5G et GaN :le passage du LDMOS au GaN

Dans l'article précédent de cette série, nous avons passé en revue les technologies Massive MIMO qui pilotent la mise en œuvre de la 5G à travers le pays. Alors que le potentiel des applications de fréquence mmWave sera finalement réalisé, pour les prochaines années, le service 5G sera défini par des signaux transmis sur des bandes inférieures à 6 GHz. Pour rendre cela possible, les prochaines générations de solutions de stations de base nécessiteront des améliorations significatives des performances RF frontales.

Les ingénieurs sont invités à développer des stations de base qui tiennent compte d'une meilleure intégration RFFE, de réductions de taille, d'une consommation d'énergie inférieure, d'une puissance de sortie plus élevée, d'une bande passante plus large, d'une linéarité améliorée et d'une sensibilité accrue du récepteur. Tout cela s'ajoute à la satisfaction des exigences de couplage plus strictes entre l'émetteur-récepteur, le RFFE et l'antenne. C'est une commande très importante. La seule façon de répondre à ces besoins et de mettre en œuvre avec succès Massive MIMO sera d'utiliser de petits amplificateurs de puissance très efficaces et économiques qui peuvent être utilisés dans ces réseaux d'antennes en expansion.

Alimenter le MIMO massif Sub-6

L'espace des amplificateurs de puissance RF a été défini par des dispositifs semi-conducteurs à oxyde métallique à diffusion latérale (LDMOS) depuis que la technologie est entrée sur le marché dans les années 1990, en particulier dans les fréquences inférieures à 2 GHz en raison de leur faible coût. Sa plus grande concurrence provenait des amplificateurs à l'arséniure de gallium (GaAs) qui étaient mieux adaptés aux fréquences plus élevées, mais avec des niveaux de transmission de puissance inférieurs et à des coûts plus élevés. Lorsque les réseaux mobiles numériques 2G ont été déployés, LDMOS a atteint la domination du marché des stations de base RF qu'il détient toujours aujourd'hui. Cependant, avec l'introduction des réseaux 3G et 4G, les amplificateurs de puissance LDMOS n'ont pas atteint les mêmes niveaux d'efficacité énergétique que les générations précédentes. Malgré l'amélioration des performances résultant de l'utilisation des topologies Doherty et du suivi d'enveloppe, les fabricants d'équipements et les opérateurs ont commencé à se tourner vers le nitrure de gallium (GaN) comme semi-conducteur de nouvelle génération pour les applications d'alimentation RF lors du déploiement de la 4G LTE en Chine en 2014.

Le GaN est une technologie relativement nouvelle par rapport aux autres semi-conducteurs, mais il est devenu la technologie de choix pour les applications à haute fréquence RF et gourmandes en énergie, comme celles nécessaires pour transmettre des signaux sur de longues distances ou à des niveaux de puissance haut de gamme, ce qui le rend idéal pour les Sub. -6 stations de base 5G. Sa puissance de sortie élevée, sa linéarité et son efficacité énergétique ont poussé les OEM du réseau à passer de la technologie LDMOS pour les PA au nitrure de gallium. La technologie LDMOS détient toujours la plus grande part de marché des stations de base RF aujourd'hui, mais le GaN devrait continuer à la remplacer dans les déploiements 5G Massive MIMO.

Avantages des performances GaN

Le principal avantage du GaN est sa densité de puissance plus élevée. Cela est dû à une bande interdite entre les bandes de conduction et de valence plus élevée que dans les technologies LDMOS, qui fournit à la fois des tensions de claquage et des densités de puissance élevées. Il permet de transmettre un signal avec plus de puissance qui élargit les zones de couverture des stations de base. La densité de puissance élevée des PA GaN permet également des facteurs de forme plus petits qui nécessitent moins d'espace PCB. Dans une zone donnée, les concepteurs de systèmes peuvent produire plus d'énergie qu'avec une autre technologie. Ou, pour un niveau de puissance donné, les concepteurs de systèmes peuvent réduire la taille du RFFE et réduire les coûts.

Cette densité de puissance plus élevée permet également aux amplificateurs de puissance GaN de fonctionner à des températures pouvant atteindre 250 degrés Fahrenheit - un niveau que les technologies à base de silicium ne peuvent atteindre. La dissipation thermique améliorée de GaN simplifie les exigences de dissipation thermique et de refroidissement des systèmes, réduisant encore la taille et le coût. Compte tenu des dépenses d'infrastructure élevées auxquelles sont confrontés les ORM, des équipements plus petits et moins chers contribueront grandement à rendre la 5G disponible à l'échelle nationale.

L'efficacité énergétique accrue de GaN contribue également à réduire les dépenses d'exploitation des stations de base. Les opérateurs cherchent à minimiser la consommation d'énergie du réseau et poussent les OEM à concevoir pour l'efficacité du système et les économies d'énergie globales. Pour répondre à ce besoin, les ingénieurs se tournent de plus en plus vers le GaN. Dans une configuration Doherty PA, GaN atteint des rendements moyens allant jusqu'à 60 % avec une puissance de sortie de 100 W, ce qui réduit considérablement l'énergie requise pour faire fonctionner des systèmes Massive MIMO assoiffés d'énergie.

L'efficacité du GaN à haute fréquence et sur de larges bandes passantes peut également aider à réduire les systèmes Massive MIMO. Bien que les améliorations des caractéristiques des amplificateurs LDMOS permettent des gammes de fréquences jusqu'à 4 GHz, les amplificateurs à base de GaN peuvent atteindre des fréquences jusqu'à 100 GHz à des densités de puissance jusqu'à cinq fois plus élevées. L'efficacité et l'impédance de sortie plus élevées, ainsi que la capacité parasite plus faible, facilitent l'adaptation à large bande et la mise à l'échelle des dispositifs GaN jusqu'à une puissance de sortie très élevée. Alors que les applications mmWave sont plus évidentes, cela peut profiter aux transporteurs dans le sous-6 en transmettant sur plusieurs bandes simultanément. Les opérateurs n'auront pas besoin de plusieurs radios à bande étroite, ils auront juste besoin d'une plate-forme radio à large bande qui dessert plusieurs bandes. GaN offre la gamme et la flexibilité nécessaires pour rendre ces systèmes possibles, tout en s'adaptant facilement pour fournir les hautes fréquences des transmissions mmWave du futur.

Cela ne veut pas dire que GaN est toujours le bon choix pour chaque application de puissance RF. Le LDMOS est souvent disponible à un prix inférieur et offre une linéarité très compétitive à certaines fréquences. GaAs possède également ses propres avantages en termes d'efficacité dans certaines niches de marché. Cependant, il y a une raison pour laquelle de nombreux acteurs majeurs du LDMOS se tournent vers la production de GaN :ils reconnaissent à quel point le GaN est essentiel pour aider les opérateurs et les équipementiers de stations de base à atteindre leurs objectifs pour le MIMO massif inférieur à 6 GHz.

En raison de la large adoption du GaN dans les stations de base, ainsi que de l'élargissement des applications dans d'autres secteurs comme la défense et l'aérospatiale, le volume de GaN produit augmente d'année en année. Plus de volume équivaut à de plus grandes économies d'échelle, faisant de GaN une solution plus abordable. C'est sans tenir compte des économies réalisées grâce à une efficacité énergétique accrue, des facteurs de forme plus petits ou des applications multibandes. La linéarité devrait également s'améliorer. Il est important de se rappeler que GaN n'en est qu'à sa deuxième génération d'offres pour les stations de base. Les technologies matures telles que LDMOS sont sur la génération 15. C'est actuellement le domaine de recherche le plus actif dans l'espace GaN, ce qui amène de nombreux acteurs de l'industrie à anticiper une efficacité linéaire leader sur le marché à court terme.

À mesure que les contraintes limitant GaN à partir d'une application plus large sont abordées, il devient maintenant essentiel pour les concepteurs de systèmes de comprendre comment appliquer le semi-conducteur à leurs propres applications.

Ce que les concepteurs embarqués doivent savoir

GaN offre de nombreux avantages en termes de performances aux concepteurs embarqués, mais il existe certainement des meilleures pratiques de conception propres au matériau. Le prochain article de cette série détaillera ce que les concepteurs de systèmes embarqués doivent savoir pour exploiter tout le potentiel du GaN. Il corrigera les perceptions erronées courantes, proposera des solutions de conception et explorera les prochaines étapes de la technologie GaN à la fois dans et en dehors des applications RF.

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Roger Hall est le directeur général des solutions de haute performance chez Qorvo, Inc., et dirige la gestion de programmes et l'ingénierie d'applications pour les marchés de l'infrastructure sans fil, de la défense et de l'aérospatiale, et de la gestion de l'alimentation.

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