第三代半導體引領5G基站技術全面升級

5G 受到追捧是有充足的理由的。根據CCS Insight 的預測，到2023 年，5G 用戶數量將達10 億；2022 年底，5G蜂窩基礎設施將承載近15％的全球手機流量。

高能效、尺寸緊湊、低成本、高功率密度和高線性度是5G 基礎設施對射頻半導體器件的硬性要求。對于整個第三代半導體技術，尤其是氮化鎵（GaN），5G 開始商用是一大利好。與硅、砷化鎵、鍺、甚至碳化硅器件相比，GaN 器件的開關頻率、輸出功率和工作溫度更高，適合1-110 GHz的高頻通信應用，涵蓋移動通信、無線網絡、點對點和點對多點微波通信，以及雷達應用。集這些優點于一身，GaN 已被證明非常適合5G 基站功率放大器，取代4G 以及前幾代無線基礎設施廣泛應用的LDMOS（橫向擴散金屬氧化物半導體）。與LDMOS 相比，GaN 使系統能夠實現更高的功率密度，有助于降低基站的尺寸，并可以使用不太復雜的冷卻硬件。GaN 在5G 頻譜中的更高能效表現可以降低位/秒的運營成本以及環境影響。同樣，GaN 更適應高濕度、多灰塵、極熱和功率波動的工作環境，性能受到的負面影響極小。

Filippo Di Giovanni(意法半導體汽車和分立器件產品部)

就寬帶性能、功率密度和能效而言，以硅LDMOS和GaAs 為主要代表的傳統技術遠遠落后于GaN（高電子遷移率晶體管）技術，無論襯底是硅還是SiC，都是如此。正是這項技術滿足了5G 應用對散熱的嚴格要求，同時確保節省印刷電路板空間，滿足大規模MIMO 天線陣列的安裝需求。在基站中，節省空間的多功能GaN（單片微博集成電路）芯片和多片模塊取代了分立設計。

此外，5G 新頻段射頻信號和數據處理硬件導致功耗不斷增加，使5G 基站的整個供電系統，從電網容量到機柜尺寸、備用儲電系統、功率密度和電力電子設備的冷卻能力，不堪重負。因為在功率轉換應用方面的價值主張，例如，能效和功率密度比其它功率半導體技術更高，GaN 再次成為5G 熱點的最大受益者之一。

另一方面，5G 的興起要求電信設備供應商建立一個大規模生產且多廠供貨的彈性供應鏈。GaN 技術從典型的III-V 制造工藝和晶圓廠到量產方法的過渡期是關鍵。在碳化硅襯底上生長GaN 的方法可能會受到襯底供應緊張的困擾，而硅基GaN 可以通過合理的性能折衷來滿足這一需求。為了避免任何可能的材料供應問題，意法半導體決定，開發GaN 使用硅襯底而不是碳化硅。

5G 時代不僅宏基站的密度將會更高，需要功率密度更高的基站收發臺，而且還會出現更小的網絡單元（“皮基站”和“飛基站”），以增加網絡容量，擴大網絡覆蓋范圍。當然，主要目標是減輕宏基站的過重負擔。5G 開始商用還改變了射頻信號頻段，以及信號收發方式。當前，我們看到的大多數移動通信頻率是在3 GHz 以下和3 GHz 至6 GHz（低于6 GHz）的中頻段，不過，現在開始出現以前被認為不適合移動通信的新頻段，例如，高于24 GHz 的高頻毫米波。物聯網、V2V（車間通信）、自動駕駛、遠程醫療、智能制造等新興應用刺激了對更高比特率和更短延遲的需求，迫使基站廠商采用基于多輸入和多輸出的新架構，即可以處理大量信號的大規模MIMO（多輸入和多輸出）天線。預計基站有源天線波束成形技術將繼續取得進步，最大限度地提高頻譜利用率。在5G 開始商用過程中，安裝小型蜂窩天線的部署將推動市場對緊湊、高效的RF GaN 器件的需求。大規模MIMO 基站中5G 信號處理電路功耗的設計人員，將更加注重半導體能效，進而求助GaN 供應商開發出更高性能的產品。

（本文來源于《電子產品世界》雜志2022年6月期）