5G时代的功率放大器革新：揭秘氮化镓GAN如何引领高效通信

为推动全国5G部署的大规模MIMO（多输入多输出）技术。虽然毫米波频率应用的潜力最终将得到实现，但在未来几年内，5G服务将主要通过Sub-6GHz（6GHz以下）频段传输的信号来定义。为了实现这一点，下一代基站解决方案需要在射频前端（RFFE）性能上进行显著提升。

工程师们被要求开发的基站需要具备更好的RFFE集成、更小的尺寸、更低的功耗、更高的输出功率、更宽的带宽、更好的线性度以及更高的接收机灵敏度。除此之外，还需要满足收发器、RFFE和天线之间更紧密的耦合要求。这是一项非常艰巨的任务。要满足这些需求并成功实施大规模MIMO，唯一的方法是使用小型、高效且成本效益高的功率放大器，这些放大器可用于不断扩展的天线阵列中。Sub-6大规模MIMO的功率放大技术。

运用Massive MIMO技术的AAU自20世纪90年代该技术进入市场以来，横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）器件一直在射频功率放大器领域占据主导地位，特别是在2GHz以下的频段，因其成本低廉而广受欢迎。其最大的竞争对手是砷化镓（GaAs）放大器，后者更适合用于更高频率，但功率传输水平较低，且成本更高。当2G数字移动网络推出时，LDMOS在射频基站市场中取得了主导地位，并一直保持至今。然而，随着3G和4G网络的引入，LDMOS功率放大器的功率效率水平并未达到前几代的水平。尽管通过采用多赫蒂拓扑结构和包络跟踪技术提升了性能，但在2014年中国4G LTE部署期间，设备制造商和运营商开始转向使用氮化镓（GaN）作为下一代射频功率应用的半导体。与其他半导体相比，GaN是一项相对较新的技术，但它已成为高射频、高功耗应用的首选技术，如远距离信号传输或高端功率水平的应用——这使其非常适合用于Sub-6 5G基站。其高输出功率、线性度和功率效率促使网络设备原始设备制造商（OEM）从使用LDMOS技术的功率放大器转向使用氮化镓。如今，LDMOS技术仍在射频基站市场中占据最大份额，但预计在5G大规模MIMO部署中，GaN将继续取代其地位。

自20世纪90年代该技术进入市场以来，横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）器件一直在射频功率放大器领域占据主导地位，特别是在2GHz以下的频段，因其成本低廉而备受欢迎。其最大的竞争对手是砷化镓（GaAs）放大器，后者更适合用于更高频率，但功率传输水平较低，且成本更高。

当2G数字移动网络推出时，LDMOS在射频基站市场中取得了主导地位，并一直保持至今。然而，随着3G和4G网络的引入，LDMOS功率放大器的功率效率水平并未达到前几代的水平。尽管通过采用多赫蒂拓扑结构和包络跟踪技术提升了性能，但在2014年中国4G LTE部署期间，设备制造商和运营商开始转向使用氮化镓（GaN）作为下一代射频功率应用的半导体。

与其他半导体相比，GaN是一项相对较新的技术，但它已成为高射频、高功耗应用的首选技术，如远距离信号传输或高端功率水平的应用——这使其非常适合用于Sub-6 5G基站。其高输出功率、线性度和功率效率促使网络设备原始设备制造商（OEM）从使用LDMOS技术的功率放大器转向使用氮化镓。

GaN的性能优势

GaN的主要优势在于其更高的功率密度。这是由于其导带和价带之间的带隙高于LDMOS技术，从而提供了更高的击穿电压和功率密度。这使得信号能够以更高的功率传输，从而扩大基站的覆盖范围。

GaN功率放大器的高功率密度还实现了更小的封装尺寸，减少了印刷电路板（PCB）空间的需求。在给定区域内，系统设计人员可以产生比其他技术更多的功率。或者，对于给定的功率水平，系统设计人员可以缩小射频前端（RFFE）的尺寸并降低成本。

这种更高的功率密度还允许GaN功率放大器在高达250华氏度的高温下工作——这是硅基技术无法达到的水平。GaN改进的散热性能简化了系统的散热片和冷却需求，进一步减小了尺寸并降低了成本。鉴于移动网络运营商（MNO）面临的基础设施支出巨大，更小、更便宜的设备将极大地推动5G在全国范围内的普及。

GaN提高的功率效率也有助于降低基站运营成本。运营商希望最小化网络功耗，并推动OEM设计系统效率和整体节能。为了满足这一需求，工程师们越来越多地转向GaN。在Doherty功率放大器配置中，GaN在100瓦输出功率下达到了高达60%的平均效率，显著降低了功耗巨大的大规模MIMO系统所需的能源。

GaN在高频和宽带宽下的效率也有助于缩小大规模MIMO系统的尺寸。尽管LDMOS放大器特性的改进允许频率范围高达4GHz，但基于GaN的放大器可以在高达100GHz的频率下实现功率密度高达五倍的提升。更高的效率和输出阻抗，以及更低的寄生电容，使得GaN器件更容易实现宽带匹配和扩展到非常高的输出功率。虽然毫米波应用更为明显，但这也可以通过同时在多个频段上传输来惠及Sub-6的运营商。运营商不需要多个窄带无线电，他们只需要一个服务多个频段的宽带无线电平台。GaN提供了实现这些系统所需的范围和灵活性，同时还能够轻松扩展到提供未来毫米波传输的高频率。

这并不是说GaN总是适用于所有射频功率应用。LDMOS通常价格更低，并在某些频率下提供极具竞争力的线性度。GaAs在某些细分市场也具有自己的效率优势。然而，许多LDMOS领域的主要参与者转向GaN生产是有原因的：他们认识到GaN对于帮助运营商和基站OEM实现Sub-6 GHz大规模MIMO目标至关重要。

由于GaN在基站中的广泛应用，以及在国防和航空航天等其他行业的应用范围不断扩大，GaN的产量逐年增长。产量越多，规模经济效应越明显，使得GaN成为更经济的解决方案。这还没有考虑到提高能源效率、更小尺寸或多频段应用所带来的节省。线性度也有望得到改善。重要的是要记住，GaN在基站领域才第二代产品。像LDMOS这样的成熟技术已经发展到第15代。目前，这是GaN领域最活跃的研究领域，导致业内许多人预计短期内将实现市场领先的线性效率。

随着限制GaN更广泛应用的因素得到解决，现在系统设计人员了解如何将这种半导体应用于自己的应用变得至关重要。

LDMOS VS GAN功放参数对比