氮化镓技术助力点到点微波性能的提高 留言

氮化镓技术助力点到点微波性能的提高

GaN Powers Microwave Point-to-Point Radios

Kristoffer Andersson、David Gustafsson和JonasHansryd，爱立信，瑞典哥德堡

砷化镓(GaAs)一直是微波高性能功率放大器和低噪声接收机放大器的关键技术，然而近期氮化镓(GaN)技术的成熟为大幅改进系统性能提供了可能。GaN的高介电击穿特性可以支持更高的漏极电压，以提供更高的功率密度。借助GaN可显著提高微波设备的射频转化效率和最大输出功率，以降低网络的总拥有成本。如今，基于GaN的单片微波集成电路(MMIC)正在被逐步引入到商用微波射频单元中。

目前，移动电话的用户数已经与全球人口数相当，而其总数量（包括物联网设备）的增速还在继续加快。高性能微波设备是成功大规模快速部署移动网络的关键推动力之一。预计到2020年，65%的无线基站（不包括中国、日本、中国台湾和韩国）将通过微波设备连接。¹

微波设备的主要优势是部署快和总拥有成本(TCO)低。影响TCO的两个重要参数是功耗和系统增益。增加系统增益的好处可以在保持容量和链路可用性不变的情况下使用更小的天线。TCO通常取决于站点租金，其占总TCO的30%至50%²。小天线尺寸可减少电信塔的风荷，从而降低租金成本，并为其它无线设备留出空间。

微波系统中的许多器件都能够改进系统性能，例如高增益/高效率功率放大器(PA)、低噪声接收机放大器(LNA)，同时纠错码能够再生输入信号并减少干扰因素，如干扰、噪声和杂散。

微波设备的可用频段范围为6至70/80 GHz，总可用带宽为40GHz。对于传统微波频段（6至42 GHz），可用信道带宽最少为几MHz，而最高可高达112MHz。在70/80GHz，信道带宽大于1GHz。为了高效地利用可用频谱，新式的微波系统通常支持高达4096-QAM的调制格式。图1展示了全球各地微波应用所使用的不同频段。最常用的频段为15至23 GHz。

图1：微波无线市场份额 vs 频段 vs 地区³

GaN MMIC技术

GaN的突出优势包括高输出功率密度和支持高电压。从功率放大器的角度而言，GaN是一项革命性的技术。与GaAs相比，相同尺寸的晶体管可提高输出功率至少四倍。功率密度越高意味着电路的复杂性越低，从而可实现更高的效率和更高的带宽。多家半导体公司现已采用GaN MMIC技术提供高性能的工艺，支持制程小于150nm，从而使得高于40GHz的高性能MMIC成为可能。

图2展示了GaN功率放大器相对于其它半导体技术的巨大潜力。该图显示了采用3种不同半导体技术（GaN、GaAs和 silicon CMOS/SiGe）的已发布的功率放大器的最大输出功率与频率的关系。虚线表示各种技术的输出功率相对于工作频率的关系。

图2：分别采用硅、GaAs和GaN技术的已发布功率放大器的输出功率

在微波点到点设备中大规模采用GaN技术的主要障碍是晶片价格、封装和陷印（trapping）带来的记忆效应。当前一代GaN MMIC依托半绝缘碳化硅(SiC)衬底制造。该技术能够提供最高性能，但价格较高。如今，该行业正在向6英寸SiC衬底迁移，使其成本降低到与GaAs类似的水平。为了进一步降低成本，多家公司正致力于硅基氮化镓(GaN-on-Si)技术。GaN-on-Si不如GaN-on-SiC成熟，而且性能也不如后者高。一个原因是与SiC相比，Si的导热率较低。

对于电信设备而言，有机包覆成型（overmold）封装是主流技术，原因是这种技术成本低、可靠性高。然而，目前只有极少数供应商提供的GaNMMIC经过必要的表面钝化以支持有机包覆成型封装。

GaN晶体管中的陷印可能导致毫秒到秒级的记忆效应¹⁹。该效应可表现为在高输出功率事件后出现小信号增益的突然变化。相对于输出功率变化不太快的微波链路而言，具有脉冲流量模式的无线基站更容易出现上述问题。

微波功率放大器

功率放大器的最高效率出现在以峰值功率输出的时候，而降低输出功率会显著降低效率。从功率放大器的线性特性角度考虑，则正好相反，在低输出功率时可表现出最佳的线性。为了提高功率放大器的效率，数字预失真(DPD)技术被广泛用来补偿功率放大器非线性特性。

无线基站的功率放大器通常把效率作为最重要的指标；高达50%至70%的功率附加效率并不罕见。DPD技术被用来补偿线性特性。

对效率的关注源于这些基站系统的高输出功率需求（平均为100W）。即使小幅提高功率附加效率也可以大大减少功耗和冷却需求。

用于点到点通信的微波无线设备的功率放大器需要支持高阶调制方案（高达4096-QAM）。DPD系统通常被用于实现高阶调制而非提升效率。GaAsMMIC放大器的最大饱和输出功率在10GHz时为40dBm，在86GHz (E-Band)时降至26dBm。相关的最高效率在10GHz时为35%，在86GHz时为约15%。对于线性区（即比饱和值低10dB），这些效率迅速下降到不到10%（3%至10%，具体取决于工作频率）。这些功率水平体现出商用设置下可实现的水平。寻求更高的输出功率会增加成本和功耗。

对于大多数点到点频段而言，有许多种有机封装GaAs MMIC功率放大器。对于较低的频率，饱和输出功率通常在2至4W的范围内，线性操作的功率附加效率略小于5%。表1显示了商用封装GaAs功率放大器的典型性能。该表取自供应商的数据表，展示了点到点放大器的当前状态：以牺牲效率为代价的线性。

高效的点到点通信功率放大器

无线基站配备Doherty功率放大器已有一段时间，此类放大器在饱和与回退时都可提供高效率^7,8。在最基本的形式中，Doherty放大器使用两个并联的放大器分支（即载波放大器和峰值放大器）来提高回退效率。载波放大器通过阻抗逆变器连接到峰值放大器，后者再连接到负载。这种在低功率下的布置对于载波放大器而言意味着高阻抗，阻抗会随着功率的增加而减小。这种负载调制可确保载波放大器在较宽的输出功率范围（通常为6dB或以上）内以近饱和输出（效率同时最高)。

虽然理论上Doherty放大器是线性放大器，但实际实现时不可避免地会出现非线性问题。因此，无线基站还配备了提供线性补偿的DPD。

原文始发于微信公众号（actMWJC）