5G和GaN系列之三：从LDMOS转向GaN

在本系列的第一部分《5G和GaN系列之一：全面了解 Sub-6Ghz大规模MIMO基础设施》中，我们回顾了在全国范围内推动 5G 实施的大规模 MIMO 技术。尽管毫米波频率应用的潜力最终会显现，但在未来几年，5G服务将主要采用6GHz 以下频段传输。为实现5G服务目标，接下来几代基站设计都将要求显著提高射频前端的性能。

同时，工程师在设计基站时需要考虑更好地集成 RFFE 、缩小尺寸、降低功耗、提高输出功率、增加带宽、改进线性度，以及提高接收器灵敏度。所有这些都是为了满足收发器、RFFE 和天线之间更严格的耦合要求。这是一项艰巨的任务。满足这些需求并成功实现大规模 MIMO 的唯一方法就是使用经济高效的小型功率放大器，将它们集成进这些扩展的天线阵列。

助力Sub-6大规模MIMO发展

自20世纪90年代，横向扩散金属氧化物半导体 (LDMOS) 技术开始进入射频功率放大器领域，尤其是2GHz以下频率应用，因为其成本较低。其最大的竞争对手为砷化镓(GaAs)放大器，后者非常适合更高频率应用，但其传输功率低且成本较高。2G数字移动网络推出后，LDMOS在射频基站领域取得了市场主导地位，并且保持至今。然而，随着3G和4G网络的推出，LDMOS功率放大器并未达到前几代产品的功效水平。尽管使用Doherty拓扑结构和包络跟踪可以提升性能，但2014年在中国部署4G LTE期间，设备制造商和运营商开始将氮化镓 (GaN)用作射频功率应用的下一代半导体技术。

相比其它半导体，GaN 是一种相对较新的技术，但它已然成为某些高射频、大功率应用的技术之选，比如需要长距离或以高功率传输信号的应用，因此非常适用于6GHz以下的5G基站。高输出功率、线性度和功率效率促使网络 OEM厂商从基于LDMOS技术的PA转向采用氮化镓技术的PA。虽然LDMOS技术目前仍在射频基站领域占有最大市场份额，但预计GaN将在5G大规模MIMO部署中逐渐取代LDMOS。

GaN 性能优势

更高功率密度是 GaN的主要优势。由于GaN导带和价带之间的带隙要比LDMOS 技术更高，所以GaN具有较高的击穿电压和功率密度，它可让信号以更高的功率水平传输，从而可扩大基站的覆盖范围。GaN PA的高功率密度还使其能够采用更小的尺寸，从而减少了PCB空间需求。在给定区域内，系统设计人员可以实现比其它技术更高的功率。或者，对于给定的功率级，系统设计人员可以缩小RFFE尺寸并降低成本。

更高的功率密度使GaN功率放大器能够在高达250℉的温度下运行，这是硅基技术无法实现的温度水平。GaN具有更高的散热性能，可以简化系统的散热和冷却要求，从而进一步缩小尺寸，降低成本。大型电信运营商面临巨额基础设施支出压力，因此尺寸更小、成本更低的设备对于在全国范围内普及 5G 将会大有帮助。

GaN具有更高的能效，有助于降低基站运行成本。运营商开始寻找最大程度降低网络功耗的方法，并促使OEM采用提高系统效率、节省总能耗的设计。为满足需求，工程师开始转而采用GaN技术。在Doherty PA配置中，GaN的平均效率高达60%，输出功率为100 W，显著降低了运行大规模MIMO系统所需的电能。

GaN在高频率和高带宽条件下的高效率还有助于缩小大规模MIMO系统的尺寸。尽管LDMOS放大器性能的改进支持高达4 GHz频率范围，但GaN放大器可以高达5倍的功率密度实现100 GHz的频率传输。 由于GaN器件具备更高效率、更高输出阻抗和更低的寄生电容，因此更容易实现宽带匹配并扩展达到更高的输出功率。虽然这在毫米波应用中优势更为明显，但运营商可利用6GHz以下频率同时在多个频段范围内进行传输。运营商将不需要多个窄带无线频带，他们只需要一个适用于多个频段的宽带无线平台。GaN可提供实现这些系统所需的频率范围和灵活性，同时还可以轻松扩展，以实现未来高频毫米波传输。

这并不是说，GaN始终都是每个射频功放应用的正确选择。通常情况下，LDMOS 的定价更低，并且可以在某些频率下提供极具竞争力的线性度。此外，GaAs在某些细分市场具有其特有的效率优势。然而，许多LDMOS厂商开始转向GAN是有原因的。他们意识到 GaN 在帮助运营商和基站OEM厂商实现Sub-6 GHz Massive MIMO目标方面发挥着至关重要的作用。

因为 GaN 在基站中的采用，以及在国防和航空航天等其它行业的广泛应用，GaN 的产量逐年增长。产量提高意味着经济规模更大，从而使 GaN 成为更经济实惠的解决方案。这还没有考虑更高能效、更小外形尺寸或多频段应用所带来的成本降低效益。此外，线性度也将会随之提高。请记住，目前基站上使用的只是第二代 GaN 产品。LDMOS 之类的成熟技术已经达到 15 代。这是目前 GaN 领域中最活跃的研究课题，许多业内人士预计短期内有望实现市场领先的线性效率。

随着限制 GaN 广泛应用的约束因素逐渐消除，对于系统设计人员来说，了解如何将半导体器件应用到自己的设计变得至关重要。

嵌入式设计人员需要了解什么？

GaN为嵌入式设计人员带来了许多性能优势，但毫无疑问也有一些这种材料独有的设计考量因素。本系列的下一篇将详细介绍嵌入式设计人员需要了解哪些内容才能充分利用GaN的潜力。我将在下一篇中纠正一些常见的误解，提供一些设计解决方案，并探讨GaN技术在射频应用及其它方面的发展。

(参考原文：5G and GaN: The shift from LDMOS to GaN)

责编：Amy Guan

本文为《电子工程专辑》2021年5月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅