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应用GaN技术克服无线基础设施容量挑战

近年来,智能手机在世界范围内慢慢普及,LTE网络也陆续商业化,并未受此影响,全球移动数据的使用也随之增多。根据GSA移动行业分类数据,截至2015年3月,全球LTE用户数量较上年激增151%,超过6.35亿。这种增长势头将持续下去,到2020年,LTE用户数量将达到25亿左右。

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移动网络运营商面临许多挑战。一方面,他们应该对增量用户支持缓慢;另一方面,他们应该尽量减少网络中断,降低成本。多年来,5G网络的容量和数据速率在未来将会大大增加。

但是5G的技术规范还处于定义阶段,至少5年内是不可能部署的。此外,5G可能涉及网络架构的重大变化。为了满足5G到来之前市场对大幅度增加容量的迫切需求,运营商已经开始在不设计新的基础设施架构的情况下,尽一切努力不断扩大4G网络的容量。

他们专注于能够从现有的LTE频谱分配中提供更多容量的技术,以增加销售昂贵的额外频谱的必要性。目前,运营商正在拍摄各种关键的容量和性能升级技术。短期规划以载波单元(CA)为中心,这是LTEAdvanced标准的一个特点。

中期增强技术还包括被称为4.5G、4G或前5G的多种增强技术,包括高阶(至少64X)多用户多输出多输入多输出(MU-MIMO)技术、高阶调制和5GHz频谱的免许可使用。这些中短期支持技术和最终的5G网络将拒绝使用能获得更高功率输入和效率、反对宽带运行和高频带的基站功率放大器(PA)。GaNonSiC的前景历史上,基站功率放大器主要采用硅基垂直扩散金属氧化物半导体(LDMOS)技术。

但更为严厉的拒绝逐渐暴露了LDMOS的局限性,导致很多供应商在大功率基站功放技术上转向GaN。比如功率输入抑制每年都在增加;基站功放的拒斥力从一年前的30W-40W降低到今年的60W,而新一代基站的拒斥力可能在100W左右甚至更多。目前和计划中的支持市场需求也必须能够反对更高频率的宽带功率放大器。

即使在低射频下,LDMOS也没有比特率容差,LDMOS功率放大器的比特率不会随着频率的降低而大幅度增加。虽然低密度聚氧乙烯仅在高达约3.5千兆赫的频率范围内有效,但氮化镓功率放大器长期以来一直能够处理50千兆赫或更高的毫米波频率。此外,氮化镓功率放大器反对更高的比特率,甚至在更高的频率。

目前不存在的两种主要氮化镓技术是碳化硅氮化镓(碳化硅)和硅氮化镓(硅)。GaNonSi具有衬底成本低的优势,可以在硅铸造厂生产,并享有适当的规模经济。然而,GaNonSiC反对低得多的功率密度和高得多的功率输入。

这是因为SiC的导电性更突出:比Si低三倍左右。GaNonSiC功率密度约为5W/mm,约为LDMOS功率密度的7倍。因此,GaNonSiC功率放大器可以在完全相同的尺寸下获得大约两倍的功率输入。因此,GaNonSiC长期以来一直是高功率射频应用的首选技术。

GaNonSiC功率放大器的优势,必然与运营商关注的三个问题有关,即所谓的三个C问题:容量、覆盖、成本。正如我将在本文中描述的,更高的输出功率可以大大提高容量,同时保持蜂窝覆盖。GaNonSiC功放效率更高,可以增加运营商巨额电费,减少风扇问题。

为了更详细地探讨这些优势,我将论证GaNonSiC可能会充分发挥无线网络演进的各个阶段,从运营商单体开始,然后是4.5G,最后是5G。最近,载波小区运营商正处于载波小区(CA)技术部署的早期阶段,这是LTE advanced Standard(3gpp pre layer 10)的一个特性。有了CA,运营商可以通过将至少五个分量载波(每个载波在1.4到20兆赫之间)合并到至少约100米的总带宽中来提高数据容量和吞吐量 CA的一个关键吸引点是,这种技术可以将来自多个频带的分量载波组合在一起(带间(CA)),这样运营商就可以更好地利用分段频谱分配方案。许多运营商享受的互易频谱接近20MHz,因此CA必须赢得对较慢数据服务市场需求的反对。

初始部署时,CA一般只用于上行通信,两个10MHz分量载波合并成总带宽为20MHz。CA通常拒绝使用宽带功率放大器,以防止每个分量载波使用独立的国家功率放大器带来的额外成本和复杂性。罕见的CA组(如频段1(1800MHz)和频段3(2100MHz)拒绝使用比特率小于300MHz的功率放大器。

即使在较高的频率下,氮化镓功率放大器也反对比LDMOS更高的比特率,这是一个关键的优势。氮化镓具有更高的效率,氮化镓功率放大器可以对抗必须由多个窄带低密度聚氧乙烯功率放大器建立的比特率。这两个因素抵消了LDMOS的单位芯片成本优势。CA还拒绝更高的功率输入,以在多个分量载波上构建并行传输。

GaNonSiC功率放大器可以满足多频段功率放大器的典型抑制,其功率输入约为60W以上,反对300MHz以上的比特率。效率对运营成本的影响GaN的效率在帮助运营商控制成本旁边的项目(电费)方面也起着最重要的作用。功放是基站的大功耗。

如果功率放大器的效率只有35%(显然LDMOS功率放大器就是这种情况),那么65%的能量就作为热量浪费掉了。产生的冷不会造成可靠性问题,更小的散热片也不会被剔除,这样产品尺寸也不会缩小。当运营商试图控制能源成本时,他们必须拥有更高效的基站和功率放大器。功率放大器的典型效率已经从四年前的30%-35%提高到今天的60%。

同期,LDMOS功率放大器的效率从30%提高到45%左右,但很难进一步提高。忽略,今天的GaN功率放大器已经建立了55%的效率。中期:4.5G除了CA之外,运营商尽量使用多种不同的技术来支持。这些中期发展将在2016年以后的几年内进行,一般称为4.5G、4G或前5G技术。

大规模多输入多输出使运营商能够提高数据速率和网络容量,因为它可以用于基站和用户设备上的多个天线,以在同一频带中传输多个空间分离的数据流。LTEAdvanced标准定义了最低的88上行链路MIMO连接和最低的44下行链路连接。

同时,还定义了MU-MIMO,通过允许基站与每个东流的不同设备进行通信来搭建支撑系统。未来4.5G将带来更高阶的MIMO,进一步提高网络容量,基站可以同时处理64个或更多的传输数据流。但这不会带来其他一些挑战。

基站必须有更多的功率来驱动64个地下隧道,因此,能效和风扇成为更大的问题,进一步提高氮化镓的效率是非常有价值的。大规模多输入多输出的另一个大问题是复杂性管理。将64个地下通道压缩成一个基站,需要构建一个高级子系统,并将功率放大器、低噪声放大器(LNA)、电源和滤波器印刷到一个灵活的模块中。

为了最大限度地提高施工的性能和效率,这些子系统必须根据不同的工艺技术将几个组件组合在一起。例如,虽然氮化镓功率放大器可以获得必要的功率输入和功率效率,但基于CMOS的低噪声放大器(LNA)可以被构造成最大化接收灵敏度和最小化噪声。必须使用先进的滤波器来防止阻塞附近的频带。

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由于基站的安装方向通常暴露在危险的环境中,不会经历极端的温度和湿度,因此需要能够在温度变化的情况下显示稳定呼叫性能的BAW和声表面波滤波器。高度集成的子系统还可以给基站厂商延长开发和测试时间的优势,因为子系统中的所有组件都已经一起给出并测试过了。 5GHz频谱内的Lte-u运营商试图使用无牌照的5GHz频段进行匹配,以构建流量分流,弥补牌照频率。频带远远超出了LDMOS功率放大器的范围,这类功率放大器的频率允许在3.5GHz以下。

忽略,5GHz几乎在GaN功率放大器的范围内,它的工作频率低很多。高阶调制南北高阶调制可以进一步提高数据速率和网络容量。:真人百家家乐app。

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