5GおよびGaN：LDMOSからGaNへの移行

このシリーズの前回の記事では、全国で5Gの実装を推進しているMassiveMIMOテクノロジーを確認しました。ミリ波周波数アプリケーションの可能性は最終的に実現されますが、今後数年間、5Gサービスはサブ6GHz帯域で送信される信号によって定義されます。これを可能にするために、次世代の基地局ソリューションでは、RFフロントエンドのパフォーマンスを大幅に改善する必要があります。

エンジニアは、RFFE統合の改善、サイズの縮小、消費電力の削減、出力電力の増加、帯域幅の拡大、線形性の向上、および受信機の感度の向上を考慮した基地局の開発を求められています。これらはすべて、トランシーバー、RFFE、およびアンテナ間のより緊密な結合要件を満たすことに加えてです。非常に難しい注文です。これらのニーズを満たし、Massive MIMOを正常に実装する唯一の方法は、これらの拡張アンテナアレイで使用できる小型で高効率で費用効果の高いパワーアンプを使用することです。

Sub-6 MassiveMIMOへの電力供給

RFパワーアンプスペースは、1990年代に技術が市場に参入して以来、特に低コストのために2GHz未満の周波数で、横方向拡散金属酸化物半導体（LDMOS）デバイスによって定義されてきました。その最大の競争相手は、より高い周波数に適しているが、電力伝送レベルが低く、コストが高いガリウム砒素（GaAs）増幅器でした。 2Gデジタルモバイルネットワークが展開されたとき、LDMOSは現在も保持しているRF基地局で市場での優位性を獲得しました。ただし、3Gおよび4Gネットワ​​ークが導入されたため、LDMOSパワーアンプは前世代と同じ電力効率レベルに達していません。 Dohertyトポロジとエンベロープ追跡を使用することでパフォーマンスが向上したにもかかわらず、機器メーカーとオペレーターは、2014年の中国全土での4G LTE展開中に、RF電力アプリケーション用の次世代半導体として窒化ガリウム（GaN）に目を向け始めました。

GaNは他の半導体と比較して比較的新しい技術ですが、長距離またはハイエンドの電力レベルで信号を送信する必要があるような、高RFで電力を大量に消費するアプリケーションに最適な技術になり、Subに最適です。 -6つの5G基地局。その高い出力電力、直線性、および電力効率により、ネットワークOEMは、PAにLDMOSテクノロジーを使用することから窒化ガリウムに切り替えるようになりました。 LDMOSテクノロジーは、今日でもRF基地局で最大の市場シェアを保持していますが、GaNは5G MassiveMIMO展開で引き続きそれを置き換えることが期待されています。

GaNパフォーマンスの利点

GaNの主な利点は、電力密度が高いことです。これは、高い絶縁破壊電圧と電力密度の両方を提供するLDMOSテクノロジーよりも高い伝導帯と価電子帯の間のバンドギャップによるものです。これにより、信号をより多くの電力で送信できるようになり、基地局のカバレッジエリアが広がります。 GaN PAの高電力密度は、より少ないPCBスペースを必要とするより小さなフォームファクタも可能にします。特定の領域では、システム設計者は別のテクノロジーよりも多くの電力を生成できます。または、特定の電力レベルのシステムについて、設計者はRFFEのサイズを縮小し、コストを削減できます。

このより高い電力密度により、GaNパワーアンプは華氏250度の高温で動作することもできます。これはシリコンベースの技術では到達できないレベルです。 GaNの改善された熱放散は、システムのヒートシンクと冷却の要件を簡素化し、サイズとコストをさらに削減します。 MNOが直面しているインフラストラクチャへの支出が急増していることを考えると、より小型で安価な機器は、5Gを全国的に利用できるようにするのに大いに役立ちます。

GaNの電力効率の向上は、基地局の運用コストの削減にも貢献します。キャリアはネットワークの電力消費を最小限に抑えることを目指しており、OEMにシステム効率と全体的な電力節約のための設計を迫っています。そのニーズを満たすために、エンジニアはますますGaNに目を向けています。 Doherty PA構成では、GaNは100 Wの出力電力で最大60％の平均効率を達成し、電力を大量に消費するMassiveMIMOシステムの実行に必要なエネルギーを大幅に削減します。

高周波および広帯域幅でのGaNの効率も、MassiveMIMOシステムの縮小に役立ちます。 LDMOS増幅器の特性の改善により、最大4 GHzの周波数範囲が可能になりますが、GaNベースの増幅器は、最大5倍の電力密度で最大100GHzの周波数を実現できます。より高い効率と出力インピーダンス、およびより低い寄生容量により、GaNデバイスは、非常に高い出力電力への広帯域マッチングとスケーリングが容易になります。ミリ波アプリケーションはより明白ですが、これは複数の帯域を同時に送信することにより、サブ6のキャリアに利益をもたらす可能性があります。キャリアは複数の狭帯域無線を必要とせず、複数の帯域に対応する1つの広帯域無線プラットフォームが必要です。 GaNは、これらのシステムを可能にする範囲と柔軟性を提供すると同時に、将来のミリ波伝送の高周波を提供するために簡単にスケーリングすることもできます。

だからといって、すべてのRF電力アプリケーションにGaNが常に正しい選択であるとは限りません。 LDMOSは多くの場合、低価格で入手でき、特定の周波数で非常に競争力のある直線性を提供します。 GaAsには、特定の市場ニッチ市場でも独自の効率上の利点があります。ただし、LDMOSの多くの主要なプレーヤーがGaN生産に移行する理由があります。彼らは、キャリアと基地局OEMがサブ6GHz大規模MIMOの目標を達成するのを支援するためにGaNがいかに重要であるかを認識しています。

基地局でのGaNの幅広い採用と、防衛や航空宇宙などの他の業界での幅広い用途により、生産されるGaNの量は年々増加しています。より多くのボリュームはより大きな規模の経済に等しく、GaNをより手頃なソリューションにします。これは、エネルギー効率の向上、フォームファクタの縮小、またはマルチバンドアプリケーションによって達成される節約を考慮に入れていません。直線性も改善するように設定されています。 GaNは、基地局向けの第2世代の製品にすぎないことを覚えておくことが重要です。 LDMOSのような成熟した技術は第15世代にあります。これは、現在GaN分野で最も活発な研究分野であり、業界の多くの人々が短期的に市場をリードする線形効率を期待しています。

GaNをより幅広いアプリケーションから制限する制約に対処するにつれて、システム設計者が半導体を独自のアプリケーションに適用する方法を理解することが重要になります。

組み込み設計者が知っておくべきこと

GaNは、組み込み設計者に多くのパフォーマンス上の利点を提供しますが、材料に固有の設計のベストプラクティスは確かにあります。このシリーズの次の記事では、組み込みシステムの設計者がGaNの可能性を最大限に活用するために知っておくべきことを詳しく説明します。よくある誤解を正し、設計ソリューションを提供し、RFアプリケーションの内外でGaNテクノロジーの次のステップを探ります。

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> ロジャーホール Qorvo、Inc。のハイパフォーマンスソリューションのゼネラルマネージャーであり、ワイヤレスインフラストラクチャ、防衛および航空宇宙、電力管理市場のプログラム管理およびアプリケーションエンジニアリングを主導しています。

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