GaN有哪些特點(diǎn)為什么5G通信要使用GaN技術(shù)來實(shí)現(xiàn)

在射頻和功率應(yīng)用中，氮化鎵（GaN）技術(shù)正日益盛行已成為行業(yè)共識。

GaN器件分為射頻器件和電力電子器件，射頻器件產(chǎn)品包括PA、 LNA、開關(guān)器、 MMIC等，面向基站衛(wèi)星、雷達(dá)等市場；電力電子器件產(chǎn)品包括SBD、常關(guān)型FET、常開型FET、級聯(lián)FET等產(chǎn)品，面向無線充電、電源開關(guān)、包絡(luò)跟蹤、逆變器、變流器等市場。而按工藝分，GaN器件則分為HEMT、HBT射頻工藝和SBD、Power FET電力電子器件工藝兩大類。

目前，射頻市場主要有三種工藝：GaAs，基于Si的LDMOS，以及GaN 工藝。GaAs器件的缺點(diǎn)是器件功率較低，通常低于50W。LDMOS器件的缺點(diǎn)是工作頻率存在極限，最高有效頻率在3GHz以下。GaN則彌補(bǔ)了GaAs和Si基LDMOS這兩種傳統(tǒng)技術(shù)的缺陷，在體現(xiàn)GaAs高頻性能的同時(shí)，結(jié)合了Si基LDMOS的功率處理能力。

在射頻PA市場，LDMOS PA帶寬會隨著頻率的增加而大幅減少，僅在不超過約3.5GHz 的頻率范圍內(nèi)有效，采用0.25微米工藝的GaN器件頻率可以達(dá)到其4倍，帶寬可增加20%，功率密度可達(dá) 6~8 W/mm（LDMOS 為 1~2W/mm），且無故障工作時(shí)間可達(dá) 100 萬小時(shí)，更耐用，綜合性能優(yōu)勢明顯。

5G帶動(dòng)GaN崛起

傳統(tǒng)上，LDMOS技術(shù)在無線基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域占主導(dǎo)地位，但這種情況是否正在發(fā)生變化？這個(gè)問題的答案是肯定的。

由于5G需要大規(guī)模MIMO和Sub-6GHz部署，需要使用毫米波（mmWave）頻譜，而這將要面對一系列的挑戰(zhàn)。GaN技術(shù)可以在sub-6GHz 5G應(yīng)用中發(fā)揮重要作用，有助于實(shí)現(xiàn)更高數(shù)據(jù)速率等目標(biāo)。高輸出功率、線性度和功耗要求正在推動(dòng)基站和網(wǎng)絡(luò)OEM部署的PA從使用LDMOS技術(shù)轉(zhuǎn)換到GaN，GaN為5G sub-6GHz大規(guī)模MIMO基站應(yīng)用提供了多種優(yōu)勢：

GaN在3.5GHz及以上頻率下表現(xiàn)良好，而LDMOS在這些高頻下受到挑戰(zhàn)。

GaN具有高擊穿電壓，高電流密度，高過渡頻率，低導(dǎo)通電阻和低寄生電容。這些特性可轉(zhuǎn)化為高輸出功率、寬帶寬和高效率。

采用Doherty PA配置的GaN在100W輸出功率下的平均效率達(dá)到50％~60％，顯著降低了發(fā)射功耗。

GaN PA的高功率密度可實(shí)現(xiàn)需要較少印刷電路板（PCB）空間的小尺寸。

在Doherty PA配置中使用GaN允許使用四方扁平無引線（QFN）塑料封裝而不是昂貴的陶瓷封裝。

GaN在高頻和寬帶寬下的效率意味著大規(guī)模MIMO系統(tǒng)可以更緊湊。GaN可在較高的工作溫度下可靠運(yùn)行，這意味著它可以使用更小的散熱器。這樣可以實(shí)現(xiàn)更緊湊的外形。

構(gòu)建RF前端（RFFE）以支持這些新的sub-6GHz 5G應(yīng)用將是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。RFFE對系統(tǒng)的功率輸出、選擇性和功耗至關(guān)重要。復(fù)雜性和更高的頻率范圍推動(dòng)了對RFFE集成、尺寸減小、更低功耗、高輸出功率、更寬帶寬、改善線性度和增加接收器靈敏度的需求。此外，收發(fā)器、RFFE和天線之間的耦合要求更嚴(yán)格。

5G sub-6GHz RFFE的一些目標(biāo)，以及GaN PA如何幫助實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)呢？具體包括如下：

更高的頻率和更高的帶寬： 5G使用比4G更高的頻率，并且需要更寬的分量載波帶寬（高達(dá)100 MHz）。GaN-on-Silicon-carbide（GaN-on-SiC）Doherty PA在這些頻率下實(shí)現(xiàn)比LDMOS更寬的帶寬和更高的功率附加效率（PAE）。GaN器件的更高效率，更高輸出阻抗和更低寄生電容允許更容易的寬帶匹配和擴(kuò)展到非常高的輸出功率。

在更高數(shù)據(jù)速率下的高功率效率： GaN具有軟壓縮特性，使其更容易預(yù)失真和線性化。因此，它更容易用于數(shù)字預(yù)失真（DPD）高效應(yīng)用。GaN能夠在多個(gè)蜂窩頻段上運(yùn)行，幫助網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商部署載波聚合以增加頻譜并創(chuàng)建更大的數(shù)據(jù)管道以增加網(wǎng)絡(luò)容量。

最大限度地降低系統(tǒng)功耗：我們?nèi)绾螡M足5G的高數(shù)據(jù)率要求？我們需要更多基礎(chǔ)設(shè)施，例如數(shù)據(jù)中心，服務(wù)器和小型蜂窩。這意味著網(wǎng)絡(luò)功耗的整體增加，從而推動(dòng)了對系統(tǒng)效率和整體功率節(jié)省的需求，這似乎很難。同樣，GaN可以通過提供高輸出功率以及提高基站效率來提供解決方案。

上圖顯示了一個(gè)示例性sub-6GHz RFFE的框圖，該RFFE使用了Doherty PA設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)高效率。新產(chǎn)品方面，2018 年12月，Qorvo發(fā)布了行業(yè)首款28GHz的GaN前端模塊QPF4001，擴(kuò)大了其 5G 業(yè)務(wù)范圍。在基站設(shè)備制造商涉足 5G 之后，這款新 FEM 可以幫助他們降低總體系統(tǒng)成本。

28 GHz 頻段是早期基于 5G 的固定無線接入 (FWA) 部署的首選頻段，使運(yùn)營商能夠滿足 5G 對速度、延遲、可靠性和容量的要求。QPF4001 FEM 在單個(gè) MMIC 中集成了高線性度 LNA、低損耗發(fā)射/接收開關(guān)和高增益、高效率多級 PA。針對 5G 基站架構(gòu)中間隔 28 GHz 的相控陣元件，對緊湊型 5x4 毫米氣腔層表貼封裝進(jìn)行了優(yōu)化。