5G e GaN:inovações futuras

É fácil esquecer que GaN ainda é uma tecnologia relativamente nova. Ainda estamos nas primeiras gerações de desenvolvimento, com muito potencial para melhoria e refinamento. Este artigo analisa algumas das inovações GaN no horizonte e prevê seu impacto na alimentação da estação base nos próximos anos.

Densidade de potência

Nossa expectativa é que nos próximos três a cinco anos, veremos melhorias nas já substanciais capacidades de densidade de energia do GaN. Já existem maneiras de alcançar maior densidade de energia usando GaN hoje, mas os custos são extremos a ponto de não ser viável do ponto de vista comercial. Por exemplo, colocar GaN no diamante em vez de carboneto de silício. É possível, mas a despesa não o torna realista para as estações base. Ainda assim, existem outros processos econômicos em pesquisa que irão melhorar a densidade de energia bruta do material nos próximos anos.

O apelo dentro do mercado de infraestrutura 5G é óbvio - estações base mais baratas, mais eficientes e com largura de banda mais ampla. Também existe um grande interesse de outras indústrias. As aplicações de radar, em particular, seriam beneficiadas, pois se concentram em gerar o máximo de energia e eficiência possível em um determinado espaço. À medida que o GaN se prolifera nesses submercados, as economias de escala aumentam e o preço continua caindo.

Linearidade

Sem dúvida, a maior prioridade da indústria de semicondutores GaN para estações base é aumentar a potência linear. Os esforços de P&D são todos focados em impulsionar a eficiência linear nos próximos dois anos.

Ao mesmo tempo, nossa expectativa é que os esquemas de modulação da estação base não mudem significativamente nos próximos três a cinco anos. Ele se divide em um cálculo simples de bits por hertz. Esteja você executando 256 QAM ou 1024 QAM, um sistema obterá um certo número de bits por hertz de largura de banda. Se esses números não mudarem significativamente, a maneira ideal de gerar mais de um sistema é por meio de melhorias lineares de eficiência.

Isso não quer dizer que não possa ser resolvido com maior potência do dispositivo fundamental. Mesmo sem melhorias de linearidade, a eficiência geral de energia do PA ainda fornecerá melhorias de sinal. Também ajuda os projetistas a reduzir os sistemas, uma vez que precisam de menos energia do sistema e menos arranjos de antenas. Embora a energia adicional ou as soluções de segundo nível funcionem, o objetivo dos fornecedores de GaN na indústria é reduzir os efeitos de aprisionamento para que os sistemas se tornem o mais simples possível.

Temperatura

A temperatura das estações base continua a aumentar com o tempo. Cinco anos atrás, o padrão era especificar dispositivos a 85 ° C. Os OEMs aumentaram esse valor para 105 ° C, e a expectativa é que os projetistas das estações base sejam solicitados a acomodar temperaturas de 125 ° C. A maioria dos dispositivos GaAs tem uma temperatura máxima de 150 ° C, o que dá a você apenas 25 ° C de aumento para trabalhar. Os fornecedores de GaN terão que trabalhar em estreita colaboração com designers de sistemas para encontrar maneiras criativas de manter os elementos incorporados mais frios. Essa pressão será mais aguda em unidades externas menores com matrizes MIMO massivas. Soluções criativas existem hoje, mas não a um preço econômico. Esperamos que isso mude nos próximos anos.

Soluções Holísticas

Cada fornecedor de GaN está ajustando a física do dispositivo de GaN para melhorar a eficiência linear, densidade de energia e confiabilidade, reduzindo os efeitos negativos de aprisionamento, colapso de corrente e desvio de corrente, por exemplo. Isso pode ser feito até certo ponto no nível do dispositivo, mas para atingir o potencial total, os sistemas RFFE de estação base devem ser desenvolvidos em conjunto com a cadeia de arquitetura total, e é aí que vemos muitas atividades prospectivas hoje.

Isso é especialmente crítico à medida que a indústria muda de soluções LDMOS para GaN. A tecnologia é fundamentalmente diferente. Não é tão simples quanto substituir em um GaN PA e esperar 10 pontos de melhor eficiência. Existem diferentes problemas e soluções de sistema. Uma estação base otimizada para LDMOS pode não ser apropriada para um GaN PA e vice-versa. A otimização dos sistemas de estação base para GaN deve ser feita de forma holística.

Estamos começando a ver essa tendência agora e esperamos uma adoção mais ampla nos próximos anos, à medida que os resultados de desempenho falam por si. Os designers incorporados que trabalham com os fornecedores para preencher essa lacuna de design holístico se posicionarão como líderes do setor. Os OEMs, é claro, diriam que já estão usando uma abordagem em nível de sistema. Não discutiríamos esse fato, mas acreditamos que há mais ganhos a serem obtidos, especialmente à medida que as porções de RF da cadeia se tornam mais inteligentes e integradas.

RF Inteligente e Inteligência Artificial

A mitigação de armadilhas tem sido um problema para todos os materiais semicondutores, e o GaN não é exceção. As aplicações de comutação de alta velocidade podem criar ambientes de trapping extremamente desafiadores para amplificadores de potência GaN. Resolver esses efeitos de aprisionamento pode ser complexo, uma vez que os comportamentos do PA podem depender de sinais anteriores que o PA recebeu. A abordagem tradicional seria abordá-lo na camada física, até o substrato, para resolver o que está causando o comportamento problemático. A tecnologia atual ainda não foi capaz de mitigar completamente a armadilha desta forma, mas está sempre sob estudo de P&D.

Outro método poderia ser usar algoritmos de software para prever as variações que levam ao trapping. Com controladores de RF inteligentes e um conhecimento profundo o suficiente das condições pré-existentes, os dispositivos podem identificar padrões de tráfego e prever o próximo pico de atividade. Ou reconheça uma queda na atividade e mude as coisas no nível do controlador para reduzir o consumo de energia. Isso tem sido feito há muitos anos em estações base, mas há esforços contínuos em andamento para melhorar as técnicas.

É por isso que os OEMs estão considerando implementar inteligência artificial em nível de rádio. Os sistemas RFFE podem se otimizar ao longo do tempo. Teoricamente, se um rádio em campo gerar uma falha, ele poderia autoidentificar o erro e "aprender" com o erro. Então, da próxima vez, ele pode evitar a série de eventos que criaram a falha ou, potencialmente, corrigi-la. Não haveria necessidade de sinalizar a transportadora, enviar um caminhão e colocar pessoas na torre para resolver problemas menores. Como você pode imaginar, isso evitaria tempo de inatividade e despesas significativas.

6G

Mesmo com o 5G ainda nos estágios iniciais de seu lançamento, as discussões para o 6G já estão começando. As previsões iniciais sugerem que o 6G será entregue em bandas de frequência bem acima de 100 Ghz, frequências que sabemos que o GaN suporta. Provavelmente, esse tipo de solução não será uma implantação de torre de celular tradicional, mas seja qual for a forma que assuma, acreditamos que a eficiência do GaN em altas frequências e em larguras de banda torna-o crítico para transformar o 6G em realidade.

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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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