波束成形 MIMO GaN 5G

性能效率獨具優勢　氮化鎵元件成就5G射頻

2017-10-16

David Schnaufer/Bror Peterson

電信業者經常提到自家的網路如何提供更高的容量、更低的延遲、還有無所不在的連線能力。雖然當今的網路必然優於前幾代，但談到對於第五代(5G)行動通訊的承諾如小於1毫秒(ms)的延遲、100倍的網路傳輸效率、20Gbit/s的最大數據傳輸率、10Mps/m2的區域流量容量等，供應商仍有很長的路要走。5G預定於2020年上市，預計可以提供上述各種顯著的優勢，包括帶來更加環保的「綠色」通訊網路。

圖1說明了5G的幾個目標，包括提高功率、高達100GHz的頻率範圍以及更高的效率，實現這些5G所需要的技術和系統設計的不斷進步。

圖1 邁向5G之路

氮化鎵特性優異適合高/低功耗應用

電信營運商專注於提高能源效率以實現「綠色」通訊，並設法讓多重輸入多重輸出(MIMO)、波束成形(Beamforming)與小型蜂巢基地台提高傳輸效率並使電信網路整體運作更加環保。當然，有不少的網路效能損耗來自射頻鏈路(RF Chain)。

那麼，該如何實現射頻鏈路5G和「綠色」網路的目標？

進入射頻(RF)氮化鎵(GaN)的世界--高效能、寬能隙(Wide Bandgap)、穩定的功率放大器(PA)技術，將使網路效能逐年大幅提高。如圖2所示，在基地台收發站(BTS)生態系統中引入GaN後，前端效率大幅提升，使其成為適合高功耗與低功耗應用的一項全新生產技術。

圖2 Donherty功率放大器在降低8dB時的效率

GaN具有優異的特性，包括高功率密度、功率附加效率(PAE)、高增益以及易於製作阻抗匹配，可提高射頻鏈路的整體效率。就像一級方程式賽車的設計師一樣，無線工程師也可以精密微調射頻系統，逐步優化性能。從一開始便採用基礎更好的半導體技術，就能在大幅提升能源效率的同時，一併達成效能目標。

5G發展如火如荼 GaN技術作後盾

4G長程演進計畫(LTE)網路的擴建趨於成熟，但是要縮小與5G目標的差距，還需要歷經多次升級。目前正處於5G的定義和概念驗證的階段，但是像Verizon這樣的公司正在加快時程，以求實現以固定式無線存取為主的早期部署。

早期的5G試驗開始於2013年，如今經常會發表早期試驗和近期實驗中的數據。

在毫米波(mmWave)、大規模多重輸入多重輸出(Massive MIMO)天線陣列(Antenna Array)和波束成形方面提供了可觀成果的各種關鍵技術，現已進入商業開發的準備階段。所有的基地台原始設備製造商(OEM)也已進入產品試用模式。高通(Qualcomm)、英特爾(Intel)目前正對可支援5G的數據機進行測試，例如在28GHz頻段上運作的X50數據機。Qorvo和NanoSemi已針對適用於大規模多重輸入多重輸出應用的GaN裝置在超寬頻(Ultra Wideband, UWB)線性化結果發表演示資料。

這些前瞻性的公司正在探索主要的5G系統架構、頻段技術，以求在成本、性能和複雜度之間達到適切的平衡。

為了滿足各式各樣的5G需求，GaN製造商須要提供更寬頻率範圍和功率輸出水平的多種版本。若有多種GaN製程可供選擇，設計人員便能以最佳的方式搭配GaN技術與應用方式。圖3說明了開發廠商於此領域的技術發展現況。

圖3 GaN技術發展

可以預見的是，在5G網路應用方面，GaN將會取代傳統的半導體材料，追求更高頻率、緊密整合和最低製作成本的小型蜂巢基地台網路。此外，以低電壓GaN所提供的效能來看，GaN無可避免地會進入手機裝置。GaN具有能在高溫環境下運作的特性，非常適合應用在被動冷卻的全戶外塔頂基地台電子裝置和汽車上。總而言之，廣泛的GaN技術選擇代表更多應用需求可以得到滿足(圖4)。

圖4 以GaN滿足5G應用的需求

如今GaN被大量運用在小型基地台和BTS市場上，2016年繼續保持上升走勢(圖5)。GaN出貨量在2016年預計達到近3億美元，遠超過2015年的1.5億美元。在這股趨勢中，小型基地台、分散式天線系統(DAS)和遠端無線射頻單元(RRU)網路的密集化發揮了重要的作用。

圖5 橫向擴散金屬氧化物半導體(LDMOS)、氮化鎵(GaN)發展比較

資料來源：Compound Semiconductor

尚未利用的頻譜、高傳輸量和低延遲的目標所帶來的誘因，正在吸引開發人員移向更高的毫米波頻段。毫米波頻譜的頻段所提供的頻寬是目前4G頻段(<4GHz)的十到三十倍，而網路容量和可用的頻寬成正比。

GaN非常適合提供毫米波領域所需的高頻率和寬頻寬，其可滿足對性能和小尺寸的需求(圖6)。毫米波頻段的應用需要高度定向式波束成形技術，因為波束成形會將無線電訊號聚焦成為高度指向性的波束，進而提高功率，並對使用者裝置的干擾降至最小。這代表射頻子系統會需要大量的主動元件來驅動相對小型的孔徑(Compact Aperture)。GaN非常適合這類應用方式，因為以小型的封裝尺寸提供強大的效能是GaN最顯著的特點之一。