5G 支持大量數據，顯著降低延遲，并提供越來越大的帶寬覆蓋范圍，以支持變得更加龐大的物聯網。

5G 是準備為物聯網提供動力的最新一代網絡。運行 5G 的網絡將比現有的 4G 網絡快 20 倍，使視頻下載速度提高 10 倍。氮化鎵 (GaN)、碳化硅 (SiC)和砷化鎵 (GaAs)等高性能功率半導體在 5G 射頻 (RF) 解決方案、無線電力傳輸 (WPT) 和基站電源。為滿足功率要求，OEM 特別轉向 GaN。基于 GaN 的電源系統可以提供一個很好的選擇來支持數據傳輸和能效要求的嚴格要求。

5G 覆蓋的好壞取決于許多因素，包括周圍環境。5G 信號可能會被墻壁、水塔和其他射頻傳播障礙物中斷。寬帶隙半導體、物聯網和無線充電支持的技術成熟將共同為5G基礎設施創造更多技術創新。

氮化鎵技術

與硅相比，GaN 的主要優勢在于其功率密度更高。這是由于導帶和價帶之間的間隙高于 LDMOS 技術，從而提供更高的擊穿電壓。高功率密度允許信號遠距離傳輸，擴大基站的覆蓋范圍。它還支持更小的外形尺寸，在 PCB 上需要更少的空間。因此，設計人員可以在更小的空間內擁有更大的功率，從而降低成本。

高密度特性使得5G中使用的功率放大器（PA）可以在高溫下工作，從而減少散熱器的使用。GaN 的效率最大限度地降低了網絡功耗，同時降低了耗電的大規模 MIMO 系統所需的能量。這種提高的效率 - 結合實現高達 100 GHz 的工作頻率、低寄生電容（與 LDMOS 相比）以及負載和輸出功率方面的可擴展性的能力 - 為 GaN 器件提供了與寬帶系統的自然匹配。

5G和電源管理

為了滿足更低功耗、更小尺寸和更好熱管理性能的需求，基于 GaAs、GaN 和 SiC 技術的射頻功率放大器在 4G 出現期間開始引領潮流。GaN 有望因其改進的功率性能而成為市場主流。GaN 繼續爭奪市場份額，通過縮小與其他更老的硅基技術之間的差距來解決市場所需的許多技術挑戰。

近年來，基于磁共振的 WPT 技術（例如 AirFuel1）因其高工作頻率 (6.78 MHz) 和提供位置靈活性、大間隔距離和多設備充電功能的能力而出現。無線技術是眾所周知的，但發射機的設計、它們的位置、最大化效率的可能性以及驗證整個系統的行為代表了需要使用復雜工程解決方案的復雜挑戰。

5G 網絡的出現將見證大帶寬毫米波頻率的使用。在固定無線接入 (FWA) 應用中，外部網絡單元需要來自內部電源線和適配器的電源。WPT系統可以代替有線解決方案，用于外部網絡單元的電力傳輸，也可以用于5G微型基站和IP攝像機和光網絡終端（光纖到戶）等物聯網設備。

傳統的 WPT 系統由帶有 PA 的恒流 RF 源和用作具有特定特性的發射器 (Tx) 和接收器 (Rx) 的線圈組成。在接收器側，全橋整流器將耦合的射頻功率轉換為直流信號。GaN 技術器件提供了一種 PA 解決方案，它可以在非常寬的阻抗范圍內提供超過 80% 的端到端效率，與有線系統相當。

必須通過提供高耦合系數 (Q) 來優化耦合線圈。發射器線圈的 Q 值應足夠大，以實現高互耦因子，從而將更多功率傳輸到墻壁的另一側。根據GaN Systems團隊的計算，200 × 200 mm 的典型尺寸足以在 250 mm 的距離傳輸功率。GaN Systems 的工程師使用了 EF2 類放大器拓撲以及 T 型加 PI 型阻抗匹配的組合。

用于此應用的 200 × 200-mm Tx 線圈有 5 匝，軌道寬度為 4 mm，均勻間距為 3 mm 以平衡熱性能，如圖 2 所示。此應用的 Tx 和 Rx 線圈為相同的大小。

根據品質因數 (FOM；表示為U )分析線圈，該品質因數由耦合因子k與線圈質量值乘積的平方根 (√[ Q1 × Q2 ])的乘積定義。在這種情況下，Q1 = Q2。對于 200 毫米間隙，當U為 14時，線圈到線圈的效率超過 87% ，并且優化的 Tx 和 Rx 阻抗均約為 30 Ω。使用此等式計算效率，如圖 3 所示：

圖 2：Tx 線圈和硬件（采用 GaN 的 5G）

圖 3：效率與 FOM

技術正在顯著發展。GaN 器件正在取代市場上的 LDMOS 器件，尤其是在 5G 電信基站、雷達和航空電子設備以及其他寬帶應用中。通過專用射頻傳輸的無線電力傳輸在物聯網應用中越來越流行。波束成形是 WPT 技術的圣杯，因為它可以將更高的信號質量傳送到接收器，而無需增加傳輸功率。在此之前，高頻諧振技術將提供有針對性的用戶體驗。

審核編輯 黃昊宇