5G e GaN:a mudança de LDMOS para GaN

No artigo anterior desta série, revisamos as tecnologias Massive MIMO que estão impulsionando a implementação de 5G em todo o país. Embora o potencial das aplicações de frequência mmWave venha a ser realizado, nos próximos anos o serviço 5G será definido por sinais transmitidos em bandas Sub-6GHz. Para tornar isso possível, as próximas gerações de soluções de estação base exigirão melhorias significativas no desempenho do front-end de RF.

Os engenheiros estão sendo solicitados a desenvolver estações base que sejam responsáveis ​​por uma melhor integração RFFE, reduções de tamanho, menor consumo de energia, maior potência de saída, largura de banda mais ampla, linearidade aprimorada e maior sensibilidade do receptor. Tudo isso além de satisfazer os requisitos de acoplamento mais rígidos entre o transceptor, RFFE e antena. É uma tarefa muito difícil. A única maneira de atender a essas necessidades e implementar com sucesso o Massive MIMO será com amplificadores de potência pequenos, altamente eficientes e econômicos que podem ser usados ​​nesses conjuntos de antenas em expansão.

Alimentando Sub-6 Massive MIMO

O espaço do amplificador de potência de RF foi definido por dispositivos semicondutores de óxido metálico difundidos lateralmente (LDMOS) desde que a tecnologia entrou no mercado na década de 1990, principalmente em frequências abaixo de 2 GHz devido ao seu baixo custo. Sua maior concorrência vinha dos amplificadores de arsenieto de gálio (GaAs), mais adequados para frequências mais altas, mas com níveis de transmissão de potência mais baixos e custos mais altos. Quando as redes móveis digitais 2G foram lançadas, a LDMOS alcançou o domínio do mercado em estações base RF que ainda hoje mantém. Como as redes 3G e 4G foram introduzidas, no entanto, os amplificadores de potência LDMOS não atingiram os mesmos níveis de eficiência de energia das gerações anteriores. Apesar dos aumentos de desempenho com o uso de topologias Doherty e rastreamento de envelope, os fabricantes de equipamentos e operadores começaram a se voltar para o nitreto de gálio (GaN) como um semicondutor de próxima geração para aplicações de energia de RF durante a implantação 4G LTE na China em 2014.

GaN é uma tecnologia relativamente nova em comparação com outros semicondutores, mas tornou-se a tecnologia preferida para aplicações de alta RF que consomem muita energia, como aquelas necessárias para transmitir sinais a longas distâncias ou em níveis de potência de ponta - tornando-o ideal para Sub -6 Estações base 5G. Sua alta potência de saída, linearidade e eficiência de energia levaram os OEMs de rede a mudar do uso da tecnologia LDMOS para PAs para nitreto de gálio. A tecnologia LDMOS ainda detém a maior participação de mercado em estações base RF hoje, mas espera-se que GaN continue a substituí-la em implantações de 5G Massive MIMO.

Vantagens de desempenho do GaN

A principal vantagem do GaN é sua maior densidade de potência. Isso se deve a um gap entre as bandas de condução e valência que é maior do que nas tecnologias LDMOS, que fornecem altas tensões de ruptura e densidades de potência. Ele permite que um sinal seja transmitido com mais potência, o que amplia as áreas de cobertura das estações base. A densidade de alta potência de GaN PAs também permite fatores de forma menores que requerem menos espaço de PCB. Em uma determinada área, os projetistas de sistemas podem produzir mais energia do que com outra tecnologia. Ou, para um determinado nível de potência, os projetistas de sistemas podem diminuir o tamanho do RFFE e reduzir custos.

Esta densidade de potência mais alta também permite que os amplificadores de potência GaN operem em temperaturas de até 250 graus Fahrenheit - um nível que as tecnologias baseadas em silício não podem alcançar. A dissipação térmica aprimorada do GaN simplifica os requisitos de dissipador de calor e resfriamento dos sistemas, reduzindo ainda mais o tamanho e o custo. Dados os altos gastos com infraestrutura enfrentados pelas MNOs, equipamentos menores e mais baratos contribuirão muito para disponibilizar o 5G nacionalmente.

O aumento da eficiência energética do GaN também contribui para reduzir as despesas de funcionamento de estações base. As operadoras buscam minimizar o consumo de energia da rede e pressionam os OEMs a projetar para a eficiência do sistema e economia geral de energia. Para atender a essa necessidade, os engenheiros estão cada vez mais recorrendo ao GaN. Em configurações de PA Doherty, o GaN atinge eficiências médias de até 60% com potência de saída de 100 W, reduzindo significativamente a energia necessária para operar sistemas MIMO Massive sedentos de energia.

A eficiência do GaN em alta frequência e em larguras de banda amplas também pode ajudar a reduzir os sistemas MIMO massivos. Embora as melhorias nas características do amplificador LDMOS permitam faixas de frequência de até 4 GHz, os amplificadores baseados em GaN podem atingir frequências de até 100 GHz em densidades de potência até cinco vezes mais altas. A maior eficiência e impedância de saída, junto com menor capacitância parasita, dá aos dispositivos GaN uma correspondência de banda larga mais fácil e escalonamento para uma potência de saída muito alta. Embora as aplicações do mmWave sejam mais óbvias, isso pode beneficiar as portadoras no Sub-6, transmitindo em várias bandas simultaneamente. As operadoras não precisam de vários rádios de banda estreita, elas só precisam de uma plataforma de rádio de banda larga que atende a várias bandas. O GaN oferece o alcance e a flexibilidade para tornar esses sistemas possíveis, ao mesmo tempo que é facilmente escalonado para fornecer as altas frequências das transmissões de onda mm do futuro.

Isso não quer dizer que GaN seja sempre a escolha certa para cada aplicação de potência de RF. O LDMOS geralmente está disponível a um preço mais baixo e oferece linearidade muito competitiva em certas frequências. O GaAs também tem suas próprias vantagens de eficiência em certos nichos de mercado. No entanto, há uma razão pela qual muitos jogadores importantes em LDMOS estão mudando para a produção de GaN:eles reconhecem o quão crítico o GaN é para ajudar as operadoras e OEMs de estação base a atingirem seus objetivos para MIMO massivo de sub-6 GHz.

Por causa da ampla adoção do GaN em estações base, juntamente com a ampliação de aplicações em outras indústrias, como defesa e aeroespacial, o volume de GaN produzido cresce a cada ano. Mais volume significa maiores economias de escala, tornando o GaN uma solução mais acessível. Isso sem levar em conta a economia obtida com o aumento da eficiência energética, formatos menores ou aplicativos multibanda. A linearidade também deve melhorar. É importante lembrar que o GaN está apenas em sua segunda geração de ofertas para estações base. Tecnologias maduras como LDMOS estão na geração 15. Atualmente é a área de pesquisa mais ativa no espaço GaN, fazendo com que muitos na indústria antecipem a eficiência linear líder de mercado a curto prazo.

À medida que as restrições que limitam o GaN de uma aplicação mais ampla são abordadas, agora se torna crítico para os projetistas de sistemas entender como aplicar o semicondutor a seus próprios aplicativos.

O que os designers incorporados precisam saber

GaN oferece muitas vantagens de desempenho para designers incorporados, mas certamente existem melhores práticas de design que são exclusivas para o material. O próximo artigo desta série irá detalhar o que os designers de sistemas embarcados precisam saber para aproveitar todo o potencial do GaN. Ele corrigirá as percepções equivocadas comuns, oferecerá soluções de design e explorará o que vem por aí para a tecnologia GaN tanto dentro quanto fora das aplicações de RF.

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Roger Hall é o gerente geral de soluções de alto desempenho da Qorvo, Inc., e lidera o gerenciamento de programas e a engenharia de aplicativos para infraestrutura sem fio, defesa e aeroespacial e mercados de gerenciamento de energia.

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