電信行業負責連接全球數十億人和數百萬企業。電信業的增長是基于新技術，使連接能夠為客戶提供新的和有吸引力的功能，并證明升級和擴展蜂窩網絡基礎設施的投資是合理的。隨著早期4G LTE技術支持的數據通信的出現，通信服務的爆炸式增長使手機和蜂窩網絡在整個發達國家無處不在。下一代電信技術5G有望帶來另一場超越通話，短信和簡單互聯網的連接服務革命，并可能迎來真正的信息時代。

為了提供實現這些新應用要求所需的吞吐量和可靠性，需要新技術。實現這種下一級連接的部分問題是在更高頻率下發送和接收高質量RF信號的成本和復雜性，同時在同一區域內為數量級或更多的其他用戶設備提供服務。可以幫助應對這些挑戰的兩項關鍵使能技術是碳化硅氮化鎵（GaN-on-SiC）功率放大器和大規模多輸入多輸出（mMIMO）天線。

本文旨在為讀者提供與將服務和基站從4G升級到5G就緒和5G技術相關的需求變化和設計挑戰的背景。討論中包括一些關鍵細節，這些細節解釋了mMIMO天線如何成為新常態，以及新的通信技術（如GaN-on-SiC功率放大器）對于部署符合5GPP規范和用戶不斷增長的期望的3G服務至關重要。

5G基站趨勢

許多人可能認為，現在5G的推出已經開始，4G技術即將淘汰。事實并非如此，因為仍有計劃向許多采用較舊4G / 3G技術的地區提供4G服務，并升級和維護4G服務，為未來的5G基站安裝做準備。為4G構建的網絡基礎設施也有可能繼續使用并合并到5G部署中，就像2G和3G合并到4G服務中一樣。因此，4G技術仍有市場，包括用于4G蜂窩頻段的LDMOS功率放大器。

然而，5G服務的建設還需要新技術和新方法，以滿足高度擁擠地區每秒數百兆比特（Mbps）吞吐量的5G期望，同時提高可靠性并減少延遲。因此，關于大規模5G部署的大部分討論和規劃都涉及安裝小型蜂窩，這些小型蜂窩在整個城市和郊區分布得更加密集。此外，目前有4G系統正在從2T2R和8T8R MIMO升級到32T32R和64T64R mMIMO天線，以期利用mMIMO技術來幫助升級4G服務，以滿足5G期望，然后才能部署全頻譜5G（sub-1 GHz，sub-6 GHz和毫米波頻譜）。

這些新的5G基站和5G就緒的4G升級需要更多的天線元件，以及更多的蜂窩發射器。為了將這些新型mMIMO天線的尺寸和重量保持在最小，需要仔細設計和選擇RF組件。減小 mMIMO 天線尺寸和重量的常見設計決策是用具有嵌入式射頻硬件的組合 4G/4G mMIMO 天線替換現有的 5G 天線。這種類型的致密化可以大大降低成本，特別是當它涉及塔空間和風荷載費用時，但它的代價是需要更高功率密度的RF發射器，這些發射器必須非常可靠，以減少由于組件故障而導致的維護和服務故障增加的可能性。

雖然這些擔憂對于6 GHz以下的5G系統很重要，但對于當前的原型和未來的毫米波5G系統來說，它們甚至更令人擔憂。即使對于低于 6 GHz 的 5G 系統，3.5 GHz 至 5 GHz 5G 新無線電 （NR） 蜂窩頻段也比低于 4 GHz 的 3G 蜂窩頻段經歷更大的頻率相關射頻損耗。這些更大的損耗還伴隨著對放大器效率的需求，以解決最新通信技術中使用的更復雜和更高的峰均功率比（PAPR）調制信號。因此，對RF功率放大器的需求更大，這些放大器能夠在幾千兆赫的帶寬上提供高效率，即使在承受更高功率密度的同時也表現出高可靠性，并且具有成本效益和足夠小，可以組裝成帶有嵌入式硬件的緊湊型mMIMO天線。

5G 射頻前端規格

mMIMO 5G 天線系統具有與 4G 許多相似的性能考慮因素，但增加了許多考慮因素和限制以及更嚴格的性能標準。由于 mMIMO 發射 和 接收 天線 放置 在 如此 近 的 位置， 因此 會 更加 考慮 性能 因素， 例如 隔離 和 相鄰 信道 功率 比 （ACPR） / 鄰 道 泄漏 比 （ACLR）。ACPR/ACLR 是衡量發射器向相鄰無線電信道泄漏功率的指標。ACPR/ACLR的主要因素是發射器功率放大器的線性度。線性度更高的功率放大器將表現出更少的失真，從而導致相鄰通道中出現的失真產物更少。

功率放大器的線性度和失真（特別是幅度失真和相位失真）對深度調制的通信信號有其他影響。即使滿足滿足FCC或全球其他電信法規所需的傳輸模板外，過度失真也會導致功率放大器降低自身的傳輸性能。誤差矢量幅度（EVM）是衡量星座點與理想值偏差的指標，是由功率放大器非線性、相位噪聲和放大器噪聲引起的。因此，使用功率放大器技術至關重要，即使在高負載和高溫度下也能保持高標準的線性度和噪聲。

然而，更線性的功率放大器不一定能提供更好的隔離指標——發射器到發射器、發射器到接收器或接收器到接收器。高隔離度對于 mMIMO 系統至關重要，可以防止來自其他空間復用信號的不需要的信號出現在附近的 MIMO 天線元件中。盡管與5G技術一起使用的時域雙工（TDD）不太容易受到發射器到接收器隔離因素的影響，但這仍然不能解決發射器到發射器或接收器到接收器的隔離問題。為了解決隔離問題，必須仔細設計電路和封裝，這只有在大型和高功率元件（如發射器PA）足夠緊湊和通用，足以允許旨在滿足嚴格隔離要求的創造性配置的情況下才有可能。

其他功率放大器考慮因素包括低電流消耗和高功率附加效率（PAE）。由于 mMIMO 天線 系統 需要 發射 器 和 接收 器 陣列， 每 個 元件 的 功耗 和 效率 已 成為 關鍵 的 性能 標準。隨著未來的5G推出計劃包括在整個城市和郊區環境中放置大量密集網絡，從宏蜂窩塔到建筑物的側面/頂部和電線桿，再到路燈和隧道/地鐵結構，這種影響被放大了。隨著更多5G基站的規劃，降低整體功耗的壓力更大，其中發射器的功率放大器是功耗最高的組件之一。

在相同的輸出功率下，高PAE放大器可降低總能耗，但也具有其他有益效果。較高的PAE還表明放大器產生的熱量較少，因為更多的放大器功率用于增益信號能量并且不會轉化為廢熱。更少的廢熱還具有需要較少的散熱材料的好處，這可能會大大增加變送器組件的重量、尺寸和成本。此外，較低的發熱也會導致較低的工作溫度，對于半導體來說，這通常會導致更長的使用壽命，甚至在高負載情況下甚至更高的線性性能。

5G 發射機要求

上述射頻前端規范對5G發射器，尤其是與mMIMO天線系統一起使用的5G發射器提出了重大限制。這就是為什么有廣泛的研究和行業努力來開發功率放大器技術，以滿足5G工作條件下和新的5G頻譜下的這些嚴格要求。傳統的功率放大器技術，如橫向擴散金屬氧化物半導體 （LDMOS） 和砷化鎵 （GaAs） 功率放大器技術，無法滿足 5G mMIMO 系統所需的功率密度、能效、線性度和成本/空間要求。

對于GaAs放大器，這些器件非常適合低噪聲接收器應用，但具有低帶隙電壓。這意味著GaAs放大器必須具有較低的工作電壓，這使得獲得高功率密度具有挑戰性，而GaAs放大器在較高功率水平下效率較低。結果是一個更熱、功耗更高的設備，這對于要求在更高效率水平下實現更高功率密度的 5G mMIMO 應用來說吸引力較小。

雖然LDMOS放大器用于3 GHz以下的高功率應用已有一段時間，但LDMOS放大器的導熱性也相對有限，并且在較高頻率下的效率相對較差。最終，這導致LDMOS放大器使用更多的功率，并在超過3 GHz的頻率下產生更多的熱量，同時還犧牲了其他考慮因素，例如線性度和噪聲（與大多數材料的溫度有關）。

這為新的半導體材料留下了很大的空間，即氮化鎵。關于GaN技術在射頻應用中的炒作很多，在許多方面，GaN器件導致從遠程通信到雷達等設備的性能大幅提高。這是因為GaN在功率放大器品質因數（PAFOM）方面通常優于大多數其他常見半導體材料，即功率密度、可靠性、導熱性、線性度和帶寬。

GaN半導體有一些細微差別，因為GaN通常在絕緣基板上外延開發。因此，GaN器件可以使用各種襯底，例如藍寶石，硅（Si），碳化硅（SiC），GaN甚至金剛石。由于工藝成熟度、成本和其他設計限制，用于射頻應用的氮化鎵通常以硅基氮化鎵或碳化硅氮化鎵的形式廣泛提供。

出于與GaN在高頻RF應用中優于基于硅的LDMOS器件的原因大致相同，在5G mMIMO應用中，SiC上的GaN優于Si上的GaN。與硅上氮化鎵相比，SiC上的GaN的大部分性能優勢源于SiC是一種更堅固的材料，具有更好的導熱性和與GaN更好的晶格匹配。這意味著在高負載下，SiC上的GaN可以比Si上的GaN運行得更熱，磨損更少，功率效率更高。此外，這意味著對于相同的功率輸出，SiC上的GaN功率放大器可能比Si器件上的GaN更小，需要更小的散熱器。此外，GaN在SiC上的可靠性已經過美國國防部（DoD）和航空航天應用的全面審查和批準。

結論

4G和5G系統的部署可能會利用mMIMO技術，為對現代通信服務抱有更高期望的客戶提供最佳的覆蓋范圍和容量。與硅基氮化鎵和LDMOS技術相比，SiC基氮化鎵功率放大器技術為mMIMO系統提供了最佳的性能和成本要求。

審核編輯：郭婷