為什麼5G基地台RF設計從LDMOS轉向GaN?

作者 : Roger Hall,Qorvo高性能解決方案業務部門總經理

儘管毫米波頻段應用潛力終會顯現,但在未來幾年,5G服務還是會以Sub-6GHz頻段為主流;為此,接下來幾代的基地台設計會需要射頻前端(RFFE)性能的顯著提升。

在先前的文章(為何5G網路需要Sub-6GHz與大規模MIMO?)中,我們討論了要實現全國範圍5G網路覆蓋所需的大規模 MIMO 技術。儘管毫米波頻段應用潛力終會顯現,但在未來幾年,5G服務還是會以Sub-6GHz頻段為主流;為此,接下來幾代的基地台設計會需要射頻前端(RFFE)性能的顯著提升。

工程師進行基地台設計時,也會被要求考量更好的RFFE整合度、縮小尺寸、降低功耗、提高輸出功率、增加頻寬、改善線性度,以及提高接收器靈敏度,這些都是為了滿足收發器、RFFE 和天線之間更嚴格的耦合要求。這是一項艱鉅的任務。滿足這些需求並成功實現大規模MIMO的唯一方法,是在持續擴展的天線陣列中採用高效率、高成本效益的小型功率放大器。

推動Sub-6大規模MIMO發展

自1990年代,橫向擴散金屬氧化物半導體(laterally-diffused metal-oxide semiconductor,LDMOS) 成為RF功率放大器領域的主流技術,且因為其低成本特性,在2GHz以下頻率的應用尤甚。LDMOS最大的競爭對手是砷化鎵(GaAs)放大器,後者適合更高頻率應用,不過傳輸功率較低且成本較高。

2G數位行動網路問世後,LDMOS在射頻基地台領域取得了市場主導地位並維持至今,然而隨著3G和4G網路推出,LDMOS功率放大器卻未能達到前幾代產品的功效水準。儘管使用Doherty拓撲結構(Doherty topologies)和封包追蹤(envelope tracking)可以提升性能,但設備製造商與電信業者在2014年於中國市場部署4G LTE期間,開始將氮化鎵(GaN)技術作為RF功率應用的下一代半導體技術。

GaN是一種相對較新的半導體技術,卻已獲得某些高頻RF、大功率應用的青睞,例如需要長距離或以高功率傳輸訊號的應用,因此特別適合Sub-6GHz的5G基地台應用。其高輸出功率、線性度和功耗效率,促使網通設備業者從基於LDMOS技術的功率放大器(PA)轉向採用氮化鎵技術的PA。儘管LDMOS技術目前仍佔據RF基地台應用市場大宗,預計GaN將在5G大規模MIMO部署中逐漸取代LDMOS。

GaN 性能優勢

GaN的主要優勢在於更高的功率密度,這是由於GaN傳導帶(conduction band)和價電帶(valence band)之間的能隙比LDMOS技術更高,因此具有較高的擊穿電壓和功率密度,可讓訊號以更高的功率水準傳輸,從可擴大基地台的覆蓋範圍。

GaN PA的高功率密度還能讓元件尺寸更小,減少PCB佔位空間。在同樣大小的區域內,系統設計人員可以實現比其他技術更高的功率。或者在同樣大小的功率等級之下,系統設計人員可以縮小RFFE尺寸、降低成本。

更高的功率密度使GaN功率放大器運作溫度最高可達250℉,這是矽基技術無法實現的水準。GaN的散熱性能更高,可簡化系統的散熱和冷卻要求,從而進一步縮小尺寸,降低成本。有鑑於大型電信營運商面臨龐大的基礎設施支出壓力,尺寸更小、成本更低的設備對於在全國範圍內普及 5G 將會大有助益。

GaN具有更高能效,有助於降低基地台運作成本。營運商開始尋找能最大程度降低網路功耗的方法,促使設備業者採用提高系統效率、節省總功耗的設計。為滿足需求,工程師轉向採用GaN方案。在Doherty PA配置中,GaN的平均效率可達60%,輸出功率100W,顯著降低了運作大規模MIMO系統所需的功耗。

GaN在高頻率和高頻寬條件下的高效率還有助於縮小大規模MIMO系統的尺寸。儘管LDMOS放大器性能改善,可支援高達4 GHz頻率範圍,GaN放大器則能以5倍的功率密度實現100GHz的頻率傳輸。

由於GaN元件具備更高效率、更高輸出阻抗和更低的寄生電容,因此更容易實現寬頻匹配並擴展達到更高的輸出功率;雖然這在毫米波應用中會有更明顯的優勢,營運商仍可利用Sub-6GHz頻率同時在多個頻段範圍內進行傳輸。營運商不需要多個窄頻無線電,只需要一個適用多個頻段的寬頻無線平台。GaN可提供實現這些系統所需的頻率範圍和靈活性,同時可輕鬆擴展,以實現未來高頻毫米波傳輸。

不過GaN也並非適用所有RF功率應用,通常LDMOS元件的價格更低,也可以在某些頻率下提供極具競爭力的線性度。此外,GaAs在某些細分市場具有其特有的效率優勢。然而,許多原本採用LDMOS的業者開始轉向採用GAN是有原因的,他們意識到GaN在幫助營運商和基地台業者實現Sub-6GHz大規模MIMO的目標上發揮關鍵性的作用。

因為GaN在基地台被廣泛採用,以及在國防和航太等其他產業日益擴大的應用,GaN產量逐年增加。產量提高意味著經濟規模更大,也讓GaN成為價格更經濟實惠的解決方案,更別說該類元件的更高能效、更小外形尺寸或多頻段應用可帶來的成本降低效益。

其線性度也會持續改善───別忘了,目前的基地台所採用之GaN元件只是第二代技術,而LDMOS等成熟技術已經演進到第15代。這是目前GaN領域中最活躍的研究課題,產業界有許多人士預期GaN能在短時間內實現領先市場的線性效率。

隨著限制GaN廣泛應用的障礙逐步解決,對於系統設計人員來說,了解如何將該種半導體元件運用於自己的設計中變得越來越重要。

嵌入式設計工程師需要知道的是…

GaN為嵌入式設計工程師帶來了許多性能優勢,但這種材料無疑也有特定最佳設計考量因素。在接下來的系列文章中,我們將詳細介紹讓GaN充分發揮潛力的設計知識,包括一些常見誤解的糾正以及一些設計解決方案,並將進一步探索GaN技術在RF與RF以外應用的未來發展。

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌簡體中文版2021年5月號

責編:Judith Cheng

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

 

 

 

 

 

 

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