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      碳化硅基氮化鎵GaN-on-SiC為 5G 鋪平道路

        電信行業連接著全球數十億人和數百萬家企業。電信行業的增長是以新技術為基礎的。這些新技術使互聯互通成為可能,為用戶提供頗具吸引力的新功能,并證明升級和擴大蜂窩網絡基礎設施的投資是合理的。伴隨著早期 4G LTE 技術支持的數據通信的出現,通信服務呈爆炸式增長,使得手機和蜂窩網絡在發達國家無處不在。下一代電信技術 5G,則有望帶來另一場互聯互通服務的革命,它將超越電話、短信和簡單的互聯網,并可能迎來真正的信息時代。

        為了能夠滿足這些新應用程序所需必要的網絡吞吐量和可靠性,則需要運用新的技術。實現下一層級互聯互通的部分問題在于,在為同一區域內的一個量級或更多附加用戶設備提供服務的同時,以更高頻率傳輸和接收高質量射頻信號的成本和復雜性。能夠幫助解決這些挑戰的兩個關鍵使能技術是碳化硅基氮化鎵 (GaN-on-SiC) 功率放大器和大規模多輸入多輸出 (mMIMO) 天線。

        該文章旨在為讀者介紹與從 4G 到 5G 就緒和 5G 技術的服務與基站升級所帶來的需求變化和設計挑戰等相關背景。討論中包括了一些關鍵細節,這些細節解釋了 mMIMO 天線是如何成為新常態的,以及新的通信技術(比如碳化硅基氮化鎵功率放大器)在部署5G服務以滿足 3GPP 規范和用戶日益增長的期望時是必不可少的。

        5G 基站趨勢

        許多人可能認為,既然 5G 已經開始鋪開,那么4G 技術也即將退出歷史舞臺。但這絕不是事實,因為仍有計劃為許多使用較老的 3G/4G 技術的地區提供 4G 服務,以及升級和維護 4G 服務,以便為未來 5G 基站安裝做準備。為 4G 建造的網絡基礎設施也很可能繼續使用,并融合到 5G 的部署中,就像 2G 和 3G 被融合到 4G 服務中一樣。因此,4G 技術仍然有市場,包括用于 4G 蜂窩頻段的 LDMOS 功率放大器。

        然而,5G 服務的發展也需要新技術和新方法來滿足對 5G 的期望,即在高度擁擠的地區以每秒數百兆比特 (Mbps) 的速度傳輸數據,同時提高可靠性和減少延遲。因此,有關大規模 5G 部署的討論和規劃,大多涉及安裝小基站(small cell)。這些小基站將更密集地分布在城市和郊區地區。而且,目前還有 4G 系統正在從 2T2R 和 8T8R MIMO 升級到 32T32R 和 64T64R mMIMO 天線,在全頻譜 5G(sub-1 GHz、sub-6 GHz 和毫米波頻譜)部署之前,預計將利用 mMIMO 技術幫助升級 4G 服務,以滿足 5G 的預期。

        這些新的 5G 基站和 5G 就緒的 4G 升級需要更多的天線單元,以及更多的蜂窩信號發射機。為了實現這些新的 mMIMO 天線的尺寸和重量最小化,需要仔細設計和選擇射頻組件。為了減小 mMIMO 天線的尺寸和重量,一種常見的設計決定是用帶有嵌入式射頻硬件的 4G/5G mMIMO 組合天線取代現有的 4G 天線。這種類型的致密化可以大大降低成本,特別是當它涉及到塔空間和風荷載電荷時,但其代價是需要更高功率密度的射頻發射機,這種發射機必須非常可靠,以減少由于組件失效而可能導致的維護和服務故障增加。

        這些事項對于sub-6 GHz 5G 系統來說很重要,對于當前的原型和未來的毫米波 5G 系統來說則更為重要。即使對于sub-6 GHz 5G 系統,3.5 GHz 到 5 GHz 的 5G 新空口 (NR) 蜂窩頻段也比低于 3 GHz 的 4G 蜂窩頻段面臨著更大的頻率相關的射頻損耗。這些更大的損耗同時也需要更高的放大器效率,以適應最新通信技術中使用的更復雜、更高峰均比 (PAPR) 的調制信號。因此,對射頻功率放大器的需求就更大了。射頻功率放大器需要能夠提供高效率的數千兆赫的帶寬,即使承受更高的功率密度也能表現出高可靠性,并且具有足夠的成本效益和足夠小,以便和嵌入式硬件組裝進緊湊的 mMIMO 天線。

        

      碳化硅基氮化鎵GaN-on-SiC為 5G 鋪平道路


        5G 射頻前端技術規格

        mMIMO 5G 天線系統與 4G 有很多類似的性能考量,以及很多額外的附加考量和限制,和更嚴格的性能標準。由于 mMIMO 發射和接收天線布置在非常近的距離,因此需要著重考慮性能因素,例如隔離和相鄰信道功率比 (ACPR)/相鄰信道泄漏比 (ACLR)。ACPR/ACLR 是衡量從發射機到鄰近無線電信道功率泄漏的一種方法。ACPR/ACLR 的主要作用是發射機功率放大器的線性度。更為線性的功率放大器將表現出更少的失真,進而使得在相鄰信道上出現更少的失真產物。

        功率放大器的線性和失真(特別是幅度失真和相位失真),對深度調制通信信號會產生其他影響。即使滿足了美國聯邦通信委員會 (FCC) 或全球其他電信法規要求的傳輸掩碼,過度失真也會導致功率放大器自身傳輸性能的下降。誤差矢量幅度 (EVM) 用于測量星座點和理想點的偏差,其大小與功率放大器的非線性、相位噪聲和放大器噪聲有關。因此,關鍵是使用功率放大器技術,以保持線性和噪聲的高標準,即使在高負載和高溫下。

        然而,更多的線性功率放大器不一定能提供更好的隔離指標——發射機到發射機、發射機到接收機,或接收機到接收機。高隔離度對于 mMIMO 系統至關重要,它可以防止來自其他空間復用信號的無用信號出現在臨近的 MIMO 天線單元中。盡管與 5G 技術一起使用的時域雙工 (TDD) 不太容易受到發射機到接收機隔離考量的影響,但這仍然不能解決發射機到發射機或接收機到接收機的隔離問題。為了解決隔離問題,謹慎的電路和封裝設計是必要的,而且只有當大型和高功率組件(如發射機功率放大器 )足夠緊湊和靈活,能夠允許旨在滿足嚴格隔離要求的創造性配置時才有可能實現。

        功率放大器其他考慮因素還包括低電流消耗和高功率附加效率 (PAE)。由于 mMIMO 天線系統需要發射機和接收機的陣列,因此每個元件的功率消耗和效率已經成為關鍵的性能標準。隨著未來 5G 部署計劃包括在整個城市和郊區環境中鋪設大量密集的網絡,從宏基站塔到建筑側面/頂部和電線桿,再到路燈和隧道/地鐵結構,這種影響被放大了。隨著計劃建設更多的 5G 基站,降低整體功率消耗的壓力越來越大,其中發射機的功率放大器是功率消耗最高的組件之一。

        在輸出功率相同的情況下,更高PAE(高功率附加效率)的放大器不僅可以降低總體能耗,同時也有其他有益作用。PAE 越高,說明放大器產生的熱量越少,更多的放大器功率被用來增加信號能量,而不是轉化為廢熱。減少廢熱的優勢還包括只需要更少的散熱材料,而散熱材料將會大大增加發射機組件的重量、尺寸和成本。此外,更低的熱量產生也會帶來更低的工作溫度。這對于半導體來說,通常會使壽命更長,甚至在高負載的情況下獲得更線性的性能。

        5G 發射機要求

        上述射頻前端技術規格對 5G 發射機,特別是與 mMIMO 天線系統一起使用的 5G 發射機提出了實質性的限制。這就是為什么有廣泛的研究和行業投入,以開發能夠在 5G 運行條件下和新的 5G 頻譜范圍內,滿足這些嚴格要求的功率放大器技術。傳統的功率放大器技術,如橫向擴散金屬氧化物半導體 (LDMOS) 和砷化鎵 (GaAs) 功率放大器技術,無法滿足 5G mMIMO 系統所需的功率密度、能源效率、線性和成本/空間要求。

        以砷化鎵放大器為例,這些器件非常適合低噪聲的接收機應用,但帶隙電壓較低。這意味著砷化鎵放大器必須要有較低的工作電壓,這也就使得實現高功率密度充滿挑戰性,而且砷化鎵放大器在更高功率下的效率較低。其結果就是一個更熱的且相對更耗電的器件。這對于需要更高功率密度和更高能源效率水平的 5G mMIMO 應用來說就不那么有吸引力了。

        盡管 LDMOS 放大器在 3 GHz 以下高功率應用中已經得以采用了一些時間,但是 LDMOS 放大器的導熱性相對有限,在更高頻率下的效率也相對更低。最終,這導致了 LDMOS 放大器在超過 3 GHz 頻率上消耗更多的功率和產生更多的熱量,同時也犧牲了其他需要被考慮的因素,如線性和噪聲(與大多數材料的溫度有關)。

        這就為氮化鎵半導體材料來填補空白留出了很大的發揮空間。對于氮化鎵技術在射頻中的應用已經有很多宣傳了。在許多方面,氮化鎵器件使得從遠程通信到雷達等各種設備的性能顯著提高。這是因為氮化鎵在功率放大器品質因數 (PAFOM) ,即功率密度、可靠性、導熱系數、線性度和帶寬等方面通常優于大多數其他常見的半導體材料。

        氮化鎵半導體有一些細微的差別,因為氮化鎵通常是在絕緣襯底上進行外延生長。因此,氮化鎵器件可以基于多種不同襯底,如藍寶石、硅、碳化硅、氮化鎵,甚至是鉆石。由于工藝成熟度、成本和其他設計限制,廣泛可用的射頻用氮化鎵通常包括硅基氮化鎵或碳化硅基氮化鎵。

        與氮化鎵在高頻率射頻應用上優于硅基 LDMOS 器件的原因大致相同,在 5G mMIMO 應用中,碳化硅基氮化鎵優于硅基氮化鎵。碳化硅基氮化鎵相對于硅基氮化鎵的許多性能優勢源于碳化硅是一種更穩固耐用的材料,具有更好的導熱性,與氮化鎵有更好的晶格匹配。這意味著在高負載條件下,碳化硅基氮化鎵器件比之硅基氮化鎵器件,在運行時更耐熱,損耗更少,而且具有更高的功率效率。而且,這意味著對于相同的功率輸出,碳化硅基氮化鎵功率放大器可能比硅基氮化鎵器件尺寸更小,其所需要的散熱器尺寸也更小。不僅如此,碳化硅基氮化鎵的可靠性還通過了美國國防部 (DoD) 和航空航天應用的全面審核和認可。

        小結

        4G 和 5G 系統的部署很可能會采用 mMIMO 技術,為對現代通信服務抱有更高期望的用戶提供最佳覆蓋范圍和容量。與硅基氮化鎵和 LDMOS 技術相比,碳化硅基氮化鎵功率放大器技術為 mMIMO 系統提供了最佳的性能和成本要求。Wolfspeed 碳化硅基氮化鎵技術已被批準用于高可靠性電信、軍事、國防和航空航天應用,并提供比硅基氮化鎵和 LDMOS 更低的全生命周期成本。

        關于科銳

        科銳是Wolfspeed功率和射頻(RF)半導體、照明級LED的創新者。科銳Wolfspeed產品組合包括了碳化硅(SiC)材料、功率器件、射頻器件,廣泛應用于電動汽車(EV)、快速充電、逆變器、電源、電信、軍事、航空航天等領域。科銳LED產品組合包括了藍光和綠光LED芯片、高亮度LED和照明級大功率LED,廣泛應用于室內和戶外照明、顯示屏、交通、特種照明等領域。


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