GaNパワーアンプ：Sub-6 GHz 5G Massive MIMOをLDMOSを超えて推進

このシリーズの前回エントリでは、全国的な5G展開を推進するMassive MIMO技術を探りました。mmWaveが高帯域幅性能を約束する一方で、今後数年間は5GがSub-6 GHz展開で大きく定義され、RFフロントエンド能力の飛躍が要求されます。

エンジニアは、RFFEをより緊密に統合し、サイズを縮小し、消費電力を削減し、出力電力を向上させ、帯域幅を拡大し、直線性を高め、受信感度を向上させる基地局を提供しなければなりません。これらすべてを、トランシーバー、RFFE、アンテナ間のより厳密な結合要件を満たしながら達成する必要があります。コンパクトで高効率、コスト効率に優れたPAのみが、これらの要件を満たしMassive MIMOを実用化できます。

Sub-6 GHz Massive MIMOの電力供給

RFパワーアンプの進化は、1990年代以来LDMOSが支配的でした。特に2GHz以下では低コストがデフォルトの選択肢となりました。ガリウム砒素（GaAs）は高周波で競争力のある代替でしたが、出力電力が低く価格が高いという代償を伴いました。LDMOSは2G時代に市場を確保しましたが、3Gと4Gで効率が頭打ちに。Dohertyトポロジーやエンベロープトラッキングなどの進歩にもかかわらず、オペレーターは2014年の中国4G LTE展開時にガリウム窒化物（GaN）へ移行しました。

GaNは比較的新しいですが、Sub-6 GHz 5Gが要求するまさに高出力・高RFアプリケーション向けの好ましい半導体となっています。優れた出力電力、直線性、効率により、OEMはLDMOSからGaNへの置き換えを進めています。現在のRF基地局ではLDMOSが依然として主流ですが、GaNは5G Massive MIMO展開でLDMOSを駆逐する態勢にあります。

GaNの性能優位性

GaNの主な利点は高電力密度で、これはより幅広いバンドギャップによる高い耐圧の結果です。単位面積あたりの電力が増大し、カバレッジ拡大とより小型・低コストなRFFEを可能にします。

GaNパワーアンプは250°F（約121℃）まで動作可能で、シリコンの限界を超えます。優れた熱伝導率がヒートシンク設計を簡素化し、サイズとコストを削減──巨額のインフラ予算を抱えるモバイルネットワークオペレーターにとって重要です。

高効率が運用コストを削減。Doherty構成では、GaNは100W出力で平均効率最大60%に達し、Massive MIMOアレイのエネルギー消費を大幅に削減します。

GaNはワイドバンド性能でも優れます。LDMOSが4GHz程度で頭打ちなのに対し、GaNは最大100GHzまで対応可能で、電力密度は5倍。低寄生容量と高出力インピーダンスがワイドバンドマッチングを簡素化し、単一ワイドバンドPAで複数のSub-6バンドをカバーでき、個別のナローバンド無線機の必要性を減らします。

それでも、特定周波数ではLDMOSがコスト効率の良い選択肢であり続け、GaAsもニッチな利点を持ちます。しかし、業界のGaNへのシフトは、Sub-6 GHz Massive MIMOにおけるその戦略的重要性を強調しています。

GaNの採用は基地局や防衛・航空宇宙など他分野でも加速中。量産拡大が規模の経済を生み、価格低下を促しながらエネルギー、サイズ、マルチバンドメリットを提供。直線性も改善中で、GaNは基地局向け第2世代に過ぎず（LDMOSは第15世代）、継続的な研究がさらなる高性能を約束します。

障壁が薄れる中、システム設計者はGaNの独自特性をどう活用するかを習得する必要があります。

組み込み設計者が知っておくべきこと

組み込み設計者はGaNの強みを活かせますが、材料固有のベストプラクティスを採用する必要があります。このシリーズの次回記事では、設計ガイドラインの解説、通説の払拭、RFを超えたGaNの未来を描きます。

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Roger Hall氏はQorvo, Inc.のHigh Performance Solutionsジェネラルマネージャーで、ワイヤレスインフラ、防衛・航空宇宙、電力管理市場のプログラム管理とアプリケーションエンジニアリングを統括しています。

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