Penguat Daya GaN: Memacu Massive MIMO Sub-6 GHz 5G Melewati LDMOS

Dalam entri sebelumnya dari seri ini, kami menjelajahi teknologi Massive MIMO yang mendorong peluncuran 5G di seluruh negeri. Sementara mmWave menjanjikan performa bandwidth tinggi, beberapa tahun mendatang akan melihat 5G sebagian besar ditentukan oleh penerapan Sub-6 GHz, yang menuntut lompatan dalam kemampuan front-end RF.

Insinyur harus menyampaikan stasiun dasar yang mengintegrasikan RFFE lebih erat, menyusut ukuran, memotong penggunaan daya, meningkatkan output daya, memperluas bandwidth, memajukan linearitas, dan meningkatkan sensitivitas penerima—sambil memenuhi coupling yang lebih erat antara transceiver, RFFE, dan antena. Hanya PA yang kompak, efisien, dan hemat biaya yang dapat memenuhi persyaratan ini dan membuat Massive MIMO viable.

Evolusi penguat daya RF telah didominasi oleh LDMOS sejak tahun 1990, terutama di bawah 2 GHz di mana biaya rendahnya menjadikannya pilihan default. Gallium arsenide (GaAs) menawarkan alternatif yang kompetitif pada frekuensi lebih tinggi, tetapi dengan output daya lebih rendah dan harga lebih tinggi. LDMOS mengamankan pasar selama era 2G, namun dengan 3G dan 4G efisiensi stagnan. Meskipun kemajuan seperti topologi Doherty dan envelope tracking, operator beralih ke gallium nitride (GaN) selama peluncuran 4G LTE China pada tahun 2014.

GaN, meskipun lebih baru, telah menjadi semikonduktor pilihan untuk aplikasi daya tinggi dan RF tinggi—tepat yang dibutuhkan Sub-6 GHz 5G. Output daya, linearitas, dan efisiensi yang superiores telah mendorong OEM untuk mengganti LDMOS dengan GaN. Sementara LDMOS masih mendominasi stasiun dasar RF saat ini, GaN siap menindihnya dalam penerapan Massive MIMO 5G.

Keunggulan utama GaN adalah densitas daya yang lebih tinggi, hasil dari bandgap yang lebih lebar yang menghasilkan tegangan breakdown yang lebih tinggi. Ini memungkinkan lebih banyak daya per satuan area, memperluas cakupan dan memungkinkan RFFE yang lebih kecil dan lebih murah.

Penguat daya GaN dapat beroperasi pada suhu hingga 250 °F, melebihi batas silikon. Konduktivitas termal yang superior menyederhanakan desain heat-sink, mengurangi ukuran dan biaya—kritis bagi operator jaringan seluler dengan anggaran infrastruktur besar.

Efisiensi yang lebih tinggi memotong biaya operasional. Dalam konfigurasi Doherty, GaN mencapai efisiensi rata-rata hingga 60 % pada output 100 W, secara drastis mengurangi konsumsi energi untuk array Massive MIMO.

GaN juga unggul dalam performa wideband. Sementara LDMOS mencapai 4 GHz, GaN dapat menangani hingga 100 GHz dengan densitas daya lima kali lebih tinggi. Kapasitas parasit yang lebih rendah dan impedansi output yang lebih tinggi menyederhanakan pencocokan wideband, memungkinkan satu PA wideband untuk melayani beberapa band Sub-6 dan mengurangi kebutuhan akan radio narrowband terpisah.

Nonetheless, LDMOS tetap menjadi pilihan hemat biaya untuk beberapa frekuensi, dan GaAs masih menawarkan keuntungan niche. Namun, pergeseran industri ke GaN menekankan kepentingan strategisnya untuk Massive MIMO Sub-6 GHz.

Pengadopsi GaN semakin cepat di stasiun dasar dan sektor lain seperti pertahanan dan penerbangan. Volume yang tumbuh mendorong ekonomi skala, menurunkan harga sambil memberikan manfaat energi, ukuran, dan multi-band. Linearitas juga sedang meningkat; GaN baru di generasi kedua untuk stasiun dasar versus LDMOS yang ke belas, dan penelitian berkelanjutan janjikan performa yang lebih tinggi segera.

Seiring menghilangnya hambatan, desainer sistem harus menguasai cara memanfaatkan properti unik GaN.

Desainer tertanam dapat memanfaatkan kekuatan GaN, tetapi harus mengadopsi praktik terbaik spesifik material. Artikel berikutnya dalam seri ini akan membahas pedoman desain, membongkar mitos, dan memetakan masa depan GaN di luar RF.

Konten Terkait:

• 5G dan GaN: Memahami infrastruktur Massive MIMO sub-6Ghz
• Tantangan terbesar 5G untuk penyedia layanan komunikasi
• Bagaimana O-RAN akan mengubah interoperabilitas dalam jaringan 5G
• 10 tren kunci dalam teknologi nirkabel
• Peluncuran 5G: sebuah maraton, bukan sprint

Untuk lebih banyak Embedded, berlangganan newsletter email mingguan Embedded.