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半导体技术与 EIRP 需求的适应性比较

lhl545545 来源:Qorvo半导体 作者:Qorvo半导体 2020-06-09 16:19 次阅读

5G 愿景的真正实现,还需要更多创新。网络基站和用户设备(例如:手机)变得越来越纤薄和小巧,能耗也变得越来越低。为了适合小尺寸设备,许多射频应用所使用的印刷电路板(PCB)也在不断减小尺寸。因此,射频应用供应商必须开发新的封装技术,尽量减小射频组件的占位面积。再进一步,部分供应商开始开发系统级封装办法(SiP),以减少射频组件的数量——尽管这种办法将会增加封装成本。

系统级封装办法正在被用于射频前端,而射频前端包含基站与天线中间的所有组件。

一个典型的射频前端由开关、滤波器放大器及调谐组件组成。这些技术设备的尺寸不断减小,并且相互集成度不断加大。结果,在手机、小蜂窝、天线阵列系统、Wi-Fi 等 5G 应用中,射频前端正在变成一个复杂的、高度集成的系统封包。

不管怎样,5G愿景的实现都需要射频技术和封装技术的颠覆性创新。

氮化镓技术

氮化镓(GaN)是一种二进制 III/V 族带隙半导体,非常适合用于高功率、耐高温晶体管。氮化镓功率放大器技术的 5G 通信潜力才刚刚显现。氮化镓具有高射频功率、低直流功耗、小尺寸及高可靠性等优势,让设备制造商能够减小基站体积。反过来,这又有助于减少 5G 基站信号塔上安装的天线阵列系统的重量,因此可以降低安装成本。另外,氮化镓还能在各种毫米波频率上,轻松支持高吞吐量和宽带宽。

氮化镓技术最适合实现高有效等向辐射基站功率(EIRP),如图 4-5 所示。美国联邦通信委员会定义了非常高的 EIRP 限值,规定对于 28GHz 和 39GHz 频带,每 100MHz 带宽需要达到 75 dBm 功率。因此带来了哪些挑战?相关设备的搭建既要满足这些目标,又要将成本、尺寸、重量和功率等保持在移动网络运营商的预算范围内。氮化镓技术是关键;相比于其他技术,氮化镓技术在达到以上高 EIRP 值时,使用的元件更少,并且输出功率更高。

半导体技术与 EIRP 需求的适应性比较

图 4-5:半导体技术与 EIRP 需求的适应性比较。

对于高功率基站应用,相比于锗硅(SiGe)或硅(Si)等其他功率放大器技术,在相同 EIRP 目标值下,氮化镓技术的总功率耗散更低,如图 4-6 所示。氮化镓减少了整体系统的重量和复杂性,同时还仍保持较低功耗,因此更适合塔上安装系统的设计。

氮化镓技术的部分重要属性:

可靠性与结实性:氮化镓的功率效率更高,因此降低了热量输出。氮化镓的带隙宽,能够耐受更高的工作温度,因此可以减少紧凑区域的冷却需求。由于氮化镓能够在塔上应用(例如:天线阵列系统)的高温条件下工作,因此可以不需要冷却风扇,以及/或者可以减少散热器的体积。历史上,冷却风扇由于其机械性质,一直是造成外场故障的首要原因。大型散热器不仅硬件本身构成重大成本,并且由于重量原因,还可能带来额外的人力成本。使用氮化镓可以让人们不再使用这些高成本的散热办法。

半导体技术与 EIRP 需求的适应性比较

图 4-6:氮化镓减少了基站设计的复杂性,降低了成本。

电流消耗:氮化镓降低了工作成本,产生的热量也更少。另外,低电流还有助于减少系统功耗和降低电源需求。再者,由于功耗降低,服务提供商也减少了运营支出。

功率能力:相比于其他半导体技术,氮化镓设备提供更高的输出功率。市场的发展趋势以及对于基站高功率输出的需求,更加有利于氮化镓技术的发展。

频率带宽:氮化镓拥有高阻抗和低栅极电容,能够实现更大的工作带宽和更高的数据传输速度。另外,氮化镓技术还在 3 GHz 以上拥有良好的射频性能,其他技术(例如:硅)在这个频率范围的性能却不佳。今天氮化镓模块和功率放大器提供的宽带性能,能够支持 5G 前所未有的带宽需求。

集成:5G 需要体积更小的解决方案,这促使供应商将大规模、包含多个技术的离散式射频前端,替换成单体式全面集成解决方案。氮化镓制造商开始抓住这个潮流,开发那些能够将收发链条整合到单一封装的全面集成解决方案。这进一步减少了系统的体积、重量和上市时间。
责任编辑:pj

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