現(xiàn)在GaN很火 ，人們似乎忘記了GaN 依然是一項相對較新的技術(shù)，仍處于發(fā)展初期，還有較 大的改進潛力和完善空間。本文將介紹多項即將出現(xiàn)的 GaN 創(chuàng)新技術(shù)，并預(yù)測未來幾年這 些創(chuàng)新技術(shù)對基站設(shè)計和發(fā)展的影響。
現(xiàn)在GaN很火 ，人們似乎忘記了GaN 依然是一項相對較新的技術(shù)，仍處于發(fā)展初期，還有較大的改進潛力和完善空間。本文將介紹多項即將出現(xiàn)的 GaN 創(chuàng)新技術(shù)，并預(yù)測未來幾年這些創(chuàng)新技術(shù)對基站設(shè)計和發(fā)展的影響。
功率密度
我們預(yù)計在未來三到五年內(nèi)，GaN 強大的功率密度將得到進一步提升。如今已有方法利用 GaN 實現(xiàn)更高的功率密度，但成本極高，從商業(yè)角度而言還不可行。例如將 GaN 置于金剛石而非碳化硅襯底上，這一方案雖然可以成功，但費用高昂，無法運用于基站。相關(guān)人員仍在研究其它高效益但相對低成本的工藝，力爭在未來幾年內(nèi)提高材料的原始功率密度。
這對 5G 基礎(chǔ)設(shè)施市場而言吸引力頗大，他們追求成本更低、效率更高、帶寬更大的基站。其它行業(yè)也對此表現(xiàn)出濃厚的興趣。雷達應(yīng)用領(lǐng)域尤其受益，因其致力于在給定空間內(nèi)提供更多功率和更高效率。隨著 GaN 在細(xì)分市場的迅猛增長，其規(guī)模效應(yīng)將不斷擴大，價位也將持續(xù)下降。
線性度
毫無疑問，在基站領(lǐng)域中，GaN 半導(dǎo)體行業(yè)的首要考慮因素是提高線性功率。其研發(fā)工作均聚焦于未來幾年內(nèi)如何提升線性效率。
與此同時，我們預(yù)計在未來三到五年內(nèi)，基站的調(diào)制方案不會出現(xiàn)顯著變化。調(diào)制方式可以理解為每赫茲所傳輸數(shù)據(jù)的簡單計算。無論采用 256 QAM 還是 1024 QAM，系統(tǒng)都將于每赫茲帶寬獲得一定數(shù)量的位數(shù)據(jù)。如果這些數(shù)字不會發(fā)生顯著變化，那么從系統(tǒng)中獲得更多位數(shù)據(jù)的理想方式就是提高線性效率。
但這并非表示不能通過提高基礎(chǔ)設(shè)備的功率解決問題。即使未實現(xiàn)線性度改進，PA 的整體功率仍可帶來信號改善。
此外，因其所需系統(tǒng)功率更低、天線陣列更少，此方法還有助于設(shè)計人員減少系統(tǒng)復(fù)雜性。雖然額外功率或二級解決方案確實有效，但業(yè)內(nèi) GaN 供應(yīng)商的目標(biāo)在于減小陷阱效應(yīng)，以盡量簡化系統(tǒng)。
溫度
基站的溫度將隨時間的推移而不斷上升。五年前的標(biāo)準(zhǔn)是將設(shè)備溫度指定為 85℃。OEM 已經(jīng)將其提高至 105℃，并且預(yù)計基站設(shè)計將提升至適應(yīng) 125℃ 的高溫。
而大多數(shù) GaAs 器件的最高工作溫度為 150℃，因此只有 25℃ 的溫升范圍。未來，GaN 供應(yīng)商必須與系統(tǒng)設(shè)計人員密切合作，以尋求創(chuàng)新方法使嵌入式元件保持低溫狀態(tài)。
對于包含大規(guī)模 MIMO 陣列的小型室外設(shè)備而言，這種壓力將更為嚴(yán)峻。目前確實存在創(chuàng)新的解決方案，但性價比卻不高。我們預(yù)計未來幾年內(nèi)，這種情況將有所改變。
整體解決方案
所有 GaN 供應(yīng)商都在針對 GaN 器件的物理特性進行微調(diào)，以提高設(shè)備的線性效率、功率密度和可靠性，同時減小陷阱效應(yīng)、電流崩塌效應(yīng)和電流漂移等引起的負(fù)面影響。一定程度上，以上目標(biāo)可以在設(shè)備層面實現(xiàn)。但為發(fā)揮全部潛力，基站射頻前端（RFFE）系統(tǒng)應(yīng)與總體架構(gòu)鏈同步發(fā)展，我們看到在這個領(lǐng)域有許多前沿研究。
隨著行業(yè)從 LDMOS 轉(zhuǎn)向 GaN 解決方案，同步發(fā)展尤其重要。二者所采用的技術(shù)完全不同。并非簡單地?fù)Q用 GaN PA 就能將效率提升 10 個百分點。因為系統(tǒng)問題和解決方案各不相同，針對 LDMOS 優(yōu)化的基站可能不適用于GaN PA，反之亦然。我們應(yīng)對 GaN 基站系統(tǒng)進行全面優(yōu)化。
目前，GaN 基站系統(tǒng)已開始投入使用，并且因為性能優(yōu)勢，預(yù)計在未來幾年將得到更廣泛的應(yīng)用。與供應(yīng)商攜手縮小整體設(shè)計差距的嵌入式設(shè)計人員將會躋身為行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者。OEM肯定認(rèn)為自己已經(jīng)在使用系統(tǒng)級方法，我們并不否認(rèn)這一事實，但隨著射頻鏈更加智能且集成度越來越高，我們將會獲得進一步的收益。
智慧射頻和人工智能
減小陷阱效應(yīng)對于所有半導(dǎo)體材料而言都是一大問題，GaN 也不例外。高速開關(guān)應(yīng)用可能會為 GaN 功率放大器創(chuàng)造極具挑戰(zhàn)的陷阱環(huán)境。由于 PA 行為取決于 PA 先前接收的信號，因此解決這些陷阱效應(yīng)問題可能十分復(fù)雜。傳統(tǒng)方法著眼于物理層，一直延伸至基板，從而確定導(dǎo)致問題行為的原因。目前的技術(shù)還不能徹底緩解陷阱效應(yīng)，但相關(guān)人員仍在不斷進行研發(fā)。
另一種方法是采用軟件算法預(yù)測導(dǎo)致陷阱效應(yīng)的變化。在深入了解既定條件的前提下，通過智能RF控制器，設(shè)備將有可能識別流量模式，并預(yù)測下一個活動高峰。或者識別活動的降幅，并更改控制器層面的內(nèi)容，從而減少功耗。早在許多年前，此方法已在基站領(lǐng)域得以實現(xiàn)，但人們?nèi)栽诓粩嗯Ω倪M這項技術(shù)。
基于上述情況，OEM 開始考慮在無線電層面應(yīng)用人工智能。RFFE 系統(tǒng)能夠隨著時間推移自行優(yōu)化。從理論上說，如果現(xiàn)場無線電輸出發(fā)生故障，那么 RFFE 系統(tǒng)能夠自行識別錯誤，并從中“吸取教訓(xùn)”。下一次，它便可以防止一系列可能導(dǎo)致故障的事件，甚至有可能修復(fù)故障。這樣一來便不需要向運營商報備故障、出動卡車前往故障處，也不需要派工作人員在信號塔中解決一些小問題。可以想象，這樣可減少大量的停機時間，節(jié)省維修費用。
6G
盡管 5G 仍處于推廣的初級階段，但有關(guān) 6G 的討論已經(jīng)開始。早期的預(yù)測表明，在遠超 100GHz 的頻段上可實現(xiàn) 6G。眾所周知，這正是 GaN 可以支持的頻段。這種解決方案極有可能不會采用傳統(tǒng)的小基站部署，但無論采用何種形式，我們相信 GaN 在高頻率和大帶寬下的效率將使其成為實現(xiàn) 6G 的關(guān)鍵元素。
來源： Qorvo半導(dǎo)體
