5G發(fā)展對(duì)射頻器件的新要求
5G將帶來半導(dǎo)體材料革命性的變化，通訊頻段向高頻遷移，全頻譜接入、大規(guī)模天線、載波聚合等技術(shù)要求對(duì)射頻器件性能和設(shè)計(jì)提出了新的要求。
一、5G通信主要特點(diǎn)
第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）正在快速發(fā)展，提供至少十倍于4G 的峰值速率、毫秒級(jí)的傳輸時(shí)延和千億級(jí)的連接能力，開啟萬物廣泛互聯(lián)、人機(jī)深度交互的新時(shí)代。
國(guó)際電聯(lián)無線電通信部門（ITU-R）從吞吐率、時(shí)延、連接密度和頻譜效率提升等維度對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的基本特征做出了規(guī)范：
高速率：峰值速率超過10Gbps,用戶體驗(yàn)速率可達(dá)100Mbps-1Gbps；
低延時(shí)：網(wǎng)絡(luò)延遲降低50倍至1毫秒，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于4G時(shí)代的50毫秒；
海量鏈接：連接密度從目前的10萬/平方公里增至100萬/平方公里，相比于4G網(wǎng)絡(luò)能力呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)的提升;
低能耗：使用5G網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備續(xù)航時(shí)間可達(dá)到10年。
5G無線通信產(chǎn)業(yè)鏈
二、5G通信對(duì)射頻器件的要求
5G通信要求更高功率、更高效率、多頻段、大帶寬、小體積、輕重量，以及高可靠性和更低的成本。具體到射頻部分，在網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)方面，5G無線技術(shù)中全頻譜接入、大規(guī)模天線、載波聚合都要求射頻部分用新的硬件來實(shí)現(xiàn)，這就在基站和移動(dòng)終端上帶來新的硬件增量，另一方面，新的技術(shù)提高了射頻部分元器件的設(shè)計(jì)難度，帶來元器件單機(jī)價(jià)值量的提升，5G時(shí)代將帶來射頻部分元器件量?jī)r(jià)齊升。
全頻譜接入需要更多射頻器件和更高性能。當(dāng)5G進(jìn)入商用階段后，在一段時(shí)間內(nèi)3G、3G、4G、5G網(wǎng)絡(luò)同時(shí)共存兼容，需要新的射頻部分來承擔(dān)5G通信的功能，增加5G通信功能并不會(huì)減少3G/4G射頻部分的需求量，5G通信的射頻部分為新增量。天線、開關(guān)、濾波器、低噪聲放大器、功率放大器等都需要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，帶來元器件個(gè)數(shù)的提升。另外由于頻率提高和調(diào)制方式更加復(fù)雜，對(duì)射頻端的器件性能提出了更高的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，單個(gè)元件價(jià)值上升。
多載波聚合技術(shù)需要更多射頻器件。由于每一個(gè)射頻通道需要使用不同的射頻前端和天線部分，需要的上傳下載的速率越快，需要的載波數(shù)越多，新增的射頻器件越多。
5G大帶寬、高速率要求射頻器件結(jié)構(gòu)升級(jí)。5G采用 3GHz 以上的頻譜通信，與4G相比，射頻最大不同就是采用高頻電路。高頻電路相比于中低頻電路需要從材料到器件，從基帶芯片到整個(gè)射頻電路進(jìn)行重新考量和設(shè)計(jì)。
5G高功率、高頻率要求功放器件材料升級(jí)。目前，無線通信中的射頻功率放大器主要有三種材料及工藝器件：GaAs工藝、基于Si的LDMOS工藝、以及GaN 工藝。GaAs器件的缺點(diǎn)是器件功率較低，通常低于50W。Si LDMOS器件的缺點(diǎn)是工作頻率存在極限，最高有效頻率在3.8GHz以下。
5G射頻材料總體需求
三、GaN材料成為5G應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)
由于5G高頻性能特點(diǎn)對(duì)影響功放器件原材料選擇提出更高的要求。傳統(tǒng)的LDMOS材料競(jìng)爭(zhēng)力減弱，Si LDMOS技術(shù)產(chǎn)品不能運(yùn)行更高的頻帶（＞3.8 GHz）。GaN 優(yōu)勢(shì)主要在于帶隙寬度與熱導(dǎo)率。帶隙寬度方面，GaN 的帶隙電壓高于 GaAs（3.4 eV VS1.42 eV）， GaN 器件具有更高的擊穿電壓，能滿足更高的功率需求。熱導(dǎo)率方面， GaN-on-SiC的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于 GaAs，這意味著器件中的功耗可以更容易地轉(zhuǎn)移到周圍環(huán)境中，散熱性更好。
隨著載波聚合(CA)、大規(guī)模天線（Massive MIMO）技術(shù)的成熟應(yīng)用，GaN在更高的漏極效率、更大的帶寬、更高的擊穿電壓、高輸出阻抗和更高的結(jié)溫操作等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，更適應(yīng)5G工作環(huán)境。GaN技術(shù)允許器件設(shè)計(jì)師在保持高頻率（比LDMOS的頻率高出10%以上）的同時(shí)實(shí)現(xiàn)寬帶寬。特別是在3.5GHz及以上的頻段，GaN在轉(zhuǎn)換效率，能量密度上的優(yōu)勢(shì)將帶動(dòng)功率放大器逐漸取代LDMOS支撐技術(shù)。
本文轉(zhuǎn)載于“材料深一度”
