了解 5G NR 新無線電

早在 1980 年代，俗話說毫米波長的使用“指日可待，而且永遠都是”?？梢哉f，就在幾年前，你仍然可以提出這個論點。除了Ka波段衛星通信，車輛高級駕駛輔助系統（ADAS）以及一些國防和科學應用外，“那里”并沒有發生太多事情。但是，當毫米波頻率被納入5G新無線電（NR）的標準時，情況發生了迅速變化，這在非常短的時間內開始了連續不斷的顯著成就。

片上射頻系統

例如，多家半導體制造商開發了片上系統 （SoC），其中包括整個射頻 （RF） 信號鏈和有源相控陣天線，該天線在微型封裝中集成了數十個元件。硅鍺（SiGe），雙極互補金屬氧化物半導體（BiCMOS），絕緣體上硅（SoI）甚至磷化銦（InP）都在這些設備上投入使用，那么GaN在哪里適合這個圖景？

這個問題的答案是，GaN可以為毫米波系統提供與較低頻率和相同原因的好處。GaN 在 2000 年代中期風靡全球，因為它的功率密度、效率和承受高擊穿電壓的能力優于硅或氮化鎵 （GaAs）。

功率應用中的氮化鎵

首先以分立形式出現，然后作為單片微波集成電路（MMIC），碳化硅氮化鎵（SiC）已成為許多商業和國防應用的“首選”技術。所有這些優勢對于毫米波長的GaN仍然有效，盡管實現高功率水平并不像在較低頻率下那么重要，因為相控陣可以達到增益，并且可以通過非常小的相控陣在窄波束中引導，它們可以由許多天線元件組成。

GaN的主要優點之一是其功率密度（每單位芯片尺寸可以產生的功率量），明顯高于同類產品。硅器件的功率密度為0.2 W/mm，GaAs達到約1 W/mm，而GaN的（理論）功率密度超過30 W/mm，SiC（用作GaN器件的襯底材料）為10 W/mm。盡管碳化硅基氮化鎵器件在達到30 W/mm之前還有很長的路要走，但目前最先進的碳化硅基氮化鎵器件至少達到了11 W/mm。這可能是一個低估，因為出于顯而易見的原因，制造商將這個指標放在胸前。也就是說，雖然實現巨大的功率密度非常令人印象深刻，但它也會產生同樣巨大的熱量，這些熱量必須從芯片開始迅速分散，并延伸到基板和向外延伸。

為什么GaN的寬帶隙如此重要？

為了使GaN器件能夠在其結溫區內“舒適”地工作并確保長期可靠性，放大器設計人員必須在可實現的目標與商業上可行的目標之間進行權衡。對于當今的大多數系統，最先進的熱管理技術將其限制在約5至7 W/mm2，盡管使用先進（和更昂貴）的基板材料（如金剛石基板和鋁-金剛石基體復合散熱器）可以在一定程度上增加這一比例。

雖然其他競爭者可以在Ka波段實現幾瓦的RF輸出功率，但GaN的高功率密度可以在更高的頻率下以較小的尺寸提供10倍的功率。例如，GaN MMIC已經證明它們能夠在47至90 GHz范圍內產生超過140 mW的功率。

因此，GaN MMIC被用于取代行波管放大器（TWTA）也就不足為奇了，直到最近，行波管放大器是唯一在毫米波長下產生可觀的RF功率的設備。與GaAs贗態高電子遷移率晶體管（pHEMT）相比，它們的功率密度使GaN MMIC能夠減少80%以上的材料需求，因此由于在MMIC和模塊級別降低了片上組合損耗，因此它們可以提供更高的效率。

例如，雷神公司前段時間表示，與砷化鎵MMIC相比，有源電子掃描陣列（AESA）搜索雷達可以在相同的時間內實現五倍的搜索量，使用更小50%的天線陣列尺寸，以相同的靈敏度實現50%的范圍。

GaN的大部分實力來自于它是一種寬帶隙（WBG）材料。WBG器件可以消除目前在AC-DC和DC-AC電力轉換過程中發生的高達90%的功率損耗，工作電壓比硅基器件高10倍，工作溫度高于300°C。

為了更好地理解這些特征，我們需要深入研究物理學?；旧?，固體中的電子存在于結合形成能帶的能級上。頂部的帶稱為導帶，下一個較低的帶稱為價帶。價帶和導帶之間的區域是帶隙。

氮化鎵中的極化電荷

在WBG材料中，當價帶中的電子被外部激發足夠多時，它們可以向上移動到導帶。導體（例如銅）沒有帶隙，因為兩個能帶重疊。絕緣材料的間隙非常寬，以至于需要太多的能量來橋接它。但是半導體更接近導體（因此稱為“半導體”），并允許一定量的能量在價帶和導帶之間交叉。

該能量的量決定了半導體在帶隙層次結構中的位置。參考材料通常是硅，因為它的帶隙為1.1電子伏特（eV）或砷化鎵（1.4eV）。相比之下，GaN的帶隙為3.4 eV，當與具有3 eV帶隙能量的SiC襯底結合使用時，GaN可以實現更高的擊穿和工作電壓。

了解氮化鎵技術

盡管今天GaN的好處是在較低頻率上實現的，但它們在毫米波頻率上的使用正在快速增長，特別是對于在較高頻率下出現威脅的防御系統，需要比低地球軌道對應物更高的有效輻射功率的地球同步衛星以及5 GHz及以上的60G網絡，其中中繼器的使用正在減少覆蓋給定區域所需的小型蜂窩數量。隨著無線行業進入第六代，GaN將發揮更大的作用，因為工作頻率增加到遠遠超過100 GHz，在GaN的最大截止頻率范圍內。

審核編輯：郭婷