GaN將在5G通訊應用中實現哪些創新?

作者 : Roger Hall,Qorvo高性能解決方案業務部門總經理

本文將介紹一些即將問世的GaN創新技術,並預測未來幾年這些創新技術對通訊基地台供電帶來的影響。

氮化鎵(GaN)當紅,但人們似乎很容易忘記GaN是一種相對較新的技術,仍處於發展初期,還有很大的進步與改善空間。本文將介紹一些即將問世的GaN創新技術,並預測未來幾年這些創新技術對通訊基地台供電帶來的影響。

功率密度

我們預期在未來3~5年內,GaN已經很強大的功率密度將進一步提升。如今已有方法利用GaN實現更高的功率密度,但成本極高,從商業角度而言還不可行──例如將GaN置於鑽石而非碳化矽(SiC)基板上,此方案雖然可行,但其高昂成本運用在基地台上並不實際;目前仍有其他具成本效益的製程技術正在研發中,可望在未來幾年提升該種材料的原始功率密度。

這對5G基礎建設應用市場來說特別具吸引力,因為可實現成本更低、效率更高、頻寬更大的基地台。其他產業也對此表現出濃厚的興趣,像是雷達(radar)應用領域,因為該應用致力於在既定空間內產生更大功率和效率。隨著GaN在那些子應用市場的大幅成長,其經濟規模將不斷擴大,價格也將持續下降。

線性度

毫無疑問,在基地台領域中,GaN半導體產業的首要考量因素是提高線性功率(linear power),相關研發都聚焦於如何在未來幾年內提升線性效率。在此同時,我們預計在未來3~5年內,基地台的調變方案不會出現顯著變化。

調變方式可以分解為每Hz所傳輸之資料位元量的簡單運算,無論採用256 QAM還是1024 QAM,系統都將於每Hz頻寬取得一定數量的位元數;如果這些數字不會發生顯著變化,那麼從系統中產生更多位元數的理想方法就是提高線性效率。

但這並非表示不能透過提高基礎設備的功率來解決問題,即使未實現線性度改善,功率放大器(PA)的整體功率仍可帶來訊號改善。此外因為所需系統功率更低、天線陣列更少,這種方法還有助於設計人員減少系統複雜性。雖然額外功率或二級(second-level)解決方案確實有效,但產業界GaN供應商的目標在於減小陷阱效應(trapping effect),以儘量簡化系統。

溫度

基地台的溫度將隨時間的推移而不斷上升。五年前的標準是將設備溫度設定為 85℃。廠商已經將之提高至 105℃,並預期基地台設計者會被要求將適應溫度調高至125℃。而大多數GaAs元件的最高運作溫度為 150℃,因此只有25℃的溫升範圍。

未來GaN 供應商必須與系統設計者密切合作,以尋求創新方法讓嵌入式裝置保持低溫狀態。對於包含大規模(massive) MIMO陣列的小型室外裝置而言,這種壓力將更為嚴峻。目前確實存在創新的解決方案,但成本效益不高,預期在未來幾年內這種情況將有所改變。

全面性解決方案

每一家GaN供應商都在精進GaN元件的線性效率、功率密度和可靠性,同時減小陷阱效應、電流崩塌(current collapse)效應和電流漂移(current drift)等引起的負面影響。以上目標在一定程度上能於元件層級實現,但為發揮全部潛力,基地台射頻前端(RFFE)系統應與整體架構鏈同步發展,我們看到在這個領域有許多前瞻研究。

隨著產業從LDMOS轉向GaN解決方案,同步發展尤其重要。二者所採用的技術完全不同。並非簡單地改用GaN PA就能將效率提升10%,因為系統問題和解決方案各不相同,針對LDMOS最佳化的基地台可能不適用GaN PA,反之亦然。針對GaN基地台系統的最佳化應該是全面性的。

GaN基地台系統已開始投入使用,並且因為性能優勢,預計在未來幾年得到更廣泛的應用。與供應商攜手縮小整體設計差距的嵌入式設計者將會躋身產業領導者;廠商當然會認為自己已經在使用系統級方法,我們並不否認這一事實,但隨著射頻鏈更智慧且整合度越來越高,我們將會有更進一步的收穫。

智慧射頻和人工智慧

減輕陷阱效應對於所有半導體材料而言都是一大問題,GaN也不例外。高速開關應用可能會為GaN功率放大器創造極具挑戰的陷阱環境。由於PA行為取決於PA先前接收的訊號,因此解決這些陷阱效應問題可能十分複雜。傳統方法著眼於實體層,一直延伸至基板,從而確定導致問題行為的原因。目前的技術還不能徹底減輕陷阱效應,但相關人員仍在不斷進行研發。

另一種方法是採用軟體演算法預測導致陷阱效應的變化,在深入瞭解既定條件的前提下,透過智慧RF控制器,裝置有可能辨別流量模式並預測下一個活動高峰。或者辨別活動的下降並更改控制器層面的內容,從而降低功耗。這種方法早在許多年前於基地台中實現,但人們仍在不斷努力改進這項技術。

基於以上情況,廠商開始考慮在無線電層面運用人工智慧,讓RFFE系統能夠隨著時間推移自我最佳化。在理論上,如果現場無線電輸出發生故障,RFFE系統能自行識別錯誤,並從中「學到教訓」,然後下一次就能避免一系列可能導致故障的事件,甚至可能修復故障。如此一來就不需要向營運商通報故障、出動工作人員前往基地塔台解決一些小問題。可以想見,這樣可避免大量的停機時間與支出。

期待6G

儘管5G仍在開始營運的初期階段,有關6G通訊的討論已經開始。初期預測顯示,在遠超過100GHz的頻段上可實現6G,而眾所周知這正是GaN可以支援的頻段。6G解決方案極有可能不會採用傳統小基地台模式進行部署,但無論採用何種形式,我們相信GaN在高頻和大頻寬下的效率將使其成為實現6G的關鍵元素。

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌簡體中文版2021年4月號

責編:Judith Cheng

(參考原文:5G and GaN: Future innovations,By Roger Hall ;本文出自EE Times姊妹網站,ASPENCORE旗下Embedded.com)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2021年4月號

 

 

 

 

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