GaN 技术能否缩小 5G 毫米波的性能差距？

毫无疑问，5G更高的带宽、更低的延迟和更高的可用性使其非常适合一系列应用。然而，较高频段，特别是毫米波 (mmWave)，也给实现这些改进带来了挑战。因此，功率 IC 制造商正在寻求更高效的技术，例如氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 等宽带隙 (WBG) 半导体，以提高这些新网络的性能并降低成本。

毫米波频段能带来什么？

首先，它扩展了无线数据通信的频谱，这有助于增加可传输的数据量并降低延迟，其次，它的速度超快。然而业内人士表示，为了提供 20 Gbits/s 的 5G 高数据速率，需要推出毫米波频谱。

然而，毫米波有几个缺点：距离超短，信号容易被建筑物、墙壁、树木甚至下雨等恶劣天气条件阻挡。

IDTechEx 高级技术分析师，James Edmondson 表示，5G 毫米波的真正好处是高下载速度和低延迟，但缺点是信号传播较差，因为频率较高，很容易被窗户和墙壁阻挡，而且一般距离使其传播更加困难。

虽然传统 LDMOS 半导体等硅技术仍可在较低频率下提供高性能，但毫米波频率将需要可处理高达 100 GHz 范围的基于 GaN 的放大器等 WBG 半导体。GaN 半导体利用其更高的密度和效率以及更低的寄生电容，已经在 6 GHz 以下范围内提供了优势。但 GaN 在全面应用于毫米波网络之前仍面临一些发展挑战。

5G 有两种类型：支持中频（约 3.5 GHz 至 7 GHz）和低频（<1 GHz）的 6 GHz 以下频率（目前已部署在移动网络中）和超高频段（毫米波），通常用于移动网络中。被称为 24 GHz 至 100 GHz 之间，仍处于开发的早期阶段。

IDTechEx 表示，由于其高吞吐量和成本，当今大多数 5G 部署都基于 6 GHz 以下。尽管毫米波速度超快，但部署成本仍然太高，而且在视线方面也有缺点。据市场研究公司称，目前部署了约 100 万个毫米波天线，预计到 2033 年将达到 5000 万个。

什么将加速 5G 毫米波部署？

尽管许多行业参与者表示，5G 毫米波部署还为时过早（主要是因为成本），但 GaN 功率器件将在开发更具成本效益的网络和实现 5G 的承诺方面发挥作用。

快速推进 5G 毫米波的障碍之一是缺乏市场需求。“当 5G 第一次被谈论时，有很多杀手级的潜在应用，比如远程手术和虚拟宇宙，但并不是所有这些都已经起飞，所以目前还缺乏一些市场吸引力，”他说。埃德蒙森.

恩智浦半导体等 GaN 射频功率 IC 供应商也将需求缺乏视为一项挑战。恩智浦提供多种射频功率器件选择，包括硅基氮化镓、硅 LDMOS、硅锗 (SiGe) 和砷化镓 (GaAs) 技术。

射频系统总监，Geoff Tucker 表示：“我们看到的是大量的炒作和兴趣，因为大量的带宽已经可用，而且每个人都争先恐后地推出产品，最初都感到非常兴奋，包括恩智浦。”恩智浦半导体无线电电源业务部门的工程师。“在实际出货量方面，有点失败。我认为它在网络中仍然发挥着作用，但到目前为止，它似乎还没有真正找到自己的定位，无论是移动技术还是固定无线接入。”

然而，他补充说，考虑到大范围的频谱（这是行业的黄金），这项技术如何发展，以及它可能的发展方向是恩智浦感兴趣的。

尽管当今市场需求不足，功率 IC 制造商仍在努力解决最大的技术挑战，包括更高的集成度，以提供高效功率放大器，这将有助于降低功耗并缩小无线电和天线的外形尺寸。基于 GaN 的器件位居榜首。尽管他们中的大多数都在研究碳化硅基氮化镓，但仍有一些针对毫米波的硅基氮化镓的工作正在开发中。

Yole Intelligence 报告了许多围绕硅基 GaN 的活动。Yole Intelligence 射频设备和技术技术和市场分析师 Cyril Buey 表示：“OMMIC 公司正在提议用于 5G 毫米波的硅基氮化镓波束形成器，预计该解决方案将在未来几年渗透到市场中。”隶属于 Yole 集团。“我们还看到初创公司 Finwave 正在为毫米波技术开发 FinFET GaN-on-Si，意法半导体和 GlobalFoundries 也致力于开发 GaN-on-Si 器件，因此在 GaN-on-Si 方面开展了很多活动。”

然而，Yole 对用于 5G 毫米波的 GaN-on-SiC 器件不太乐观。“Qorvo 拥有毫米波频率的 GaN-on-SiC 功率放大器产品组合，但目前在 Yole Intelligence，我们还没有看到使用 GaN-on-SiC 器件的 5G 毫米波产品，”他补充道。

Buey 认为 5G 毫米波应用中的 GaN-on-Si 有空间，但 GaN-on-SiC 则不然，这主要是因为毫米波器件需要高集成度。“最终，碳化硅基氮化镓可能适用于回程应用，也适用于毫米波频率，其中系统架构更简单。”

为什么将 GaN 用于毫米波？

业界众所周知，SiC 和 GaN 比硅功率器件具有多种优势，包括更低的开关和更低的传导损耗。SiC 还可以减少热管理，而 GaN 可以提供更高的开关频率。

GaN 的主要优点是其更高的功率密度，从而可以在相同的性能下实现更小的外形尺寸，从而减小总体系统尺寸。这可以让毫米波基站受益，因为它允许以更大的功率传输信号，从而覆盖更广泛的区域。

Edmondson 表示，LDMOS 在高达 4 GHz 的频率下表现良好，但高于该频率，它的运行效率就开始变得相当低下。“GaN 面临的巨大挑战，尤其是最初，更多的是材料的成本，因此硅技术非常成熟且非常便宜。但由于功率密度高，您可以使用更少的材料，因此需要进行一些权衡。通常情况下，GaN 的价格更高，但最重要的是，人们普遍缺乏该材料的行业经验。”

Tucker 表示：“这里涉及到一些物理原理，但 GaN 的作用是将更多的功率集中到更小的区域，以实现放大器的相同目标，因此，这是一项很好的技术，可以帮助我们提高整体设计的密度。” 。“你仍然需要将所有其他模拟功能放在其中——开关、增益块、衰减器以及我们决定在给定放大器中添加的任何其他东西——但如果能够成功完成，它确实可以帮助我们实现小型化。”

毫米波在视线、范围和信号传播（高损耗）方面的最大挑战需要解决。尽管可以使用大规模 MIMO、微型天线阵列和智能有源中继器等技术来解决其中一些问题，但其中一些答案将需要改变射频电路和功率放大器。

“当你转向毫米波时，天线会缩小，这会增加每个设备的功率密度，因此设备内天线元件的实际数量会增加很多，”埃德蒙森说。“你可以看到一个封装中的数千个天线元件，这实际上意味着每个放大器的功率需求下降。我认为这是我们尚未看到 GaN 在毫米波 5G 中得到广泛采用的一个重要原因。如果可以不使用现有的硅技术，那么这可能会是更简单的方法。

“未来毫米波将更多地采用 GaN，但它确实面临一些额外的挑战，例如组件集成以及实际上每个放大器的功率需求较少，”他补充道。

最终，技术的选择（基于硅或基于宽带隙）取决于应用。“对于天线设计，放大器的规格才是卖给我的，”埃德蒙森说。但与此同时，如果 GaN 器件需要在电路板上安装或处理热管理方面进行额外的工作，那么这些显然是设计上的权衡，他补充道。

塔克说，第一个设计挑战是无线电本身的架构以及其中加入的功能集，因为它仍处于非常早期的阶段。

塔克说，第一代无线电本质上是纯线性的，放大器末级没有利用行业其他地方的高效技术。“这种情况正在慢慢改变，你开始看到这些高频无线电的效率更高的架构和数字预失真即将上线，但它仍然非常简单。它远不如成熟的通信系统那么成熟。”

他补充说，目前的趋势是提高功率和减少传输路径，这对于 GaN 及其在高频方面的实际用途非常重要。

塔克还指出成本是一个设计挑战。“我们看到这些毫米波无线电采用了一种简单的架构，纯粹是模拟波束成形，这可能不是首选的方式。这当然不是我们在 6 GHz 以下使用的。”

塔克解释说，原因很简单。他补充说，这些高阶类型的发射机具有大量模拟功能，与现代无线电中使用的数字前端进行了大量集成和配对。

恩智浦半导体无线电电源业务部门的设备工程博士， Christopher Dragon 总监说：“恩智浦目前使用的碳化硅基氮化镓 (GaN-on-SiC) 将非常有竞争力，并且在高达 30-40 GHz 的频率下工作得非常好，但超过 40 GHz，您将开始失去一些‘卓越’的效率”。

尽管在较高频率范围内面临一些挑战，但 Christopher Dragon 相信，基于寻求扩展频率范围的行业研究，碳化硅基氮化镓 (GaN-on-SiC) 仍将发挥作用。研究和讨论的一个领域是 N 极 GaN-on-SiC。“我认为这项研究将引导我们走向一个行之有效的方向，”他说。

Christopher Dragon 表示，多年来统治基站行业的硅 LDMOS 在大约 2-3 GHz 时开始失去效率，而这正是向 GaN 过渡的地方。“我发现 30 至 40 GHz 范围内的 GaN-on-SiC 会出现这种情况（效率损失）。”

Christopher Dragon 说，随着频率的升高，由于设备中的所有寄生效应，您开始失去效率，这就是消除该技术可用性的原因。“这就是你在尝试设计功率放大器时遇到问题的地方。你确实需要这些东西才能高效运行，并且需要它们是线性的。功率附加效率将会让您满意。”

设计人员还必须考虑热管理

Christopher Dragon 表示：“GaN 很棒：设备中每毫米外围都有很高的功率密度，而且确实能产生瓦特功率，但你必须管理所有热量，这就是 SiC 如此重要的原因。” 。“通常情况下这非常好，但当你接近这些毫米波时，实际上由于几个原因，关于转向硅基氮化镓存在很大的争论。一是你不再需要 SiC 来散热，而且硅将比 SiC 上的 GaN 便宜得多。”

“在这些无线电中，散热仍然是需要重点考虑的问题，因为每瓦面积问题需要解决，并且整个无线电的热设计仍然非常重要，并且是设计人员需要重点考虑的问题，”塔克补充道。

Christopher Dragon 表示，单片微波集成电路（MMIC）在更高的频率下也将变得更加重要。他补充说，集成所有这些不同的组件，使它们更具可重复性和可靠性，在更高的频率下将变得非常重要。

“在越来越高的频率下，集成变得很重要——我们不能使用传统的芯片和电线互连，”塔克表示同意。“如果我们采用 GaN-on-SiC 并进行成熟的 MMIC 类型的设计，那将非常昂贵。它对于功率放大器来说可能很棒，但对于这些芯片上的所有其他特性和功能来说却相当糟糕。因此，在更高频率下使用 GaN 的秘诀在于，我们如何将其与另一种技术结合起来，以经济高效的方式支持我们所需的其他模拟功能。”

无论是使用 GaN-on-SiC 芯片和 SiGe 芯片的小芯片类型方法，还是将 GaN-on-Si 集成在更大的芯片上，这一切还有待观察，但这些都是正在开发中的事情。他补充说，正在为解决这一问题进行研究的会议和大学进行了讨论。

“这更难做到，但毫无疑问，随着频率的提高，我们会看到更多这样的事情，”Christopher Dragon说。

“我认为 GaN 在毫米波范围内占有一席之地，”他补充道。“就研发而言，是否会因为集成件而转向 N 极或 GaN-on-Si，这些都是有趣的问题，但我认为 GaN 绝对会存在。但传统的硅 LDMOS 类型根本不会出现。”