5G 和 GaN：未來的創(chuàng)新

很容易忘記 GaN 仍然是一項相對年輕的技術(shù)。我們?nèi)蕴幱陂_發(fā)的前幾代，具有很大的改進(jìn)和改進(jìn)潛力。本文著眼于即將出現(xiàn)的一些 GaN 創(chuàng)新，并預(yù)測它們在未來幾年對基站供電的影響。

功率密度

我們的預(yù)期是，在接下來的三到五年內(nèi)，我們將看到 GaN 已經(jīng)相當(dāng)強(qiáng)大的功率密度能力得到改善。今天已經(jīng)有一些方法可以使用 GaN 實現(xiàn)更高的功率密度，但是從商業(yè)角度來看，成本非常高。例如，將 GaN 放在金剛石上而不是碳化硅上。這是可能的，但費用對于基站來說并不現(xiàn)實。盡管如此，還有其他具有成本效益的工藝正在研究中，這些工藝將在未來幾年內(nèi)提高材料的原始功率密度。

5G 基礎(chǔ)設(shè)施市場的吸引力顯而易見——更便宜、更高效、帶寬更寬的基站。其他行業(yè)也有濃厚的興趣。雷達(dá)應(yīng)用尤其會受益，因為它們專注于在給定空間內(nèi)產(chǎn)生盡可能多的功率和效率。隨著 GaN 在這些子市場中的普及，規(guī)模經(jīng)濟(jì)增加，價格點將繼續(xù)下降。

線性度

毫無疑問，GaN 半導(dǎo)體行業(yè)對基站的最大優(yōu)先事項是提高線性功率。研發(fā)工作都集中在未來幾年提高線性效率。

同時，我們預(yù)計基站調(diào)制方案在未來三到五年內(nèi)不會發(fā)生重大變化。它分解為每赫茲比特的簡單計算。無論您運行的是 256 QAM 還是 1024 QAM，系統(tǒng)都會在每赫茲帶寬獲得一定數(shù)量的比特。如果這些數(shù)字不會發(fā)生顯著變化，那么從系統(tǒng)中產(chǎn)生更多收益的理想方法是通過線性效率改進(jìn)。

這并不是說它不能通過增加基礎(chǔ)設(shè)備的功率來解決。即使沒有線性度改進(jìn)，PA 的整體功率效率仍將提供信號改進(jìn)。它還有助于設(shè)計人員縮小系統(tǒng)，因為他們需要更少的系統(tǒng)功率和更少的天線陣列。雖然額外的功率或二級解決方案有效，但業(yè)內(nèi) GaN 供應(yīng)商的目標(biāo)是減少陷阱效應(yīng)，使系統(tǒng)變得盡可能簡單。

溫度

隨著時間的推移，基站的溫度會持續(xù)上升。五年前，標(biāo)準(zhǔn)是將設(shè)備指定為 85°C。OEM 已將其推高至 105°C，預(yù)計基站設(shè)計人員將被要求適應(yīng) 125°C 的溫度。大多數(shù) GaAs 器件的最高溫度為 150°C，僅能在 25°C 的溫度范圍內(nèi)工作。GaN 供應(yīng)商將不得不與系統(tǒng)設(shè)計人員密切合作，以找到創(chuàng)造性的方法來保持嵌入式元件的冷卻。這種壓力在具有大規(guī)模 MIMO 陣列的小型室外單元中會更加嚴(yán)重。今天存在創(chuàng)造性的解決方案，但價格不劃算。我們預(yù)計這種情況會在未來幾年內(nèi)發(fā)生變化。

整體解決方案

每個 GaN 供應(yīng)商都在微調(diào) GaN 器件的物理特性，以提高線性效率、功率密度和可靠性，同時減少陷阱、電流崩塌和電流漂移等負(fù)面影響。這可以在一定程度上在設(shè)備級別上完成，但要充分發(fā)揮潛力，基站 RFFE 系統(tǒng)應(yīng)該與整個架構(gòu)鏈一起開發(fā)，這就是我們今天看到很多前瞻性活動的地方。

隨著行業(yè)從 LDMOS 轉(zhuǎn)向 GaN 解決方案，這一點尤其重要。技術(shù)是根本不同的。這不像替換 GaN PA 并期望效率提高 10 點那么簡單。有不同的系統(tǒng)問題和解決方案。針對 LDMOS 優(yōu)化的基站可能不適合 GaN PA，反之亦然。應(yīng)全面優(yōu)化 GaN 基站系統(tǒng)。

我們現(xiàn)在開始看到這種趨勢，我們預(yù)計未來幾年會得到更廣泛的采用，因為性能結(jié)果不言自明。與供應(yīng)商合作彌合這種整體設(shè)計差距的嵌入式設(shè)計人員將把自己定位為行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者。OEM 廠商當(dāng)然會說他們已經(jīng)在使用系統(tǒng)級方法。我們不會爭論這個事實，但我們相信還有更多的收獲，特別是隨著鏈的射頻部分變得更智能和更集成。

智能射頻和人工智能

陷阱緩解一直是每種半導(dǎo)體材料的問題，GaN 也不例外。高速開關(guān)應(yīng)用可為 GaN 功率放大器創(chuàng)造極具挑戰(zhàn)性的陷阱環(huán)境。解決這些陷波效應(yīng)可能很復(fù)雜，因為 PA 行為可能取決于 PA 接收到的先前信號。傳統(tǒng)的方法是在物理層解決它，一直到基板，以解決導(dǎo)致問題行為的原因。目前的技術(shù)還不能以這種方式完全減輕陷阱，但它一直在研發(fā)研究中。

另一種方法是使用軟件算法來預(yù)測導(dǎo)致陷印的變化。借助智能射頻控制器和對預(yù)先存在條件的足夠深入了解，設(shè)備可以潛在地識別流量模式并預(yù)測下一個活動高峰。或者，識別活動下降并在控制器級別進(jìn)行更改以降低功耗。這已經(jīng)在基站中進(jìn)行了很多年，但不斷努力改進(jìn)這些技術(shù)。

這就是原始設(shè)備制造商考慮在無線電層面實施人工智能的原因。RFFE系統(tǒng)可以隨著時間的推移進(jìn)行自我優(yōu)化。從理論上講，如果野外無線電產(chǎn)生故障，它可以自我識別錯誤并從錯誤中“學(xué)習(xí)”。然后下一次，它可以防止產(chǎn)生故障的一系列事件，或者可能修復(fù)故障。沒有必要為承運人掛上國旗，派一輛卡車，讓人們在塔里解決一些小問題。正如您可以想象的那樣，這將避免重大的停機(jī)時間和費用。

6G

即使 5G 仍處于推出的初期階段，關(guān)于 6G 的討論已經(jīng)開始。早期預(yù)測表明，6G 將在遠(yuǎn)超過 100Ghz 的頻帶中交付，我們知道 GaN 支持的頻率。這種類型的解決方案很可能不會是傳統(tǒng)的蜂窩塔部署，但無論采用何種形式，我們相信 GaN 在高頻和寬帶寬下的效率對于將 6G 變?yōu)楝F(xiàn)實至關(guān)重要。

審核編輯 黃昊宇