第三代半导体引领5G基站技术全面升级

Filippo Di Giovanni

5G受到追捧是有充足的理由的。根据CCSInsight的预测，到2023年，5G用户数量将达10亿;2022年底，5G蜂窝基础设施将承载近15%的全球手机流量。

高能效、尺寸紧凑、低成本、高功率密度和高线性度是5G基础设施对射频半导体器件的硬性要求。对于整个第三代半导体技术，尤其是氮化镓（GaN），5G开始商用是一大利好。与硅、砷化镓、锗、甚至碳化硅器件相比，GaN器件的开关频率、输出功率和工作温度更高，适合1-110GHz的高频通信应用，涵盖移动通信、无线网络、点对点和点对多点微波通信，以及雷达应用。集这些优点于一身，GaN已被证明非常适合5G基站功率放大器，取代4G以及前几代无线基础设施广泛应用的LDMOS（横向扩散金属氧化物半导体）。与LDMOS相比，GaN使系统能够实现更高的功率密度，有助于降低基站的尺寸，并可以使用不太复杂的冷却硬件。GaN在5G频谱中的更高能效表现可以降低位/秒的运营成本以及环境影响。同样，GaN更适应高湿度、多灰尘、极热和功率波动的工作环境，性能受到的负面影响极小。

就宽带性能、功率密度和能效而言，以硅LDMOS和GaAs为主要代表的传统技术远远落后于GaN（高电子迁移率晶体管）技术，无论衬底是硅还是SiC，都是如此。正是这项技术满足了5G应用对散热的严格要求，同时确保节省印刷电路板空间，满足大规模MIMO天线阵列的安装需求。在基站中，节省空间的多功能GaN（单片微博集成电路）芯片和多片模块取代了分立设计。此外，5G新频段射频信号和数据处理硬件导致功耗不断增加，使5G基站的整个供电系统，从电网容量到机柜尺寸、备用储电系统、功率密度和电力电子设备的冷却能力，不堪重负。因为在功率转换应用方面的价值主张，例如，能效和功率密度比其它功率半导体技术更高，GaN再次成为5G热点的最大受益者之一。

另一方面，5G的兴起要求电信设备供应商建立一个大规模生产且多厂供货的弹性供应链。GaN技术从典型的III-V制造工艺和晶圆厂到量产方法的过渡期是关键。在碳化硅衬底上生长GaN的方法可能会受到衬底供应紧张的困扰，而硅基GaN可以通过合理的性能折衷来满足这一需求。为了避免任何可能的材料供应问题，意法半导体决定，开发GaN使用硅襯底而不是碳化硅。

5G时代不仅宏基站的密度将会更高，需要功率密度更高的基站收发台，而且还会出现更小的网络单元（“皮基站”和“飞基站”），以增加网络容量，扩大网络覆盖范围。当然，主要目标是减轻宏基站的过重负担。5G开始商用还改变了射频信号频段，以及信号收发方式。当前，我们看到的大多数移动通信频率是在3GHz以下和3GHz至6GHz（低于6GHz）的中频段，不过，现在开始出现以前被认为不适合移动通信的新频段，例如，高于24GHz的高频毫米波。物联网、V2V（车间通信）、自动驾驶、远程医疗、智能制造等新兴应用刺激了对更高比特率和更短延迟的需求，迫使基站厂商采用基于多输入和多输出的新架构，即可以处理大量信号的大规模MIMO（多输入和多输出）天线。预计基站有源天线波束成形技术将继续取得进步，最大限度地提高频谱利用率。在5G开始商用过程中，安装小型蜂窝天线的部署将推动市场对紧凑、高效的RFGaN器件的需求。大规模MIMO基站中5G信号处理电路功耗的设计人员，将更加注重半导体能效，进而求助GaN供应商开发出更高性能的产品。4EAFA7D6-BE52-47B1-9919-0D0AAEDED6CD