5G 和 GaN：从 LDMOS 到 GaN

在本系列的前一篇文章中，我们回顾了在全国推动 5G 实施的大规模 MIMO 技术。虽然毫米波频率应用的潜力最终将被实现，但未来几年 5G 服务将由通过 Sub-6GHz 频段传输的信号来定义。为实现这一目标，下一代基站解决方案需要大幅改进射频前端性能。

工程师被要求开发基站，以实现更好的 RFFE 集成、缩小尺寸、降低功耗、更高的输出功率、更宽的带宽、改进的线性度和更高的接收器灵敏度。所有这些都是为了满足收发器、RFFE 和天线之间更紧密的耦合要求。这是一个非常艰巨的任务。满足这些需求并成功实施大规模 MIMO 的唯一方法是使用可用于这些扩展天线阵列的小型、高效、具有成本效益的功率放大器。

为 Sub-6 Massive MIMO 供电

自从 1990 年代横向扩散金属氧化物半导体 (LDMOS) 技术进入市场以来，RF 功率放大器领域一直由横向扩散金属氧化物半导体 (LDMOS) 器件定义，特别是在 2GHz 以下的频率由于其低成本。它最大的竞争对手来自更适合更高频率的砷化镓 (GaAs) 放大器，但其功率传输水平较低且成本较高。当 2G 数字移动网络推出时，LDMOS 在 RF 基站领域取得了市场主导地位，并保持至今。然而，随着 3G 和 4G 网络的引入，LDMOS 功率放大器尚未达到与前几代相同的功率效率水平。尽管使用 Doherty 拓扑和包络跟踪提高了性能，但设备制造商和运营商在 2014 年在中国部署 4G LTE 期间开始转向使用氮化镓 (GaN) 作为射频功率应用的下一代半导体。

与其他半导体相比，GaN 是一种相对较新的技术，但它已成为高射频、高功率应用的首选技术，例如需要长距离或高端功率水平传输信号的应用——使其成为 Sub 的理想选择-6个5G基站。其高输出功率、线性度和功率效率促使网络原始设备制造商从使用 LDMOS 技术用于 PA 转向氮化镓。如今，LDMOS 技术在射频基站中仍然占据最大的市场份额，但预计 GaN 将继续在 5G 大规模 MIMO 部署中取代它。

GaN 性能优势

GaN 的主要优势在于其更高的功率密度。这是由于导带和价带之间的带隙高于 LDMOS 技术，LDMOS 技术可提供高击穿电压和功率密度。它允许以更大的功率传输信号，从而扩大基站的覆盖范围。 GaN PA 的高功率密度还支持更小的外形尺寸，需要更少的 PCB 空间。在给定的区域内，系统设计人员可以产生比其他技术更多的功率。或者，对于给定的功率水平，系统设计人员可以缩小 RFFE 的尺寸并降低成本。

这种更高的功率密度还允许 GaN 功率放大器在高达 250 华氏度的温度下运行——这是硅基技术无法达到的水平。 GaN 改进的散热性能简化了系统的散热器和冷却要求，进一步减小了尺寸和成本。鉴于移动网络运营商面临巨额的基础设施支出，更小、更便宜的设备将大大有助于在全国范围内提供 5G。

GaN 提高的功率效率也有助于降低运行基站的费用。运营商正在寻求最大限度地减少网络功耗，并正在推动 OEM 设计系统效率和整体节能。为了满足这一需求，工程师们越来越多地转向 GaN。在 Doherty PA 配置中，GaN 的平均效率高达 60%，输出功率为 100W，显着降低了运行耗电的大规模 MIMO 系统所需的能量。

GaN 在高频和宽带宽下的效率也有助于缩小大规模 MIMO 系统。尽管 LDMOS 放大器特性的改进允许频率范围高达 4 GHz，但基于 GaN 的放大器可以在高达 5 倍的功率密度下实现高达 100 GHz 的频率。更高的效率和输出阻抗，以及更低的寄生电容，使 GaN 器件更容易进行宽带匹配和缩放到非常高的输出功率。虽然毫米波应用更为明显，但这可以通过同时在多个频段上传输而使 Sub-6 中的载波受益。运营商不需要多个窄带无线电，他们只需要一个服务于多个频段的宽带无线电平台。 GaN 提供了使这些系统成为可能的范围和灵活性，同时还可以轻松扩展以提供未来毫米波传输的高频。

这并不是说 GaN 始终是每个射频功率应用的正确选择。 LDMOS 通常以较低的价格提供，并在某些频率下提供极具竞争力的线性度。 GaAs 在某些细分市场中也有其自身的效率优势。然而，LDMOS 的许多主要参与者转向 GaN 生产是有原因的：他们认识到 GaN 对帮助运营商和基站 OEM 实现低于 6 GHz 大规模 MIMO 目标的重要性。

由于 GaN 在基站中的广泛采用，以及在国防和航空航天等其他行业的应用不断扩大，GaN 的生产量逐年增长。更多的产量等于更大的规模经济，使 GaN 成为更实惠的解决方案。这还没有考虑通过提高能源效率、缩小外形尺寸或多频段应用所实现的节省。线性度也将得到改善。重要的是要记住，GaN 只是用于基站的第二代产品。 LDMOS 等成熟技术处于第 15 代。这是目前 GaN 领域最活跃的研究领域，导致业内许多人预计短期内线性效率将领先市场。

随着限制 GaN 更广泛应用的限制得到解决，现在系统设计人员了解如何将半导体应用于他们自己的应用变得至关重要。

嵌入式设计师需要知道什么

GaN 为嵌入式设计人员提供了许多性能优势，但肯定有该材料独有的设计最佳实践。本系列的下一篇文章将详细介绍嵌入式系统设计人员要充分利用 GaN 的潜力需要了解的内容。它将纠正常见的误解，提供设计解决方案，并探索射频应用内外的 GaN 技术的下一步发展。

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