5G dan GaN:Pergeseran dari LDMOS ke GaN

Dalam artikel sebelumnya dalam seri ini, kami mengulas teknologi Massive MIMO yang mendorong implementasi 5G di seluruh negeri. Sementara potensi aplikasi frekuensi mmWave pada akhirnya akan terwujud, untuk beberapa tahun ke depan layanan 5G akan ditentukan oleh sinyal yang ditransmisikan melalui pita Sub-6GHz. Untuk memungkinkan hal ini, solusi stasiun pangkalan generasi berikutnya akan membutuhkan peningkatan yang signifikan pada kinerja ujung depan RF.

Insinyur diminta untuk mengembangkan stasiun pangkalan yang memperhitungkan integrasi RFFE yang lebih baik, pengurangan ukuran, konsumsi daya yang lebih rendah, daya keluaran yang lebih tinggi, bandwidth yang lebih lebar, peningkatan linearitas, dan peningkatan sensitivitas penerima. Semua itu selain untuk memenuhi persyaratan sambungan yang lebih ketat antara transceiver, RFFE, dan antena. Ini adalah perintah yang sangat tinggi. Satu-satunya cara untuk memenuhi kebutuhan ini dan berhasil mengimplementasikan Massive MIMO adalah dengan amplifier daya yang kecil, sangat efisien, dan hemat biaya yang dapat digunakan dalam susunan antena yang berkembang ini.

Mendukung MIMO Sub-6 Massive

Ruang penguat daya RF telah ditentukan oleh perangkat semikonduktor oksida logam (LDMOS) yang menyebar secara lateral sejak teknologi tersebut memasuki pasar pada 1990-an, terutama pada frekuensi di bawah 2GHz karena biayanya yang rendah. Persaingan terbesarnya datang dari amplifier gallium arsenide (GaAs) yang lebih cocok untuk frekuensi yang lebih tinggi, tetapi dengan tingkat transmisi daya yang lebih rendah dan dengan biaya yang lebih tinggi. Ketika jaringan seluler digital 2G diluncurkan, LDMOS mencapai dominasi pasar di stasiun pangkalan RF yang masih dipegangnya hingga saat ini. Namun, ketika jaringan 3G dan 4G diperkenalkan, amplifier daya LDMOS belum mencapai tingkat efisiensi daya yang sama dengan generasi sebelumnya. Terlepas dari peningkatan kinerja dari penggunaan topologi Doherty dan pelacakan envelope, produsen dan operator peralatan mulai beralih ke gallium nitride (GaN) sebagai semikonduktor generasi berikutnya untuk aplikasi daya RF selama penerapan 4G LTE di seluruh China pada tahun 2014.

GaN adalah teknologi yang relatif baru dibandingkan dengan semikonduktor lainnya, tetapi telah menjadi teknologi pilihan untuk RF tinggi, aplikasi yang membutuhkan daya seperti yang diperlukan untuk mengirimkan sinyal jarak jauh atau pada tingkat daya kelas atas – menjadikannya ideal untuk Sub -6 BTS 5G. Daya keluarannya yang tinggi, linieritas, dan efisiensi daya telah mendorong OEM jaringan untuk beralih dari menggunakan teknologi LDMOS untuk PA ke gallium nitrida. Teknologi LDMOS masih memegang pangsa pasar terbesar di BTS RF saat ini, tetapi GaN diperkirakan akan terus menggantikannya dalam penerapan 5G Massive MIMO.

Keunggulan Performa GaN

Keuntungan utama dari GaN adalah kepadatan daya yang lebih tinggi. Hal ini disebabkan oleh celah pita antara pita konduksi dan valensi yang lebih tinggi daripada teknologi LDMOS, yang memberikan tegangan tembus tinggi dan rapat daya. Ini memungkinkan sinyal ditransmisikan dengan lebih banyak daya yang memperluas area jangkauan stasiun pangkalan. Kepadatan daya tinggi dari GaN PA juga memungkinkan faktor bentuk yang lebih kecil yang membutuhkan lebih sedikit ruang PCB. Di area tertentu, perancang sistem dapat menghasilkan lebih banyak daya daripada dengan teknologi lain. Atau, untuk tingkat daya tertentu, perancang sistem dapat mengecilkan ukuran RFFE dan mengurangi biaya.

Kepadatan daya yang lebih tinggi ini juga memungkinkan amplifier daya GaN beroperasi pada suhu setinggi 250 derajat Fahrenheit – tingkat yang tidak dapat dicapai oleh teknologi berbasis silikon. Disipasi termal GaN yang ditingkatkan menyederhanakan heat-sink dan persyaratan pendinginan sistem, sehingga semakin mengurangi ukuran dan biaya. Mengingat tingginya pengeluaran infrastruktur yang dihadapi MNO, peralatan yang lebih kecil dan lebih murah akan sangat membantu dalam menyediakan 5G secara nasional.

Peningkatan efisiensi daya GaN juga berkontribusi untuk mengurangi biaya pengoperasian BTS. Operator mencari untuk meminimalkan konsumsi daya jaringan dan mendorong OEM untuk merancang efisiensi sistem dan penghematan daya secara keseluruhan. Untuk memenuhi kebutuhan itu, para insinyur semakin beralih ke GaN. Dalam konfigurasi Doherty PA, GaN mencapai efisiensi rata-rata hingga 60% dengan daya keluaran 100-W, secara signifikan mengurangi energi yang dibutuhkan untuk menjalankan sistem Massive MIMO yang haus daya.

Efisiensi GaN pada frekuensi tinggi dan bandwidth yang lebar juga dapat membantu mengecilkan sistem MIMO Massive. Meskipun peningkatan karakteristik amplifier LDMOS memungkinkan rentang frekuensi hingga 4 GHz, amplifier berbasis GaN dapat mencapai frekuensi hingga 100 GHz pada kepadatan daya hingga lima kali lebih tinggi. Efisiensi dan impedansi keluaran yang lebih tinggi, bersama dengan kapasitansi parasit yang lebih rendah, memberikan perangkat GaN pencocokan pita lebar yang lebih mudah dan penskalaan ke daya keluaran yang sangat tinggi. Sementara aplikasi mmWave lebih jelas, ini dapat menguntungkan operator di Sub-6 dengan mentransmisikan melalui beberapa band secara bersamaan. Operator tidak memerlukan banyak radio pita sempit, mereka hanya membutuhkan satu platform radio pita lebar yang melayani banyak pita. GaN menawarkan jangkauan dan fleksibilitas untuk memungkinkan sistem ini, sementara juga dengan mudah menskalakan untuk menghadirkan transmisi mmWave frekuensi tinggi di masa depan.

Itu tidak berarti bahwa GaN selalu menjadi pilihan yang tepat untuk setiap aplikasi daya RF. LDMOS sering tersedia pada titik harga yang lebih rendah dan memberikan linearitas yang sangat kompetitif pada frekuensi tertentu. GaAs juga memiliki keunggulan efisiensi tersendiri di ceruk pasar tertentu. Namun ada alasan mengapa banyak pemain utama di LDMOS beralih ke produksi GaN:mereka menyadari betapa pentingnya GaN untuk membantu operator dan OEM stasiun pangkalan mencapai tujuan mereka untuk MIMO Massive Sub-6 GHz.

Karena adopsi GaN yang luas di stasiun pangkalan, bersama dengan perluasan aplikasi di industri lain seperti pertahanan dan kedirgantaraan, volume GaN yang diproduksi tumbuh dari tahun ke tahun. Lebih banyak volume sama dengan skala ekonomi yang lebih besar, menjadikan GaN solusi yang lebih terjangkau. Itu tanpa memperhitungkan penghematan yang dicapai dari peningkatan efisiensi energi, faktor bentuk yang lebih kecil, atau aplikasi multiband. Linearitas juga diatur untuk meningkatkan. Penting untuk diingat bahwa GaN hanya pada penawaran generasi kedua untuk BTS. Teknologi dewasa seperti LDMOS ada di generasi 15. Saat ini merupakan area penelitian paling aktif di ruang GaN, menyebabkan banyak orang di industri mengantisipasi efisiensi linier yang memimpin pasar dalam jangka pendek.

Karena kendala yang membatasi GaN dari aplikasi yang lebih luas diatasi, sekarang menjadi penting bagi perancang sistem untuk memahami bagaimana menerapkan semikonduktor ke aplikasi mereka sendiri.

Yang Perlu Diketahui oleh Desainer Tersemat

GaN menawarkan banyak keunggulan kinerja bagi desainer yang disematkan, tetapi tentu saja ada praktik terbaik desain yang unik untuk materi tersebut. Artikel berikutnya dalam seri ini akan merinci apa yang perlu diketahui oleh perancang sistem tertanam untuk memanfaatkan potensi penuh dari GaN. Ini akan mengoreksi kesalahan persepsi umum, menawarkan solusi desain, dan mengeksplorasi apa yang akan terjadi selanjutnya untuk teknologi GaN baik di dalam maupun di luar aplikasi RF.

Konten Terkait:

• 5G dan GaN:Memahami infrastruktur MIMO masif sub-6Ghz
• Tantangan terbesar 5G bagi penyedia layanan komunikasi
• Bagaimana O-RAN akan mengubah interoperabilitas dalam jaringan 5G
• 10 tren utama dalam teknologi nirkabel
• Peluncuran 5G:maraton bukan lari cepat

Untuk lebih banyak Tertanam, berlangganan buletin email mingguan Tertanam.