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GaN:适合5G应用的高频衬底材料(6)

时间:2018-12-25 作者:Busy Blogger 阅读:
这篇系列文章描述了如何利用GaN作为集成电路的衬底材料,用于5G高频应用,以提高5G基础设施中的功率放大器的效率。

这篇系列文章描述了如何利用GaN作为集成电路的衬底材料,用于5G高频应用,以提高5G基础设施中的功率放大器的效率(见图1):

“在26GHz28GHz37GHz39GHz等附近的推荐mmWave频段上,仍有大量的器件研发工作要做,尽管(除了Qorvo的器件以外)这些器件大都是GaAs,而不是GaN。”(资料来源:Innovate UK

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1GaN技术的优势在于可为5G无线基础设施提供更高效、更强大的基站创新解决方案(来源:Qorvo视频)

Qorvo公司的QPF4006芯片是一种针对5G应用的集成前端模块,如果你看一下这个器件的性能,就很容易理解GaN作为集成电路衬底材料的巨大价值(见图2):

QPF4006是一款多功能氮化镓MMIC(单片微波集成电路)前端模块,适用于39GHz相控阵5G基站和终端。该器件集成了低噪声高线性度LNA、低插损高隔离度TR开关,以及高增益高效率多级PAQPF4006的工作频率范围为37GHz40.5GHz。其接收通道(LNA+TR SW)具有18dB的增益和小于4.5dB的噪声系数。发送通道(PA+SW)提供23dB的小信号增益和2W的饱和输出功率。该器件紧凑的4.5mm×4.0mm表贴封装尺寸可以满足相控阵应用的紧密点阵间距要求。QPF4006采用Qorvo0.15um SiCGaN工艺制造,使用空腔叠层封装,内置铜质散热片。铜片与低热阻贴片工艺相结合,可让QPF4006在相控阵应用所需的极端温度下工作。”(来源:Qorvo

2Qorvo公司面向5G前端模块的GaN解决方案(来源:Qorvo

GaN作为一种新衬底材料所带来的效能,为5G技术的成功提供了一个很好的机会:

5G正在迅速逼近,预计到2019年即将开始部署。最初,移动运营商只会聚焦他们认为有很大潜在需求和机遇的特定应用。但是,5G将会扩大无线通信的全球使用。2020年及以后的第二波应用将包括汽车通信、家庭自动化、虚拟现实和潜在的毫米波(mmWave)智能手机。同时,4G也将继续得到增强,并且在未来数年内仍将是移动通信网络的主流,即使5G可以提供更高的数据速率和更多新服务……

“但是,mmWave频率下的路径损耗是一个关键挑战。植被、墙壁、甚至玻璃等障碍物,以及城市环境中的各种干扰,都会产生重大影响。为了补偿,固定无线接入(FWA)基础设施将不得不使用大型天线阵列和大输出功率(图3)。目前正在考虑的基站设计包含641024个天线单元,具体取决于所使用的技术,典型指标是65dBm EIRP(等效全向辐射功率)……正在考虑的方法是使用硅锗(SiGeBiCMOS波束成形器与前端的混合波束成形架构。由于SiGe的功率密度有限,这可能需要非常大的天线阵列,多达1024个单元或更多,而将超过基站功耗和散热上限。如此大的阵列也会使信号路由复杂得多。另一种替代架构也是采用混合波束成形,但是是将硅基波束成形器与GaN RF前端相结合。由于GaN具有更高的功率密度,因此可实现更小、更高效的大功率PA。使用GaN PA可能仅需要64个单元的阵列就能获得相同的EIRP,这可以将成本降低80%,并且功耗也可以降低40%。”(来源:《Electronic Design》上的文章《Evolving 5G Landscape Creates New RF Challenges不断发展的5G情景将带来新的射频挑战)》)

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3:“用于5G mmWave固定无线接入的大规模MIMO混合波束成形架构。(来源:《Electronic Design》文章《Evolving 5G Landscape Creates New RF Challenges, from Electronic Design不断发展的5G前景将带来新的射频挑战)》)

通往5G的道路已经打开,GaN可能是成功战胜这一挑战的关键因素,你同意吗?

本文为《电子技术设计》12月刊杂志文章。

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