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2021年02月03日 | 5G来了，要从LDMOS迁移到GaN吗？
2021-02-03 来源：EEWORLD
虽然毫米波频率应用的潜力最终将被实现，但在接下来的几年中，将通过在Sub-6GHz频带上传输的信号来定义5G服务。为了使之成为可能，下一代基站解决方案将需要对RF前端性能进行重大改进。
工程师需要更好地集成RFFE，减小尺寸，降低功耗，提高输出功率，提高带宽，改善线性度并提高接收器灵敏度。除了满足收发器，RFFE和天线之间更严格的耦合要求之外，还需要采取其他措施。这是一个很高的要求。满足这些需求并成功实现Massive MIMO的唯一方法是使用小型，高效，高性价比的功率放大器，这些功率放大器可用于这些扩展的天线阵列。
为Sub-6GHz Massive MIMO供电
自从1990年代该技术进入市场以来，RF功率放大器领域就一直采用横向扩散的金属氧化物半导体（LDMOS）器件，特别是由于其低成本，以及适用频率低于2 GHz。其最大的竞争来自砷化镓（GaAs）放大器，该放大器更适合于更高的频率，但具有更低的功率传输水平和更高的成本。从2G数字移动网络推出时，LDMOS直到今天仍然占有RF基站中的市场主导地位。但是，随着3G和4G网络的引入，LDMOS功率放大器的功率效率无法达到前几代水平。尽管通过使用Doherty拓扑和包络跟踪提高了性能，但设备制造商和运营商在2014年在中国4G LTE部署期间开始将氮化镓（GaN）用作射频功率应用的下一代半导体。
与其他半导体相比，GaN是一种相对较新的技术，但已成为高RF，高功耗应用的首选技术，例如那些需要长距离或高端功率传输信号的应用——使其非常适合Sub 6GHz的5G基站。它的高输出功率，线性度和功率效率促使网络OEM厂商从使用PA的LDMOS技术转向氮化镓。LDMOS技术在当今的RF基站中仍然占有最大的市场份额，但是GaN有望在5G Massive MIMO部署中继续取代它。
GaN性能优势
GaN的主要优点是更高的功率密度。这是由于导带和价带之间的带隙比LDMOS技术的带隙大，它提供了高击穿电压和功率密度。它允许以更大的功率发送信号，从而扩大了基站的覆盖范围。 GaN PA的高功率密度还可实现更小的外形尺寸，从而需要更少的PCB空间。在给定的区域系统中，设计人员可以提供比其他技术更多的功率。或者，对于给定的功率级系统，设计人员可以缩小RFFE的尺寸并降低成本。
更高的功率密度还使GaN功率放大器能够在高达250华氏度的温度下运行，这是基于硅技术无法达到的水平。 GaN改进的散热功能简化了系统的散热和冷却要求，从而进一步减小了尺寸和成本。鉴于MNO面临巨大的基础设施支出，因此，更小，更便宜的设备对于让5G在更大范围内可用将大有帮助。
GaN更高的功率效率还有助于降低基站运营的费用。运营商正在寻求最大程度地降低网络功耗，并推动OEM进行设计以提高系统效率并节省总体功耗。为了满足这一需求，工程师越来越多地转向GaN。在Doherty PA配置中，GaN在100W输出功率下的平均效率高达60％，从而大大降低了运行Massive MIMO系统所需的功耗。
GaN在高频和宽带宽上的效率还可以帮助缩小Massive MIMO系统。尽管LDMOS放大器特性的改进允许高达4 GHz的频率范围，但基于GaN的放大器可以以高达5倍的功率密度实现高达100 GHz的频率。更高的效率和输出阻抗，以及更低的寄生电容，使GaN器件更容易进行宽带匹配和缩放至非常高的输出功率。尽管mmWave应用更加明显，但是通过同时在多个频带上传输，这可以使Sub-6GHz的载波受益。运营商不需要多个窄带无线电，他们只需要一个可为多个频带提供服务的宽带无线电平台即可。GaN提供了使这些系统成为可能的范围和灵活性以及更高的频带。
这并不是说GaN始终是每种RF功率应用的正确选择。LDMOS通常价格较低，并且在某些频率下具有非常有竞争力的线性度。GaAs在某些市场领域也具有自己的效率优势。但是，有很多主要的LDMOS厂商转向GaN生产的原因：他们认识到GaN对于帮助运营商和基站OEM达到Sub-6 GHz大规模MIMO的目标至关重要。
由于GaN在基站中的广泛采用，以及在国防和航空航天等其他行业的广泛应用，因此GaN的产量逐年增长，适用于更大的规模经济，使GaN成为更实惠的解决方案。这还没有考虑到通过提高能效，减小外形尺寸或多频带应用所实现的节省，线性度也将得到提高。重要的是，GaN仅仅开发了两代，而像LDMOS这样的成熟技术已经有了第15代产品。
史海拾趣
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