GaN-versterkers: Sub-6 GHz 5G Massive MIMO aandrijven verder dan LDMOS

In het voorgaande deel van deze serie hebben we de Massive MIMO-technologieën verkend die 5G-uitrol landelijk aandrijven. Terwijl mmWave high-bandbreedte prestaties belooft, zal 5G de komende jaren grotendeels gedefinieerd worden door Sub-6 GHz implementaties, wat een sprong in RF front-end capaciteit vereist.

Ingenieurs moeten base stations leveren die RFFE meer integreren, in grootte krimpen, stroomverbruik verminderen, uitgangsvermogen verhogen, bandbreedte verbreeden, lineariteit scherpen en ontvangergevoeligheid verhogen – allemaal terwijl ze strakkere koppeling tussen transceiver, RFFE en antenne nakomen. Alleen een compacte, hoge-efficiënte, kosteneffectieve PA kan aan deze eisen voldoen en Massive MIMO haalbaar maken.

Sub-6 GHz Massive MIMO aandrijven

De evolutie van RF-versterkers is sinds de jaren '90 gedomineerd door LDMOS, met name onder 2 GHz waar de lage kosten het de standaardkeuze maakten. Galliumarsenide (GaAs) bood een competitieve alternatief op hogere frequenties, doch ten koste van lagere uitgangsvermogen en hogere prijs. LDMOS bevestigde de markt tijdens de 2G-era, maar met 3G en 4G plattee de efficiëntie. Ondanks vooruitgang zoals Doherty-topologieën en envelope tracking, schakelden operators over naar galliumnitride (GaN) tijdens China's 4G LTE-uitrol in 2014.

GaN, hoewel nieuwer, is de favoriete halfgeleider voor high-power, high-RF toepassingen – precies wat Sub-6 GHz 5G vereist. De superieure uitgangsvermogen, lineariteit en efficiëntie hebben OEM's gedreven om LDMOS te vervangen door GaN. Hoewel LDMOS nog steeds de huidige RF-base-stations domineert, is GaN gericht om het in 5G Massive MIMO-implementaties te vervangen.

GaN Prestatievoordelen

GaN's primaire voordeel is hogere vermogensdichtheid, een gevolg van de bredere bandgap die hogere breakdown-spanningen oplevert. Dit stelt meer vermogen per eenheidsoppervlakte in staat, wat dekking uitbreidt en kleinere, lager-kost RFFE toelaat.

GaN-versterkers kunnen opereren bij temperaturen tot 250 °F, boven siliciums limieten. Hun superieure thermische geleiding vereenvoudigt heatsink-ontwerp, wat grootte en kosten vermindert – cruciaal voor mobiele netwerkoperators met zware infrastructuurbudgetten.

Hogere efficiëntie snijdt operationele uitgaven. In Doherty-configuraties bereikt GaN gemiddelde efficiënties van tot 60% bij 100 W uitgang, wat de energieverbruik voor Massive MIMO-arrays drastisch vermindert.

GaN blinkt ook in wideband-prestaties. Terwijl LDMOS op 4 GHz toppelt, kan GaN tot 100 GHz aan met vijfvoudig hogere vermogensdichtheid. Lagere parasitaire capaciteit en hogere uitgangsimpedantie vereenvoudigen wideband-matching, wat een enkele wideband PA in staat stelt om meerdere Sub-6 bands te bedienen en de noodzaak voor aparte narrowband radio's vermindert.

Niettemin blijft LDMOS een kosteneffectieve keuze voor bepaalde frequenties, en GaAs biedt nog steeds niche-voordelen. Echter, de industriële shift naar GaN benadrukt het strategische belang voor Sub-6 GHz Massive MIMO.

GaN's adoptie versnelt over base-stations en andere sectoren als defensie en aerospace. Groeiende volumes drijven economies of scale, wat prijzen verlaagt terwijl energie-, grootte- en multi-band-voordelen worden geleverd. Lineariteit verbetert ook; GaN is nog maar in de tweede generatie voor base-stations versus LDMOS's vijftiende, en lopend onderzoek belooft nog hogere prestaties binnenkort.

Naarmate barrières vervagen, moeten systeemontwerpers meester worden in het benutten van GaN's unieke eigenschappen.

Wat Embedded-ontwerpers moeten weten

Embedded-ontwerpers kunnen GaN's krachten benutten, maar moeten materiaal-specifieke best practices adoptieren. Het volgende artikel in deze serie zal ontwerprichtlijnen uitpakken, mythes ontkrachten en GaN's toekomst na RF afstippen.

Gerelateerde Inhoud:

• 5G en GaN: Sub-6GHz Massive MIMO infrastructuur begrijpen
• 5G's grootste uitdagingen voor communicatiedienstverleners
• Hoe O-RAN interoperabiliteit in 5G-netwerken zal transformeren
• 10 sleuteltrends in draadloze technologie
• 5G-uitrol: een marathon, geen sprint

Voor meer Embedded, abonneer je op Embedded's wekelijkse e-mailnieuwsbrief.