5G時代，GaN射頻前端大有可為！｜半導體行業觀察

來源：本文由 微信公眾號 半導體行業觀察（ID：icbank）翻譯自「Microwaves & RF」，作者David Schnaufer，Bror Peterson，謝謝。

到2021年，估計全球會有更多的人擁有行動電話（55億），將超過用上自來水的人數（53億）。與此同時，帶寬緊張的視頻應用將進一步增加對移動網路的需求，其會佔移動流量的78％。使用大規模多輸入多輸出（MIMO）技術的 5G網路將是支持這種增長的關鍵。根據Strategy Analytics的數據，預計5G移動連接將從2019年的500萬增長到2023年的近6億。

MIMO技術

如圖1所示，單用戶MIMO系統用於3G，而4G採用多用戶MIMO系統技術。

圖1

每一代無線技術都利用天線技術的進步來幫助提高網路速度。3G採用單用戶MIMO，其利用多個同時數據流將數據從基站傳輸到單個用戶。多用戶MIMO是4G系統中的主導技術，它為不同用戶分配不同的數據流，與3G相比具有顯著的容量和性能優勢（圖1）。5G將引入大規模MIMO，進一步提高容量並提供高達20 Gb / s的數據速率（圖2）。

圖2：MIMO的演進最終將導致大規模MIMO用於5G。

5G大規模MIMO

5G常喊的口號是增加網路容量和數據速率，同時最大限度地降低運營商費用。用戶也越來越希望無線數據服務能夠提供有線質量。

5G大規模MIMO將幫助運營商實現這些目標。它將為許多用戶提供高數據速率，有助於提高容量。它將支持實時多媒體服務，而無需額外的頻譜。此外，大規模MIMO將通過利用波束成形將信號定向到各個用戶來減少能量消耗，波束成形技術將來自多個天線的信號聚焦成單個強光束。

空間復用和大規模MIMO優勢

Massive-MIMO技術使用大型天線陣列（通常包括64個雙極化，但至少16個陣列元素）來利用空間復用（圖3）。空間復用在同一資源塊內提供多個並行數據流。通過擴展虛擬通道的總數，它可以增加容量和數據速率，而無需額外的塔和頻譜。

圖3：各種益處都與大規模MIMO相關，例如空間復用。

在空間復用中，每個空間信道攜帶獨立信息（圖4）。如果環境散射足夠豐富，則在相同的分配帶寬中創建許多獨立的子信道，從而實現多路復用增益而不帶來額外的帶寬或功率成本。多路復用增益也稱為參考信號空間星座的自由度; 在大規模MIMO配置中，自由度控制著系統的整體容量。

圖4：與大規模MIMO進行空間復用的每個信道都攜帶獨立的信息。

通過大規模MIMO，多個天線將發送和接收信號集中到較小的空間區域，從而大大提高了吞吐量和能效。數據流越多，數據速率越高，輻射功率的使用效率越高。這種方法還提高了鏈路可靠性。天線的增加意味著可以在空間分集上花費更多的自由度。它提高了發送和接收數據流的選擇性，並增強了干擾消除功能。

大規模MIMO帶來的好處包括：

• 防止在不希望的方向上傳輸，減輕干擾
• 減少延遲，實現更快的速度和更高的可靠性
• 減少衰落和下降，提高信噪比（SNR）
• 提高頻譜效率和高可靠性
• 提高能源效率

5G大規模MIMO和Sub-6GHz部署

很明顯，為了實現20Gb / s數據速率的5G目標，有必要使用毫米波（mmWave）頻譜。但是，在mmWave真正用於移動通信之前，必須解決幾個關鍵挑戰。

雖然運營商和原始設備製造商（OEM）正在努力完善mmWave技術，但6GHz以下將成為近期的5G網路技術。Sub-6GHz頻率適用於農村和城市地區，因為該技術可以長距離提供高數據速率（圖5）。運營商最初預計將在3,300~4,200-MHz和4,400~5,000MHz頻率範圍內部署5G，這將允許高達100MHz的信道帶寬。

圖5：覆蓋範圍和容量的差異在5G mmWave和6GHz之間是不同的。

Sub-6GHz大規模MIMO將通過在基站使用大量天線來解決干擾問題，並使基站能夠為城市地區的大量用戶提供服務。Massive MIMO還可提高峰值，平均值和小區邊緣吞吐量，通過在用戶覆蓋和容量之間提供最佳平衡來最大化成本效率。

然而，這些技術進步並非沒有系統設計挑戰。Sub-6GHz大規模MIMO波束成形技術將推動對可用於大規模MIMO陣列的小型、經濟高效的功率放大器（PA）的需求。此外，由於5G調製方案變得越來越複雜（即256 QAM），無線基礎設施功率放大器將需要在深輸出功率回退條件（高達8 dB或更高）下非常高效。達到必要的線性。

利用GaN實現5G Mass-MIMO Sub-6GHz

氮化鎵（GaN）技術可以在sub-6GHz 5G應用中發揮重要作用，有助於實現更高數據速率等目標。

高輸出功率、線性度和功耗要求正在推動基站和網路OEM部署的PA從使用LDMOS技術轉換到GaN。GaN為5G sub-6GHz大規模MIMO基站應用提供了多種優勢：

• GaN在3.5GHz及以上頻率下表現良好，而LDMOS在這些高頻下受到挑戰。
• GaN具有高擊穿電壓，高電流密度，高過渡頻率，低導通電阻和低寄生電容。這些特性可轉化為高輸出功率、寬頻寬和高效率。
• 採用Doherty PA配置的GaN在100 W輸出功率下的平均效率達到50％~60％，顯著降低了發射功耗。
• GaN PA的高功率密度可實現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在高頻和寬頻寬下的效率意味著大規模MIMO系統可以更緊湊。GaN可在較高的工作溫度下可靠運行，這意味著它可以使用更小的散熱器。這樣可以實現更緊湊的外形。

滿足6GHz以下的RFFE設計目標

構建RF前端（RFFE）以支持這些新的sub-6GHz 5G應用將是一項挑戰。RFFE對系統的功率輸出、選擇性和功耗至關重要。複雜性和更高的頻率範圍推動了對RFFE集成、尺寸減小、更低功耗、高輸出功率、更寬頻寬、改善線性度和增加接收器靈敏度的需求。此外，收發器、RFFE和天線之間的耦合要求更嚴格。

5G sub-6GHz RFFE的一些目標，以及GaN PA如何幫助實現這些目標呢？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，並且需要更寬的分量載波帶寬（高達100 MHz）。GaN-on-silicon-carbide（GaN-on-SiC）Doherty PA在這些頻率下實現比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頻匹配和擴展到非常高的輸出功率。

• 在更高數據速率下的高功率效率：

  GaN具有軟壓縮特性，使其更容易預失真和線性化。因此，它更容易用於數字預失真（DPD）高效應用。GaN能夠在多個蜂窩頻段上運行，幫助網路運營商部署載波聚合以增加頻譜並創建更大的數據管道以增加網路容量。

• 最大限度地降低系統功耗：

  我們如何滿足5G的高數據率要求？我們需要更多基礎設施，例如數據中心，伺服器和小型蜂窩。這意味著網路功耗的整體增加，從而推動了對系統效率和整體功率節省的需求，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。

圖6顯示了一個示例性sub-6GHz RFFE的框圖，該RFFE使用了Qorvo的Doherty PA設計來實現高效率。

圖6：這種sub-6GHz的大規模MIMO RFFE包括Doherty PA。

結語

5G mass-MIMO sub-6GHz基礎設施設計已經推出。這意味著現在必須提供解決更高頻率、更高功率輸出和更低功耗所需的技術和系統設計，以支持全球運營商擴建。GaN可以幫助運營商和基站OEM實現5G sub-6GHz和mmWave大規模MIMO的目標。

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