5G時代的功率放大器革新：揭秘氮化鎵GAN如何引領高效通信

為推動全國5G部署的大規(guī)模MIMO（多輸入多輸出）技術。雖然毫米波頻率應用的潛力最終將得到實現(xiàn)，但在未來幾年內，5G服務將主要通過Sub-6GHz（6GHz以下）頻段傳輸?shù)男盘杹矶x。為了實現(xiàn)這一點，下一代基站解決方案需要在射頻前端（RFFE）性能上進行顯著提升。

工程師們被要求開發(fā)的基站需要具備更好的RFFE集成、更小的尺寸、更低的功耗、更高的輸出功率、更寬的帶寬、更好的線性度以及更高的接收機靈敏度。除此之外，還需要滿足收發(fā)器、RFFE和天線之間更緊密的耦合要求。這是一項非常艱巨的任務。要滿足這些需求并成功實施大規(guī)模MIMO，唯一的方法是使用小型、高效且成本效益高的功率放大器，這些放大器可用于不斷擴展的天線陣列中。Sub-6大規(guī)模MIMO的功率放大技術。

運用Massive MIMO技術的AAU自20世紀90年代該技術進入市場以來，橫向擴散金屬氧化物半導體（LDMOS）器件一直在射頻功率放大器領域占據(jù)主導地位，特別是在2GHz以下的頻段，因其成本低廉而廣受歡迎。其最大的競爭對手是砷化鎵（GaAs）放大器，后者更適合用于更高頻率，但功率傳輸水平較低，且成本更高。當2G數(shù)字移動網絡推出時，LDMOS在射頻基站市場中取得了主導地位，并一直保持至今。然而，隨著3G和4G網絡的引入，LDMOS功率放大器的功率效率水平并未達到前幾代的水平。盡管通過采用多赫蒂拓撲結構和包絡跟蹤技術提升了性能，但在2014年中國4G LTE部署期間，設備制造商和運營商開始轉向使用氮化鎵（GaN）作為下一代射頻功率應用的半導體。與其他半導體相比，GaN是一項相對較新的技術，但它已成為高射頻、高功耗應用的首選技術，如遠距離信號傳輸或高端功率水平的應用——這使其非常適合用于Sub-6 5G基站。其高輸出功率、線性度和功率效率促使網絡設備原始設備制造商（OEM）從使用LDMOS技術的功率放大器轉向使用氮化鎵。如今，LDMOS技術仍在射頻基站市場中占據(jù)最大份額，但預計在5G大規(guī)模MIMO部署中，GaN將繼續(xù)取代其地位。

自20世紀90年代該技術進入市場以來，橫向擴散金屬氧化物半導體（LDMOS）器件一直在射頻功率放大器領域占據(jù)主導地位，特別是在2GHz以下的頻段，因其成本低廉而備受歡迎。其最大的競爭對手是砷化鎵（GaAs）放大器，后者更適合用于更高頻率，但功率傳輸水平較低，且成本更高。

當2G數(shù)字移動網絡推出時，LDMOS在射頻基站市場中取得了主導地位，并一直保持至今。然而，隨著3G和4G網絡的引入，LDMOS功率放大器的功率效率水平并未達到前幾代的水平。盡管通過采用多赫蒂拓撲結構和包絡跟蹤技術提升了性能，但在2014年中國4G LTE部署期間，設備制造商和運營商開始轉向使用氮化鎵（GaN）作為下一代射頻功率應用的半導體。

與其他半導體相比，GaN是一項相對較新的技術，但它已成為高射頻、高功耗應用的首選技術，如遠距離信號傳輸或高端功率水平的應用——這使其非常適合用于Sub-6 5G基站。其高輸出功率、線性度和功率效率促使網絡設備原始設備制造商（OEM）從使用LDMOS技術的功率放大器轉向使用氮化鎵。

GaN的性能優(yōu)勢

GaN的主要優(yōu)勢在于其更高的功率密度。這是由于其導帶和價帶之間的帶隙高于LDMOS技術，從而提供了更高的擊穿電壓和功率密度。這使得信號能夠以更高的功率傳輸，從而擴大基站的覆蓋范圍。

GaN功率放大器的高功率密度還實現(xiàn)了更小的封裝尺寸，減少了印刷電路板（PCB）空間的需求。在給定區(qū)域內，系統(tǒng)設計人員可以產生比其他技術更多的功率。或者，對于給定的功率水平，系統(tǒng)設計人員可以縮小射頻前端（RFFE）的尺寸并降低成本。

這種更高的功率密度還允許GaN功率放大器在高達250華氏度的高溫下工作——這是硅基技術無法達到的水平。GaN改進的散熱性能簡化了系統(tǒng)的散熱片和冷卻需求，進一步減小了尺寸并降低了成本。鑒于移動網絡運營商（MNO）面臨的基礎設施支出巨大，更小、更便宜的設備將極大地推動5G在全國范圍內的普及。

GaN提高的功率效率也有助于降低基站運營成本。運營商希望最小化網絡功耗，并推動OEM設計系統(tǒng)效率和整體節(jié)能。為了滿足這一需求，工程師們越來越多地轉向GaN。在Doherty功率放大器配置中，GaN在100瓦輸出功率下達到了高達60%的平均效率，顯著降低了功耗巨大的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)所需的能源。

GaN在高頻和寬帶寬下的效率也有助于縮小大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的尺寸。盡管LDMOS放大器特性的改進允許頻率范圍高達4GHz，但基于GaN的放大器可以在高達100GHz的頻率下實現(xiàn)功率密度高達五倍的提升。更高的效率和輸出阻抗，以及更低的寄生電容，使得GaN器件更容易實現(xiàn)寬帶匹配和擴展到非常高的輸出功率。雖然毫米波應用更為明顯，但這也可以通過同時在多個頻段上傳輸來惠及Sub-6的運營商。運營商不需要多個窄帶無線電，他們只需要一個服務多個頻段的寬帶無線電平臺。GaN提供了實現(xiàn)這些系統(tǒng)所需的范圍和靈活性，同時還能夠輕松擴展到提供未來毫米波傳輸?shù)母哳l率。

這并不是說GaN總是適用于所有射頻功率應用。LDMOS通常價格更低，并在某些頻率下提供極具競爭力的線性度。GaAs在某些細分市場也具有自己的效率優(yōu)勢。然而，許多LDMOS領域的主要參與者轉向GaN生產是有原因的：他們認識到GaN對于幫助運營商和基站OEM實現(xiàn)Sub-6 GHz大規(guī)模MIMO目標至關重要。

由于GaN在基站中的廣泛應用，以及在國防和航空航天等其他行業(yè)的應用范圍不斷擴大，GaN的產量逐年增長。產量越多，規(guī)模經濟效應越明顯，使得GaN成為更經濟的解決方案。這還沒有考慮到提高能源效率、更小尺寸或多頻段應用所帶來的節(jié)省。線性度也有望得到改善。重要的是要記住，GaN在基站領域才第二代產品。像LDMOS這樣的成熟技術已經發(fā)展到第15代。目前，這是GaN領域最活躍的研究領域，導致業(yè)內許多人預計短期內將實現(xiàn)市場領先的線性效率。

隨著限制GaN更廣泛應用的因素得到解決，現(xiàn)在系統(tǒng)設計人員了解如何將這種半導體應用于自己的應用變得至關重要。

LDMOS VS GAN功放參數(shù)對比