最新GaN 射频功率 IC 提升了 5G 网络性能介绍

5G 挑战可以通过使用先进的半导体(例如基于 GaN 的射频功率 IC)来解决，这些半导体可提供更高的性能和效率。

5G 技术引入了大量需要在移动网络中实施的新射频功能，同时考虑到电路板空间和功耗的严格限制。为了满足这些越来越具有挑战性的要求，RF 设计人员已转向使用替代材料，例如宽带隙 (WBG) 半导体，与传统的硅基 RF 功率 IC 相比，它们能够在功率密度和效率方面提供显着改进.

与以前部署的基础设施相比，第五代移动网络提供更高带宽和更低延迟的服务，需要更高性能和更高效的电源设备。虽然硅在较低频率下仍能提供出色的性能，但氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 功率 IC 等 WBG 半导体更适合 6GHz 以上和毫米波应用。

5G 射频挑战

尽管 5G 技术增加了带宽，但使用更高频率的部分频谱会产生不可避免的信号衰减问题。更高的带宽意味着更低的信噪比，这可以通过增加信号电平来补偿;即增加发射功率、天线数量和小区数量。然而，市场需要能够提供尽可能低的外形尺寸、成本和功耗的解决方案。因此，射频系统设计人员既面临 5G 实施所需的技术挑战，也面临商业网络运营商施加的限制。

另一个重大挑战与功率放大器 (PA) 有关。为了在频段内实现高效率，5G 网络使用 256 正交幅度调制 (QAM) 方案，信号提供高峰均峰比 (PAPR)。高 PAPR 至关重要，因为它会将功率放大器推入非线性区域，从而导致失真和干扰。如果放大器设计为在峰值电平下高效且线性地运行，则它通常会在中等功率电平下提供低效率。

5G 带来的这些挑战可以通过使用先进材料(例如 WBG)以及针对此类无线电应用的特定设计解决方案(例如 Doherty 放大器)来克服。后者包括两个处理不同功率电平信号的放大器电路，显着提高了 PA 的效率和线性度。Doherty 放大器也可以与数字预失真电路相结合，从而进一步线性化功率器件。

功率器件技术

目前，能够实现 5G 所需高性能水平的主要技术主要有 3 种：横向双扩散金属氧化物半导体 (LDMOS)、砷化镓 (GaAs) 和 GaN。

LDMOS 于 1970 年代引入以提高功率 MOSFET 的击穿电压，立即被证明是一种优于双极晶体管的技术，在 1990 年代成为射频大功率器件的参考标准。LDMOS 器件使用当前的制造工艺制造起来更简单、更便宜，正在逐渐让位于基于 WBG 材料的组件。然而，预计在未来，它们将继续主要用于较低频段的部署(频率高达 2 GHz)。因此 GaN 和 LDMOS 将在 5G 系统中共存。

为了满足低功耗、小尺寸和更好的热管理的要求，基于 GaAs 技术的功率器件以及最近的 GaN-on-Si 和 GaN-on-SiC 在射频应用中变得越来越流行。与传统的硅基半导体相比，这些复合材料具有显着优势，例如更高的开关频率、更低的损耗、更高的功率密度和更好的热管理。

由于其高导热性，GaN-on-SiC 主要用于新型 5G 有源天线无线电。然而，它是射频应用中最昂贵的材料之一，因为它不是主流的半导体加工工艺，并且在制造过程中容易出现缺陷。可以在 8 英寸晶圆厂中生产的 GaN-on-Si 可实现更高的产量(每个晶圆更多的裸片)，但性能低于 GaN-on-SiC。

射频功率集成电路

以下是适用于 5G 应用的射频功率 IC 示例。它们包括一系列 GaN 和 GaN-on-SiC 器件。

恩智浦半导体

恩智浦最近发布了一个新的 32T32R 分立解决方案系列，可实现更小、更轻的 5G 基站，以便在城市和郊区轻松部署。新系列增加了现有的 64T64R 无线电分立式功率放大器解决方案组合，涵盖从 2.3 到 4.0 GHz 的所有蜂窝频段，并基于恩智浦最新一代的 GaN 技术。通过使用 32 个 Rx/Tx 天线而不是 64 个天线，可以将大规模 MIMO 覆盖范围扩大到人口密度较低的城市和郊区，从而提供更具成本效益的解决方案。

新的 32T32R 解决方案包含 32 个功率放大器，在相同的封装中提供两倍于其前代解决方案的功率，从而实现更小、更轻的 5G 解决方案。引脚兼容性使网络运营商能够在频率和功率水平上快速扩展。32T32R 器件在天线上提供 10W 平均输出功率(针对 320W 无线电单元)，包括驱动器和末级晶体管，这些晶体管基于 NXP 的高度线性化 RF GaN 技术，由 NXP 在亚利桑那州的新 GaN 工厂制造。

显示了一个典型的阵容，其中A5G26H110N 15-W 非对称 Doherty 射频功率 GaN 晶体管覆盖了 2,496 和 2,690 MHz 之间的频率范围，前面是A5G26S008N 27-dBm 射频功率 GaN 晶体管，用作驱动器。

Qorvo 为基础设施和移动应用提供广泛的射频连接解决方案，包括功率放大器、开关、移相器、集成模块和其他高性能分立射频设备。例如，QPA3908 是一款针对 6GHz 以下 5G 应用的 Doherty 功率放大器模块 (PAM)。该 PAM 基于 GaN 技术，可在紧凑的占位面积内实现高性能，从而减少有源天线解决方案的尺寸和重量，例如大规模 MIMO 基站和 O-RAN 网络。

QPA3908 支持美国 C 波段应用，工作频率范围为 3.7–3.98 GHz，而QPA3810支持欧洲市场的应用，工作频率范围为 3.4–3.8 GHz。两个模块都在 50 Ω 时输入/输出匹配，具有 48 V 的漏极电压，实现出色的线性度，并且需要最少的外部组件。该器件包含一个驱动器 PA 和 Doherty 末级，可提供 8W 平均输出功率。功率放大器模块采用 8 × 10-mm 封装，已完全组装，无需任何额外调整。该解决方案使 5G 网络架构更容易，与多分立式功率放大器解决方案相比，减少了设计时间。

Ampleon 提供范围广泛的射频功率器件、单片微波集成电路 (MMIC)、托盘和模块，可采用 LDMOS 和 GaN 技术。C4H27W400AV 是一款不对称 Doherty 功率晶体管，适用于基站和多载波应用，能够在 2,300–2,700 MHz 的频率范围内工作。这款高效器件采用创新的 GaN 技术，可提供 400W 的输出功率、出色的数字预失真能力和更低的输出电容，从而提高 Doherty 应用的性能。C4H27W400AV 采用 DFM6 (SOT1275-1) 封装，内部匹配以方便使用。

狼速公司

由于其固有的高工作频率和更宽的带宽性能，GaN 是满足 5G NR 要求的理想解决方案。更高的效率和功率密度等其他优势使 GaN-on-SiC 能够有效地用于 sub-6-GHz (5G FR-1) 频段，在该频段可以替代 LDMOS 器件。Wolfspeed GTRB266908FC就是一个例子，它是一种高功率射频 GaN-on-SiC高电子迁移率晶体管 (HEMT)，可满足多标准蜂窝功率放大器应用的要求。

新的 HEMT在 2,515 至 2,675 MHz 频率范围内工作， 在 3 dB 压缩点 (P 3 dB)提供 549 W 的 P OUT和 69.2% 的效率。关键规格包括 50.1 dBm 的 P OUT(平均)、57.8-dBm Psat、48% 的效率、15-dB 增益和更高的 194-MHz IBW。该功率器件的工作电压为 48 V，具有带无耳法兰的热增强封装。它是无铅的，并且符合 RoHS 和人体模型 1B 类(根据 ANSI/ESDA/JEDEC JS-001)标准。

英飞凌科技股份公司

凭借其专有的 CoolGaN 技术，英飞凌提供了广泛的 GaN 器件选择，适用于电压范围高达 600 V 的电源转换应用。CoolGaN 系列包括可提供所需的高效率和极快开关速度的 e-mode HEMT在 5G 应用中。

GaN HEMT 的一个优势是其相对于温度无关的导通电阻，这导致其品质因数远优于类似的基于硅的同类产品。GaN 特性对电源解决方案的重量和尺寸都有显着影响，显着减少了电路板空间和重量。这是 5G 应用中的一个重要因素，其中为安装预留的空间非常有限。

英飞凌的IGO60R070D1是一款全新的 CoolGaN 600-V e 模式功率晶体管，可提供快速的开启和关闭速度以及最小的开关损耗。它还支持具有最高效率的简单半桥拓扑。这种常关开关具有超快开关、无反向恢复电荷、低栅极和输出电荷以及反向传导能力。

微芯片技术公司

Microchip 最近通过推出新的 MMIC 和分立器件扩展了其射频功率产品组合。新器件覆盖高达 20 GHz 的频率，结合了高功率附加效率 (PAE) 和高线性度，可满足 5G 应用的挑战性要求。与其他 Microchip GaN 射频功率产品一样，MMIC 基于 GaN-on-SiC 技术，提供高功率密度和良率以及高电压操作和使用寿命的最佳组合。它们包括覆盖 2–18 GHz、12–20 GHz 和 12–20 GHz(P 3 dB)的 GaN MMIC。

Microchip 最近推出的器件包括 ICP2840(最初发布为GMICP2731-10)GaN MMIC 功率放大器，旨在满足 5G 网络以及卫星通信和航空航天和国防应用的要求。ICP2840 采用 GaN-on-SiC 技术构建，可在 3.5 GHz 的带宽和 27.5 至 31 GHz 的频率范围内提供高达 10 W 的输出功率。该芯片实现了 20% 的 PAE 和高线性度，具有 22 dB 的小信号增益和 15 dB 的回波损耗。平衡拓扑允许器件与 50 Ω 完美匹配，而隔直电容器简化了设计集成。