相比其它半導體，GaN 是一種相對較新的技術，但它已然成為某些高射頻、大功率應用的技術之選。雖然 LDMOS 技術目前仍在射頻基站領域占有最大市場份額，但預計 GaN 將在 5G 大規(guī)模 MIMO 部署中逐漸取代 LDMOS。

在本系列的第一部分《5G 和 GaN 系列之一：全面了解 Sub-6Ghz 大規(guī)模 MIMO 基礎設施》中，我們回顧了在全國范圍內推動 5G 實施的大規(guī)模 MIMO 技術。盡管毫米波頻率應用的潛力最終會顯現(xiàn)，但在未來幾年，5G 服務將主要采用 6GHz 以下頻段傳輸。為實現(xiàn) 5G 服務目標，接下來幾代基站設計都將要求顯著提高射頻前端的性能。

同時，工程師在設計基站時需要考慮更好地集成 RFFE 、縮小尺寸、降低功耗、提高輸出功率、增加帶寬、改進線性度，以及提高接收器靈敏度。所有這些都是為了滿足收發(fā)器、RFFE 和天線之間更嚴格的耦合要求。這是一項艱巨的任務。滿足這些需求并成功實現(xiàn)大規(guī)模 MIMO 的唯一方法就是使用經(jīng)濟高效的小型功率放大器，將它們集成進這些擴展的天線陣列。

◆◆助力 Sub-6 大規(guī)模 MIMO發(fā)展◆◆

自 20 世紀 90 年代，橫向擴散金屬氧化物半導體 （LDMOS） 技術開始進入射頻功率放大器領域，尤其是 2GHz 以下頻率應用，因為其成本較低。其最大的競爭對手為砷化鎵（GaAs）放大器，后者非常適合更高頻率應用，但其傳輸功率低且成本較高。

2G 數(shù)字移動網(wǎng)絡推出后，LDMOS 在射頻基站領域取得了市場主導地位，并且保持至今。然而，隨著 3G 和 4G 網(wǎng)絡的推出，LDMOS 功率放大器并未達到前幾代產(chǎn)品的功效水平。盡管使用 Doherty 拓撲結構和包絡跟蹤可以提升性能，但 2014 年在中國部署 4G LTE 期間，設備制造商和運營商開始將氮化鎵 （GaN）用作射頻功率應用的下一代半導體技術。

相比其它半導體，GaN 是一種相對較新的技術，但它已然成為某些高射頻、大功率應用的技術之選，比如需要長距離或以高功率傳輸信號的應用，因此非常適用于 6GHz 以下的 5G 基站。

高輸出功率、線性度和功率效率促使網(wǎng)絡 OEM 廠商從基于 LDMOS 技術的 PA 轉向采用氮化鎵技術的 PA。雖然 LDMOS 技術目前仍在射頻基站領域占有最大市場份額，但預計 GaN 將在 5G 大規(guī)模 MIMO 部署中逐漸取代 LDMOS。

◆◆GaN 性能優(yōu)勢◆◆

更高功率密度是 GaN 的主要優(yōu)勢。由于 GaN 導帶和價帶之間的帶隙要比 LDMOS 技術更高，所以 GaN 具有較高的擊穿電壓和功率密度，它可讓信號以更高的功率水平傳輸，從而可擴大基站的覆蓋范圍。

GaN PA 的高功率密度還使其能夠采用更小的尺寸，從而減少了 PCB 空間需求。在給定區(qū)域內，系統(tǒng)設計人員可以實現(xiàn)比其它技術更高的功率?；蛘?，對于給定的功率級，系統(tǒng)設計人員可以縮小 RFFE 尺寸并降低成本。

更高的功率密度使 GaN 功率放大器能夠在高達 250℉ 的溫度下運行，這是硅基技術無法實現(xiàn)的溫度水平。GaN 具有更高的散熱性能，可以簡化系統(tǒng)的散熱和冷卻要求，從而進一步縮小尺寸，降低成本。大型電信運營商面臨巨額基礎設施支出壓力，因此尺寸更小、成本更低的設備對于在全國范圍內普及 5G 將會大有幫助。

GaN 具有更高的能效，有助于降低基站運行成本。運營商開始尋找最大程度降低網(wǎng)絡功耗的方法，并促使 OEM 采用提高系統(tǒng)效率、節(jié)省總能耗的設計。為滿足需求，工程師開始轉而采用 GaN 技術。在 Doherty PA 配置中，GaN 的平均效率高達 60%，輸出功率為 100 W，顯著降低了運行大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)所需的電能。

GaN 在高頻率和高帶寬條件下的高效率還有助于縮小大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)的尺寸。盡管 LDMOS 放大器性能的改進支持高達 4 GHz 頻率范圍，但 GaN 放大器可以高達 5 倍的功率密度實現(xiàn) 100 GHz 的頻率傳輸。

由于 GaN 器件具備更高效率、更高輸出阻抗和更低的寄生電容，因此更容易實現(xiàn)寬帶匹配并擴展達到更高的輸出功率。雖然這在毫米波應用中優(yōu)勢更為明顯，但運營商可利用 6 GHz 以下頻率同時在多個頻段范圍內進行傳輸。

運營商將不需要多個窄帶無線頻帶，他們只需要一個適用于多個頻段的寬帶無線平臺。GaN 可提供實現(xiàn)這些系統(tǒng)所需的頻率范圍和靈活性，同時還可以輕松擴展，以實現(xiàn)未來高頻毫米波傳輸。

這并不是說，GaN 始終都是每個射頻功放應用的正確選擇。通常情況下，LDMOS 的定價更低，并且可以在某些頻率下提供極具競爭力的線性度。此外，GaAs 在某些細分市場具有其特有的效率優(yōu)勢。然而，許多 LDMOS 廠商開始轉向 GAN 是有原因的。他們意識到 GaN 在幫助運營商和基站 OEM 廠商實現(xiàn) Sub-6 GHz Massive MIMO 目標方面發(fā)揮著至關重要的作用。

因為 GaN 在基站中的采用，以及在國防和航空航天等其它行業(yè)的廣泛應用，GaN 的產(chǎn)量逐年增長。產(chǎn)量提高意味著經(jīng)濟規(guī)模更大，從而使 GaN 成為更經(jīng)濟實惠的解決方案。這還沒有考慮更高能效、更小外形尺寸或多頻段應用所帶來的成本降低效益。

此外，線性度也將會隨之提高。請記住，目前基站上使用的只是第二代 GaN 產(chǎn)品。LDMOS 之類的成熟技術已經(jīng)達到 15 代。這是目前 GaN 領域中最活躍的研究課題，許多業(yè)內人士預計短期內有望實現(xiàn)市場領先的線性效率。

隨著限制 GaN 廣泛應用的約束因素逐漸消除，對于系統(tǒng)設計人員來說，了解如何將半導體器件應用到自己的設計變得至關重要。

◆◆嵌入式設計人員需要了解什么？◆◆

GaN 為嵌入式設計人員帶來了許多性能優(yōu)勢，但毫無疑問也有一些這種材料獨有的設計考量因素。本系列的下一篇將詳細介紹嵌入式設計人員需要了解哪些內容才能充分利用 GaN 的潛力。我將在下一篇中糾正一些常見的誤解，提供一些設計解決方案，并探討 GaN 技術在射頻應用及其它方面的發(fā)展。

編輯：jq