用于 5G 應(yīng)用的基于 GaN 的無(wú)線電力傳輸

5G 支持大量數(shù)據(jù)，顯著降低延遲，并提供越來(lái)越大的帶寬覆蓋范圍，以支持變得更加龐大的物聯(lián)網(wǎng)。

5G 是準(zhǔn)備為物聯(lián)網(wǎng)提供動(dòng)力的最新一代網(wǎng)絡(luò)。運(yùn)行 5G 的網(wǎng)絡(luò)將比現(xiàn)有的 4G 網(wǎng)絡(luò)快 20 倍，使視頻下載速度提高 10 倍。氮化鎵 (GaN)、碳化硅 (SiC)和砷化鎵 (GaAs)等高性能功率半導(dǎo)體在 5G 射頻 (RF) 解決方案、無(wú)線電力傳輸 (WPT) 和基站電源。為滿(mǎn)足功率要求，OEM 特別轉(zhuǎn)向 GaN?；?GaN 的電源系統(tǒng)可以提供一個(gè)很好的選擇來(lái)支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸和能效要求的嚴(yán)格要求。

5G 覆蓋的好壞取決于許多因素，包括周?chē)h(huán)境。5G 信號(hào)可能會(huì)被墻壁、水塔和其他射頻傳播障礙物中斷。寬帶隙半導(dǎo)體、物聯(lián)網(wǎng)和無(wú)線充電支持的技術(shù)成熟將共同為5G基礎(chǔ)設(shè)施創(chuàng)造更多技術(shù)創(chuàng)新。

氮化鎵技術(shù)

與硅相比，GaN 的主要優(yōu)勢(shì)在于其功率密度更高。這是由于導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的間隙高于 LDMOS 技術(shù)，從而提供更高的擊穿電壓。高功率密度允許信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸，擴(kuò)大基站的覆蓋范圍。它還支持更小的外形尺寸，在 PCB 上需要更少的空間。因此，設(shè)計(jì)人員可以在更小的空間內(nèi)擁有更大的功率，從而降低成本。

高密度特性使得5G中使用的功率放大器（PA）可以在高溫下工作，從而減少散熱器的使用。GaN 的效率最大限度地降低了網(wǎng)絡(luò)功耗，同時(shí)降低了耗電的大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)所需的能量。這種提高的效率 - 結(jié)合實(shí)現(xiàn)高達(dá) 100 GHz 的工作頻率、低寄生電容（與 LDMOS 相比）以及負(fù)載和輸出功率方面的可擴(kuò)展性的能力 - 為 GaN 器件提供了與寬帶系統(tǒng)的自然匹配。

5G和電源管理

為了滿(mǎn)足更低功耗、更小尺寸和更好熱管理性能的需求，基于 GaAs、GaN 和 SiC 技術(shù)的射頻功率放大器在 4G 出現(xiàn)期間開(kāi)始引領(lǐng)潮流。GaN 有望因其改進(jìn)的功率性能而成為市場(chǎng)主流。GaN 繼續(xù)爭(zhēng)奪市場(chǎng)份額，通過(guò)縮小與其他更老的硅基技術(shù)之間的差距來(lái)解決市場(chǎng)所需的許多技術(shù)挑戰(zhàn)。

近年來(lái)，基于磁共振的 WPT 技術(shù)（例如 AirFuel1）因其高工作頻率 (6.78 MHz) 和提供位置靈活性、大間隔距離和多設(shè)備充電功能的能力而出現(xiàn)。無(wú)線技術(shù)是眾所周知的，但發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)、它們的位置、最大化效率的可能性以及驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的行為代表了需要使用復(fù)雜工程解決方案的復(fù)雜挑戰(zhàn)。

5G 網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)將見(jiàn)證大帶寬毫米波頻率的使用。在固定無(wú)線接入 (FWA) 應(yīng)用中，外部網(wǎng)絡(luò)單元需要來(lái)自?xún)?nèi)部電源線和適配器的電源。WPT系統(tǒng)可以代替有線解決方案，用于外部網(wǎng)絡(luò)單元的電力傳輸，也可以用于5G微型基站和IP攝像機(jī)和光網(wǎng)絡(luò)終端（光纖到戶(hù)）等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

傳統(tǒng)的 WPT 系統(tǒng)由帶有 PA 的恒流 RF 源和用作具有特定特性的發(fā)射器 (Tx) 和接收器 (Rx) 的線圈組成。在接收器側(cè)，全橋整流器將耦合的射頻功率轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)。GaN 技術(shù)器件提供了一種 PA 解決方案，它可以在非常寬的阻抗范圍內(nèi)提供超過(guò) 80% 的端到端效率，與有線系統(tǒng)相當(dāng)。

必須通過(guò)提供高耦合系數(shù) (Q) 來(lái)優(yōu)化耦合線圈。發(fā)射器線圈的 Q 值應(yīng)足夠大，以實(shí)現(xiàn)高互耦因子，從而將更多功率傳輸?shù)綁Ρ诘牧硪粋?cè)。根據(jù)GaN Systems團(tuán)隊(duì)的計(jì)算，200 × 200 mm 的典型尺寸足以在 250 mm 的距離傳輸功率。GaN Systems 的工程師使用了 EF2 類(lèi)放大器拓?fù)湟约?T 型加 PI 型阻抗匹配的組合。

用于此應(yīng)用的 200 × 200-mm Tx 線圈有 5 匝，軌道寬度為 4 mm，均勻間距為 3 mm 以平衡熱性能，如圖 2 所示。此應(yīng)用的 Tx 和 Rx 線圈為相同的大小。

根據(jù)品質(zhì)因數(shù) (FOM；表示為U )分析線圈，該品質(zhì)因數(shù)由耦合因子k與線圈質(zhì)量值乘積的平方根 (√[ Q1 × Q2 ])的乘積定義。在這種情況下，Q1 = Q2。對(duì)于 200 毫米間隙，當(dāng)U為 14時(shí)，線圈到線圈的效率超過(guò) 87% ，并且優(yōu)化的 Tx 和 Rx 阻抗均約為 30 Ω。使用此等式計(jì)算效率，如圖 3 所示：

圖 2：Tx 線圈和硬件（采用 GaN 的 5G）

圖 3：效率與 FOM

技術(shù)正在顯著發(fā)展。GaN 器件正在取代市場(chǎng)上的 LDMOS 器件，尤其是在 5G 電信基站、雷達(dá)和航空電子設(shè)備以及其他寬帶應(yīng)用中。通過(guò)專(zhuān)用射頻傳輸?shù)臒o(wú)線電力傳輸在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中越來(lái)越流行。波束成形是 WPT 技術(shù)的圣杯，因?yàn)樗梢詫⒏叩男盘?hào)質(zhì)量傳送到接收器，而無(wú)需增加傳輸功率。在此之前，高頻諧振技術(shù)將提供有針對(duì)性的用戶(hù)體驗(yàn)。

審核編輯 黃昊宇