5G en GaN:de verschuiving van LDMOS naar GaN

In het vorige artikel in deze serie hebben we de Massive MIMO-technologieën besproken die de implementatie van 5G in het hele land stimuleren. Hoewel het potentieel van mmWave-frequentietoepassingen uiteindelijk zal worden gerealiseerd, zal de 5G-service de komende jaren worden gedefinieerd door signalen die via sub-6GHz-banden worden verzonden. Om dit mogelijk te maken, zullen de volgende generaties basisstationoplossingen aanzienlijke verbeteringen in de RF-front-endprestaties vereisen.

Ingenieurs wordt gevraagd om basisstations te ontwikkelen die zorgen voor een betere RFFE-integratie, kleinere afmetingen, lager stroomverbruik, hoger uitgangsvermogen, grotere bandbreedte, verbeterde lineariteit en verhoogde gevoeligheid van de ontvanger. Dat alles komt bovenop het voldoen aan de strengere koppelingsvereisten tussen de transceiver, RFFE en antenne. Het is een erg lange bestelling. De enige manier om aan deze behoeften te voldoen en Massive MIMO met succes te implementeren, is met kleine, zeer efficiënte, kosteneffectieve eindversterkers die kunnen worden gebruikt in deze groeiende antenne-arrays.

Voeding van Sub-6 Massive MIMO

De ruimte voor RF-vermogensversterkers is gedefinieerd door lateraal gediffundeerde metaaloxidehalfgeleider (LDMOS)-apparaten sinds de technologie in de jaren negentig op de markt kwam, met name in frequenties onder 2 GHz vanwege hun lage kosten. De grootste concurrentie kwam van galliumarsenide (GaAs) versterkers die beter geschikt waren voor hogere frequenties, maar met lagere vermogenstransmissieniveaus en tegen hogere kosten. Toen 2G digitale mobiele netwerken werden uitgerold, verwierf LDMOS een marktdominantie in RF-basisstation die het vandaag de dag nog steeds heeft. Toen 3G- en 4G-netwerken werden geïntroduceerd, hebben LDMOS-eindversterkers echter niet dezelfde energie-efficiëntieniveaus bereikt als eerdere generaties. Ondanks prestatieverbeteringen door het gebruik van Doherty-topologieën en het volgen van enveloppen, begonnen fabrikanten en operators van apparatuur zich te wenden tot galliumnitride (GaN) als een volgende generatie halfgeleider voor RF-stroomtoepassingen tijdens de 4G LTE-implementatie in heel China in 2014.

GaN is een relatief nieuwe technologie in vergelijking met andere halfgeleiders, maar het is de voorkeurstechnologie geworden voor high-RF, energieverslindende toepassingen zoals die welke nodig zijn om signalen over lange afstanden of op high-end vermogensniveaus te verzenden - waardoor het ideaal is voor sub -6 5G-basisstations. Het hoge uitgangsvermogen, de lineariteit en de energie-efficiëntie hebben netwerk-OEM's ertoe aangezet om over te schakelen van het gebruik van LDMOS-technologie voor PA's naar galliumnitride. LDMOS-technologie heeft vandaag nog steeds het grootste marktaandeel in RF-basisstations, maar GaN zal dit naar verwachting blijven verdringen in 5G Massive MIMO-implementaties.

GaN-prestatievoordelen

Het belangrijkste voordeel van GaN is de hogere vermogensdichtheid. Dit komt door een bandafstand tussen de geleidings- en valentiebanden die groter is dan bij LDMOS-technologieën, die zowel hoge doorslagspanningen als vermogensdichtheden oplevert. Hiermee kan een signaal met meer vermogen worden verzonden, waardoor het dekkingsgebied van basisstations wordt vergroot. De hoge vermogensdichtheid van GaN PA's maakt ook kleinere vormfactoren mogelijk die minder PCB-ruimte nodig hebben. In een bepaald gebied kunnen systeemontwerpers meer vermogen produceren dan met een andere technologie. Of, voor een bepaald vermogensniveau kunnen ontwerpers de omvang van de RFFE verkleinen en de kosten verlagen.

Deze hogere vermogensdichtheid maakt het ook mogelijk dat GaN-vermogensversterkers werken bij temperaturen tot 250 graden Fahrenheit - een niveau dat op silicium gebaseerde technologieën niet kunnen bereiken. De verbeterde thermische dissipatie van GaN vereenvoudigt de koellichaam- en koelingsvereisten van systemen, waardoor de omvang en de kosten verder afnemen. Gezien de hoge infrastructuuruitgaven waarmee MNO's worden geconfronteerd, zal kleinere, goedkopere apparatuur een grote bijdrage leveren aan het nationaal beschikbaar maken van 5G.

De verhoogde energie-efficiëntie van GaN draagt ​​ook bij aan het verlagen van de kosten van het runnen van basisstations. Providers willen het stroomverbruik van het netwerk minimaliseren en pushen OEM's om te ontwerpen voor systeemefficiëntie en algehele energiebesparing. Om aan die behoefte te voldoen, wenden ingenieurs zich steeds meer tot GaN. In een Doherty PA-configuratie bereikt GaN een gemiddelde efficiëntie tot 60% met een uitgangsvermogen van 100 W, waardoor de energie die nodig is om energieverslindende Massive MIMO-systemen te laten werken, aanzienlijk wordt verminderd.

GaN's efficiëntie bij hoge frequenties en over brede bandbreedtes kan ook helpen om Massive MIMO-systemen te verkleinen. Hoewel de verbeteringen in de kenmerken van de LDMOS-versterker frequentiebereiken tot 4 GHz mogelijk maken, kunnen op GaN gebaseerde versterkers frequenties tot 100 GHz bereiken bij vermogensdichtheden die tot vijf keer hoger zijn. De hogere efficiëntie en uitgangsimpedantie, samen met de lagere parasitaire capaciteit, geven GaN-apparaten gemakkelijker breedbandaanpassing en schalen naar een zeer hoog uitgangsvermogen. Hoewel de mmWave-toepassingen meer voor de hand liggen, kan dit carriers in Sub-6 ten goede komen door gelijktijdig over meerdere banden te verzenden. Vervoerders hebben niet meerdere smalbandradio's nodig, ze hebben slechts één breedbandradioplatform nodig dat meerdere banden bedient. GaN biedt het bereik en de flexibiliteit om deze systemen mogelijk te maken, terwijl het ook eenvoudig kan worden geschaald om de hoge frequenties van mmWave-transmissies van de toekomst te leveren.

Dat wil niet zeggen dat GaN altijd de juiste keuze is voor elke RF-stroomtoepassing. LDMOS is vaak beschikbaar tegen een lagere prijs en levert een zeer concurrerende lineariteit op bepaalde frequenties. GaAs heeft ook zijn eigen efficiëntievoordelen in bepaalde marktniches. Er is echter een reden waarom veel grote spelers in LDMOS overstappen op GaN-productie:ze erkennen hoe cruciaal GaN is om carriers en OEM's van basisstations te helpen hun doelen voor Sub-6 GHz Massive MIMO te bereiken.

Vanwege de brede acceptatie van GaN in basisstations, samen met verbreding van toepassingen in andere industrieën zoals defensie en ruimtevaart, groeit het geproduceerde volume GaN jaar na jaar. Meer volume staat gelijk aan grotere schaalvoordelen, waardoor GaN een meer betaalbare oplossing is. Dat is zonder rekening te houden met de besparingen die worden behaald door verhoogde energie-efficiëntie, kleinere vormfactoren of multiband-toepassingen. De lineariteit zal ook verbeteren. Het is belangrijk om te onthouden dat GaN pas in de tweede generatie aanbiedingen voor basisstations zit. Volwassen technologieën zoals LDMOS zijn van generatie 15. Het is momenteel het meest actieve onderzoeksgebied in de GaN-ruimte, waardoor velen in de industrie op korte termijn anticiperen op marktleidende lineaire efficiëntie.

Nu de beperkingen die GaN beperken voor bredere toepassingen worden aangepakt, wordt het nu van cruciaal belang voor systeemontwerpers om te begrijpen hoe ze de halfgeleider kunnen toepassen op hun eigen toepassingen.

Wat Embedded Designers moeten weten

GaN biedt veel prestatievoordelen voor ingebedde ontwerpers, maar er zijn zeker best practices voor het ontwerp die uniek zijn voor het materiaal. Het volgende artikel in deze serie beschrijft wat ontwerpers van embedded systemen moeten weten om het volledige potentieel van GaN te benutten. Het corrigeert veelvoorkomende misvattingen, biedt ontwerpoplossingen en onderzoekt wat de toekomst biedt voor GaN-technologie, zowel binnen als buiten RF-toepassingen.

Verwante inhoud:

• 5G en GaN:inzicht in sub-6Ghz massieve MIMO-infrastructuur
• De grootste uitdagingen van 5G voor communicatieserviceproviders
• Hoe O-RAN de interoperabiliteit in 5G-netwerken zal transformeren
• 10 belangrijke trends in draadloze technologie
• Uitrol van 5G:een marathon geen sprint

Abonneer u voor meer Embedded op de wekelijkse e-mailnieuwsbrief van Embedded.