應用GaN技術克服無線基礎設施容量挑戰(zhàn)

近年來，全球智能手機快速普及，LTE網(wǎng)絡已被陸續(xù)商用，受此影響，全球移動數(shù)據(jù)的使用繼續(xù)飆升。據(jù)GSA移動行業(yè)分類數(shù)據(jù)顯示，截至2015年3月，全球LTE用戶數(shù)量比上一年猛增151%，達到6.35億。這一增長勢頭將持續(xù)下去，到2020年，LTE用戶數(shù)將達25億。

移動網(wǎng)絡運營商面臨著諸多挑戰(zhàn)，一方面要快速擴容以支持增量用戶，另一方面則要盡量減少網(wǎng)絡中斷并降低成本。長期而言，5G網(wǎng)絡有望大幅提升容量和數(shù)據(jù)速率。但是，5G技術規(guī)格仍然處于定義階段，至少5年內不可能部署。另外，5G可能涉及網(wǎng)絡架構的大幅改變。

為了在5G到來之前滿足大幅提高容量的迫切需求，運營商已經(jīng)開始盡力擴大4G網(wǎng)絡的容量而不重新設計基礎設施架構。他們關注的焦點是那些能使他們從現(xiàn)有LTE頻譜分配中獲取更多容量的技術，以減小購買高昂的額外頻譜的必要性。

運營商目前瞄準了多種關鍵容量和性能升級技術。短期計劃以載波聚合(CA)為中心，這是LTEAdvanced標準的一個特性。中期增強技術包括被稱為4.5G、4G+或pre-5G的多種增強技術，其中包括高階(最多64X)多用戶多輸入多輸出(MU-MIMO)技術、更高階調制以及免執(zhí)照5GHz頻譜的使用等。

這些短期和中期擴容技術以及最終的5G網(wǎng)絡將要求采用能提供更高功率輸出和功效且支持寬帶運行和高頻頻段的基站功率放大器 (PA)。

GaN on SiC的前景

歷史上來看，基站功率放大器主要采用基于硅的橫向擴散金屬氧化物半導體(LDMOS)技術。然而，越來越苛刻的要求逐漸暴露出LDMOS的局限性，并導致眾多供應商在高功率基站功率放大器技術方面轉向了氮化鎵(GaN)。例如，功率輸出要求每年都在提高;對基站功率放大器的要求從一年前的 30W-40W增至今年的60W，而新一代基站的要求可能達100W或以上。當前和規(guī)劃的擴容需求也需要能支持更高頻率的寬帶功率放大器。LDMOS即使在較低射頻頻率下也存在帶寬限制，LDMOS功率放大器的帶寬會隨著頻率的增加而大幅減少。雖然LDMOS僅在不超過約3.5GHz的頻率范圍內有效，但 GaN功率放大器已經(jīng)能處理50GHz或以上的毫米波頻率。另外，GaN功率放大器支持更高的帶寬，即使在較高的頻率也是如此。

如今存在的兩種主要GaN技術為碳化硅GaN(SiC)和硅GaN(Si)。GaN on Si的優(yōu)勢在于基板成本低，可以在硅代工廠生產(chǎn)，擁有相應的規(guī)模經(jīng)濟優(yōu)勢。但GaN on SiC支持高得多的功率密度，支持更高的功率輸出。這是因為SiC具有更優(yōu)秀的導熱率：大約比Si高三倍。GaN on SiC功率密度約為5W/mm，約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約兩倍的功率輸出。結果，GaN on SiC已經(jīng)成為高功率射頻應用的首選技術。

GaN on SiC功率放大器的優(yōu)勢直接關系到運營商關注的三大問題，即所謂的三C問題：容量、覆蓋范圍和成本。就如我將在本文中描述的那樣，較高的輸出功率可以大幅提升容量，同時還能維持蜂窩覆蓋范圍。GaN on SiC功率放大器具有更高的功效，可以減少運營商的巨額電費，減輕散熱問題。為了更加詳細地探討這些優(yōu)勢，我將討論 GaN on SiC在無線網(wǎng)絡演進的各個階段可能發(fā)揮的作用，先從載波聚合開始，然后是4.5G，最后為5G。

近期：載波聚合

運營商目前處于載波聚合(CA)技術部署初期，這是LTE Advanced標準(3GPP Release 10)的一個特性。借助CA，運營商可以提高數(shù)據(jù)容量和吞吐量，其方式是把最多五個分量載波(每個載波在 1.4-20MHz之間)組合成最高達100MHz的總帶寬。

CA的一個關鍵吸引力在于，該技術可以把來自多個頻段的分量載波組合起來(帶間(CA)，從而讓運營商更好地利用碎片化的頻譜分配方案。許多運營商擁有的連續(xù)頻譜不到20MHz，因此需要CA來為更快的數(shù)據(jù)服務需求提供支持。初期部署一般只將CA用于下行鏈路通信，并把兩個10MHz的分量載波組合成20MHz的總帶寬。

CA一般要求采用寬帶功率放大器，以避免各分量載波采用獨立功率放大器所帶來的額外成本和復雜性問題。常見的CA組合(如頻段1(1800MHz)與頻段3(2100MHz)組合)要求采用帶寬大于300MHz的功率放大器。即使在較高頻率下，GaN功率放大器也能比LDMOS支持更高的帶寬，這是一個關鍵優(yōu)勢。由于GaN擁有更高的功效，并且GaN功率放大器可以支持需要多個窄帶LDMOS功率放大器才能實現(xiàn)的帶寬，這兩個因素抵消了LDMOS的單位芯片成本優(yōu)勢。CA還要求更高的功率輸出，以實現(xiàn)在多個分量載波上的并行傳輸。GaN on SiC功率放大器可以滿足如今對多頻段功率放大器的典型要求，其功率輸出達60W或以上，支持300MHz以上的帶寬。

功效對運行成本的影響

GaN的功效在幫助運營商控制最大成本項(電費)方面也發(fā)揮著重要作用。功率放大器是基站功耗中的大戶，如果功率放大器的效率僅為35%(較老的LDMOS功率放大器確實如此)，則有65%的能量作為熱量被浪費掉了。產(chǎn)生的熱也會導致可靠性問題，并且要求較大的散熱片，結果會增加產(chǎn)品尺寸。

在運營商試圖控制能源成本的同時，他們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經(jīng)從4年前的30%-35%提高到如今的60%。同期，LDMOS功率放大器的效率從30%提高到約45%，但進一步顯著提高是非常困難的事。相反，如今的GaN功率放大器已經(jīng)實現(xiàn)了55%的效率。

中期：“4.5G”

除了CA，運營商試圖借助多種不同技術來擴容。這些中期發(fā)展有望從2016年開始通過幾年的時間展開，通常被稱為4.5G、4G+或 pre-5G技術。

大規(guī)模MIMO

MIMO使運營商可以提高數(shù)據(jù)速率和網(wǎng)絡容量，因為它可以使用基站和用戶設備上的多根天線，在同一頻段傳輸多個空間上相互隔開的數(shù)據(jù)流。LTE Advanced標準定義了最高8x8的下行鏈路MIMO連接以及最高4X4的上行鏈路連接。同時還定義了MU-MIMO，通過允許基站用每個流與不同設備進行通信的方式實現(xiàn)擴容。

4.5G有望帶來更高階的MIMO，以進一步實現(xiàn)網(wǎng)絡容量的飛躍，基站可以同時處理64個或更多的并發(fā)數(shù)據(jù)流。但這會帶來一些其他挑戰(zhàn)?；拘枰喙β蕘眚寗?4個通道，因此，能效和散熱變成了更大的問題，進一步提高GaN的功效相應地變得更具價值。

大規(guī)模MIMO的另一個大問題是復雜性的管理。把64個發(fā)射通道擠進一個基站，需要高度集成的子系統(tǒng)，把功率放大器、低噪聲放大器(LNA)、開關和濾波器封裝到緊湊的模塊中。為了實現(xiàn)性能和功效的最大化，這些子系統(tǒng)必須根據(jù)不同的工藝技術把多個組件組合起來。例如，雖然GaN功率放大器可以提供需要的功率輸出和功效，但基于CMOS的低噪聲放大器(LNA)卻可以實現(xiàn)接收靈敏度最大化和噪聲最小化。需要采用高級濾波器以避免干擾鄰近頻段。由于基站的安裝位置一般都暴露于惡劣的環(huán)境之下，會經(jīng)歷極端溫度和濕度，因此，需要能在溫度變化條件下展現(xiàn)穩(wěn)定響應性能的BAW和 SAW濾波器。高集成度的子系統(tǒng)還可給基站制造商帶來開發(fā)和測試時間縮短的優(yōu)勢，因為子系統(tǒng)中的所有元件都已經(jīng)匹配好，并一起進行過測試。

5GHz頻譜中的LTE(LTE-U)

運營商試圖通過運用免執(zhí)照的5GHz頻段來擴容，以實現(xiàn)流量分流，補充許可頻率。該頻段超出了 LDMOS功率放大器的范圍，這類功率放大器的頻率限制在3.5GHz或以下。相反，5GHz完全處于 GaN功率放大器的范圍之內，這類功率放大器的工作頻率高得多。

高階調制

走向高階調制可進一步提高數(shù)據(jù)速率和網(wǎng)絡容量。

據(jù)3GPP Release 12的規(guī)定，復雜性從64QAM提高到256QAM，由于每個OFDM符號可以傳輸8位而非6位數(shù)據(jù)，因而可以將峰值數(shù)據(jù)速率提高33%。然而，在不提高功率輸出的條件下使用更加復雜的調制方案會導致蜂窩覆蓋范圍的下降。要維持覆蓋范圍不變，運營商需要更高功率的功率放大器。這種狀況將進一步刺激對可以提供必要功率輸出的GaN功率放大器的需求。

長期：5G

5G技術規(guī)格仍然處于制定階段，幾年之內不會完成完善，3GPP當前的建議是在2020年提交最終版規(guī)格。然而，業(yè)內普遍預期，為了實現(xiàn)多GB級數(shù)據(jù)速率，5G會利用頻率高得多的頻段，包括使用 60GHz–90GHz范圍內的毫米波頻率。毫米波頻譜目前用于多種軍事、衛(wèi)星和其他應用，也用于 802.11ad Wi-Fi標準，但是，其擁擠程度要遠遠低于當前用于LTE的低頻頻段。因此，在LTE中使用毫米波頻譜將增加大量的額外帶寬，同時還能減少對低頻頻譜擁擠問題的擔憂。

采用毫米波頻率的基站需要超高性能功率放大器。如今，GaN是有可能滿足這些要求的唯一普及技術;GaN功率放大器當今的工作頻率超過50 GHz，被廣泛用于毫米波應用之中。新生代GaN制造技術將發(fā)揮重要的作用，可實現(xiàn)5G要求的更高性能水平和集成度。

結論

在未來的三到五年中，對GaN功率放大器的需求有望快速增長，因為運營商將推動新型LTE能力建設，以適應移動數(shù)據(jù)用量大幅增加的需求。為了滿足這一需求，越來越多的功率放大器供應商已經(jīng)開始擴大產(chǎn)品范圍，將GaN產(chǎn)品納入其中。需要記住的是，無線基站中使用的功率放大器必須符合惡劣條件下的高性能、高效率、高可靠性要求。每一次網(wǎng)絡擴容都會對性能和功效提出新的要求。必須進行謹慎評估，確保功率放大器供應商能提供必要的性能、可靠性、工藝成熟度和內部制造產(chǎn)能，以滿足這些嚴苛的要求。