5G 挑戰(zhàn)可以通過使用先進的半導體(例如基于 GaN 的射頻功率 IC)來解決，這些半導體可提供更高的性能和效率。

5G 技術引入了大量需要在移動網絡中實施的新射頻功能，同時考慮到電路板空間和功耗的嚴格限制。為了滿足這些越來越具有挑戰(zhàn)性的要求，RF 設計人員已轉向使用替代材料，例如寬帶隙 (WBG) 半導體，與傳統的硅基 RF 功率 IC 相比，它們能夠在功率密度和效率方面提供顯著改進.

與以前部署的基礎設施相比，第五代移動網絡提供更高帶寬和更低延遲的服務，需要更高性能和更高效的電源設備。雖然硅在較低頻率下仍能提供出色的性能，但氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 功率 IC 等 WBG 半導體更適合 6GHz 以上和毫米波應用。

5G 射頻挑戰(zhàn)

盡管 5G 技術增加了帶寬，但使用更高頻率的部分頻譜會產生不可避免的信號衰減問題。更高的帶寬意味著更低的信噪比，這可以通過增加信號電平來補償;即增加發(fā)射功率、天線數量和小區(qū)數量。然而，市場需要能夠提供盡可能低的外形尺寸、成本和功耗的解決方案。因此，射頻系統設計人員既面臨 5G 實施所需的技術挑戰(zhàn)，也面臨商業(yè)網絡運營商施加的限制。

另一個重大挑戰(zhàn)與功率放大器 (PA) 有關。為了在頻段內實現高效率，5G 網絡使用 256 正交幅度調制 (QAM) 方案，信號提供高峰均峰比 (PAPR)。高 PAPR 至關重要，因為它會將功率放大器推入非線性區(qū)域，從而導致失真和干擾。如果放大器設計為在峰值電平下高效且線性地運行，則它通常會在中等功率電平下提供低效率。

5G 帶來的這些挑戰(zhàn)可以通過使用先進材料(例如 WBG)以及針對此類無線電應用的特定設計解決方案(例如 Doherty 放大器)來克服。后者包括兩個處理不同功率電平信號的放大器電路，顯著提高了 PA 的效率和線性度。Doherty 放大器也可以與數字預失真電路相結合，從而進一步線性化功率器件。

功率器件技術

目前，能夠實現 5G 所需高性能水平的主要技術主要有 3 種：橫向雙擴散金屬氧化物半導體 (LDMOS)、砷化鎵 (GaAs) 和 GaN。

LDMOS 于 1970 年代引入以提高功率 MOSFET 的擊穿電壓，立即被證明是一種優(yōu)于雙極晶體管的技術，在 1990 年代成為射頻大功率器件的參考標準。LDMOS 器件使用當前的制造工藝制造起來更簡單、更便宜，正在逐漸讓位于基于 WBG 材料的組件。然而，預計在未來，它們將繼續(xù)主要用于較低頻段的部署(頻率高達 2 GHz)。因此 GaN 和 LDMOS 將在 5G 系統中共存。

為了滿足低功耗、小尺寸和更好的熱管理的要求，基于 GaAs 技術的功率器件以及最近的 GaN-on-Si 和 GaN-on-SiC 在射頻應用中變得越來越流行。與傳統的硅基半導體相比，這些復合材料具有顯著優(yōu)勢，例如更高的開關頻率、更低的損耗、更高的功率密度和更好的熱管理。

由于其高導熱性，GaN-on-SiC 主要用于新型 5G 有源天線無線電。然而，它是射頻應用中最昂貴的材料之一，因為它不是主流的半導體加工工藝，并且在制造過程中容易出現缺陷。可以在 8 英寸晶圓廠中生產的 GaN-on-Si 可實現更高的產量(每個晶圓更多的裸片)，但性能低于 GaN-on-SiC。

射頻功率集成電路

以下是適用于 5G 應用的射頻功率 IC 示例。它們包括一系列 GaN 和 GaN-on-SiC 器件。

恩智浦半導體

恩智浦最近發(fā)布了一個新的 32T32R 分立解決方案系列，可實現更小、更輕的 5G 基站，以便在城市和郊區(qū)輕松部署。新系列增加了現有的 64T64R 無線電分立式功率放大器解決方案組合，涵蓋從 2.3 到 4.0 GHz 的所有蜂窩頻段，并基于恩智浦最新一代的 GaN 技術。通過使用 32 個 Rx/Tx 天線而不是 64 個天線，可以將大規(guī)模 MIMO 覆蓋范圍擴大到人口密度較低的城市和郊區(qū)，從而提供更具成本效益的解決方案。

新的 32T32R 解決方案包含 32 個功率放大器，在相同的封裝中提供兩倍于其前代解決方案的功率，從而實現更小、更輕的 5G 解決方案。引腳兼容性使網絡運營商能夠在頻率和功率水平上快速擴展。32T32R 器件在天線上提供 10W 平均輸出功率(針對 320W 無線電單元)，包括驅動器和末級晶體管，這些晶體管基于 NXP 的高度線性化 RF GaN 技術，由 NXP 在亞利桑那州的新 GaN 工廠制造。

顯示了一個典型的陣容，其中A5G26H110N 15-W 非對稱 Doherty 射頻功率 GaN 晶體管覆蓋了 2,496 和 2,690 MHz 之間的頻率范圍，前面是A5G26S008N 27-dBm 射頻功率 GaN 晶體管，用作驅動器。

Qorvo 為基礎設施和移動應用提供廣泛的射頻連接解決方案，包括功率放大器、開關、移相器、集成模塊和其他高性能分立射頻設備。例如，QPA3908 是一款針對 6GHz 以下 5G 應用的 Doherty 功率放大器模塊 (PAM)。該 PAM 基于 GaN 技術，可在緊湊的占位面積內實現高性能，從而減少有源天線解決方案的尺寸和重量，例如大規(guī)模 MIMO 基站和 O-RAN 網絡。

QPA3908 支持美國 C 波段應用，工作頻率范圍為 3.7–3.98 GHz，而QPA3810支持歐洲市場的應用，工作頻率范圍為 3.4–3.8 GHz。兩個模塊都在 50 Ω 時輸入/輸出匹配，具有 48 V 的漏極電壓，實現出色的線性度，并且需要最少的外部組件。該器件包含一個驅動器 PA 和 Doherty 末級，可提供 8W 平均輸出功率。功率放大器模塊采用 8 × 10-mm 封裝，已完全組裝，無需任何額外調整。該解決方案使 5G 網絡架構更容易，與多分立式功率放大器解決方案相比，減少了設計時間。

Ampleon 提供范圍廣泛的射頻功率器件、單片微波集成電路 (MMIC)、托盤和模塊，可采用 LDMOS 和 GaN 技術。C4H27W400AV 是一款不對稱 Doherty 功率晶體管，適用于基站和多載波應用，能夠在 2,300–2,700 MHz 的頻率范圍內工作。這款高效器件采用創(chuàng)新的 GaN 技術，可提供 400W 的輸出功率、出色的數字預失真能力和更低的輸出電容，從而提高 Doherty 應用的性能。C4H27W400AV 采用 DFM6 (SOT1275-1) 封裝，內部匹配以方便使用。

狼速公司

由于其固有的高工作頻率和更寬的帶寬性能，GaN 是滿足 5G NR 要求的理想解決方案。更高的效率和功率密度等其他優(yōu)勢使 GaN-on-SiC 能夠有效地用于 sub-6-GHz (5G FR-1) 頻段，在該頻段可以替代 LDMOS 器件。Wolfspeed GTRB266908FC就是一個例子，它是一種高功率射頻 GaN-on-SiC高電子遷移率晶體管 (HEMT)，可滿足多標準蜂窩功率放大器應用的要求。

新的 HEMT在 2,515 至 2,675 MHz 頻率范圍內工作， 在 3 dB 壓縮點 (P 3 dB)提供 549 W 的 P OUT和 69.2% 的效率。關鍵規(guī)格包括 50.1 dBm 的 P OUT(平均)、57.8-dBm Psat、48% 的效率、15-dB 增益和更高的 194-MHz IBW。該功率器件的工作電壓為 48 V，具有帶無耳法蘭的熱增強封裝。它是無鉛的，并且符合 RoHS 和人體模型 1B 類(根據 ANSI/ESDA/JEDEC JS-001)標準。

英飛凌科技股份公司

憑借其專有的 CoolGaN 技術，英飛凌提供了廣泛的 GaN 器件選擇，適用于電壓范圍高達 600 V 的電源轉換應用。CoolGaN 系列包括可提供所需的高效率和極快開關速度的 e-mode HEMT在 5G 應用中。

GaN HEMT 的一個優(yōu)勢是其相對于溫度無關的導通電阻，這導致其品質因數遠優(yōu)于類似的基于硅的同類產品。GaN 特性對電源解決方案的重量和尺寸都有顯著影響，顯著減少了電路板空間和重量。這是 5G 應用中的一個重要因素，其中為安裝預留的空間非常有限。

英飛凌的IGO60R070D1是一款全新的 CoolGaN 600-V e 模式功率晶體管，可提供快速的開啟和關閉速度以及最小的開關損耗。它還支持具有最高效率的簡單半橋拓撲。這種常關開關具有超快開關、無反向恢復電荷、低柵極和輸出電荷以及反向傳導能力。

微芯片技術公司

Microchip 最近通過推出新的 MMIC 和分立器件擴展了其射頻功率產品組合。新器件覆蓋高達 20 GHz 的頻率，結合了高功率附加效率 (PAE) 和高線性度，可滿足 5G 應用的挑戰(zhàn)性要求。與其他 Microchip GaN 射頻功率產品一樣，MMIC 基于 GaN-on-SiC 技術，提供高功率密度和良率以及高電壓操作和使用壽命的最佳組合。它們包括覆蓋 2–18 GHz、12–20 GHz 和 12–20 GHz(P 3 dB)的 GaN MMIC。

Microchip 最近推出的器件包括 ICP2840(最初發(fā)布為GMICP2731-10)GaN MMIC 功率放大器，旨在滿足 5G 網絡以及衛(wèi)星通信和航空航天和國防應用的要求。ICP2840 采用 GaN-on-SiC 技術構建，可在 3.5 GHz 的帶寬和 27.5 至 31 GHz 的頻率范圍內提供高達 10 W 的輸出功率。該芯片實現了 20% 的 PAE 和高線性度，具有 22 dB 的小信號增益和 15 dB 的回波損耗。平衡拓撲允許器件與 50 Ω 完美匹配，而隔直電容器簡化了設計集成。