GaN 技術(shù)能否縮小 5G 毫米波的性能差距？

毫無疑問，5G更高的帶寬、更低的延遲和更高的可用性使其非常適合一系列應(yīng)用。然而，較高頻段，特別是毫米波 (mmWave)，也給實(shí)現(xiàn)這些改進(jìn)帶來了挑戰(zhàn)。因此，功率 IC 制造商正在尋求更高效的技術(shù)，例如氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 等寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體，以提高這些新網(wǎng)絡(luò)的性能并降低成本。

毫米波頻段能帶來什么？

首先，它擴(kuò)展了無線數(shù)據(jù)通信的頻譜，這有助于增加可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量并降低延遲，其次，它的速度超快。然而業(yè)內(nèi)人士表示，為了提供 20 Gbits/s 的 5G 高數(shù)據(jù)速率，需要推出毫米波頻譜。

然而，毫米波有幾個缺點(diǎn)：距離超短，信號容易被建筑物、墻壁、樹木甚至下雨等惡劣天氣條件阻擋。

IDTechEx 高級技術(shù)分析師，James Edmondson 表示，5G 毫米波的真正好處是高下載速度和低延遲，但缺點(diǎn)是信號傳播較差，因為頻率較高，很容易被窗戶和墻壁阻擋，而且一般距離使其傳播更加困難。

雖然傳統(tǒng) LDMOS 半導(dǎo)體等硅技術(shù)仍可在較低頻率下提供高性能，但毫米波頻率將需要可處理高達(dá) 100 GHz 范圍的基于 GaN 的放大器等 WBG 半導(dǎo)體。GaN 半導(dǎo)體利用其更高的密度和效率以及更低的寄生電容，已經(jīng)在 6 GHz 以下范圍內(nèi)提供了優(yōu)勢。但 GaN 在全面應(yīng)用于毫米波網(wǎng)絡(luò)之前仍面臨一些發(fā)展挑戰(zhàn)。

5G 有兩種類型：支持中頻（約 3.5 GHz 至 7 GHz）和低頻（<1 GHz）的 6 GHz 以下頻率（目前已部署在移動網(wǎng)絡(luò)中）和超高頻段（毫米波），通常用于移動網(wǎng)絡(luò)中。被稱為 24 GHz 至 100 GHz 之間，仍處于開發(fā)的早期階段。

IDTechEx 表示，由于其高吞吐量和成本，當(dāng)今大多數(shù) 5G 部署都基于 6 GHz 以下。盡管毫米波速度超快，但部署成本仍然太高，而且在視線方面也有缺點(diǎn)。據(jù)市場研究公司稱，目前部署了約 100 萬個毫米波天線，預(yù)計到 2033 年將達(dá)到 5000 萬個。

什么將加速 5G 毫米波部署？

盡管許多行業(yè)參與者表示，5G 毫米波部署還為時過早（主要是因為成本），但 GaN 功率器件將在開發(fā)更具成本效益的網(wǎng)絡(luò)和實(shí)現(xiàn) 5G 的承諾方面發(fā)揮作用。

快速推進(jìn) 5G 毫米波的障礙之一是缺乏市場需求?！爱?dāng) 5G 第一次被談?wù)摃r，有很多殺手級的潛在應(yīng)用，比如遠(yuǎn)程手術(shù)和虛擬宇宙，但并不是所有這些都已經(jīng)起飛，所以目前還缺乏一些市場吸引力，”他說。埃德蒙森.

恩智浦半導(dǎo)體等 GaN 射頻功率 IC 供應(yīng)商也將需求缺乏視為一項挑戰(zhàn)。恩智浦提供多種射頻功率器件選擇，包括硅基氮化鎵、硅 LDMOS、硅鍺 (SiGe) 和砷化鎵 (GaAs) 技術(shù)。

射頻系統(tǒng)總監(jiān)，Geoff Tucker 表示：“我們看到的是大量的炒作和興趣，因為大量的帶寬已經(jīng)可用，而且每個人都爭先恐后地推出產(chǎn)品，最初都感到非常興奮，包括恩智浦。”恩智浦半導(dǎo)體無線電電源業(yè)務(wù)部門的工程師?！?/span>在實(shí)際出貨量方面，有點(diǎn)失敗。我認(rèn)為它在網(wǎng)絡(luò)中仍然發(fā)揮著作用，但到目前為止，它似乎還沒有真正找到自己的定位，無論是移動技術(shù)還是固定無線接入。”

然而，他補(bǔ)充說，考慮到大范圍的頻譜（這是行業(yè)的黃金），這項技術(shù)如何發(fā)展，以及它可能的發(fā)展方向是恩智浦感興趣的。

盡管當(dāng)今市場需求不足，功率 IC 制造商仍在努力解決最大的技術(shù)挑戰(zhàn)，包括更高的集成度，以提供高效功率放大器，這將有助于降低功耗并縮小無線電和天線的外形尺寸。基于 GaN 的器件位居榜首。盡管他們中的大多數(shù)都在研究碳化硅基氮化鎵，但仍有一些針對毫米波的硅基氮化鎵的工作正在開發(fā)中。

Yole Intelligence 報告了許多圍繞硅基 GaN 的活動。Yole Intelligence 射頻設(shè)備和技術(shù)技術(shù)和市場分析師 Cyril Buey 表示：“OMMIC 公司正在提議用于 5G 毫米波的硅基氮化鎵波束形成器，預(yù)計該解決方案將在未來幾年滲透到市場中?！彪`屬于 Yole 集團(tuán)。“我們還看到初創(chuàng)公司 Finwave 正在為毫米波技術(shù)開發(fā) FinFET GaN-on-Si，意法半導(dǎo)體和 GlobalFoundries 也致力于開發(fā) GaN-on-Si 器件，因此在 GaN-on-Si 方面開展了很多活動?！?/span>

然而，Yole 對用于 5G 毫米波的 GaN-on-SiC 器件不太樂觀。“Qorvo 擁有毫米波頻率的 GaN-on-SiC 功率放大器產(chǎn)品組合，但目前在 Yole Intelligence，我們還沒有看到使用 GaN-on-SiC 器件的 5G 毫米波產(chǎn)品，”他補(bǔ)充道。

Buey 認(rèn)為 5G 毫米波應(yīng)用中的 GaN-on-Si 有空間，但 GaN-on-SiC 則不然，這主要是因為毫米波器件需要高集成度?！白罱K，碳化硅基氮化鎵可能適用于回程應(yīng)用，也適用于毫米波頻率，其中系統(tǒng)架構(gòu)更簡單?！?/span>

為什么將 GaN 用于毫米波？

業(yè)界眾所周知，SiC 和 GaN 比硅功率器件具有多種優(yōu)勢，包括更低的開關(guān)和更低的傳導(dǎo)損耗。SiC 還可以減少熱管理，而 GaN 可以提供更高的開關(guān)頻率。

GaN 的主要優(yōu)點(diǎn)是其更高的功率密度，從而可以在相同的性能下實(shí)現(xiàn)更小的外形尺寸，從而減小總體系統(tǒng)尺寸。這可以讓毫米波基站受益，因為它允許以更大的功率傳輸信號，從而覆蓋更廣泛的區(qū)域。

Edmondson 表示，LDMOS 在高達(dá) 4 GHz 的頻率下表現(xiàn)良好，但高于該頻率，它的運(yùn)行效率就開始變得相當(dāng)?shù)拖??！癎aN 面臨的巨大挑戰(zhàn)，尤其是最初，更多的是材料的成本，因此硅技術(shù)非常成熟且非常便宜。但由于功率密度高，您可以使用更少的材料，因此需要進(jìn)行一些權(quán)衡。通常情況下，GaN 的價格更高，但最重要的是，人們普遍缺乏該材料的行業(yè)經(jīng)驗?！?/span>

Tucker 表示：“這里涉及到一些物理原理，但 GaN 的作用是將更多的功率集中到更小的區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)放大器的相同目標(biāo)，因此，這是一項很好的技術(shù)，可以幫助我們提高整體設(shè)計的密度。” 。“你仍然需要將所有其他模擬功能放在其中——開關(guān)、增益塊、衰減器以及我們決定在給定放大器中添加的任何其他東西——但如果能夠成功完成，它確實(shí)可以幫助我們實(shí)現(xiàn)小型化?！?/span>

毫米波在視線、范圍和信號傳播（高損耗）方面的最大挑戰(zhàn)需要解決。盡管可以使用大規(guī)模 MIMO、微型天線陣列和智能有源中繼器等技術(shù)來解決其中一些問題，但其中一些答案將需要改變射頻電路和功率放大器。

“當(dāng)你轉(zhuǎn)向毫米波時，天線會縮小，這會增加每個設(shè)備的功率密度，因此設(shè)備內(nèi)天線元件的實(shí)際數(shù)量會增加很多，”埃德蒙森說。“你可以看到一個封裝中的數(shù)千個天線元件，這實(shí)際上意味著每個放大器的功率需求下降。我認(rèn)為這是我們尚未看到 GaN 在毫米波 5G 中得到廣泛采用的一個重要原因。如果可以不使用現(xiàn)有的硅技術(shù)，那么這可能會是更簡單的方法。

“未來毫米波將更多地采用 GaN，但它確實(shí)面臨一些額外的挑戰(zhàn)，例如組件集成以及實(shí)際上每個放大器的功率需求較少，”他補(bǔ)充道。

最終，技術(shù)的選擇（基于硅或基于寬帶隙）取決于應(yīng)用。“對于天線設(shè)計，放大器的規(guī)格才是賣給我的，”埃德蒙森說。但與此同時，如果 GaN 器件需要在電路板上安裝或處理熱管理方面進(jìn)行額外的工作，那么這些顯然是設(shè)計上的權(quán)衡，他補(bǔ)充道。

塔克說，第一個設(shè)計挑戰(zhàn)是無線電本身的架構(gòu)以及其中加入的功能集，因為它仍處于非常早期的階段。

塔克說，第一代無線電本質(zhì)上是純線性的，放大器末級沒有利用行業(yè)其他地方的高效技術(shù)?！斑@種情況正在慢慢改變，你開始看到這些高頻無線電的效率更高的架構(gòu)和數(shù)字預(yù)失真即將上線，但它仍然非常簡單。它遠(yuǎn)不如成熟的通信系統(tǒng)那么成熟?！?/span>

他補(bǔ)充說，目前的趨勢是提高功率和減少傳輸路徑，這對于 GaN 及其在高頻方面的實(shí)際用途非常重要。

塔克還指出成本是一個設(shè)計挑戰(zhàn)?！拔覀兛吹竭@些毫米波無線電采用了一種簡單的架構(gòu)，純粹是模擬波束成形，這可能不是首選的方式。這當(dāng)然不是我們在 6 GHz 以下使用的?！?/span>

塔克解釋說，原因很簡單。他補(bǔ)充說，這些高階類型的發(fā)射機(jī)具有大量模擬功能，與現(xiàn)代無線電中使用的數(shù)字前端進(jìn)行了大量集成和配對。

恩智浦半導(dǎo)體無線電電源業(yè)務(wù)部門的設(shè)備工程博士， Christopher Dragon 總監(jiān)說：“恩智浦目前使用的碳化硅基氮化鎵 (GaN-on-SiC) 將非常有競爭力，并且在高達(dá) 30-40 GHz 的頻率下工作得非常好，但超過 40 GHz，您將開始失去一些‘卓越’的效率”。

盡管在較高頻率范圍內(nèi)面臨一些挑戰(zhàn)，但 Christopher Dragon 相信，基于尋求擴(kuò)展頻率范圍的行業(yè)研究，碳化硅基氮化鎵 (GaN-on-SiC) 仍將發(fā)揮作用。研究和討論的一個領(lǐng)域是 N 極 GaN-on-SiC?！拔艺J(rèn)為這項研究將引導(dǎo)我們走向一個行之有效的方向，”他說。

Christopher Dragon 表示，多年來統(tǒng)治基站行業(yè)的硅 LDMOS 在大約 2-3 GHz 時開始失去效率，而這正是向 GaN 過渡的地方?！拔野l(fā)現(xiàn) 30 至 40 GHz 范圍內(nèi)的 GaN-on-SiC 會出現(xiàn)這種情況（效率損失）。”

Christopher Dragon 說，隨著頻率的升高，由于設(shè)備中的所有寄生效應(yīng)，您開始失去效率，這就是消除該技術(shù)可用性的原因。“這就是你在嘗試設(shè)計功率放大器時遇到問題的地方。你確實(shí)需要這些東西才能高效運(yùn)行，并且需要它們是線性的。功率附加效率將會讓您滿意?！?/span>

設(shè)計人員還必須考慮熱管理

Christopher Dragon 表示：“GaN 很棒：設(shè)備中每毫米外圍都有很高的功率密度，而且確實(shí)能產(chǎn)生瓦特功率，但你必須管理所有熱量，這就是 SiC 如此重要的原因。” ?！巴ǔＧ闆r下這非常好，但當(dāng)你接近這些毫米波時，實(shí)際上由于幾個原因，關(guān)于轉(zhuǎn)向硅基氮化鎵存在很大的爭論。一是你不再需要 SiC 來散熱，而且硅將比 SiC 上的 GaN 便宜得多。”

“在這些無線電中，散熱仍然是需要重點(diǎn)考慮的問題，因為每瓦面積問題需要解決，并且整個無線電的熱設(shè)計仍然非常重要，并且是設(shè)計人員需要重點(diǎn)考慮的問題，”塔克補(bǔ)充道。

Christopher Dragon 表示，單片微波集成電路（MMIC）在更高的頻率下也將變得更加重要。他補(bǔ)充說，集成所有這些不同的組件，使它們更具可重復(fù)性和可靠性，在更高的頻率下將變得非常重要。

“在越來越高的頻率下，集成變得很重要——我們不能使用傳統(tǒng)的芯片和電線互連，”塔克表示同意。“如果我們采用 GaN-on-SiC 并進(jìn)行成熟的 MMIC 類型的設(shè)計，那將非常昂貴。它對于功率放大器來說可能很棒，但對于這些芯片上的所有其他特性和功能來說卻相當(dāng)糟糕。因此，在更高頻率下使用 GaN 的秘訣在于，我們?nèi)绾螌⑵渑c另一種技術(shù)結(jié)合起來，以經(jīng)濟(jì)高效的方式支持我們所需的其他模擬功能。”

無論是使用 GaN-on-SiC 芯片和 SiGe 芯片的小芯片類型方法，還是將 GaN-on-Si 集成在更大的芯片上，這一切還有待觀察，但這些都是正在開發(fā)中的事情。他補(bǔ)充說，正在為解決這一問題進(jìn)行研究的會議和大學(xué)進(jìn)行了討論。

“這更難做到，但毫無疑問，隨著頻率的提高，我們會看到更多這樣的事情，”Christopher Dragon說。

“我認(rèn)為 GaN 在毫米波范圍內(nèi)占有一席之地，”他補(bǔ)充道。“就研發(fā)而言，是否會因為集成件而轉(zhuǎn)向 N 極或 GaN-on-Si，這些都是有趣的問題，但我認(rèn)為 GaN 絕對會存在。但傳統(tǒng)的硅 LDMOS 類型根本不會出現(xiàn)。”