電信行業(yè)連接著全球數(shù)十億人和數(shù)百萬家企業(yè)。電信行業(yè)的增長是以新技術(shù)為基礎(chǔ)的。這些新技術(shù)使互聯(lián)互通成為可能，為用戶提供頗具吸引力的新功能，并證明升級和擴大蜂窩網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的投資是合理的。伴隨著早期 4G LTE 技術(shù)支持的數(shù)據(jù)通信的出現(xiàn)，通信服務(wù)呈爆炸式增長，使得手機和蜂窩網(wǎng)絡(luò)在發(fā)達國家無處不在。下一代電信技術(shù) 5G，則有望帶來另一場互聯(lián)互通服務(wù)的革命，它將超越電話、短信和簡單的互聯(lián)網(wǎng)，并可能迎來真正的信息時代。
為了能夠滿足這些新應(yīng)用程序所需必要的網(wǎng)絡(luò)吞吐量和可靠性，則需要運用新的技術(shù)。實現(xiàn)下一層級互聯(lián)互通的部分問題在于，在為同一區(qū)域內(nèi)的一個量級或更多附加用戶設(shè)備提供服務(wù)的同時，以更高頻率傳輸和接收高質(zhì)量射頻信號的成本和復(fù)雜性。能夠幫助解決這些挑戰(zhàn)的兩個關(guān)鍵使能技術(shù)是碳化硅基氮化鎵 (GaN-on-SiC) 功率放大器和大規(guī)模多輸入多輸出 (mMIMO) 天線。
該文章旨在為讀者介紹與從 4G 到 5G 就緒和 5G 技術(shù)的服務(wù)與基站升級所帶來的需求變化和設(shè)計挑戰(zhàn)等相關(guān)背景。討論中包括了一些關(guān)鍵細節(jié)，這些細節(jié)解釋了 mMIMO 天線是如何成為新常態(tài)的，以及新的通信技術(shù)（比如碳化硅基氮化鎵功率放大器）在部署5G服務(wù)以滿足 3GPP 規(guī)范和用戶日益增長的期望時是必不可少的。
5G 基站趨勢
許多人可能認為，既然 5G 已經(jīng)開始鋪開，那么4G 技術(shù)也即將退出歷史舞臺。但這絕不是事實，因為仍有計劃為許多使用較老的 3G/4G 技術(shù)的地區(qū)提供 4G 服務(wù)，以及升級和維護 4G 服務(wù)，以便為未來 5G 基站安裝做準備。為 4G 建造的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施也很可能繼續(xù)使用，并融合到 5G 的部署中，就像 2G 和 3G 被融合到 4G 服務(wù)中一樣。因此，4G 技術(shù)仍然有市場，包括用于 4G 蜂窩頻段的 LDMOS 功率放大器。
然而，5G 服務(wù)的發(fā)展也需要新技術(shù)和新方法來滿足對 5G 的期望，即在高度擁擠的地區(qū)以每秒數(shù)百兆比特 (Mbps) 的速度傳輸數(shù)據(jù)，同時提高可靠性和減少延遲。因此，有關(guān)大規(guī)模 5G 部署的討論和規(guī)劃，大多涉及安裝小基站（small cell）。這些小基站將更密集地分布在城市和郊區(qū)地區(qū)。而且，目前還有 4G 系統(tǒng)正在從 2T2R 和 8T8R MIMO 升級到 32T32R 和 64T64R mMIMO 天線，在全頻譜 5G（sub-1 GHz、sub-6 GHz 和毫米波頻譜）部署之前，預(yù)計將利用 mMIMO 技術(shù)幫助升級 4G 服務(wù)，以滿足 5G 的預(yù)期。
這些新的 5G 基站和 5G 就緒的 4G 升級需要更多的天線單元，以及更多的蜂窩信號發(fā)射機。為了實現(xiàn)這些新的 mMIMO 天線的尺寸和重量最小化，需要仔細設(shè)計和選擇射頻組件。為了減小 mMIMO 天線的尺寸和重量，一種常見的設(shè)計決定是用帶有嵌入式射頻硬件的 4G/5G mMIMO 組合天線取代現(xiàn)有的 4G 天線。這種類型的致密化可以大大降低成本，特別是當它涉及到塔空間和風荷載電荷時，但其代價是需要更高功率密度的射頻發(fā)射機，這種發(fā)射機必須非常可靠，以減少由于組件失效而可能導(dǎo)致的維護和服務(wù)故障增加。
這些事項對于sub-6 GHz 5G 系統(tǒng)來說很重要，對于當前的原型和未來的毫米波 5G 系統(tǒng)來說則更為重要。即使對于sub-6 GHz 5G 系統(tǒng)，3.5 GHz 到 5 GHz 的 5G 新空口 (NR) 蜂窩頻段也比低于 3 GHz 的 4G 蜂窩頻段面臨著更大的頻率相關(guān)的射頻損耗。這些更大的損耗同時也需要更高的放大器效率，以適應(yīng)最新通信技術(shù)中使用的更復(fù)雜、更高峰均比 (PAPR) 的調(diào)制信號。因此，對射頻功率放大器的需求就更大了。射頻功率放大器需要能夠提供高效率的數(shù)千兆赫的帶寬，即使承受更高的功率密度也能表現(xiàn)出高可靠性，并且具有足夠的成本效益和足夠小，以便和嵌入式硬件組裝進緊湊的 mMIMO 天線。
5G 射頻前端技術(shù)規(guī)格
mMIMO 5G 天線系統(tǒng)與 4G 有很多類似的性能考量，以及很多額外的附加考量和限制，和更嚴格的性能標準。由于 mMIMO 發(fā)射和接收天線布置在非常近的距離，因此需要著重考慮性能因素，例如隔離和相鄰信道功率比 (ACPR)/相鄰信道泄漏比 (ACLR)。ACPR/ACLR 是衡量從發(fā)射機到鄰近無線電信道功率泄漏的一種方法。ACPR/ACLR 的主要作用是發(fā)射機功率放大器的線性度。更為線性的功率放大器將表現(xiàn)出更少的失真，進而使得在相鄰信道上出現(xiàn)更少的失真產(chǎn)物。
功率放大器的線性和失真（特別是幅度失真和相位失真），對深度調(diào)制通信信號會產(chǎn)生其他影響。即使?jié)M足了美國聯(lián)邦通信委員會 (FCC) 或全球其他電信法規(guī)要求的傳輸掩碼，過度失真也會導(dǎo)致功率放大器自身傳輸性能的下降。誤差矢量幅度 (EVM) 用于測量星座點和理想點的偏差，其大小與功率放大器的非線性、相位噪聲和放大器噪聲有關(guān)。因此，關(guān)鍵是使用功率放大器技術(shù)，以保持線性和噪聲的高標準，即使在高負載和高溫下。
然而，更多的線性功率放大器不一定能提供更好的隔離指標——發(fā)射機到發(fā)射機、發(fā)射機到接收機，或接收機到接收機。高隔離度對于 mMIMO 系統(tǒng)至關(guān)重要，它可以防止來自其他空間復(fù)用信號的無用信號出現(xiàn)在臨近的 MIMO 天線單元中。盡管與 5G 技術(shù)一起使用的時域雙工 (TDD) 不太容易受到發(fā)射機到接收機隔離考量的影響，但這仍然不能解決發(fā)射機到發(fā)射機或接收機到接收機的隔離問題。為了解決隔離問題，謹慎的電路和封裝設(shè)計是必要的，而且只有當大型和高功率組件（如發(fā)射機功率放大器 ）足夠緊湊和靈活，能夠允許旨在滿足嚴格隔離要求的創(chuàng)造性配置時才有可能實現(xiàn)。
功率放大器其他考慮因素還包括低電流消耗和高功率附加效率 (PAE)。由于 mMIMO 天線系統(tǒng)需要發(fā)射機和接收機的陣列，因此每個元件的功率消耗和效率已經(jīng)成為關(guān)鍵的性能標準。隨著未來 5G 部署計劃包括在整個城市和郊區(qū)環(huán)境中鋪設(shè)大量密集的網(wǎng)絡(luò)，從宏基站塔到建筑側(cè)面/頂部和電線桿，再到路燈和隧道/地鐵結(jié)構(gòu)，這種影響被放大了。隨著計劃建設(shè)更多的 5G 基站，降低整體功率消耗的壓力越來越大，其中發(fā)射機的功率放大器是功率消耗最高的組件之一。
在輸出功率相同的情況下，更高PAE（高功率附加效率）的放大器不僅可以降低總體能耗，同時也有其他有益作用。PAE 越高，說明放大器產(chǎn)生的熱量越少，更多的放大器功率被用來增加信號能量，而不是轉(zhuǎn)化為廢熱。減少廢熱的優(yōu)勢還包括只需要更少的散熱材料，而散熱材料將會大大增加發(fā)射機組件的重量、尺寸和成本。此外，更低的熱量產(chǎn)生也會帶來更低的工作溫度。這對于半導(dǎo)體來說，通常會使壽命更長，甚至在高負載的情況下獲得更線性的性能。
5G 發(fā)射機要求
上述射頻前端技術(shù)規(guī)格對 5G 發(fā)射機，特別是與 mMIMO 天線系統(tǒng)一起使用的 5G 發(fā)射機提出了實質(zhì)性的限制。這就是為什么有廣泛的研究和行業(yè)投入，以開發(fā)能夠在 5G 運行條件下和新的 5G 頻譜范圍內(nèi)，滿足這些嚴格要求的功率放大器技術(shù)。傳統(tǒng)的功率放大器技術(shù)，如橫向擴散金屬氧化物半導(dǎo)體 (LDMOS) 和砷化鎵 (GaAs) 功率放大器技術(shù)，無法滿足 5G mMIMO 系統(tǒng)所需的功率密度、能源效率、線性和成本/空間要求。
以砷化鎵放大器為例，這些器件非常適合低噪聲的接收機應(yīng)用，但帶隙電壓較低。這意味著砷化鎵放大器必須要有較低的工作電壓，這也就使得實現(xiàn)高功率密度充滿挑戰(zhàn)性，而且砷化鎵放大器在更高功率下的效率較低。其結(jié)果就是一個更熱的且相對更耗電的器件。這對于需要更高功率密度和更高能源效率水平的 5G mMIMO 應(yīng)用來說就不那么有吸引力了。
盡管 LDMOS 放大器在 3 GHz 以下高功率應(yīng)用中已經(jīng)得以采用了一些時間，但是 LDMOS 放大器的導(dǎo)熱性相對有限，在更高頻率下的效率也相對更低。最終，這導(dǎo)致了 LDMOS 放大器在超過 3 GHz 頻率上消耗更多的功率和產(chǎn)生更多的熱量，同時也犧牲了其他需要被考慮的因素，如線性和噪聲（與大多數(shù)材料的溫度有關(guān)）。
這就為氮化鎵半導(dǎo)體材料來填補空白留出了很大的發(fā)揮空間。對于氮化鎵技術(shù)在射頻中的應(yīng)用已經(jīng)有很多宣傳了。在許多方面，氮化鎵器件使得從遠程通信到雷達等各種設(shè)備的性能顯著提高。這是因為氮化鎵在功率放大器品質(zhì)因數(shù) (PAFOM) ，即功率密度、可靠性、導(dǎo)熱系數(shù)、線性度和帶寬等方面通常優(yōu)于大多數(shù)其他常見的半導(dǎo)體材料。
氮化鎵半導(dǎo)體有一些細微的差別，因為氮化鎵通常是在絕緣襯底上進行外延生長。因此，氮化鎵器件可以基于多種不同襯底，如藍寶石、硅、碳化硅、氮化鎵，甚至是鉆石。由于工藝成熟度、成本和其他設(shè)計限制，廣泛可用的射頻用氮化鎵通常包括硅基氮化鎵或碳化硅基氮化鎵。
與氮化鎵在高頻率射頻應(yīng)用上優(yōu)于硅基 LDMOS 器件的原因大致相同，在 5G mMIMO 應(yīng)用中，碳化硅基氮化鎵優(yōu)于硅基氮化鎵。碳化硅基氮化鎵相對于硅基氮化鎵的許多性能優(yōu)勢源于碳化硅是一種更穩(wěn)固耐用的材料，具有更好的導(dǎo)熱性，與氮化鎵有更好的晶格匹配。這意味著在高負載條件下，碳化硅基氮化鎵器件比之硅基氮化鎵器件，在運行時更耐熱，損耗更少，而且具有更高的功率效率。而且，這意味著對于相同的功率輸出，碳化硅基氮化鎵功率放大器可能比硅基氮化鎵器件尺寸更小，其所需要的散熱器尺寸也更小。不僅如此，碳化硅基氮化鎵的可靠性還通過了美國國防部 (DoD) 和航空航天應(yīng)用的全面審核和認可。
小結(jié)
4G 和 5G 系統(tǒng)的部署很可能會采用 mMIMO 技術(shù)，為對現(xiàn)代通信服務(wù)抱有更高期望的用戶提供最佳覆蓋范圍和容量。與硅基氮化鎵和 LDMOS 技術(shù)相比，碳化硅基氮化鎵功率放大器技術(shù)為 mMIMO 系統(tǒng)提供了最佳的性能和成本要求。Wolfspeed 碳化硅基氮化鎵技術(shù)已被批準用于高可靠性電信、軍事、國防和航空航天應(yīng)用，并提供比硅基氮化鎵和 LDMOS 更低的全生命周期成本。
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關(guān)于科銳
科銳是Wolfspeed功率和射頻（RF）半導(dǎo)體、照明級LED的創(chuàng)新者。科銳Wolfspeed產(chǎn)品組合包括了碳化硅（SiC）材料、功率器件、射頻器件，廣泛應(yīng)用于電動汽車（EV）、快速充電、逆變器、電源、電信、軍事、航空航天等領(lǐng)域。科銳LED產(chǎn)品組合包括了藍光和綠光LED芯片、高亮度LED和照明級大功率LED，廣泛應(yīng)用于室內(nèi)和戶外照明、顯示屏、交通、特種照明等領(lǐng)域。更多關(guān)于產(chǎn)品和公司信息，敬請瀏覽：www.cree.com。
