碳化硅基氮化镓功率放大器和mMIMO天线在部署5G服务中的应用

电信行业连接着全球数十亿人和数百万家企业。电信行业的增长是以新技术为基础的。这些新技术使互联互通成为可能，为用户提供颇具吸引力的新功能，并证明升级和扩大蜂窝网络基础设施的投资是合理的。伴随着早期 4G LTE 技术支持的数据通信的出现，通信服务呈爆炸式增长，使得手机和蜂窝网络在发达国家无处不在。

下一代电信技术 5G，则有望带来另一场互联互通服务的革命，它将超越电话、短信和简单的互联网，并可能迎来真正的信息时代。

为了能够满足这些新应用程序所需必要的网络吞吐量和可靠性，则需要运用新的技术。实现下一层级互联互通的部分问题在于，在为同一区域内的一个量级或更多附加用户设备提供服务的同时，以更高频率传输和接收高质量射频信号的成本和复杂性。能够帮助解决这些挑战的两个关键使能技术是碳化硅基氮化镓 （GaN-on-SiC） 功率放大器和大规模多输入多输出 （mMIMO） 天线。

该文章旨介绍与从 4G 到 5G 就绪和 5G 技术的服务与基站升级所带来的需求变化和设计挑战等相关背景。讨论中包括了一些关键细节，这些细节解释了mMIMO天线是如何成为新常态的，以及新的通信技术（比如碳化硅基氮化镓功率放大器）在部署5G服务以满足 3GPP 规范和用户日益增长的期望时是必不可少的。

1、5G 基站趋势

许多人可能认为，既然 5G 已经开始铺开，那么4G 技术也即将退出历史舞台。但这绝不是事实，因为仍有计划为许多使用较老的 3G/4G 技术的地区提供 4G 服务，以及升级和维护 4G 服务，以便为未来 5G 基站安装做准备。为 4G 建造的网络基础设施也很可能继续使用，并融合到 5G 的部署中，就像 2G 和 3G 被融合到 4G 服务中一样。因此，4G 技术仍然有市场，包括用于 4G 蜂窝频段的 LDMOS 功率放大器。

然而，5G 服务的发展也需要新技术和新方法来满足对 5G 的期望，即在高度拥挤的地区以每秒数百兆比特 （Mbps） 的速度传输数据，同时提高可靠性和减少延迟。

因此，有关大规模 5G 部署的讨论和规划，大多涉及安装小基站（small cell）。这些小基站将更密集地分布在城市和郊区地区。

而且，目前还有 4G 系统正在从 2T2R 和 8T8R MIMO 升级到 32T32R 和 64T64R mMIMO 天线，在全频谱 5G（sub-1 GHz、sub-6 GHz 和毫米波频谱）部署之前，预计将利用 mMIMO 技术帮助升级 4G 服务，以满足 5G 的预期。

这些新的 5G 基站和 5G 就绪的 4G 升级需要更多的天线单元，以及更多的蜂窝信号发射机。为了实现这些新的 mMIMO 天线的尺寸和重量最小化，需要仔细设计和选择射频组件。

为了减小 mMIMO 天线的尺寸和重量，一种常见的设计决定是用带有嵌入式射频硬件的 4G/5G mMIMO 组合天线取代现有的 4G 天线。这种类型的致密化可以大大降低成本，特别是当它涉及到塔空间和风荷载电荷时，但其代价是需要更高功率密度的射频发射机，这种发射机必须非常可靠，以减少由于组件失效而可能导致的维护和服务故障增加。

这些事项对于sub-6 GHz 5G 系统来说很重要，对于当前的原型和未来的毫米波 5G 系统来说则更为重要。即使对于sub-6 GHz 5G 系统，3.5 GHz 到 5 GHz 的 5G 新空口 （NR） 蜂窝频段也比低于 3 GHz 的 4G 蜂窝频段面临着更大的频率相关的射频损耗。

这些更大的损耗同时也需要更高的放大器效率，以适应最新通信技术中使用的更复杂、更高峰均比 （PAPR） 的调制信号。因此，对射频功率放大器的需求就更大了。射频功率放大器需要能够提供高效率的数千兆赫的带宽，即使承受更高的功率密度也能表现出高可靠性，并且具有足够的成本效益和足够小，以便和嵌入式硬件组装进紧凑的 mMIMO 天线。

2、5G 射频前端技术规格

mMIMO 5G 天线系统与 4G 有很多类似的性能考量，以及很多额外的附加考量和限制，和更严格的性能标准。由于 mMIMO 发射和接收天线布置在非常近的距离，因此需要着重考虑性能因素，例如隔离和相邻信道功率比 （ACPR）/相邻信道泄漏比 （ACLR）。

ACPR/ACLR 是衡量从发射机到邻近无线电信道功率泄漏的一种方法。ACPR/ACLR 的主要作用是发射机功率放大器的线性度。更为线性的功率放大器将表现出更少的失真，进而使得在相邻信道上出现更少的失真产物。

功率放大器的线性和失真（特别是幅度失真和相位失真），对深度调制通信信号会产生其他影响。即使满足了美国联邦通信委员会 （FCC） 或全球其他电信法规要求的传输掩码，过度失真也会导致功率放大器自身传输性能的下降。误差矢量幅度 （EVM） 用于测量星座点和理想点的偏差，其大小与功率放大器的非线性、相位噪声和放大器噪声有关。因此，关键是使用功率放大器技术，以保持线性和噪声的高标准，即使在高负载和高温下。

然而，更多的线性功率放大器不一定能提供更好的隔离指标——发射机到发射机、发射机到接收机，或接收机到接收机。高隔离度对于 mMIMO 系统至关重要，它可以防止来自其他空间复用信号的无用信号出现在临近的 MIMO 天线单元中。

尽管与 5G 技术一起使用的时域双工 （TDD） 不太容易受到发射机到接收机隔离考量的影响，但这仍然不能解决发射机到发射机或接收机到接收机的隔离问题。为了解决隔离问题，谨慎的电路和封装设计是必要的，而且只有当大型和高功率组件（如发射机功率放大器 ）足够紧凑和灵活，能够允许旨在满足严格隔离要求的创造性配置时才有可能实现。

功率放大器其他考虑因素还包括低电流消耗和高功率附加效率 （PAE）。由于 mMIMO 天线系统需要发射机和接收机的阵列，因此每个元件的功率消耗和效率已经成为关键的性能标准。

随着未来 5G 部署计划包括在整个城市和郊区环境中铺设大量密集的网络，从宏基站塔到建筑侧面/顶部和电线杆，再到路灯和隧道/地铁结构，这种影响被放大了。随着计划建设更多的 5G 基站，降低整体功率消耗的压力越来越大，其中发射机的功率放大器是功率消耗最高的组件之一。

在输出功率相同的情况下，更高PAE（高功率附加效率）的放大器不仅可以降低总体能耗，同时也有其他有益作用。PAE 越高，说明放大器产生的热量越少，更多的放大器功率被用来增加信号能量，而不是转化为废热。减少废热的优势还包括只需要更少的散热材料，而散热材料将会大大增加发射机组件的重量、尺寸和成本。此外，更低的热量产生也会带来更低的工作温度。这对于半导体来说，通常会使寿命更长，甚至在高负载的情况下获得更线性的性能。

3、5G 发射机要求

上述射频前端技术规格对 5G 发射机，特别是与 mMIMO 天线系统一起使用的 5G 发射机提出了实质性的限制。这就是为什么有广泛的研究和行业投入，以开发能够在 5G 运行条件下和新的 5G 频谱范围内，满足这些严格要求的功率放大器技术。

传统的功率放大器技术，如横向扩散金属氧化物半导体 （LDMOS） 和砷化镓 （GaAs） 功率放大器技术，无法满足 5G mMIMO 系统所需的功率密度、能源效率、线性和成本/空间要求。

以砷化镓放大器为例，这些器件非常适合低噪声的接收机应用，但带隙电压较低。这意味着砷化镓放大器必须要有较低的工作电压，这也就使得实现高功率密度充满挑战性，而且砷化镓放大器在更高功率下的效率较低。其结果就是一个更热的且相对更耗电的器件。这对于需要更高功率密度和更高能源效率水平的 5G mMIMO 应用来说就不那么有吸引力了。

尽管 LDMOS 放大器在 3 GHz 以下高功率应用中已经得以采用了一些时间，但是 LDMOS 放大器的导热性相对有限，在更高频率下的效率也相对更低。最终，这导致了 LDMOS 放大器在超过 3 GHz 频率上消耗更多的功率和产生更多的热量，同时也牺牲了其他需要被考虑的因素，如线性和噪声（与大多数材料的温度有关）。

这就为氮化镓半导体材料来填补空白留出了很大的发挥空间。对于氮化镓技术在射频中的应用已经有很多宣传了。在许多方面，氮化镓器件使得从远程通信到雷达等各种设备的性能显着提高。这是因为氮化镓在功率放大器品质因数 （PAFOM） ，即功率密度、可靠性、导热系数、线性度和带宽等方面通常优于大多数其他常见的半导体材料。

氮化镓半导体有一些细微的差别，因为氮化镓通常是在绝缘衬底上进行外延生长。因此，氮化镓器件可以基于多种不同衬底，如蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓，甚至是钻石。由于工艺成熟度、成本和其他设计限制，广泛可用的射频用氮化镓通常包括硅基氮化镓或碳化硅基氮化镓。

与氮化镓在高频率射频应用上优于硅基 LDMOS 器件的原因大致相同，在 5G mMIMO 应用中，碳化硅基氮化镓优于硅基氮化镓。碳化硅基氮化镓相对于硅基氮化镓的许多性能优势源于碳化硅是一种更稳固耐用的材料，具有更好的导热性，与氮化镓有更好的晶格匹配。这意味着在高负载条件下，碳化硅基氮化镓器件比之硅基氮化镓器件，在运行时更耐热，损耗更少，而且具有更高的功率效率。

而且，这意味着对于相同的功率输出，碳化硅基氮化镓功率放大器可能比硅基氮化镓器件尺寸更小，其所需要的散热器尺寸也更小。不仅如此，碳化硅基氮化镓的可靠性还通过了美国国防部 （DoD） 和航空航天应用的全面审核和认可。

4、小结

4G 和 5G 系统的部署很可能会采用 mMIMO 技术，为对现代通信服务抱有更高期望的用户提供最佳覆盖范围和容量。与硅基氮化镓和 LDMOS 技术相比，碳化硅基氮化镓功率放大器技术为 mMIMO 系统提供了最佳的性能和成本要求。

Wolfspeed 碳化硅基氮化镓技术已被批准用于高可靠性电信、军事、国防和航空航天应用，并提供比硅基氮化镓和 LDMOS 更低的全生命周期成本。

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