5G 및 GaN:LDMOS에서 GaN으로의 전환

이 시리즈의 이전 기사에서 우리는 전국적으로 5G 구현을 주도하는 Massive MIMO 기술을 검토했습니다. mmWave 주파수 애플리케이션의 잠재력은 결국 실현될 것이지만 향후 몇 년 동안 5G 서비스는 Sub-6GHz 대역을 통해 전송되는 신호로 정의될 것입니다. 이를 가능하게 하려면 차세대 기지국 솔루션은 RF 프런트 엔드 성능을 크게 개선해야 합니다.

엔지니어들은 더 나은 RFFE 통합, 크기 감소, 더 낮은 전력 소비, 더 높은 출력 전력, 더 넓은 대역폭, 개선된 선형성 및 증가된 수신기 감도를 설명하는 기지국을 개발하도록 요청받고 있습니다. 트랜시버, RFFE 및 안테나 간의 더 엄격한 결합 요구 사항을 충족하는 것 외에도 모든 것이 있습니다. 매우 까다로운 주문입니다. 이러한 요구 사항을 충족하고 Massive MIMO를 성공적으로 구현하는 유일한 방법은 이러한 확장 안테나 어레이에 사용할 수 있는 작고 고효율이며 비용 효율적인 전력 증폭기를 사용하는 것입니다.

Sub-6 Massive MIMO 지원

RF 전력 증폭기 공간은 1990년대에 기술이 시장에 출시된 이후 LDMOS(측면 확산 금속 산화물 반도체) 장치, 특히 저렴한 비용으로 인해 2GHz 미만의 주파수로 정의되었습니다. 그것의 가장 큰 경쟁은 더 높은 주파수에 더 적합하지만 더 낮은 전력 전송 수준과 더 높은 비용을 가진 갈륨 비소(GaAs) 증폭기였습니다. 2G 디지털 모바일 네트워크가 출시되었을 때 LDMOS는 오늘날에도 여전히 유지되고 있는 RF 기지국에서 시장 지배력을 달성했습니다. 그러나 3G 및 4G 네트워크가 도입되면서 LDMOS 전력 증폭기는 이전 세대와 동일한 전력 효율 수준에 도달하지 못했습니다. Doherty 토폴로지와 엔벨로프 추적을 사용하여 성능이 향상되었음에도 불구하고 장비 제조업체와 운영자는 2014년 중국 전역에 4G LTE를 배포하는 동안 RF 전력 애플리케이션을 위한 차세대 반도체로 질화갈륨(GaN)을 사용하기 시작했습니다.

GaN은 다른 반도체에 비해 상대적으로 새로운 기술이지만 장거리 또는 고급 전력 수준에서 신호를 전송하는 데 필요한 것과 같이 RF가 높고 전력 소모가 많은 응용 분야에서 선택되는 기술이 되어 Sub에 이상적입니다. -6개의 5G 기지국. 높은 출력 전력, 선형성 및 전력 효율성으로 인해 네트워크 OEM은 PA용 LDMOS 기술에서 질화갈륨으로 전환했습니다. LDMOS 기술은 오늘날 RF 기지국에서 여전히 가장 큰 시장 점유율을 차지하고 있지만 5G Massive MIMO 배포에서는 GaN이 계속해서 이를 대체할 것으로 예상됩니다.

GaN 성능 이점

GaN의 주요 이점은 더 높은 전력 밀도입니다. 이는 높은 항복 전압과 전력 밀도를 모두 제공하는 LDMOS 기술보다 높은 전도대와 가전자대 사이의 밴드 갭 때문입니다. 기지국의 커버리지 영역을 넓히는 더 많은 전력으로 신호를 전송할 수 있습니다. GaN PA의 고전력 밀도는 또한 더 적은 PCB 공간을 필요로 하는 더 작은 폼 팩터를 가능하게 합니다. 주어진 영역에서 시스템 설계자는 다른 기술보다 더 많은 전력을 생산할 수 있습니다. 또는 주어진 전력 수준의 시스템 설계자는 RFFE의 크기를 줄이고 비용을 절감할 수 있습니다.

이 더 높은 전력 밀도는 또한 GaN 전력 증폭기가 화씨 250도의 높은 온도에서 작동할 수 있도록 하며, 이는 실리콘 기반 기술이 도달할 수 없는 수준입니다. GaN의 향상된 열 분산은 시스템의 방열판 및 냉각 요구 사항을 단순화하여 크기와 비용을 더욱 줄입니다. MNO가 직면한 막대한 인프라 지출을 감안할 때 더 작고 저렴한 장비는 전국적으로 5G를 제공하는 데 큰 도움이 될 것입니다.

GaN의 향상된 전력 효율성은 기지국 운영 비용을 줄이는 데에도 기여합니다. 통신 사업자들은 네트워크 전력 소비를 최소화하기 위해 노력하고 있으며 OEM에게 시스템 효율성과 전반적인 전력 절감을 위한 설계를 요구하고 있습니다. 이러한 요구를 충족하기 위해 엔지니어들은 점점 더 GaN으로 눈을 돌리고 있습니다. Doherty PA 구성에서 GaN은 100W 출력 전력으로 최대 60%의 평균 효율을 달성하여 전력이 부족한 Massive MIMO 시스템을 실행하는 데 필요한 에너지를 크게 줄입니다.

고주파수 및 넓은 대역폭에서 GaN의 효율성은 또한 Massive MIMO 시스템을 축소하는 데 도움이 될 수 있습니다. LDMOS 증폭기 특성의 개선으로 최대 4GHz의 주파수 범위가 허용되지만 GaN 기반 증폭기는 최대 5배 높은 전력 밀도에서 최대 100GHz의 주파수를 달성할 수 있습니다. 더 낮은 기생 커패시턴스와 함께 더 높은 효율성과 출력 임피던스는 GaN 장치에 광대역 매칭 및 매우 높은 출력 전력으로의 확장을 쉽게 제공합니다. mmWave 애플리케이션이 더 명확하지만 이는 동시에 여러 대역을 통해 전송함으로써 Sub-6의 캐리어에 이점을 줄 수 있습니다. 통신 사업자에게는 여러 개의 협대역 라디오가 필요하지 않으며 여러 대역에 서비스를 제공하는 하나의 광대역 라디오 플랫폼만 있으면 됩니다. GaN은 이러한 시스템을 가능하게 하는 범위와 유연성을 제공하는 동시에 미래의 mmWave 전송의 고주파수를 제공하도록 쉽게 확장할 수 있습니다.

GaN이 모든 RF 전력 애플리케이션에 항상 올바른 선택이라는 것은 아닙니다. LDMOS는 종종 더 낮은 가격대로 제공되며 특정 주파수에서 매우 경쟁력 있는 선형성을 제공합니다. GaAs는 또한 특정 틈새 시장에서 자체 효율성 이점이 있습니다. 그러나 LDMOS의 많은 주요 업체가 GaN 생산으로 전환하는 데는 이유가 있습니다. 그들은 GaN이 통신 사업자 및 기지국 OEM이 Sub-6GHz Massive MIMO에 대한 목표를 달성하도록 돕는 데 얼마나 중요한지 인식하고 있습니다.

기지국에서 GaN이 널리 채택되고 국방 및 항공우주와 같은 다른 산업에서 응용이 확대됨에 따라 생산되는 GaN의 양이 해마다 증가하고 있습니다. 더 많은 볼륨은 더 큰 규모의 경제와 동일하므로 GaN을 더 저렴한 솔루션으로 만듭니다. 이는 증가된 에너지 효율성, 더 작은 폼 팩터 또는 다중 대역 애플리케이션에서 얻을 수 있는 절감 효과를 고려하지 않은 것입니다. 선형성도 향상되도록 설정됩니다. GaN은 기지국을 위한 2세대 제품에만 있다는 점을 기억하는 것이 중요합니다. LDMOS와 같은 성숙한 기술은 15세대에 있습니다. 현재 GaN 분야에서 가장 활발한 연구 분야이므로 업계의 많은 사람들이 단기적으로 시장을 선도하는 선형 효율성을 기대하고 있습니다.

더 넓은 응용 분야에서 GaN을 제한하는 제약이 해결됨에 따라 이제 시스템 설계자가 자신의 응용 프로그램에 반도체를 적용하는 방법을 이해하는 것이 중요해졌습니다.

임베디드 디자이너가 알아야 할 사항

GaN은 임베디드 설계자에게 많은 성능 이점을 제공하지만 재료에 고유한 설계 모범 사례가 분명히 있습니다. 이 시리즈의 다음 기사에서는 임베디드 시스템 설계자가 GaN의 잠재력을 최대한 활용하기 위해 알아야 할 사항에 대해 자세히 설명합니다. 일반적인 오해를 수정하고 설계 솔루션을 제공하며 RF 애플리케이션 안팎에서 GaN 기술의 다음 단계를 탐색합니다.

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