5G und GaN:Der Wechsel von LDMOS zu GaN

Im vorherigen Artikel dieser Serie haben wir die Massive MIMO-Technologien untersucht, die die 5G-Implementierung im ganzen Land vorantreiben. Während das Potenzial von mmWave-Frequenzanwendungen schließlich realisiert wird, wird der 5G-Dienst in den nächsten Jahren durch Signale definiert, die über Sub-6-GHz-Bänder übertragen werden. Um dies zu ermöglichen, werden die nächsten Generationen von Basisstationslösungen erhebliche Verbesserungen der HF-Front-End-Leistung erfordern.

Ingenieure werden gebeten, Basisstationen zu entwickeln, die eine bessere RFFE-Integration, Größenreduzierung, geringeren Stromverbrauch, höhere Ausgangsleistung, größere Bandbreite, verbesserte Linearität und erhöhte Empfängerempfindlichkeit ermöglichen. All dies erfüllt zusätzlich die strengeren Kopplungsanforderungen zwischen Transceiver, RFFE und Antenne. Es ist ein sehr hoher Auftrag. Die einzige Möglichkeit, diese Anforderungen zu erfüllen und Massive MIMO erfolgreich zu implementieren, sind kleine, hocheffiziente und kostengünstige Leistungsverstärker, die in diesen expandierenden Antennenarrays verwendet werden können.

Powering Sub-6 Massive MIMO

Der Bereich der HF-Leistungsverstärker wurde seit der Markteinführung der Technologie in den 1990er Jahren durch lateral diffundierte Metalloxid-Halbleiter (LDMOS) definiert, insbesondere bei Frequenzen unter 2 GHz aufgrund ihrer geringen Kosten. Die größte Konkurrenz kam von Galliumarsenid (GaAs)-Verstärkern, die für höhere Frequenzen besser geeignet waren, jedoch mit niedrigeren Leistungsübertragungspegeln und höheren Kosten. Als digitale 2G-Mobilfunknetze eingeführt wurden, erlangte LDMOS eine Marktbeherrschung bei HF-Basisstationen, die es bis heute hält. Mit der Einführung von 3G- und 4G-Netzwerken haben LDMOS-Leistungsverstärker jedoch nicht mehr die gleiche Energieeffizienz wie frühere Generationen erreicht. Trotz Leistungssteigerungen durch die Verwendung von Doherty-Topologien und Hüllkurvenverfolgung begannen Gerätehersteller und -betreiber, sich während der 4G LTE-Bereitstellung in ganz China im Jahr 2014 Galliumnitrid (GaN) als Halbleiter der nächsten Generation für HF-Leistungsanwendungen zuzuwenden.

GaN ist im Vergleich zu anderen Halbleitern eine relativ neue Technologie, hat sich jedoch zur Technologie der Wahl für leistungshungrige Anwendungen mit hoher HF entwickelt, wie z -6 5G-Basisstationen. Seine hohe Ausgangsleistung, Linearität und Energieeffizienz haben Netzwerk-OEMs dazu veranlasst, von der Verwendung der LDMOS-Technologie für PAs auf Galliumnitrid umzusteigen. Die LDMOS-Technologie hat heute noch den größten Marktanteil bei HF-Basisstationen, aber GaN wird sie voraussichtlich weiterhin bei 5G Massive MIMO-Bereitstellungen verdrängen.

GaN-Leistungsvorteile

Der Hauptvorteil von GaN ist seine höhere Leistungsdichte. Dies liegt an einer Bandlücke zwischen dem Leitungs- und Valenzband, die höher ist als bei LDMOS-Technologien, was sowohl hohe Durchbruchspannungen als auch Leistungsdichten ermöglicht. Es ermöglicht die Übertragung eines Signals mit mehr Leistung, das die Abdeckungsbereiche von Basisstationen erweitert. Die hohe Leistungsdichte von GaN-PAs ermöglicht auch kleinere Formfaktoren, die weniger Platz auf der Leiterplatte benötigen. In einem bestimmten Bereich können Systemdesigner mehr Leistung produzieren als mit einer anderen Technologie. Oder Systementwickler können für einen bestimmten Leistungspegel die Größe des RFFE verkleinern und die Kosten senken.

Diese höhere Leistungsdichte ermöglicht es GaN-Leistungsverstärkern auch, bei Temperaturen von bis zu 250 Grad Fahrenheit zu arbeiten – ein Niveau, das siliziumbasierte Technologien nicht erreichen können. Die verbesserte Wärmeableitung von GaN vereinfacht die Kühlkörper- und Kühlanforderungen von Systemen und reduziert so Größe und Kosten weiter. Angesichts der hohen Infrastrukturausgaben, mit denen MNOs konfrontiert sind, werden kleinere, kostengünstigere Geräte einen großen Beitrag dazu leisten, 5G landesweit verfügbar zu machen.

Die erhöhte Energieeffizienz von GaN trägt auch dazu bei, die Kosten für den Betrieb von Basisstationen zu senken. Netzbetreiber sind bestrebt, den Stromverbrauch des Netzwerks zu minimieren und drängen OEMs dazu, Systemeffizienz und Gesamtstromeinsparungen zu entwickeln. Um diesen Bedarf zu decken, wenden sich Ingenieure zunehmend GaN zu. In einer Doherty PA-Konfiguration erreicht GaN durchschnittliche Wirkungsgrade von bis zu 60 % bei einer Ausgangsleistung von 100 W, was den Energieverbrauch für den Betrieb leistungshungriger Massive-MIMO-Systeme deutlich reduziert.

Die Effizienz von GaN bei hohen Frequenzen und über große Bandbreiten kann auch dazu beitragen, Massive-MIMO-Systeme zu verkleinern. Obwohl die Verbesserungen der LDMOS-Verstärkereigenschaften Frequenzbereiche bis zu 4 GHz ermöglichen, können GaN-basierte Verstärker Frequenzen von bis zu 100 GHz bei bis zu fünfmal höheren Leistungsdichten erreichen. Die höhere Effizienz und Ausgangsimpedanz zusammen mit der geringeren parasitären Kapazität ermöglichen GaN-Bauelementen eine einfachere Breitbandanpassung und Skalierung auf eine sehr hohe Ausgangsleistung. Während die mmWave-Anwendungen offensichtlicher sind, können Träger in Sub-6 davon profitieren, indem sie gleichzeitig über mehrere Bänder übertragen. Carrier benötigen nicht mehrere Schmalband-Funkgeräte, sondern nur eine Breitband-Funkplattform, die mehrere Bänder bedient. GaN bietet die Reichweite und Flexibilität, um diese Systeme zu ermöglichen, und lässt sich gleichzeitig leicht skalieren, um die hohen Frequenzen der mmWave-Übertragungen der Zukunft zu liefern.

Das soll nicht heißen, dass GaN immer die richtige Wahl für jede HF-Leistungsanwendung ist. LDMOS ist oft zu einem niedrigeren Preis erhältlich und bietet bei bestimmten Frequenzen eine sehr wettbewerbsfähige Linearität. Auch GaAs hat in bestimmten Marktnischen eigene Effizienzvorteile. Es gibt jedoch einen Grund, warum viele große Player im Bereich LDMOS auf die GaN-Produktion umsteigen:Sie wissen, wie wichtig GaN ist, um Carriern und Basisstations-OEMs dabei zu helfen, ihre Ziele für Sub-6-GHz-Massiv-MIMO zu erreichen.

Aufgrund der breiten Akzeptanz von GaN in Basisstationen und der Ausweitung der Anwendungen in anderen Branchen wie der Verteidigung und der Luft- und Raumfahrt wächst die Menge an produziertem GaN von Jahr zu Jahr. Mehr Volumen bedeutet größere Skaleneffekte, was GaN zu einer erschwinglicheren Lösung macht. Ohne Berücksichtigung der Einsparungen durch höhere Energieeffizienz, kleinere Formfaktoren oder Multiband-Anwendungen. Auch die Linearität soll verbessert werden. Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass GaN erst in der zweiten Generation von Angeboten für Basisstationen ist. Ausgereifte Technologien wie LDMOS befinden sich in der 15. Generation. Es ist derzeit der aktivste Forschungsbereich im GaN-Bereich, was dazu führt, dass viele in der Branche kurzfristig eine marktführende lineare Effizienz erwarten.

Da die Beschränkungen, die GaN von einer breiteren Anwendung einschränken, angegangen werden, wird es jetzt für Systemdesigner entscheidend zu verstehen, wie der Halbleiter in ihren eigenen Anwendungen eingesetzt wird.

Was Embedded Designer wissen müssen

GaN bietet Embedded-Designern viele Leistungsvorteile, aber es gibt sicherlich Design-Best Practices, die für das Material einzigartig sind. Im nächsten Artikel dieser Serie wird detailliert beschrieben, was Entwickler von eingebetteten Systemen wissen müssen, um das volle Potenzial von GaN auszuschöpfen. Es korrigiert häufige Missverständnisse, bietet Designlösungen und untersucht, was als nächstes für die GaN-Technologie in und außerhalb von HF-Anwendungen kommt.

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