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未来几年会出现哪些GaN 创新技术?

时间:2021-04-13 作者:Roger Hall,Qorvo高性能解决方案事业部总经理 阅读:
现在GaN很火 ,人们似乎忘记了GaN 依然是一项相对较新的技术,仍处于发展初期,还有较 大的改进潜力和完善空间。本文将介绍多项即将出现的 GaN 创新技术,并预测未来几年这 些创新技术对基站设计和发展的影响。
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现在GaN很火 ,人们似乎忘记了GaN 依然是一项相对较新的技术,仍处于发展初期,还有较大的改进潜力和完善空间。本文将介绍多项即将出现的 GaN 创新技术,并预测未来几年这些创新技术对基站设计和发展的影响。

功率密度

我们预计在未来三到五年内,GaN 强大的功率密度将得到进一步提升。如今已有方法利用 GaN 实现更高的功率密度,但成本极高,从商业角度而言还不可行。例如将 GaN 置于金刚石而非碳化硅衬底上,这一方案虽然可以成功,但费用高昂,无法运用于基站。相关人员仍在研究其它高效益但相对低成本的工艺,力争在未来几年内提高材料的原始功率密度。

这对 5G 基础设施市场而言吸引力颇大,他们追求成本更低、效率更高、带宽更大的基站。其它行业也对此表现出浓厚的兴趣。雷达应用领域尤其受益,因其致力于在给定空间内提供更多功率和更高效率。随着 GaN 在细分市场的迅猛增长,其规模效应将不断扩大,价位也将持续下降。

线性度

毫无疑问,在基站领域中,GaN 半导体行业的首要考虑因素是提高线性功率。其研发工作均聚焦于未来几年内如何提升线性效率。

与此同时,我们预计在未来三到五年内,基站的调制方案不会出现显著变化。调制方式可以理解为每赫兹所传输数据的简单计算。无论采用 256 QAM 还是 1024 QAM,系统都将于每赫兹带宽获得一定数量的位数据。如果这些数字不会发生显著变化,那么从系统中获得更多位数据的理想方式就是提高线性效率。

但这并非表示不能通过提高基础设备的功率解决问题。即使未实现线性度改进,PA 的整体功率仍可带来信号改善。此外,因其所需系统功率更低、天线阵列更少,此方法还有助于设计人员减少系统复杂性。虽然额外功率或二级解决方案确实有效,但业内 GaN 供应商的目标在于减小陷阱效应,以尽量简化系统。

温度

基站的温度将随时间的推移而不断上升。五年前的标准是将设备温度指定为 85℃。OEM 已经将其提高至 105℃,并且预计基站设计将提升至适应 125℃ 的高温。而大多数 GaAs 器件的最高工作温度为 150℃,因此只有 25℃ 的温升范围。未来,GaN 供应商必须与系统设计人员密切合作,以寻求创新方法使嵌入式元件保持低温状态。对于包含大规模 MIMO 阵列的小型室外设备而言,这种压力将更为严峻。目前确实存在创新的解决方案,但性价比却不高。我们预计未来几年内,这种情况将有所改变。

整体解决方案

所有 GaN 供应商都在针对 GaN 器件的物理特性进行微调,以提高设备的线性效率、功率密度和可靠性,同时减小陷阱效应、电流崩塌效应和电流漂移等引起的负面影响。一定程度上,以上目标可以在设备层面实现。但为发挥全部潜力,基站射频前端(RFFE)系统应与总体架构链同步发展,我们看到在这个领域有许多前沿研究。

随着行业从 LDMOS 转向 GaN 解决方案,同步发展尤其重要。二者所采用的技术完全不同。并非简单地换用 GaN PA 就能将效率提升 10 个百分点。因为系统问题和解决方案各不相同,针对 LDMOS 优化的基站可能不适用于GaN PA,反之亦然。我们应对 GaN 基站系统进行全面优化。

目前,GaN 基站系统已开始投入使用,并且因为性能优势,预计在未来几年将得到更广泛的应用。与供应商携手缩小整体设计差距的嵌入式设计人员将会跻身为行业领导者。OEM肯定认为自己已经在使用系统级方法,我们并不否认这一事实,但随着射频链更加智能且集成度越来越高,我们将会获得进一步的收益。

智慧射频和人工智能

减小陷阱效应对于所有半导体材料而言都是一大问题,GaN 也不例外。高速开关应用可能会为 GaN 功率放大器创造极具挑战的陷阱环境。由于 PA 行为取决于 PA 先前接收的信号,因此解决这些陷阱效应问题可能十分复杂。传统方法着眼于物理层,一直延伸至基板,从而确定导致问题行为的原因。目前的技术还不能彻底缓解陷阱效应,但相关人员仍在不断进行研发。

另一种方法是采用软件算法预测导致陷阱效应的变化。在深入了解既定条件的前提下,通过智能RF控制器,设备将有可能识别流量模式,并预测下一个活动高峰。或者识别活动的降幅,并更改控制器层面的内容,从而减少功耗。早在许多年前,此方法已在基站领域得以实现,但人们仍在不断努力改进这项技术。

基于上述情况,OEM 开始考虑在无线电层面应用人工智能。RFFE 系统能够随着时间推移自行优化。从理论上说,如果现场无线电输出发生故障,那么 RFFE 系统能够自行识别错误,并从中“吸取教训”。下一次,它便可以防止一系列可能导致故障的事件,甚至有可能修复故障。这样一来便不需要向运营商报备故障、出动卡车前往故障处,也不需要派工作人员在信号塔中解决一些小问题。可以想象,这样可减少大量的停机时间,节省维修费用。

6G

尽管 5G 仍处于推广的初级阶段,但有关 6G 的讨论已经开始。早期的预测表明,在远超 100GHz 的频段上可实现 6G。众所周知,这正是 GaN 可以支持的频段。这种解决方案极有可能不会采用传统的小基站部署,但无论采用何种形式,我们相信 GaN 在高频率和大带宽下的效率将使其成为实现 6G 的关键元素。

(参考原文:5G and GaN: Future innovations)

责编:Amy Guan

本文为《电子工程专辑》2021年4月刊 杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅 

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