用于 5G 应用的基于 GaN 的无线电力传输

5G 支持大量数据，显着降低延迟，并提供越来越大的带宽覆盖范围，以支持变得更加庞大的物联网。

5G 是准备为物联网提供动力的最新一代网络。运行 5G 的网络将比现有的 4G 网络快 20 倍，使视频下载速度提高 10 倍。氮化镓 (GaN)、碳化硅 (SiC)和砷化镓 (GaAs)等高性能功率半导体在 5G 射频 (RF) 解决方案、无线电力传输 (WPT) 和基站电源。为满足功率要求，OEM 特别转向 GaN。基于 GaN 的电源系统可以提供一个很好的选择来支持数据传输和能效要求的严格要求。

5G 覆盖的好坏取决于许多因素，包括周围环境。5G 信号可能会被墙壁、水塔和其他射频传播障碍物中断。宽带隙半导体、物联网和无线充电支持的技术成熟将共同为5G基础设施创造更多技术创新。

氮化镓技术

与硅相比，GaN 的主要优势在于其功率密度更高。这是由于导带和价带之间的间隙高于 LDMOS 技术，从而提供更高的击穿电压。高功率密度允许信号远距离传输，扩大基站的覆盖范围。它还支持更小的外形尺寸，在 PCB 上需要更少的空间。因此，设计人员可以在更小的空间内拥有更大的功率，从而降低成本。

高密度特性使得5G中使用的功率放大器（PA）可以在高温下工作，从而减少散热器的使用。GaN 的效率最大限度地降低了网络功耗，同时降低了耗电的大规模 MIMO 系统所需的能量。这种提高的效率 - 结合实现高达 100 GHz 的工作频率、低寄生电容（与 LDMOS 相比）以及负载和输出功率方面的可扩展性的能力 - 为 GaN 器件提供了与宽带系统的自然匹配。

5G和电源管理

为了满足更低功耗、更小尺寸和更好热管理性能的需求，基于 GaAs、GaN 和 SiC 技术的射频功率放大器在 4G 出现期间开始引领潮流。GaN 有望因其改进的功率性能而成为市场主流。GaN 继续争夺市场份额，通过缩小与其他更老的硅基技术之间的差距来解决市场所需的许多技术挑战。

近年来，基于磁共振的 WPT 技术（例如 AirFuel1）因其高工作频率 (6.78 MHz) 和提供位置灵活性、大间隔距离和多设备充电功能的能力而出现。无线技术是众所周知的，但发射机的设计、它们的位置、最大化效率的可能性以及验证整个系统的行为代表了需要使用复杂工程解决方案的复杂挑战。

5G 网络的出现将见证大带宽毫米波频率的使用。在固定无线接入 (FWA) 应用中，外部网络单元需要来自内部电源线和适配器的电源。WPT系统可以代替有线解决方案，用于外部网络单元的电力传输，也可以用于5G微型基站和IP摄像机和光网络终端（光纤到户）等物联网设备。

传统的 WPT 系统由带有 PA 的恒流 RF 源和用作具有特定特性的发射器 (Tx) 和接收器 (Rx) 的线圈组成。在接收器侧，全桥整流器将耦合的射频功率转换为直流信号。GaN 技术器件提供了一种 PA 解决方案，它可以在非常宽的阻抗范围内提供超过 80% 的端到端效率，与有线系统相当。

必须通过提供高耦合系数 (Q) 来优化耦合线圈。发射器线圈的 Q 值应足够大，以实现高互耦因子，从而将更多功率传输到墙壁的另一侧。根据GaN Systems团队的计算，200 × 200 mm 的典型尺寸足以在 250 mm 的距离传输功率。GaN Systems 的工程师使用了 EF2 类放大器拓扑以及 T 型加 PI 型阻抗匹配的组合。

用于此应用的 200 × 200-mm Tx 线圈有 5 匝，轨道宽度为 4 mm，均匀间距为 3 mm 以平衡热性能，如图 2 所示。此应用的 Tx 和 Rx 线圈为相同的大小。

根据品质因数 (FOM；表示为U )分析线圈，该品质因数由耦合因子k与线圈质量值乘积的平方根 (√[ Q1 × Q2 ])的乘积定义。在这种情况下，Q1 = Q2。对于 200 毫米间隙，当U为 14时，线圈到线圈的效率超过 87% ，并且优化的 Tx 和 Rx 阻抗均约为 30 Ω。使用此等式计算效率，如图 3 所示：

图 2：Tx 线圈和硬件（采用 GaN 的 5G）

图 3：效率与 FOM

技术正在显着发展。GaN 器件正在取代市场上的 LDMOS 器件，尤其是在 5G 电信基站、雷达和航空电子设备以及其他宽带应用中。通过专用射频传输的无线电力传输在物联网应用中越来越流行。波束成形是 WPT 技术的圣杯，因为它可以将更高的信号质量传送到接收器，而无需增加传输功率。在此之前，高频谐振技术将提供有针对性的用户体验。

审核编辑 黄昊宇