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5G通信对未来射频器件的新要求

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-06-06 09:17   来源:材料深一度  浏览次数:455
  5G将带来半导体材料革命性的变化,通讯频段向高频迁移,全频谱接入、大规模天线、载波聚合等技术要求对射频器件性能和设计提出了新的要求。
 
  一、5G通信主要特点
 
  第五代移动通信技术(5G)正在快速发展,提供至少十倍于4G 的峰值速率、毫秒级的传输时延和千亿级的连接能力,开启万物广泛互联、人机深度交互的新时代。
 
  国际电联无线电通信部门(ITU-R)从吞吐率、时延、连接密度和频谱效率提升等维度对5G网络的基本特征做出了规范:
 
  高速率:峰值速率超过10Gbps,用户体验速率可达100Mbps-1Gbps;
 
  低延时:网络延迟降低50倍至1毫秒,远远低于4G时代的50毫秒;
 
  海量链接:连接密度从目前的10万/平方公里增至100万/平方公里,相比于4G网络能力呈现指数级的提升;
 
  低能耗:使用5G网络的物联网设备续航时间可达到10年。
 
 
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  二、5G通信对射频器件的要求
 
  5G通信要求更高功率、更高效率、多频段、大带宽、小体积、轻重量,以及高可靠性和更低的成本。具体到射频部分,在网络关键技术方面,5G无线技术中全频谱接入、大规模天线、载波聚合都要求射频部分用新的硬件来实现,这就在基站和移动终端上带来新的硬件增量,另一方面,新的技术提高了射频部分元器件的设计难度,带来元器件单机价值量的提升,5G时代将带来射频部分元器件量价齐升。
 
  全频谱接入需要更多射频器件和更高性能。当5G进入商用阶段后,在一段时间内3G、3G、4G、5G网络同时共存兼容,需要新的射频部分来承担5G通信的功能,增加5G通信功能并不会减少3G/4G射频部分的需求量,5G通信的射频部分为新增量。天线、开关、滤波器、低噪声放大器、功率放大器等都需要重新进行设计,带来元器件个数的提升。另外由于频率提高和调制方式更加复杂,对射频端的器件性能提出了更高的设计挑战,单个元件价值上升。
 
  多载波聚合技术需要更多射频器件。由于每一个射频通道需要使用不同的射频前端和天线部分,需要的上传下载的速率越快,需要的载波数越多,新增的射频器件越多。
 
  5G大带宽、高速率要求射频器件结构升级。5G采用 3GHz 以上的频谱通信,与4G相比,射频最大不同就是采用高频电路。高频电路相比于中低频电路需要从材料到器件,从基带芯片到整个射频电路进行重新考量和设计。
 
  5G高功率、高频率要求功放器件材料升级。目前,无线通信中的射频功率放大器主要有三种材料及工艺器件:GaAs工艺、基于Si的LDMOS工艺、以及GaN 工艺。GaAs器件的缺点是器件功率较低,通常低于50W。Si LDMOS器件的缺点是工作频率存在极限,最高有效频率在3.8GHz以下。
 
 
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  三、GaN材料成为5G应用的关键技术
 
  由于5G高频性能特点对影响功放器件原材料选择提出更高的要求。传统的LDMOS材料竞争力减弱,Si LDMOS技术产品不能运行更高的频带(>3.8 GHz)。GaN 优势主要在于带隙宽度与热导率。带隙宽度方面,GaN 的带隙电压高于 GaAs(3.4 eV VS1.42 eV), GaN 器件具有更高的击穿电压,能满足更高的功率需求。热导率方面, GaN-on-SiC的热导率远高于 GaAs,这意味着器件中的功耗可以更容易地转移到周围环境中,散热性更好。
 
  随着载波聚合(CA)、大规模天线(Massive MIMO)技术的成熟应用,GaN在更高的漏极效率、更大的带宽、更高的击穿电压、高输出阻抗和更高的结温操作等方面具有显著优势,更适应5G工作环境。GaN技术允许器件设计师在保持高频率(比LDMOS的频率高出10%以上)的同时实现宽带宽。特别是在3.5GHz及以上的频段,GaN在转换效率,能量密度上的优势将带动功率放大器逐渐取代LDMOS支撑技术。
 
 
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