電信行業(yè)負(fù)責(zé)連接全球數(shù)十億人和數(shù)百萬企業(yè)。電信業(yè)的增長是基于新技術(shù)，使連接能夠?yàn)榭蛻籼峁┬碌暮陀形Φ墓δ埽⒆C明升級和擴(kuò)展蜂窩網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的投資是合理的。隨著早期4G LTE技術(shù)支持的數(shù)據(jù)通信的出現(xiàn)，通信服務(wù)的爆炸式增長使手機(jī)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)在整個發(fā)達(dá)國家無處不在。下一代電信技術(shù)5G有望帶來另一場超越通話，短信和簡單互聯(lián)網(wǎng)的連接服務(wù)革命，并可能迎來真正的信息時代。

為了提供實(shí)現(xiàn)這些新應(yīng)用要求所需的吞吐量和可靠性，需要新技術(shù)。實(shí)現(xiàn)這種下一級連接的部分問題是在更高頻率下發(fā)送和接收高質(zhì)量RF信號的成本和復(fù)雜性，同時在同一區(qū)域內(nèi)為數(shù)量級或更多的其他用戶設(shè)備提供服務(wù)。可以幫助應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的兩項(xiàng)關(guān)鍵使能技術(shù)是碳化硅氮化鎵（GaN-on-SiC）功率放大器和大規(guī)模多輸入多輸出（mMIMO）天線。

本文旨在為讀者提供與將服務(wù)和基站從4G升級到5G就緒和5G技術(shù)相關(guān)的需求變化和設(shè)計挑戰(zhàn)的背景。討論中包括一些關(guān)鍵細(xì)節(jié)，這些細(xì)節(jié)解釋了mMIMO天線如何成為新常態(tài)，以及新的通信技術(shù)（如GaN-on-SiC功率放大器）對于部署符合5GPP規(guī)范和用戶不斷增長的期望的3G服務(wù)至關(guān)重要。

5G基站趨勢

許多人可能認(rèn)為，現(xiàn)在5G的推出已經(jīng)開始，4G技術(shù)即將淘汰。事實(shí)并非如此，因?yàn)槿杂杏媱澫蛟S多采用較舊4G / 3G技術(shù)的地區(qū)提供4G服務(wù)，并升級和維護(hù)4G服務(wù)，為未來的5G基站安裝做準(zhǔn)備。為4G構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施也有可能繼續(xù)使用并合并到5G部署中，就像2G和3G合并到4G服務(wù)中一樣。因此，4G技術(shù)仍有市場，包括用于4G蜂窩頻段的LDMOS功率放大器。

然而，5G服務(wù)的建設(shè)還需要新技術(shù)和新方法，以滿足高度擁擠地區(qū)每秒數(shù)百兆比特（Mbps）吞吐量的5G期望，同時提高可靠性并減少延遲。因此，關(guān)于大規(guī)模5G部署的大部分討論和規(guī)劃都涉及安裝小型蜂窩，這些小型蜂窩在整個城市和郊區(qū)分布得更加密集。此外，目前有4G系統(tǒng)正在從2T2R和8T8R MIMO升級到32T32R和64T64R mMIMO天線，以期利用mMIMO技術(shù)來幫助升級4G服務(wù)，以滿足5G期望，然后才能部署全頻譜5G（sub-1 GHz，sub-6 GHz和毫米波頻譜）。

這些新的5G基站和5G就緒的4G升級需要更多的天線元件，以及更多的蜂窩發(fā)射器。為了將這些新型mMIMO天線的尺寸和重量保持在最小，需要仔細(xì)設(shè)計和選擇RF組件。減小 mMIMO 天線尺寸和重量的常見設(shè)計決策是用具有嵌入式射頻硬件的組合 4G/4G mMIMO 天線替換現(xiàn)有的 5G 天線。這種類型的致密化可以大大降低成本，特別是當(dāng)它涉及塔空間和風(fēng)荷載費(fèi)用時，但它的代價是需要更高功率密度的RF發(fā)射器，這些發(fā)射器必須非常可靠，以減少由于組件故障而導(dǎo)致的維護(hù)和服務(wù)故障增加的可能性。

雖然這些擔(dān)憂對于6 GHz以下的5G系統(tǒng)很重要，但對于當(dāng)前的原型和未來的毫米波5G系統(tǒng)來說，它們甚至更令人擔(dān)憂。即使對于低于 6 GHz 的 5G 系統(tǒng)，3.5 GHz 至 5 GHz 5G 新無線電 （NR） 蜂窩頻段也比低于 4 GHz 的 3G 蜂窩頻段經(jīng)歷更大的頻率相關(guān)射頻損耗。這些更大的損耗還伴隨著對放大器效率的需求，以解決最新通信技術(shù)中使用的更復(fù)雜和更高的峰均功率比（PAPR）調(diào)制信號。因此，對RF功率放大器的需求更大，這些放大器能夠在幾千兆赫的帶寬上提供高效率，即使在承受更高功率密度的同時也表現(xiàn)出高可靠性，并且具有成本效益和足夠小，可以組裝成帶有嵌入式硬件的緊湊型mMIMO天線。

5G 射頻前端規(guī)格

mMIMO 5G 天線系統(tǒng)具有與 4G 許多相似的性能考慮因素，但增加了許多考慮因素和限制以及更嚴(yán)格的性能標(biāo)準(zhǔn)。由于 mMIMO 發(fā)射 和 接收 天線 放置 在 如此 近 的 位置， 因此 會 更加 考慮 性能 因素， 例如 隔離 和 相鄰 信道 功率 比 （ACPR） / 鄰 道 泄漏 比 （ACLR）。ACPR/ACLR 是衡量發(fā)射器向相鄰無線電信道泄漏功率的指標(biāo)。ACPR/ACLR的主要因素是發(fā)射器功率放大器的線性度。線性度更高的功率放大器將表現(xiàn)出更少的失真，從而導(dǎo)致相鄰?fù)ǖ乐谐霈F(xiàn)的失真產(chǎn)物更少。

功率放大器的線性度和失真（特別是幅度失真和相位失真）對深度調(diào)制的通信信號有其他影響。即使?jié)M足滿足FCC或全球其他電信法規(guī)所需的傳輸模板外，過度失真也會導(dǎo)致功率放大器降低自身的傳輸性能。誤差矢量幅度（EVM）是衡量星座點(diǎn)與理想值偏差的指標(biāo)，是由功率放大器非線性、相位噪聲和放大器噪聲引起的。因此，使用功率放大器技術(shù)至關(guān)重要，即使在高負(fù)載和高溫度下也能保持高標(biāo)準(zhǔn)的線性度和噪聲。

然而，更線性的功率放大器不一定能提供更好的隔離指標(biāo)——發(fā)射器到發(fā)射器、發(fā)射器到接收器或接收器到接收器。高隔離度對于 mMIMO 系統(tǒng)至關(guān)重要，可以防止來自其他空間復(fù)用信號的不需要的信號出現(xiàn)在附近的 MIMO 天線元件中。盡管與5G技術(shù)一起使用的時域雙工（TDD）不太容易受到發(fā)射器到接收器隔離因素的影響，但這仍然不能解決發(fā)射器到發(fā)射器或接收器到接收器的隔離問題。為了解決隔離問題，必須仔細(xì)設(shè)計電路和封裝，這只有在大型和高功率元件（如發(fā)射器PA）足夠緊湊和通用，足以允許旨在滿足嚴(yán)格隔離要求的創(chuàng)造性配置的情況下才有可能。

其他功率放大器考慮因素包括低電流消耗和高功率附加效率（PAE）。由于 mMIMO 天線 系統(tǒng) 需要 發(fā)射 器 和 接收 器 陣列， 每 個 元件 的 功耗 和 效率 已 成為 關(guān)鍵 的 性能 標(biāo)準(zhǔn)。隨著未來的5G推出計劃包括在整個城市和郊區(qū)環(huán)境中放置大量密集網(wǎng)絡(luò)，從宏蜂窩塔到建筑物的側(cè)面/頂部和電線桿，再到路燈和隧道/地鐵結(jié)構(gòu)，這種影響被放大了。隨著更多5G基站的規(guī)劃，降低整體功耗的壓力更大，其中發(fā)射器的功率放大器是功耗最高的組件之一。

在相同的輸出功率下，高PAE放大器可降低總能耗，但也具有其他有益效果。較高的PAE還表明放大器產(chǎn)生的熱量較少，因?yàn)楦嗟姆糯笃鞴β视糜谠鲆嫘盘柲芰坎⑶也粫D(zhuǎn)化為廢熱。更少的廢熱還具有需要較少的散熱材料的好處，這可能會大大增加變送器組件的重量、尺寸和成本。此外，較低的發(fā)熱也會導(dǎo)致較低的工作溫度，對于半導(dǎo)體來說，這通常會導(dǎo)致更長的使用壽命，甚至在高負(fù)載情況下甚至更高的線性性能。

5G 發(fā)射機(jī)要求

上述射頻前端規(guī)范對5G發(fā)射器，尤其是與mMIMO天線系統(tǒng)一起使用的5G發(fā)射器提出了重大限制。這就是為什么有廣泛的研究和行業(yè)努力來開發(fā)功率放大器技術(shù)，以滿足5G工作條件下和新的5G頻譜下的這些嚴(yán)格要求。傳統(tǒng)的功率放大器技術(shù)，如橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體 （LDMOS） 和砷化鎵 （GaAs） 功率放大器技術(shù)，無法滿足 5G mMIMO 系統(tǒng)所需的功率密度、能效、線性度和成本/空間要求。

對于GaAs放大器，這些器件非常適合低噪聲接收器應(yīng)用，但具有低帶隙電壓。這意味著GaAs放大器必須具有較低的工作電壓，這使得獲得高功率密度具有挑戰(zhàn)性，而GaAs放大器在較高功率水平下效率較低。結(jié)果是一個更熱、功耗更高的設(shè)備，這對于要求在更高效率水平下實(shí)現(xiàn)更高功率密度的 5G mMIMO 應(yīng)用來說吸引力較小。

雖然LDMOS放大器用于3 GHz以下的高功率應(yīng)用已有一段時間，但LDMOS放大器的導(dǎo)熱性也相對有限，并且在較高頻率下的效率相對較差。最終，這導(dǎo)致LDMOS放大器使用更多的功率，并在超過3 GHz的頻率下產(chǎn)生更多的熱量，同時還犧牲了其他考慮因素，例如線性度和噪聲（與大多數(shù)材料的溫度有關(guān)）。

這為新的半導(dǎo)體材料留下了很大的空間，即氮化鎵。關(guān)于GaN技術(shù)在射頻應(yīng)用中的炒作很多，在許多方面，GaN器件導(dǎo)致從遠(yuǎn)程通信到雷達(dá)等設(shè)備的性能大幅提高。這是因?yàn)镚aN在功率放大器品質(zhì)因數(shù)（PAFOM）方面通常優(yōu)于大多數(shù)其他常見半導(dǎo)體材料，即功率密度、可靠性、導(dǎo)熱性、線性度和帶寬。

GaN半導(dǎo)體有一些細(xì)微差別，因?yàn)镚aN通常在絕緣基板上外延開發(fā)。因此，GaN器件可以使用各種襯底，例如藍(lán)寶石，硅（Si），碳化硅（SiC），GaN甚至金剛石。由于工藝成熟度、成本和其他設(shè)計限制，用于射頻應(yīng)用的氮化鎵通常以硅基氮化鎵或碳化硅氮化鎵的形式廣泛提供。

出于與GaN在高頻RF應(yīng)用中優(yōu)于基于硅的LDMOS器件的原因大致相同，在5G mMIMO應(yīng)用中，SiC上的GaN優(yōu)于Si上的GaN。與硅上氮化鎵相比，SiC上的GaN的大部分性能優(yōu)勢源于SiC是一種更堅固的材料，具有更好的導(dǎo)熱性和與GaN更好的晶格匹配。這意味著在高負(fù)載下，SiC上的GaN可以比Si上的GaN運(yùn)行得更熱，磨損更少，功率效率更高。此外，這意味著對于相同的功率輸出，SiC上的GaN功率放大器可能比Si器件上的GaN更小，需要更小的散熱器。此外，GaN在SiC上的可靠性已經(jīng)過美國國防部（DoD）和航空航天應(yīng)用的全面審查和批準(zhǔn)。

結(jié)論

4G和5G系統(tǒng)的部署可能會利用mMIMO技術(shù)，為對現(xiàn)代通信服務(wù)抱有更高期望的客戶提供最佳的覆蓋范圍和容量。與硅基氮化鎵和LDMOS技術(shù)相比，SiC基氮化鎵功率放大器技術(shù)為mMIMO系統(tǒng)提供了最佳的性能和成本要求。

審核編輯：郭婷