碳化硅基氮化镓GaN-on-SiC为 5G 铺平道路
电信行业连接着全球数十亿人和数百万家企业。电信行业的增长是以新技术为基础的。这些新技术使互联互通成为可能,为用户提供颇具吸引力的新功能,并证明升级和扩大蜂窝网络基础设施的投资是合理的。伴随着早期 4G LTE 技术支持的数据通信的出现,通信服务呈爆炸式增长,使得手机和蜂窝网络在发达国家无处不在。下一代电信技术 5G,则有望带来另一场互联互通服务的革命,它将超越电话、短信和简单的互联网,并可能迎来真正的信息时代。
为了能够满足这些新应用程序所需必要的网络吞吐量和可靠性,则需要运用新的技术。实现下一层级互联互通的部分问题在于,在为同一区域内的一个量级或更多附加用户设备提供服务的同时,以更高频率传输和接收高质量射频信号的成本和复杂性。能够帮助解决这些挑战的两个关键使能技术是碳化硅基氮化镓 (GaN-on-SiC) 功率放大器和大规模多输入多输出 (mMIMO) 天线。
该文章旨在为读者介绍与从 4G 到 5G 就绪和 5G 技术的服务与基站升级所带来的需求变化和设计挑战等相关背景。讨论中包括了一些关键细节,这些细节解释了 mMIMO 天线是如何成为新常态的,以及新的通信技术(比如碳化硅基氮化镓功率放大器)在部署5G服务以满足 3GPP 规范和用户日益增长的期望时是必不可少的。
5G 基站趋势
许多人可能认为,既然 5G 已经开始铺开,那么4G 技术也即将退出历史舞台。但这绝不是事实,因为仍有计划为许多使用较老的 3G/4G 技术的地区提供 4G 服务,以及升级和维护 4G 服务,以便为未来 5G 基站安装做准备。为 4G 建造的网络基础设施也很可能继续使用,并融合到 5G 的部署中,就像 2G 和 3G 被融合到 4G 服务中一样。因此,4G 技术仍然有市场,包括用于 4G 蜂窝频段的 LDMOS 功率放大器。
然而,5G 服务的发展也需要新技术和新方法来满足对 5G 的期望,即在高度拥挤的地区以每秒数百兆比特 (Mbps) 的速度传输数据,同时提高可靠性和减少延迟。因此,有关大规模 5G 部署的讨论和规划,大多涉及安装小基站(small cell)。这些小基站将更密集地分布在城市和郊区地区。而且,目前还有 4G 系统正在从 2T2R 和 8T8R MIMO 升级到 32T32R 和 64T64R mMIMO 天线,在全频谱 5G(sub-1 GHz、sub-6 GHz 和毫米波频谱)部署之前,预计将利用 mMIMO 技术帮助升级 4G 服务,以满足 5G 的预期。
这些新的 5G 基站和 5G 就绪的 4G 升级需要更多的天线单元,以及更多的蜂窝信号发射机。为了实现这些新的 mMIMO 天线的尺寸和重量最小化,需要仔细设计和选择射频组件。为了减小 mMIMO 天线的尺寸和重量,一种常见的设计决定是用带有嵌入式射频硬件的 4G/5G mMIMO 组合天线取代现有的 4G 天线。这种类型的致密化可以大大降低成本,特别是当它涉及到塔空间和风荷载电荷时,但其代价是需要更高功率密度的射频发射机,这种发射机必须非常可靠,以减少由于组件失效而可能导致的维护和服务故障增加。
这些事项对于sub-6 GHz 5G 系统来说很重要,对于当前的原型和未来的毫米波 5G 系统来说则更为重要。即使对于sub-6 GHz 5G 系统,3.5 GHz 到 5 GHz 的 5G 新空口 (NR) 蜂窝频段也比低于 3 GHz 的 4G 蜂窝频段面临着更大的频率相关的射频损耗。这些更大的损耗同时也需要更高的放大器效率,以适应最新通信技术中使用的更复杂、更高峰均比 (PAPR) 的调制信号。因此,对射频功率放大器的需求就更大了。射频功率放大器需要能够提供高效率的数千兆赫的带宽,即使承受更高的功率密度也能表现出高可靠性,并且具有足够的成本效益和足够小,以便和嵌入式硬件组装进紧凑的 mMIMO 天线。
5G 射频前端技术规格
mMIMO 5G 天线系统与 4G 有很多类似的性能考量,以及很多额外的附加考量和限制,和更严格的性能标准。由于 mMIMO 发射和接收天线布置在非常近的距离,因此需要着重考虑性能因素,例如隔离和相邻信道功率比 (ACPR)/相邻信道泄漏比 (ACLR)。ACPR/ACLR 是衡量从发射机到邻近无线电信道功率泄漏的一种方法。ACPR/ACLR 的主要作用是发射机功率放大器的线性度。更为线性的功率放大器将表现出更少的失真,进而使得在相邻信道上出现更少的失真产物。
功率放大器的线性和失真(特别是幅度失真和相位失真),对深度调制通信信号会产生其他影响。即使满足了美国联邦通信委员会 (FCC) 或全球其他电信法规要求的传输掩码,过度失真也会导致功率放大器自身传输性能的下降。误差矢量幅度 (EVM) 用于测量星座点和理想点的偏差,其大小与功率放大器的非线性、相位噪声和放大器噪声有关。因此,关键是使用功率放大器技术,以保持线性和噪声的高标准,即使在高负载和高温下。
然而,更多的线性功率放大器不一定能提供更好的隔离指标——发射机到发射机、发射机到接收机,或接收机到接收机。高隔离度对于 mMIMO 系统至关重要,它可以防止来自其他空间复用信号的无用信号出现在临近的 MIMO 天线单元中。尽管与 5G 技术一起使用的时域双工 (TDD) 不太容易受到发射机到接收机隔离考量的影响,但这仍然不能解决发射机到发射机或接收机到接收机的隔离问题。为了解决隔离问题,谨慎的电路和封装设计是必要的,而且只有当大型和高功率组件(如发射机功率放大器 )足够紧凑和灵活,能够允许旨在满足严格隔离要求的创造性配置时才有可能实现。
功率放大器其他考虑因素还包括低电流消耗和高功率附加效率 (PAE)。由于 mMIMO 天线系统需要发射机和接收机的阵列,因此每个元件的功率消耗和效率已经成为关键的性能标准。随着未来 5G 部署计划包括在整个城市和郊区环境中铺设大量密集的网络,从宏基站塔到建筑侧面/顶部和电线杆,再到路灯和隧道/地铁结构,这种影响被放大了。随着计划建设更多的 5G 基站,降低整体功率消耗的压力越来越大,其中发射机的功率放大器是功率消耗最高的组件之一。
在输出功率相同的情况下,更高PAE(高功率附加效率)的放大器不仅可以降低总体能耗,同时也有其他有益作用。PAE 越高,说明放大器产生的热量越少,更多的放大器功率被用来增加信号能量,而不是转化为废热。减少废热的优势还包括只需要更少的散热材料,而散热材料将会大大增加发射机组件的重量、尺寸和成本。此外,更低的热量产生也会带来更低的工作温度。这对于半导体来说,通常会使寿命更长,甚至在高负载的情况下获得更线性的性能。
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