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26GHz、28GHz、37GHz和39GHz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）
图1：GaN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PA。QPF4006的工作频率范围为37GHz至40.5GHz。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Qorvo的0.15um SiC基GaN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）
图2：Qorvo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64到1024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（SiGe）BiCMOS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）》）
图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。
最前沿的电子设计资讯
