GaN-on-SiC 为 5G 铺平道路

电信行业连接着全球数十亿人和数百万家企业。电信行业的增长是以新技术为基础的。这些新技术使互联互通成为可能，为用户提供颇具吸引力的新功能，并证明升级和扩大蜂窝网络基础设施的投资是合理的。伴随着早期 4G LTE 技术支持的数据通信的出现，通信服务呈爆炸式增长，使得手机和蜂窝网络在发达国家无处不在。下一代电信技术 5G，则有望带来另一场互联互通服务的革命，它将超越电话、短信和简单的互联网，并可能迎来真正的信息时代。
 

为了能够满足这些新应用所需要的网络吞吐量和可靠性，则需要运用新的技术。实现下一层级互联互通的部分问题在于，在为同一区域内的一个量级或更多附加用户设备提供服务的同时，以更高频率传输和接收高质量射频信号的成本和复杂性。能够帮助解决这些挑战的两个关键使能技术是 基氮化镓 (GaN-on-SiC) 功率放大器和大规模多输入多输出 (mMIMO) 天线。

该文章旨在为读者介绍与从 4G 到 5G 就绪和 5G 技术的服务与基站升级所带来的需求变化和设计挑战等相关背景。讨论中包括了一些关键细节，这些细节解释了 mMIMO 天线是如何成为新常态的，以及新的通信技术（比如 基氮化镓功率放大器）在部署5G服务以满足 3GPP 规范和用户日益增长的期望时是必不可少的。

5G 基站趋势

许多人可能认为，既然 5G 已经开始铺开，那么4G 技术也即将退出历史舞台。但这绝不是事实，因为仍有计划为许多使用较老的 3G/4G 技术的地区提供 4G 服务，以及升级和维护 4G 服务，以便为未来 5G 基站安装做准备。为 4G 建造的网络基础设施也很可能继续使用，并融合到 5G 的部署中，就像 2G 和 3G 被融合到 4G 服务中一样。因此，4G 技术仍然有市场，包括用于 4G 蜂窝频段的 LDMOS 功率放大器。

然而，5G 服务的发展也需要新技术和新方法来满足对 5G 的期望，即在高度拥挤的地区以每秒数百兆比特 (Mbps) 的速度传输数据，同时提高可靠性和减少延迟。因此，有关大规模 5G 部署的讨论和规划，大多涉及安装小基站（small cell）。这些小基站将更密集地分布在城市和郊区地区。而且，目前还有 4G 系统正在从 2T2R 和 8T8R MIMO 升级到 32T32R 和 64T64R mMIMO 天线，在全频谱 5G（sub-1 GHz、sub-6 GHz 和毫米波频谱）部署之前，预计将利用 mMIMO 技术帮助升级 4G 服务，以满足 5G 的预期。

这些新的 5G 基站和 5G 就绪的 4G 升级需要更多的天线单元，以及更多的蜂窝信号发射机。为了实现这些新的 mMIMO 天线的尺寸和重量最小化，需要仔细设计和选择射频组件。为了减小 mMIMO 天线的尺寸和重量，一种常见的设计决定是用带有嵌入式射频硬件的 4G/5G mMIMO 组合天线取代现有的 4G 天线。这种类型的致密化可以大大降低成本，特别是当它涉及到塔空间和风荷载电荷时，但其代价是需要更高功率密度的射频发射机，这种发射机必须非常可靠，以减少由于组件失效而可能导致的维护和服务故障增加。

这些事项对于sub-6 GHz 5G 系统来说很重要，对于当前的原型和未来的毫米波 5G 系统来说则更为重要。即使对于sub-6 GHz 5G 系统，3.5 GHz 到 5 GHz 的 5G 新空口 (NR) 蜂窝频段也比低于 3 GHz 的 4G 蜂窝频段面临着更大的频率相关的射频损耗。这些更大的损耗同时也需要更高的放大器效率，以适应最新通信技术中使用的更复杂、更高峰均比 (PAPR) 的调制信号。因此，对射频功率放大器的需求就更大了。射频功率放大器需要能够提供高效率的数千兆赫的带宽，即使承受更高的功率密度也能表现出高可靠性，并且具有足够的成本效益和足够小，以便和嵌入式硬件组装进紧凑的 mMIMO 天线。

5G 射频前端技术规格

mMIMO 5G 天线系统与 4G 有很多类似的性能考量，以及很多额外的附加考量和限制，和更严格的性能标准。由于 mMIMO 发射和接收天线布置在非常近的距离，因此需要着重考虑性能因素，例如隔离和相邻信道功率比 (ACPR)/相邻信道泄漏比 (ACLR)。ACPR/ACLR 是衡量从发射机到邻近无线电信道功率泄漏的一种方法。ACPR/ACLR 的主要作用是发射机功率放大器的线性度。更为线性的功率放大器将表现出更少的失真，进而使得在相邻信道上出现更少的失真产物。

功率放大器的线性和失真（特别是幅度失真和相位失真），对深度调制通信信号会产生其他影响。即使满足了美国联邦通信委员会 (FCC) 或全球其他电信法规要求的传输掩码，过度失真也会导致功率放大器自身传输性能的下降。误差矢量幅度 (EVM) 用于测量星座点和理想点的偏差，其大小与功率放大器的非线性、相位噪声和放大器噪声有关。因此，关键是使用功率放大器技术，以保持线性和噪声的高标准，即使在高负载和高温下。

然而，更多的线性功率放大器不一定能提供更好的隔离指标——发射机到发射机、发射机到接收机，或接收机到接收机。高隔离度对于 mMIMO 系统至关重要，它可以防止来自其他空间复用信号的无用信号出现在临近的 MIMO 天线单元中。尽管与 5G 技术一起使用的时域双工 (TDD) 不太容易受到发射机到接收机隔离考量的影响，但这仍然不能解决发射机到发射机或接收机到接收机的隔离问题。为了解决隔离问题，谨慎的电路和封装设计是必要的，而且只有当大型和高功率组件（如发射机功率放大器 ）足够紧凑和灵活，能够允许旨在满足严格隔离要求的创造性配置时才有可能实现。

功率放大器其他考虑因素还包括低电流消耗和高功率附加效率 (PAE)。由于 mMIMO 天线系统需要发射机和接收机的阵列，因此每个元件的功率消耗和效率已经成为关键的性能标准。随着未来 5G 部署计划包括在整个城市和郊区环境中铺设大量密集的网络，从宏基站塔到建筑侧面/顶部和电线杆，再到路灯和隧道/地铁结构，这种影响被放大了。随着计划建设更多的 5G 基站，降低整体功率消耗的压力越来越大，其中发射机的功率放大器是功率消耗最高的组件之一。

在输出功率相同的情况下，更高PAE（高功率附加效率）的放大器不仅可以降低总体能耗，同时也有其他有益作用。PAE 越高，说明放大器产生的热量越少，更多的放大器功率被用来增加信号能量，而不是转化为废热。减少废热的优势还包括只需要更少的散热材料，而散热材料将会大大增加发射机组件的重量、尺寸和成本。此外，更低的热量产生也会带来更低的工作温度。这对于半导体来说，通常会使寿命更长，甚至在高负载的情况下获得更线性的性能。

5G 发射机要求

上述射频前端技术规格对 5G 发射机，特别是与 mMIMO 天线系统一起使用的 5G 发射机提出了实质性的限制。这就是为什么有广泛的研究和行业投入，以开发能够在 5G 运行条件下和新的 5G 频谱范围内，满足这些严格要求的功率放大器技术。传统的功率放大器技术，如横向扩散金属氧化物半导体 (LDMOS) 和砷化镓 (GaAs) 功率放大器技术，无法满足 5G mMIMO 系统所需的功率密度、能源效率、线性和成本/空间要求。

以砷化镓放大器为例，这些器件非常适合低噪声的接收机应用，但带隙电压较低。这意味着砷化镓放大器必须要有较低的工作电压，这也就使得实现高功率密度充满挑战性，而且砷化镓放大器在更高功率下的效率较低。其结果就是一个更热的且相对更耗电的器件。这对于需要更高功率密度和更高能源效率水平的 5G mMIMO 应用来说就不那么有吸引力了。

尽管 LDMOS 放大器在 3 GHz 以下高功率应用中已经得以采用了一些时间，但是 LDMOS 放大器的导热性相对有限，在更高频率下的效率也相对更低。最终，这导致了 LDMOS 放大器在超过 3 GHz 频率上消耗更多的功率和产生更多的热量，同时也牺牲了其他需要被考虑的因素，如线性和噪声（与大多数材料的温度有关）。

这就为氮化镓半导体材料来填补空白留出了很大的发挥空间。对于氮化镓技术在射频中的应用已经有很多宣传了。在许多方面，氮化镓器件使得从远程通信到雷达等各种设备的性能显著提高。这是因为氮化镓在功率放大器品质因数 (PAFOM) ，即功率密度、可靠性、导热系数、线性度和带宽等方面通常优于大多数其他常见的半导体材料。

氮化镓半导体有一些细微的差别，因为氮化镓通常是在绝缘衬底上进行外延生长。因此，氮化镓器件可以基于多种不同衬底，如蓝宝石、硅、 、氮化镓，甚至是钻石。由于工艺成熟度、成本和其他设计限制，广泛可用的射频用氮化镓通常包括硅基氮化镓或 基氮化镓。

与氮化镓在高频率射频应用上优于硅基 LDMOS 器件的原因大致相同，在 5G mMIMO 应用中， 基氮化镓优于硅基氮化镓。 基氮化镓相对于硅基氮化镓的许多性能优势源于 是一种更稳固耐用的材料，具有更好的导热性，与氮化镓有更好的晶格匹配。这意味着在高负载条件下， 基氮化镓器件比之硅基氮化镓器件，在运行时更耐热，损耗更少，而且具有更高的功率效率。而且，这意味着对于相同的功率输出， 基氮化镓功率放大器可能比硅基氮化镓器件尺寸更小，其所需要的散热器尺寸也更小。不仅如此， 基氮化镓的可靠性还通过了美国国防部 (DoD) 和航空航天应用的全面审核和认可。

小结

4G 和 5G 系统的部署很可能会采用 mMIMO 技术，为对现代通信服务抱有更高期望的用户提供最佳覆盖范围和容量。与硅基氮化镓和 LDMOS 技术相比， 基氮化镓功率放大器技术为 mMIMO 系统提供了最佳的性能和成本要求。Wolfspeed 基氮化镓技术已被批准用于高可靠性电信、军事、国防和航空航天应用，并提供比硅基氮化镓和 LDMOS 更低的全生命周期成本。

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