5G und GaN:Innovationen der Zukunft

Dabei vergisst man leicht, dass GaN noch eine relativ junge Technologie ist. Wir befinden uns noch in den ersten Entwicklungsgenerationen mit viel Potenzial für Verbesserungen und Verfeinerungen. Dieser Artikel befasst sich mit einigen der GaN-Innovationen am Horizont und prognostiziert ihre Auswirkungen auf die Stromversorgung von Basisstationen in den nächsten Jahren.

Leistungsdichte

Wir gehen davon aus, dass wir in den nächsten drei bis fünf Jahren Verbesserungen der bereits beträchtlichen Leistungsdichtefähigkeiten von GaN sehen werden. Es gibt bereits heute Möglichkeiten, mit GaN eine höhere Leistungsdichte zu erreichen, aber die Kosten sind so extrem, dass dies aus kommerzieller Sicht nicht machbar war. Als Beispiel wird GaN auf Diamant anstelle von Siliziumkarbid aufgebracht. Es ist möglich, aber der Aufwand macht es für Basisstationen nicht realistisch. Es werden jedoch weitere kostengünstige Verfahren erforscht, die die Rohleistungsdichte des Materials in den kommenden Jahren verbessern werden.

Die Attraktivität des 5G-Infrastrukturmarktes liegt auf der Hand – billigere, effizientere Basisstationen mit größerer Bandbreite. Auch aus anderen Branchen besteht großes Interesse. Insbesondere Radaranwendungen würden profitieren, da sie darauf ausgerichtet sind, auf einem gegebenen Raum so viel Leistung und Effizienz wie möglich zu erzeugen. Mit der Verbreitung von GaN in diesen Teilmärkten steigen die Skaleneffekte und der Preis wird weiter sinken.

Linearität

Die größte Priorität der GaN-Halbleiterindustrie für Basisstationen ist ohne Frage die Erhöhung der linearen Leistung. Die F&E-Bemühungen sind alle darauf ausgerichtet, die lineare Effizienz in den nächsten Jahren zu steigern.

Gleichzeitig gehen wir davon aus, dass sich die Modulationsschemata der Basisstationen in den nächsten drei bis fünf Jahren nicht wesentlich ändern werden. Es reduziert sich auf eine einfache Berechnung von Bits pro Hertz. Unabhängig davon, ob Sie 256 QAM oder 1024 QAM verwenden, wird ein System eine bestimmte Anzahl von Bits pro Hertz Bandbreite erhalten. Wenn sich diese Zahlen nicht wesentlich ändern, besteht der ideale Weg, um mehr aus einem System herauszuholen, in linearen Effizienzverbesserungen.

Das soll nicht heißen, dass es nicht mit erhöhter Leistung vom Grundgerät angegangen werden kann. Auch ohne Linearitätsverbesserungen liefert die Gesamtleistungseffizienz des PA immer noch Signalverbesserungen. Es hilft Designern auch, Systeme zu verkleinern, da sie weniger Systemleistung und weniger Antennenarrays benötigen. Während zusätzliche Stromversorgung oder Second-Level-Lösungen funktionieren, besteht das Ziel der GaN-Lieferanten in der Branche darin, die Einfangeffekte zu reduzieren, damit die Systeme so einfach wie möglich werden.

Temperatur

Die Temperatur der Basisstationen steigt im Laufe der Zeit weiter an. Vor fünf Jahren war es der Standard, Geräte auf 85 °C zu spezifizieren. OEMs haben dies auf 105 °C erhöht, und es wird erwartet, dass die Entwickler von Basisstationen aufgefordert werden, Temperaturen von 125 °C auszuhalten. Die meisten GaAs-Geräte haben eine maximale Temperatur von 150°C, was Ihnen nur einen Temperaturanstieg von 25°C ermöglicht, um darin zu arbeiten. GaN-Lieferanten müssen eng mit Systemdesignern zusammenarbeiten, um kreative Wege zu finden, um eingebettete Elemente kühler zu halten. Dieser Druck wird in kleineren Außeneinheiten mit massiven MIMO-Arrays noch stärker sein. Kreative Lösungen gibt es heute, aber nicht zu einem kostengünstigen Preis. Wir erwarten, dass sich dies in den nächsten Jahren ändern wird.

Ganzheitliche Lösungen

Jeder GaN-Lieferant verfeinert die Physik von GaN-Geräten, um den linearen Wirkungsgrad, die Leistungsdichte und die Zuverlässigkeit zu verbessern und gleichzeitig die negativen Auswirkungen von Trapping, Stromkollaps und Stromdrift zu reduzieren. Dies kann bis zu einem gewissen Grad auf Geräteebene erfolgen, aber um das volle Potenzial zu erreichen, sollten Basisstations-RFFE-Systeme zusammen mit der gesamten Architekturkette entwickelt werden, und hier sehen wir heute viele zukunftsweisende Aktivitäten.

Dies ist besonders kritisch, da die Branche von LDMOS- auf GaN-Lösungen umstellt. Die Technologie ist grundlegend anders. Es ist nicht so einfach, eine GaN-PA zu ersetzen und eine um 10 Punkte bessere Effizienz zu erwarten. Es gibt verschiedene Systemprobleme und Lösungen. Eine für LDMOS optimierte Basisstation ist möglicherweise nicht für einen GaN-PA geeignet und umgekehrt. Die Optimierung von Basisstationssystemen für GaN sollte ganzheitlich erfolgen.

Wir beginnen diesen Trend jetzt zu sehen und erwarten in den nächsten Jahren eine breitere Akzeptanz, da die Leistungsergebnisse für sich sprechen. Die Embedded-Designer, die mit Zulieferern zusammenarbeiten, um diese ganzheitliche Designlücke zu schließen, werden sich als Branchenführer positionieren. OEMs würden natürlich sagen, dass sie bereits einen Ansatz auf Systemebene verwenden. Wir würden diese Tatsache nicht bestreiten, aber wir glauben, dass es weitere Vorteile gibt, insbesondere da die HF-Teile der Kette intelligenter und integrierter werden.

Smart RF und künstliche Intelligenz

Die Abschwächung von Fallen war für jedes Halbleitermaterial ein Problem, und GaN ist keine Ausnahme. Hochgeschwindigkeits-Schaltanwendungen können extrem anspruchsvolle Einfangumgebungen für GaN-Leistungsverstärker schaffen. Das Lösen dieser Einfangeffekte kann komplex sein, da das PA-Verhalten von vorherigen Signalen abhängen kann, die der PA empfangen hat. Der traditionelle Ansatz wäre, es auf der physischen Ebene bis hinunter in das Substrat anzugehen, um die Ursache des problematischen Verhaltens zu beheben. Die aktuelle Technologie war noch nicht in der Lage, das Einfangen auf diese Weise vollständig abzuschwächen, aber es wird ständig in Forschung und Entwicklung untersucht.

Eine andere Methode könnte darin bestehen, Softwarealgorithmen zu verwenden, um die Variationen vorherzusagen, die zum Einfangen führen. Mit intelligenten RF-Controllern und einem ausreichenden Verständnis der bereits bestehenden Bedingungen könnten Geräte potenziell Verkehrsmuster erkennen und die nächste Aktivitätsspitze vorhersagen. Oder erkennen Sie einen Aktivitätsabfall und ändern Sie Dinge auf Controller-Ebene, um den Stromverbrauch zu reduzieren. Dies wird seit vielen Jahren in Basisstationen durchgeführt, aber es gibt kontinuierliche Bemühungen, die Techniken zu verbessern.

Aus diesem Grund erwägen OEMs den Einsatz von Künstlicher Intelligenz auf Funkebene. RFFE-Systeme könnten sich im Laufe der Zeit selbst optimieren. Theoretisch könnte ein Funkgerät, das im Feld einen Fehler erzeugt, den Fehler selbst erkennen und aus dem Fehler „lernen“. Dann könnte es beim nächsten Mal die Reihe von Ereignissen verhindern, die den Fehler verursacht haben, oder ihn möglicherweise beheben. Es wäre nicht nötig, den Spediteur zu markieren, einen Lastwagen zu schicken und Leute in den Turm zu bringen, um kleinere Probleme zu lösen. Wie Sie sich vorstellen können, würden dadurch erhebliche Ausfallzeiten und Kosten vermieden.

6G

Auch wenn sich 5G noch in der Anfangsphase der Einführung befindet, beginnen die Diskussionen für 6G bereits. Frühe Vorhersagen deuten darauf hin, dass 6G in Frequenzbändern weit über 100 GHz geliefert wird, Frequenzen, von denen wir wissen, dass GaN unterstützt. Höchstwahrscheinlich wird es sich bei dieser Art von Lösung nicht um einen herkömmlichen Mobilfunkmasten-Einsatz handeln, aber in welcher Form auch immer, wir glauben, dass die Effizienz von GaN bei hohen Frequenzen und über große Bandbreiten entscheidend für die Verwirklichung von 6G ist.

Verwandte Inhalte:

• 5G und GaN:Massive MIMO-Infrastruktur unter 6 GHz verstehen
• 5G und GaN:Der Wechsel von LDMOS zu GaN
• 5G und GaN:Was Embedded-Designer wissen müssen
• 5G-Einführung:ein Marathon, kein Sprint
• Wie die datengesteuerte Steuerung mit ML die 5G-Netzwerkleistung verbessert
• Die größten Herausforderungen von 5G für Kommunikationsdienstleister
• Kann maschinelles Lernen die Herausforderungen des komplexen 5G-Basisbands lösen?

Für mehr Embedded, abonnieren Sie den wöchentlichen E-Mail-Newsletter von Embedded.