芯耀
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近日，據(jù)人民日?qǐng)?bào)消息比5G快10倍的5G-A信號(hào)，出現(xiàn)在很多人的手機(jī)上，那么5G-A是什么？
目前，各大運(yùn)營商都在積極部署 5G-A 網(wǎng)絡(luò)，并取得了顯著進(jìn)展：
中國移動(dòng)表示，今年將投資近百億元，進(jìn)一步擴(kuò)大5G-A中的無線網(wǎng)絡(luò)AI應(yīng)用等規(guī)模部署，實(shí)現(xiàn)超過40萬基站的智能化改造。
中國電信今年將推動(dòng)5G-A在多個(gè)行業(yè)和場景的應(yīng)用落地，聯(lián)合產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行創(chuàng)新試點(diǎn)。
中國聯(lián)通今年計(jì)劃在39個(gè)重點(diǎn)城市主城區(qū)及300余城市重點(diǎn)場景啟動(dòng)5G-A，并應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等重點(diǎn)場景。
隨著?5G-A（5G-Advanced）技術(shù)的快速發(fā)展，通信行業(yè)正迎來一場前所未有的變革。5G-A?作為?5G?與?6G?之間的關(guān)鍵過渡技術(shù)，不僅在網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)了大幅提升，更在應(yīng)用場景拓展、網(wǎng)絡(luò)智能化等方面展現(xiàn)出巨大潛力。
5G-A技術(shù)對(duì)新型半導(dǎo)體材料的核心需求
5G-A作為5G技術(shù)的演進(jìn)版本，通過提升峰值速率（10Gbps）、降低時(shí)延（1ms級(jí)）、增強(qiáng)定位精度（厘米級(jí)）以及千億級(jí)物聯(lián)網(wǎng)連接能力，對(duì)通信基礎(chǔ)設(shè)施的硬件性能提出了更高要求。其技術(shù)特點(diǎn)與材料需求可概括為：
高頻通信：毫米波頻段（24-100GHz）的廣泛應(yīng)用需要半導(dǎo)體材料具備高電子遷移率和低信號(hào)損耗特性。
功率密度提升：基站功放輸出功率從5G的200W提升至5G-A的400W級(jí)別，散熱需求倍增。
微型化集成：Massive MIMO技術(shù)使單基站天線數(shù)量從64增至128甚至256，要求器件體積縮小30%以上。
極端環(huán)境穩(wěn)定性：面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)場景，需耐受-40℃至200℃溫度波動(dòng)及高電磁干擾環(huán)境。
在此背景下，以GaN和碳化硅（SiC)、金剛石為代表的第三代半導(dǎo)體材料，在快速的發(fā)展，并受到全球范圍內(nèi)的高度重視。
氮化鎵：射頻性能與能效突破
氮化鎵作為新型戰(zhàn)略半導(dǎo)體材料，以其優(yōu)異的性能已成為 5G 基站的最佳選擇。隨著 5G 基站相關(guān)技術(shù)的不斷突破與更新，氮化鎵功放模塊受到越來越多的重視。圍繞氮化鎵功率器件的功放模塊電路設(shè)計(jì)技術(shù)不斷取得突破，已成為 5G 基站的關(guān)鍵部件，并逐步開始在多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行商用。
5G高容量基站GaN功率放大器主要應(yīng)用在5G大功率基站中，能夠有效地緩解5G無線通信系統(tǒng)空間較少，而業(yè)務(wù)需求較為密集的難題。氮化鎵功放單元在MIMO基站中，將4G的4-8個(gè)信道擴(kuò)展到64個(gè)信道，使4G中信道數(shù)目增加超過8個(gè)，而整體尺寸只增加2倍。在5G通信中的32和64通道的 ?MIMO基站功率放大器中使用，是5G通信中最重要的一種信號(hào)傳送方式。
5G毫米波基地用GaN單片功率放大器，可實(shí)現(xiàn)超高頻段、超低時(shí)延的高性能功放。極高的寬帶為5G大規(guī)模通信的數(shù)據(jù)反向傳送提供強(qiáng)大傳輸容量。極小的時(shí)延可以應(yīng)用在新型的、對(duì)通信延時(shí)有極高需求的智能汽車等應(yīng)用中。而毫米波能夠有效提高頻率帶寬，達(dá)到超高速率的無線傳輸，非常符合5G的需求，是5G的核心技術(shù)。
碳化硅：功率電子與基站架構(gòu)
半絕緣型碳化硅器件主要用于 5G 基站、衛(wèi)星通信、雷達(dá)等方向，隨著 5G 建設(shè)的加速，尤其是 MassiveMIMO 技術(shù)的推廣，半絕緣型碳化硅基氮化鎵器件市場規(guī)模將不斷擴(kuò)大。根據(jù) YOLE 的數(shù)據(jù)，2020 年封裝的氮化鎵射頻器件市場規(guī)模約為8.91 億美元，其中超過 99%都是采用碳化硅襯底。
在基站電源系統(tǒng)中，SiC MOSFET可將轉(zhuǎn)換效率從92%提升至97%，單個(gè)基站年節(jié)電達(dá)2.4萬度；采用SiC雙向變流器，充放電響應(yīng)時(shí)間縮短至5ms，支撐基站儲(chǔ)能系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)度。減少能源損耗，適配5G-A基站的高能耗需求。
金剛石材料的應(yīng)用潛力
5G-A?基站，尤其是毫米波基站，功率密度高，設(shè)備小型化趨勢明顯，導(dǎo)致散熱問題更加突出。金剛石是自然界中導(dǎo)熱系數(shù)最高的材料，其熱導(dǎo)率高達(dá) 2000 W/(m·K)，是銅的5倍。金剛石還具有高電阻率、低介電常數(shù)和低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)異特性。
金剛石襯底可將GaN器件的結(jié)溫降低80°C以上，支持更高功率密度的毫米波通信模塊，延長設(shè)備壽命。在深紫外光通信方面，金剛石的激子束縛能高達(dá)80meV，可制備深紫外LED，用于高安全性光通信和病毒消殺設(shè)備，拓展5G-A在醫(yī)療和公共安全領(lǐng)域的應(yīng)用。另外，在量子通信領(lǐng)域，金剛石中的氮空位（NV）中心是量子比特的理想載體，未來或與5G-A網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，構(gòu)建量子通信網(wǎng)絡(luò)。
在5G-A技術(shù)驅(qū)動(dòng)下，氮化鎵、碳化硅、金剛石這三類材料通過性能互補(bǔ)與協(xié)同創(chuàng)新，有望重塑通信技術(shù)。從GaN射頻前端的頻譜效率突破，到SiC功率模塊的能效躍升，再到金剛石基GaN器件的熱管理革命，這些超寬禁帶材料的深度融合將支撐5G-A實(shí)現(xiàn)萬兆速率、千億連接和厘米級(jí)定位的愿景。隨著技術(shù)的突破，全球5G-A產(chǎn)業(yè)鏈格局或?qū)⒂瓉硇乱惠喼貥?gòu)。
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