5G和GaN：未來(lái)創(chuàng )新

2021-02-24

很容易忘記GaN仍然是一個(gè)相對較年輕的技術(shù)。我們仍處于發(fā)展的前幾代，具有很大的改進(jìn)和完善潛力。本文著(zhù)眼于即將出現的一些GaN創(chuàng )新，并預測了它們在未來(lái)幾年內對基站供電的影響。

功率密度

我們的期望是，在未來(lái)三到五年內，我們將看到GaN本身已經(jīng)具備的強大功率密度功能的改進(jìn)。如今，已經(jīng)存在使用GaN實(shí)現更高功率密度的方法，但是從商業(yè)角度來(lái)看，成本是極其昂貴的。例如，將GaN而不是碳化硅放在金剛石上。這是可能的，但費用并不能使基站成為現實(shí)。盡管如此，仍在研究其他具有成本效益的工藝，這些工藝將在未來(lái)幾年內提高材料的原始功率密度。

5G基礎設施市場(chǎng)的吸引力顯而易見(jiàn)–便宜，更高效，帶寬更寬的基站。其他行業(yè)也很感興趣。特別是雷達應用將受益，因為它們專(zhuān)注于在給定空間內產(chǎn)生盡可能多的功率和效率。隨著(zhù)GaN在這些子市場(chǎng)中的擴散，規模經(jīng)濟增加，價(jià)格將繼續下降。

線(xiàn)性度

毫無(wú)疑問(wèn)，GaN半導體行業(yè)對基站的最大優(yōu)先考慮是增加線(xiàn)性功率。研發(fā)工作都集中于在未來(lái)幾年內提高線(xiàn)性效率。

同時(shí)，我們期望基站調制方案在未來(lái)三到五年內不會(huì )發(fā)生重大變化。它分解為每赫茲比特的簡(jiǎn)單計算。無(wú)論您運行的是256 QAM還是1024 QAM，系統都將獲得每赫茲帶寬一定數量的位。如果這些數字不會(huì )發(fā)生顯著(zhù)變化，那么從系統中產(chǎn)生更多收益的理想方法是提高線(xiàn)性效率。

這并不是說(shuō)無(wú)法通過(guò)基本設備的強大功能來(lái)解決。即使不改善線(xiàn)性度，PA的整體功率效率仍將改善信號。由于他們需要更少的系統功率和更少的天線(xiàn)陣列，因此還可以幫助設計人員縮小系統。在使用其他電源或二級解決方案的同時(shí)，行業(yè)中GaN供應商的目標是減少捕獲效應，以使系統變得盡可能簡(jiǎn)單。

溫度

基站的溫度隨著(zhù)時(shí)間的推移持續上升。五年前，標準是將器件規范為85°C。OEM將溫度提高到105°C，并且期望基站設計人員能夠適應125°C的溫度。大多數GaAs器件的最高溫度為150°C，這只能使您在25°C的溫度下工作。GaN供應商將必須與系統設計師緊密合作，以找到創(chuàng )新的方法來(lái)保持嵌入式元件的低溫。在具有大型MIMO陣列的小型室外機中，這種壓力將更加嚴重。當今存在創(chuàng )意解決方案，但價(jià)格不高。我們預計這種情況將在未來(lái)幾年內發(fā)生變化。

整體解決方案

每個(gè)GaN供應商都在微調GaN器件的物理性能，以提高線(xiàn)性效率，功率密度和可靠性，同時(shí)減少例如俘獲，電流崩塌和電流漂移的負面影響?？梢栽谀撤N程度上在設備級別上做到這一點(diǎn)，但要充分發(fā)揮潛力，應該與整個(gè)架構鏈一起開(kāi)發(fā)基站RFFE系統，這就是我們今天看到的許多前瞻性活動(dòng)。

隨著(zhù)行業(yè)從LDMOS轉向GaN解決方案，這一點(diǎn)尤其重要。技術(shù)根本不同。它不像取代GaN PA那樣簡(jiǎn)單，而且期望效率提高10點(diǎn)。存在不同的系統問(wèn)題和解決方案。針對LDMOS優(yōu)化的基站可能不適用于GaN PA，反之亦然。應該整體上針對GaN優(yōu)化基站系統。

我們現在開(kāi)始看到這種趨勢，并且隨著(zhù)性能結果的證明，我們預計在未來(lái)幾年中將采用更多的技術(shù)。與供應商合作彌合這種整體設計差距的嵌入式設計師將把自己定位為行業(yè)領(lǐng)導者。OEM當然會(huì )說(shuō)他們已經(jīng)在使用系統級方法。我們不會(huì )爭辯這個(gè)事實(shí)，但是我們相信還有更多的收獲，尤其是當鏈的RF部分變得更智能，更集成時(shí)。

智能射頻和人工智能

緩解陷阱一直是每種半導體材料的問(wèn)題，GaN也不例外。高速開(kāi)關(guān)應用可為GaN功率放大器創(chuàng )造極具挑戰性的陷波環(huán)境。由于PA的行為可能取決于PA收到的先前信號，因此解決這些陷阱效應可能很復雜。傳統的方法是在物理層一直到基板中進(jìn)行處理，以解決導致問(wèn)題行為的原因。當前的技術(shù)還不能完全以這種方式緩解陷阱，但是它一直在研發(fā)中。  

另一種方法可能是使用軟件算法來(lái)預測導致誘捕的變化。借助智能RF控制器并充分了解現有條件，設備可以潛在地識別流量模式并預測活動(dòng)的下一個(gè)高峰?；蛘?，識別活動(dòng)減少并在控制器級別進(jìn)行更改以減少功耗。這已經(jīng)在基站中完成了很多年，但是仍在不斷努力以改進(jìn)技術(shù)。

這就是OEM廠(chǎng)商正在考慮在無(wú)線(xiàn)電級別實(shí)施人工智能的原因。RFFE系統可以隨著(zhù)時(shí)間的推移優(yōu)化自身。從理論上講，如果現場(chǎng)無(wú)線(xiàn)電設備發(fā)生故障，它可以自我識別錯誤并從錯誤中“學(xué)習”。然后，下一次它可以防止造成該故障的一系列事件，或者有可能修復該故障。無(wú)需標記承運人，派出卡車(chē)并將人員放在塔中以解決小問(wèn)題。您可以想象，這將避免大量的停機時(shí)間和費用。

6G

即使5G仍處于推出初期，有關(guān)6G的討論也已經(jīng)開(kāi)始。早期的預測表明，6G將在遠遠超過(guò)100Ghz的頻帶（我們知道GaN支持的頻率）中提供。這種解決方案很可能不會(huì )采用傳統的蜂窩塔式部署方式，但是無(wú)論采用哪種形式，我們都認為GaN在高頻和寬帶寬方面的效率對于將6G變?yōu)楝F實(shí)至關(guān)重要。