应用GaN技术克服无线基础设施容量挑战

2018-09-21 13:35:56 20

近年来,全球智能手机快速普及, LTE网络已被陆续商用,受此影响,全球移动数据的使用继续飙升。据GSA移动行业分类数据显示,截至2015年3月,全球LTE用户数量比上一年猛增 151%,达到6.35亿。这一增长势头将持续下去,到2020年,LTE用户数将达25亿。

  移动网络运营商面临着诸多挑战,一方面要快速扩容以支持增量用户,另一方面则要尽量减少网络中断并降低成本。长期而言,5G网络有望大幅提升容量和数据速率。但是,5G技术规格仍然处于定义阶段,至少5年内不可能部署。另外,5G可能涉及网络架构的大幅改变。

  为了在5G到来之前满足大幅提高容量的迫切需求,运营商已经开始尽力扩大4G网络的容量而不重新设计基础设施架构。他们关注的焦点是那些能使他们从现有LTE频谱分配中获取更多容量的技术,以减小购买高昂的额外频谱的必要性。

  运营商目前瞄准了多种关键容量和性能升级技术。短期计划以载波聚合(CA)为中心,这是LTEAdvanced标准的一个特性。中期增强技术包括被称 为4.5G、4G+或pre-5G的多种增强技术,其中包括高阶(最多64X)多用户多输入多输出(MU-MIMO)技术、更高阶调制以及免执照5GHz 频谱的使用等。

  这些短期和中期扩容技术以及最终的5G网络将要求采用能提供更高功率输出和功效且支持宽带运行和高频频段的基站功率放大器 (PA)。

  GaN on SiC的前景

  历史上来看,基站功率放大器主要采用基于硅的横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)技术。然而,越来越苛刻的要求逐渐暴露出LDMOS的局限性,并 导致众多供应商在高功率基站功率放大器技术方面转向了氮化镓(GaN)。例如,功率输出要求每年都在提高;对基站功率放大器的要求从一年前的 30W-40W增至今年的60W,而新一代基站的要求可能达100W或以上。当前和规划的扩容需求也需要能支持更高频率的宽带功率放大器。LDMOS即使 在较低射频频率下也存在带宽限制,LDMOS功率放大器的带宽会随着频率的增加而大幅减少。虽然LDMOS仅在不超过约3.5GHz的频率范围内有效,但 GaN功率放大器已经能处理50GHz或以上的毫米波频率。另外,GaN功率放大器支持更高的带宽,即使在较高的频率也是如此。

  如今存在的两种主要GaN技术为碳化硅GaN(SiC)和硅GaN(Si)。GaN on Si的优势在于基板成本低,可以在硅代工厂生产,拥有相应的规模经济优势。但GaN on SiC支持高得多的功率密度,支持更高的功率输出。这是因为SiC具有更优秀的导热率:大约比Si高三倍。GaN on SiC功率密度约为5W/mm,约7倍于LDMOS的功率密度。因此,GaN on SiC功率放大器能以相同的尺寸提供大约两倍的功率输出。结果,GaN on SiC已经成为高功率射频应用的首选技术。

  GaN on SiC功率放大器的优势直接关系到运营商关注的三大问题,即所谓的三C问题:容量、覆盖范围和成本。就如我将在本文中描述的那样,较高的输出功率可以大幅 提升容量,同时还能维持蜂窝覆盖范围。GaN on SiC功率放大器具有更高的功效,可以减少运营商的巨额电费,减轻散热问题。为了更加详细地探讨这些优势,我将讨论 GaN on SiC在无线网络演进的各个阶段可能发挥的作用,先从载波聚合开始,然后是4.5G,最后为5G。

  近期:载波聚合

  运营商目前处于载波聚合(CA)技术部署初期,这是LTE Advanced标准(3GPP Release 10)的一个特性。借助CA,运营商可以提高数据容量和吞吐量,其方式是把最多五个分量载波(每个载波在 1.4-20MHz之间)组合成最高达100MHz的总带宽。

  CA的一个关键吸引力在于,该技术可以把来自多个频段的分量载波组合起来(带间(CA),从而让运营商更好地利用碎片化的频谱分配方案。许多运营商拥 有的连续频谱不到20MHz,因此需要CA来为更快的数据服务需求提供支持。初期部署一般只将CA用于下行链路通信,并把两个10MHz的分量载波组合成 20MHz的总带宽。

  CA一般要求采用宽带功率放大器,以避免各分量载波采用独立功率放大器所带来的额外成本和复杂性问题。常见的CA组合(如频段1(1800MHz)与 频段3(2100MHz)组合)要求采用带宽大于300MHz的功率放大器。即使在较高频率下,GaN功率放大器也能比LDMOS支持更高的带宽,这是一 个关键优势。由于GaN拥有更高的功效,并且GaN功率放大器可以支持需要多个窄带LDMOS功率放大器才能实现的带宽,这两个因素抵消了LDMOS的单 位芯片成本优势。CA还要求更高的功率输出,以实现在多个分量载波上的并行传输。GaN on SiC功率放大器可以满足如今对多频段功率放大器的典型要求,其功率输出达60W或以上,支持300MHz以上的带宽。

      功效对运行成本的影响

  GaN的功效在帮助运营商控制最大成本项(电费)方面也发挥着重要作用。功率放大器是基站功耗中的大户,如果功率放大器的效率仅为35%(较老的 LDMOS功率放大器确实如此),则有65%的能量作为热量被浪费掉了。产生的热也会导致可靠性问题,并且要求较大的散热片,结果会增加产品尺寸。

  在运营商试图控制能源成本的同时,他们需要功效更出色的基站和功率放大器。功率放大器的典型功效已经从4年前的30%-35%提高到如今的60%。同 期,LDMOS功率放大器的效率从30%提高到约45%,但进一步显着提高是非常困难的事。相反,如今的GaN功率放大器已经实现了55%的效率。

  中期:“4.5G”

  除了CA,运营商试图借助多种不同技术来扩容。这些中期发展有望从2016年开始通过几年的时间展开,通常被称为4.5G、4G+或 pre-5G技术。

  大规模MIMO

  MIMO使运营商可以提高数据速率和网络容量,因为它可以使用基站和用户设备上的多根天线,在同一频段传输多个空间上相互隔开的数据流。LTE Advanced标准定义了最高8x8的下行链路MIMO连接以及最高4X4的上行链路连接。同时还定义了MU-MIMO,通过允许基站用每个流与不同设 备进行通信的方式实现扩容。

  4.5G有望带来更高阶的MIMO,以进一步实现网络容量的飞跃,基站可以同时处理64个或更多的并发数据流。但这会带来一些其他挑战。基站需要更多功率来驱动64个通道,因此,能效和散热变成了更大的问题,进一步提高GaN的功效相应地变得更具价值。

  大规模MIMO的另一个大问题是复杂性的管理。把64个发射通道挤进一个基站,需要高度集成的子系统,把功率放大器、低噪声放大器(LNA)、开关和 滤波器封装到紧凑的模块中。为了实现性能和功效的最大化,这些子系统必须根据不同的工艺技术把多个组件组合起来。例如,虽然GaN功率放大器可以提供需要 的功率输出和功效,但基于CMOS的低噪声放大器(LNA)却可以实现接收灵敏度最大化和噪声最小化。需要采用高级滤波器以避免干扰邻近频段。由于基站的 安装位置一般都暴露于恶劣的环境之下,会经历极端温度和湿度,因此,需要能在温度变化条件下展现稳定响应性能的BAW和 SAW滤波器。高集成度的子系统还可给基站制造商带来开发和测试时间缩短的优势,因为子系统中的所有元件都已经匹配好,并一起进行过测试。

   5GHz频谱中的LTE(LTE-U)

  运营商试图通过运用免执照的5GHz频段来扩容,以实现流量分流,补充许可频率。该频段超出了 LDMOS功率放大器的范围,这类功率放大器的频率限制在3.5GHz或以下。相反,5GHz完全处于 GaN功率放大器的范围之内,这类功率放大器的工作频率高得多。

  高阶调制

  走向高阶调制可进一步提高数据速率和网络容量。

  据3GPP Release 12的规定,复杂性从64QAM提高到256QAM,由于每个OFDM符号可以传输8位而非6位数据,因而可以将峰值数据速率提高33%。然而,在不提高 功率输出的条件下使用更加复杂的调制方案会导致蜂窝覆盖范围的下降。要维持覆盖范围不变,运营商需要更高功率的功率放大器。这种状况将进一步刺激对可以提 供必要功率输出的GaN功率放大器的需求。

  长期:5G

  5G技术规格仍然处于制定阶段,几年之内不会完成完善,3GPP当前的建议是在2020年提交最终版规格。然而,业内普遍预期,为了实现多GB级数据 速率,5G会利用频率高得多的频段,包括使用 60GHz–90GHz范围内的毫米波频率。毫米波频谱目前用于多种军事、卫星和其他应用,也用于 802.11ad Wi-Fi标准,但是,其拥挤程度要远远低于当前用于LTE的低频频段。因此,在LTE中使用毫米波频谱将增加大量的额外带宽,同时还能减少对低频频谱拥 挤问题的担忧。

  采用毫米波频率的基站需要超高性能功率放大器。如今,GaN是有可能满足这些要求的唯一普及技术;GaN功率放大器当今的工作频率超过50 GHz,被广泛用于毫米波应用之中。新生代GaN制造技术将发挥重要的作用,可实现5G要求的更高性能水平和集成度。

  结论

  在未来的三到五年中,对GaN功率放大器的需求有望快速增长,因为运营商将推动新型LTE能力建设,以适应移动数据用量大幅增加的需求。为了满足这一 需求,越来越多的功率放大器供应商已经开始扩大产品范围,将GaN产品纳入其中。需要记住的是,无线基站中使用的功率放大器必须符合恶劣条件下的高性能、 高效率、高可靠性要求。每一次网络扩容都会对性能和功效提出新的要求。必须进行谨慎评估,确保功率放大器供应商能提供必要的性能、可靠性、工艺成熟度和内 部制造产能,以满足这些严苛的要求。