第三代半導(dǎo)體引領(lǐng)5G基站技術(shù)全面升級(jí)

5G 受到追捧是有充足的理由的。根據(jù)CCS Insight 的預(yù)測(cè)，到2023 年，5G 用戶數(shù)量將達(dá)10 億；2022 年底，5G蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施將承載近15％的全球手機(jī)流量。

高能效、尺寸緊湊、低成本、高功率密度和高線性度是5G 基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)射頻半導(dǎo)體器件的硬性要求。對(duì)于整個(gè)第三代半導(dǎo)體技術(shù)，尤其是氮化鎵（GaN），5G 開(kāi)始商用是一大利好。與硅、砷化鎵、鍺、甚至碳化硅器件相比，GaN 器件的開(kāi)關(guān)頻率、輸出功率和工作溫度更高，適合1-110 GHz的高頻通信應(yīng)用，涵蓋移動(dòng)通信、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)微波通信，以及雷達(dá)應(yīng)用。集這些優(yōu)點(diǎn)于一身，GaN 已被證明非常適合5G 基站功率放大器，取代4G 以及前幾代無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施廣泛應(yīng)用的LDMOS（橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體）。與LDMOS 相比，GaN 使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的功率密度，有助于降低基站的尺寸，并可以使用不太復(fù)雜的冷卻硬件。GaN 在5G 頻譜中的更高能效表現(xiàn)可以降低位/秒的運(yùn)營(yíng)成本以及環(huán)境影響。同樣，GaN 更適應(yīng)高濕度、多灰塵、極熱和功率波動(dòng)的工作環(huán)境，性能受到的負(fù)面影響極小。

Filippo Di Giovanni(意法半導(dǎo)體汽車和分立器件產(chǎn)品部)

就寬帶性能、功率密度和能效而言，以硅LDMOS和GaAs 為主要代表的傳統(tǒng)技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于GaN（高電子遷移率晶體管）技術(shù)，無(wú)論襯底是硅還是SiC，都是如此。正是這項(xiàng)技術(shù)滿足了5G 應(yīng)用對(duì)散熱的嚴(yán)格要求，同時(shí)確保節(jié)省印刷電路板空間，滿足大規(guī)模MIMO 天線陣列的安裝需求。在基站中，節(jié)省空間的多功能GaN（單片微博集成電路）芯片和多片模塊取代了分立設(shè)計(jì)。

此外，5G 新頻段射頻信號(hào)和數(shù)據(jù)處理硬件導(dǎo)致功耗不斷增加，使5G 基站的整個(gè)供電系統(tǒng)，從電網(wǎng)容量到機(jī)柜尺寸、備用儲(chǔ)電系統(tǒng)、功率密度和電力電子設(shè)備的冷卻能力，不堪重負(fù)。因?yàn)樵诠β兽D(zhuǎn)換應(yīng)用方面的價(jià)值主張，例如，能效和功率密度比其它功率半導(dǎo)體技術(shù)更高，GaN 再次成為5G 熱點(diǎn)的最大受益者之一。

另一方面，5G 的興起要求電信設(shè)備供應(yīng)商建立一個(gè)大規(guī)模生產(chǎn)且多廠供貨的彈性供應(yīng)鏈。GaN 技術(shù)從典型的III-V 制造工藝和晶圓廠到量產(chǎn)方法的過(guò)渡期是關(guān)鍵。在碳化硅襯底上生長(zhǎng)GaN 的方法可能會(huì)受到襯底供應(yīng)緊張的困擾，而硅基GaN 可以通過(guò)合理的性能折衷來(lái)滿足這一需求。為了避免任何可能的材料供應(yīng)問(wèn)題，意法半導(dǎo)體決定，開(kāi)發(fā)GaN 使用硅襯底而不是碳化硅。

5G 時(shí)代不僅宏基站的密度將會(huì)更高，需要功率密度更高的基站收發(fā)臺(tái)，而且還會(huì)出現(xiàn)更小的網(wǎng)絡(luò)單元（“皮基站”和“飛基站”），以增加網(wǎng)絡(luò)容量，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。當(dāng)然，主要目標(biāo)是減輕宏基站的過(guò)重負(fù)擔(dān)。5G 開(kāi)始商用還改變了射頻信號(hào)頻段，以及信號(hào)收發(fā)方式。當(dāng)前，我們看到的大多數(shù)移動(dòng)通信頻率是在3 GHz 以下和3 GHz 至6 GHz（低于6 GHz）的中頻段，不過(guò)，現(xiàn)在開(kāi)始出現(xiàn)以前被認(rèn)為不適合移動(dòng)通信的新頻段，例如，高于24 GHz 的高頻毫米波。物聯(lián)網(wǎng)、V2V（車間通信）、自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能制造等新興應(yīng)用刺激了對(duì)更高比特率和更短延遲的需求，迫使基站廠商采用基于多輸入和多輸出的新架構(gòu)，即可以處理大量信號(hào)的大規(guī)模MIMO（多輸入和多輸出）天線。預(yù)計(jì)基站有源天線波束成形技術(shù)將繼續(xù)取得進(jìn)步，最大限度地提高頻譜利用率。在5G 開(kāi)始商用過(guò)程中，安裝小型蜂窩天線的部署將推動(dòng)市場(chǎng)對(duì)緊湊、高效的RF GaN 器件的需求。大規(guī)模MIMO 基站中5G 信號(hào)處理電路功耗的設(shè)計(jì)人員，將更加注重半導(dǎo)體能效，進(jìn)而求助GaN 供應(yīng)商開(kāi)發(fā)出更高性能的產(chǎn)品。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年6月期）