應(yīng)用GaN技術(shù)克服無線基礎(chǔ)設(shè)施容量挑戰(zhàn)

近年來，全球智能手機(jī)快速普及，LTE網(wǎng)絡(luò)已被陸續(xù)商用，受此影響，全球移動(dòng)數(shù)據(jù)的使用繼續(xù)飆升。據(jù)GSA移動(dòng)行業(yè)分類數(shù)據(jù)顯示，截至2015年3月，全球LTE用戶數(shù)量比上一年猛增151%，達(dá)到6.35億。這一增長(zhǎng)勢(shì)頭將持續(xù)下去，到2020年，LTE用戶數(shù)將達(dá)25億。

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商面臨著諸多挑戰(zhàn)，一方面要快速擴(kuò)容以支持增量用戶，另一方面則要盡量減少網(wǎng)絡(luò)中斷并降低成本。長(zhǎng)期而言，5G網(wǎng)絡(luò)有望大幅提升容量和數(shù)據(jù)速率。但是，5G技術(shù)規(guī)格仍然處于定義階段，至少5年內(nèi)不可能部署。另外，5G可能涉及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的大幅改變。

為了在5G到來之前滿足大幅提高容量的迫切需求，運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)開始盡力擴(kuò)大4G網(wǎng)絡(luò)的容量而不重新設(shè)計(jì)基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)。他們關(guān)注的焦點(diǎn)是那些能使他們從現(xiàn)有LTE頻譜分配中獲取更多容量的技術(shù)，以減小購(gòu)買高昂的額外頻譜的必要性。

運(yùn)營(yíng)商目前瞄準(zhǔn)了多種關(guān)鍵容量和性能升級(jí)技術(shù)。短期計(jì)劃以載波聚合(CA)為中心，這是LTEAdvanced標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)特性。中期增強(qiáng)技術(shù)包括被稱為4.5G、4G+或pre-5G的多種增強(qiáng)技術(shù)，其中包括高階(最多64X)多用戶多輸入多輸出(MU-MIMO)技術(shù)、更高階調(diào)制以及免執(zhí)照5GHz頻譜的使用等。

這些短期和中期擴(kuò)容技術(shù)以及最終的5G網(wǎng)絡(luò)將要求采用能提供更高功率輸出和功效且支持寬帶運(yùn)行和高頻頻段的基站功率放大器 (PA)。

GaN on SiC的前景

歷史上來看，基站功率放大器主要采用基于硅的橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(LDMOS)技術(shù)。然而，越來越苛刻的要求逐漸暴露出LDMOS的局限性，并導(dǎo)致眾多供應(yīng)商在高功率基站功率放大器技術(shù)方面轉(zhuǎn)向了氮化鎵(GaN)。例如，功率輸出要求每年都在提高;對(duì)基站功率放大器的要求從一年前的 30W-40W增至今年的60W，而新一代基站的要求可能達(dá)100W或以上。當(dāng)前和規(guī)劃的擴(kuò)容需求也需要能支持更高頻率的寬帶功率放大器。LDMOS即使在較低射頻頻率下也存在帶寬限制，LDMOS功率放大器的帶寬會(huì)隨著頻率的增加而大幅減少。雖然LDMOS僅在不超過約3.5GHz的頻率范圍內(nèi)有效，但 GaN功率放大器已經(jīng)能處理50GHz或以上的毫米波頻率。另外，GaN功率放大器支持更高的帶寬，即使在較高的頻率也是如此。

如今存在的兩種主要GaN技術(shù)為碳化硅GaN(SiC)和硅GaN(Si)。GaN on Si的優(yōu)勢(shì)在于基板成本低，可以在硅代工廠生產(chǎn)，擁有相應(yīng)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。但GaN on SiC支持高得多的功率密度，支持更高的功率輸出。這是因?yàn)镾iC具有更優(yōu)秀的導(dǎo)熱率：大約比Si高三倍。GaN on SiC功率密度約為5W/mm，約7倍于LDMOS的功率密度。因此，GaN on SiC功率放大器能以相同的尺寸提供大約兩倍的功率輸出。結(jié)果，GaN on SiC已經(jīng)成為高功率射頻應(yīng)用的首選技術(shù)。

GaN on SiC功率放大器的優(yōu)勢(shì)直接關(guān)系到運(yùn)營(yíng)商關(guān)注的三大問題，即所謂的三C問題：容量、覆蓋范圍和成本。就如我將在本文中描述的那樣，較高的輸出功率可以大幅提升容量，同時(shí)還能維持蜂窩覆蓋范圍。GaN on SiC功率放大器具有更高的功效，可以減少運(yùn)營(yíng)商的巨額電費(fèi)，減輕散熱問題。為了更加詳細(xì)地探討這些優(yōu)勢(shì)，我將討論 GaN on SiC在無線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的各個(gè)階段可能發(fā)揮的作用，先從載波聚合開始，然后是4.5G，最后為5G。

近期：載波聚合

運(yùn)營(yíng)商目前處于載波聚合(CA)技術(shù)部署初期，這是LTE Advanced標(biāo)準(zhǔn)(3GPP Release 10)的一個(gè)特性。借助CA，運(yùn)營(yíng)商可以提高數(shù)據(jù)容量和吞吐量，其方式是把最多五個(gè)分量載波(每個(gè)載波在 1.4-20MHz之間)組合成最高達(dá)100MHz的總帶寬。

CA的一個(gè)關(guān)鍵吸引力在于，該技術(shù)可以把來自多個(gè)頻段的分量載波組合起來(帶間(CA)，從而讓運(yùn)營(yíng)商更好地利用碎片化的頻譜分配方案。許多運(yùn)營(yíng)商擁有的連續(xù)頻譜不到20MHz，因此需要CA來為更快的數(shù)據(jù)服務(wù)需求提供支持。初期部署一般只將CA用于下行鏈路通信，并把兩個(gè)10MHz的分量載波組合成20MHz的總帶寬。

CA一般要求采用寬帶功率放大器，以避免各分量載波采用獨(dú)立功率放大器所帶來的額外成本和復(fù)雜性問題。常見的CA組合(如頻段1(1800MHz)與頻段3(2100MHz)組合)要求采用帶寬大于300MHz的功率放大器。即使在較高頻率下，GaN功率放大器也能比LDMOS支持更高的帶寬，這是一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。由于GaN擁有更高的功效，并且GaN功率放大器可以支持需要多個(gè)窄帶LDMOS功率放大器才能實(shí)現(xiàn)的帶寬，這兩個(gè)因素抵消了LDMOS的單位芯片成本優(yōu)勢(shì)。CA還要求更高的功率輸出，以實(shí)現(xiàn)在多個(gè)分量載波上的并行傳輸。GaN on SiC功率放大器可以滿足如今對(duì)多頻段功率放大器的典型要求，其功率輸出達(dá)60W或以上，支持300MHz以上的帶寬。

功效對(duì)運(yùn)行成本的影響

GaN的功效在幫助運(yùn)營(yíng)商控制最大成本項(xiàng)(電費(fèi))方面也發(fā)揮著重要作用。功率放大器是基站功耗中的大戶，如果功率放大器的效率僅為35%(較老的LDMOS功率放大器確實(shí)如此)，則有65%的能量作為熱量被浪費(fèi)掉了。產(chǎn)生的熱也會(huì)導(dǎo)致可靠性問題，并且要求較大的散熱片，結(jié)果會(huì)增加產(chǎn)品尺寸。

在運(yùn)營(yíng)商試圖控制能源成本的同時(shí)，他們需要功效更出色的基站和功率放大器。功率放大器的典型功效已經(jīng)從4年前的30%-35%提高到如今的60%。同期，LDMOS功率放大器的效率從30%提高到約45%，但進(jìn)一步顯著提高是非常困難的事。相反，如今的GaN功率放大器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了55%的效率。

中期：“4.5G”

除了CA，運(yùn)營(yíng)商試圖借助多種不同技術(shù)來擴(kuò)容。這些中期發(fā)展有望從2016年開始通過幾年的時(shí)間展開，通常被稱為4.5G、4G+或 pre-5G技術(shù)。

大規(guī)模MIMO

MIMO使運(yùn)營(yíng)商可以提高數(shù)據(jù)速率和網(wǎng)絡(luò)容量，因?yàn)樗梢允褂没竞陀脩粼O(shè)備上的多根天線，在同一頻段傳輸多個(gè)空間上相互隔開的數(shù)據(jù)流。LTE Advanced標(biāo)準(zhǔn)定義了最高8x8的下行鏈路MIMO連接以及最高4X4的上行鏈路連接。同時(shí)還定義了MU-MIMO，通過允許基站用每個(gè)流與不同設(shè)備進(jìn)行通信的方式實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容。

4.5G有望帶來更高階的MIMO，以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)容量的飛躍，基站可以同時(shí)處理64個(gè)或更多的并發(fā)數(shù)據(jù)流。但這會(huì)帶來一些其他挑戰(zhàn)?；拘枰喙β蕘眚?qū)動(dòng)64個(gè)通道，因此，能效和散熱變成了更大的問題，進(jìn)一步提高GaN的功效相應(yīng)地變得更具價(jià)值。

大規(guī)模MIMO的另一個(gè)大問題是復(fù)雜性的管理。把64個(gè)發(fā)射通道擠進(jìn)一個(gè)基站，需要高度集成的子系統(tǒng)，把功率放大器、低噪聲放大器(LNA)、開關(guān)和濾波器封裝到緊湊的模塊中。為了實(shí)現(xiàn)性能和功效的最大化，這些子系統(tǒng)必須根據(jù)不同的工藝技術(shù)把多個(gè)組件組合起來。例如，雖然GaN功率放大器可以提供需要的功率輸出和功效，但基于CMOS的低噪聲放大器(LNA)卻可以實(shí)現(xiàn)接收靈敏度最大化和噪聲最小化。需要采用高級(jí)濾波器以避免干擾鄰近頻段。由于基站的安裝位置一般都暴露于惡劣的環(huán)境之下，會(huì)經(jīng)歷極端溫度和濕度，因此，需要能在溫度變化條件下展現(xiàn)穩(wěn)定響應(yīng)性能的BAW和 SAW濾波器。高集成度的子系統(tǒng)還可給基站制造商帶來開發(fā)和測(cè)試時(shí)間縮短的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樽酉到y(tǒng)中的所有元件都已經(jīng)匹配好，并一起進(jìn)行過測(cè)試。

5GHz頻譜中的LTE(LTE-U)

運(yùn)營(yíng)商試圖通過運(yùn)用免執(zhí)照的5GHz頻段來擴(kuò)容，以實(shí)現(xiàn)流量分流，補(bǔ)充許可頻率。該頻段超出了 LDMOS功率放大器的范圍，這類功率放大器的頻率限制在3.5GHz或以下。相反，5GHz完全處于 GaN功率放大器的范圍之內(nèi)，這類功率放大器的工作頻率高得多。

高階調(diào)制

走向高階調(diào)制可進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)速率和網(wǎng)絡(luò)容量。

據(jù)3GPP Release 12的規(guī)定，復(fù)雜性從64QAM提高到256QAM，由于每個(gè)OFDM符號(hào)可以傳輸8位而非6位數(shù)據(jù)，因而可以將峰值數(shù)據(jù)速率提高33%。然而，在不提高功率輸出的條件下使用更加復(fù)雜的調(diào)制方案會(huì)導(dǎo)致蜂窩覆蓋范圍的下降。要維持覆蓋范圍不變，運(yùn)營(yíng)商需要更高功率的功率放大器。這種狀況將進(jìn)一步刺激對(duì)可以提供必要功率輸出的GaN功率放大器的需求。

長(zhǎng)期：5G

5G技術(shù)規(guī)格仍然處于制定階段，幾年之內(nèi)不會(huì)完成完善，3GPP當(dāng)前的建議是在2020年提交最終版規(guī)格。然而，業(yè)內(nèi)普遍預(yù)期，為了實(shí)現(xiàn)多GB級(jí)數(shù)據(jù)速率，5G會(huì)利用頻率高得多的頻段，包括使用 60GHz–90GHz范圍內(nèi)的毫米波頻率。毫米波頻譜目前用于多種軍事、衛(wèi)星和其他應(yīng)用，也用于 802.11ad Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)，但是，其擁擠程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于當(dāng)前用于LTE的低頻頻段。因此，在LTE中使用毫米波頻譜將增加大量的額外帶寬，同時(shí)還能減少對(duì)低頻頻譜擁擠問題的擔(dān)憂。

采用毫米波頻率的基站需要超高性能功率放大器。如今，GaN是有可能滿足這些要求的唯一普及技術(shù);GaN功率放大器當(dāng)今的工作頻率超過50 GHz，被廣泛用于毫米波應(yīng)用之中。新生代GaN制造技術(shù)將發(fā)揮重要的作用，可實(shí)現(xiàn)5G要求的更高性能水平和集成度。

結(jié)論

在未來的三到五年中，對(duì)GaN功率放大器的需求有望快速增長(zhǎng)，因?yàn)檫\(yùn)營(yíng)商將推動(dòng)新型LTE能力建設(shè)，以適應(yīng)移動(dòng)數(shù)據(jù)用量大幅增加的需求。為了滿足這一需求，越來越多的功率放大器供應(yīng)商已經(jīng)開始擴(kuò)大產(chǎn)品范圍，將GaN產(chǎn)品納入其中。需要記住的是，無線基站中使用的功率放大器必須符合惡劣條件下的高性能、高效率、高可靠性要求。每一次網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容都會(huì)對(duì)性能和功效提出新的要求。必須進(jìn)行謹(jǐn)慎評(píng)估，確保功率放大器供應(yīng)商能提供必要的性能、可靠性、工藝成熟度和內(nèi)部制造產(chǎn)能，以滿足這些嚴(yán)苛的要求。