些担忧对于6 GHz以下的5G系统很重要，但对于当前的原型和未来的毫米波5G系统来说，它们甚至更令人担忧。即使对于低于 6 GHz 的 5G 系统，3.5 GHz 至 5 GHz 5G 新无线电 （NR） 蜂窝频段也比低于 4 GHz 的 3G 蜂窝频段经历更大的频率相关射频损耗。这些更大的损耗还伴随着对放大器效率的需求，以解决最新通信技术中使用的更复杂和更高的峰均功率比（PAPR）调制信号。因此，对RF功率放大器的需求更大，这些放大器能够在几千兆赫的带宽上提供高效率，即使在承受更高功率密度的同时也表现出高可靠性，并且具有成本效益和足够小，可以组装成带有嵌入式硬件的紧凑型mMIMO天线。

5G 射频前端规格

mMIMO 5G 天线系统具有与 4G 许多相似的性能考虑因素，但增加了许多考虑因素和限制以及更严格的性能标准。由于 mMIMO 发射 和 接收 天线 放置 在 如此 近 的 位置， 因此 会 更加 考虑 性能 因素， 例如 隔离 和 相邻 信道 功率 比 （ACPR） / 邻 道 泄漏 比 （ACLR）。ACPR/ACLR 是衡量发射器向相邻无线电信道泄漏功率的指标。ACPR/ACLR的主要因素是发射器功率放大器的线性度。线性度更高的功率放大器将表现出更少的失真，从而导致相邻通道中出现的失真产物更少。

功率放大器的线性度和失真（特别是幅度失真和相位失真）对深度调制的通信信号有其他影响。即使满足满足FCC或全球其他电信法规所需的传输模板外，过度失真也会导致功率放大器降低自身的传输性能。误差矢量幅度（EVM）是衡量星座点与理想值偏差的指标，是由功率放大器非线性、相位噪声和放大器噪声引起的。因此，使用功率放大器技术至关重要，即使在高负载和高温度下也能保持高标准的线性度和噪声。

然而，更线性的功率放大器不一定能提供更好的隔离指标——发射器到发射器、发射器到接收器或接收器到接收器。高隔离度对于 mMIMO 系统至关重要，可以防止来自其他空间复用信号的不需要的信号出现在附近的 MIMO 天线元件中。尽管与5G技术一起使用的时域双工（TDD）不太容易受到发射器到接收器隔离因素的影响，但这仍然不能解决发射器到发射器或接收器到接收器的隔离问题。为了解决隔离问题，必须仔细设计电路和封装，这只有在大型和高功率元件（如发射器PA）足够紧凑和通用，足以允许旨在满足严格隔离要求的创造性配置的情况下才有可能。

其他功率放大器考虑因素包括低电流消耗和高功率附加效率（PAE）。由于 mMIMO 天线 系统 需要 发射 器 和 接收 器 阵列， 每 个 元件 的 功耗 和 效率 已 成为 关键 的 性能 标准。随着未来的5G推出计划包括在整个城市和郊区环境中放置大量密集网络，从宏蜂窝塔到建筑物的侧面/顶部和电线杆，再到路灯和隧道/地铁结构，这种影响被放大了。随着更多5G基站的规划，降低整体功耗的压力更大，其中发射器的功率放大器是功耗最高的组件之一。

在相同的输出功率下，高PAE放大器可降低总能耗，但也具有其他有益效果。较高的PAE还表明放大器产生的热量较少，因为更多的放大器功率用于增益信号能量并且不会转化为废热。更少的废热还具有需要较少的散热材料的好处，这可能会大大增加变送器组件的重量、尺寸和成本。此外，较低的发热也会导致较低的工作温度，对于半导体来说，这通常会导致更长的使用寿命，甚至在高负载情况下甚至更高的线性性能。

5G 发射机要求

上述射频前端规范对5G发射器，尤其是与mMIMO天线系统一起使用的5G发射器提出了重大限制。这就是为什么有广泛的研究和行业努力来开发功率放大器技术，以满足5G工作条件下和新的5G频谱下的这些严格要求。传统的功率放大器技术，如横向扩散金属氧化物半导体 （LDMOS） 和砷化镓 （GaAs） 功率放大器技术，无法满足 5G mMIMO 系统所需的功率密度、能效、线性度和成本/空间要求。

对于GaAs放大器，这些器件非常适合低噪声接收器应用，但具有低带隙电压。这意味着GaAs放大器必须具有较低的工作电压，这使得获得高功率密度具有挑战性，而GaAs放大器在较高功率水平下效率较低。结果是一个更热、功耗更高的设备，这对于要求在更高效率水平下实现更高功率密度的 5G mMIMO 应用来说吸引力较小。

虽然LDMOS放大器用于3 GHz以下的高功率应用已有一段时间，但LDMOS放大器的导热性也相对有限，并且在较高频率下的效率相对较差。最终，这导致LDMOS放大器使用更多的功率，并在超过3 GHz的频率下产生更多的热量，同时还牺牲了其他考虑因素，例如线性度和噪声（与大多数材料的温度有关）。

这为新的半导体材料留下了很大的空间，即氮化镓。关于GaN技术在射频应用中的炒作很多，在许多方面，GaN器件导致从远程通信到雷达等设备的性能大幅提高。这是因为GaN在功率放大器品质因数（PAFOM）方面通常优于大多数其他常见半导体材料，即功率密度、可靠性、导热性、线性度和带宽。

GaN半导体有一些细微差别，因为GaN通常在绝缘基板上外延开发。因此，GaN器件可以使用各种衬底，例如蓝宝石，硅（Si），碳化硅（SiC），GaN甚至金刚石。由于工艺成熟度、成本和其他设计限制，用于射频应用的氮化镓通常以硅基氮化镓或碳化硅氮化镓的形式广泛提供。

出于与GaN在高频RF应用中优于基于硅的LDMOS器件的原因大致相同，在5G mMIMO应用中，SiC上的GaN优于Si上的GaN。与硅上氮化镓相比，SiC上的GaN的大部分性能优势源于SiC是一种更坚固的材料，具有更好的导热性和与GaN更好的晶格匹配。这意味着在高负载下，SiC上的GaN可以比Si上的GaN运行得更热，磨损更少，功率效率更高。此外，这意味着对于相同的功率输出，SiC上的GaN功率放大器可能比Si器件上的GaN更小，需要更小的散热器。此外，GaN在SiC上的可靠性已经过美国国防部（DoD）和航空航天应用的全面审查和批准。

结论

4G和5G系统的部署可能会利用mMIMO技术，为对现代通信服务抱有更高期望的客户提供最佳的覆盖范围和容量。与硅基氮化镓和LDMOS技术相比，SiC基氮化镓功率放大器技术为mMIMO系统提供了最佳的性能和成本要求。

审核编辑：郭婷