|
与GaAs、Si和SiGe相比，GaN技术为卫星通信和5G蜂窝通信等射频功率应用提供了理想的材料特性。如图12所示，由于GaN在2-7 GHz (FR1波段)和毫米波波段(.24GHz, FR2波段)，GaN主导射频功率应用。对于第五代(5G)及以上无线通信，基站发射机需要更宽的信号调制带宽(> 100-400 MHz)。宽卡波段卫星通信也有类似的趋势。功率放大器是大功率无线电发射机中最耗电的部分，因此提高功率放大器的效率一直是研究的重点，也是本节讨论的主题之一。在最近的工作中，先进的节能PA架构(例如，Doherty放大器)与尖端的GaN HEMT器件相结合，显示出了出色的性能图13说明了GaN设备特性对运营商的PA指标和系统级优势的影响，例如更小的占地面积和降低总拥有成本(设备资本、能源和热管理费用)。值得注意的是，射频发射器的紧凑性和热处理是5G大规模多输入多输出(MIMO)和小型蜂窝基站的一些关键系统级要求，其中许多紧凑的射频前端模块，包括PAs(例如，64或256天线元件半波长间隔面板)，作为有源天线安装在城市和郊区的波束形成目的。GaN PA技术在这里显示出自己是一个非常适合的解决方案。
图12：当前高频应用的射频功率器件技术。
在几个新兴的宽带GaN PA技术中，包括连续模式(即j类)、移相、包膜跟踪(ET)和先进的Doherty，这里我们重点介绍了两种有前景的技术:超高速切换模式和人工智能(AI)辅助射频PA。这两种PA架构，结合上述GaN设备的优点，显示出在下一代无线电传输中高效放大宽带无线电信号的巨大潜力，其中动态频谱分配/共享和无线电流量是重要的考虑因素。
如图14所示，在保持所需的线性规格的同时，更高的功率效率是蜂窝应用射频PA进步的主要驱动力。针对不同世代的移动通信提出了各种PA架构。传统的Doherty PAs使用LDMOS和GaN(近年来)已经成为发射机基础设施的主要组成部分，这得益于它们相对简单的实现(即模拟功率分配器和合成器)和30%-40%的竞争功率效率。与下一代RF PA设计相关的许多创新正在发生，如ET PA和数字辅助Doherty放大器，GaN hemt由于其更快和更低损耗的开关特性而被采用，这是基于RF开关的电路设计的关键。有报道称，使用GaN ET电路设计的无线和雷达应用在越来越宽的瞬时信号调制带宽(20-80 MHz)和更高的工作频率上具有良好的结果。
一个5 W的芯片(尺寸为1 x2.4mm2在0.15 μm GaN HEMT工艺中制备了一种先进的软开关ET调制器，也被称为开关buck变换器(SWBC)。软开关采用二极管和电感与GaN fet的输出电容在开关频率共振，如图15(a)所示。软开关最大限度地减少了整体的功率损耗，这与开关频率成正比，因此可以在更高的开关频率上对未来更宽频带调制信号进行高效放大。在开关频率超过10 MHz的情况下，使用Si-LDMOS实现低寄生是非常需要和具有挑战性的。图15(b)显示了软swbc和硬开关BC (Hard-SWBC)的开关频率依赖关系。在200 MHz的开关频率下，被测量的在20 MHz调制信号下，6.5 dB PAPR(峰值平均功率比)的软swbc效率为77%。即使在450mhz的高开关频率下，仍然保持了67%的总效率(与Hard-SWBC相比，>的效率提高了20%)。在3.6 ghz时，包括ET转换器在内的射频PA整体效率超过47%在2020年，FBH报告了一种0.25 μm栅长GaN hemt的包络调制器设计，支持300 MHz调制带宽超宽带调制信号的效率超过60%。GaN开关应用的一个实际挑战是设计栅极驱动级，以高速和高效地正确打开和关闭最后一级。这一直是GaN交换应用的瓶颈之一。一个混合模块实现了一个前置放大器MMIC，一个开关模式驱动级MMIC，和一个带有分立元件的电荷泵，达到900 MHz的开关频率。
GaN Doherty放大器在毫米波波段显示出良好的性能在最近的工作中，GaN Doherty芯片的尺寸为2:7 x1:6 mm2的峰值功率附加效率(PAE)达到23%，在27.5 - 29.5 GHz的频率上，8 dB的回退PAE达到15%。输出功率超过3 W的回退PAE是ka波段(频率27 GHz) MMIC放大器中最高的PAE之一。图16为应用数字预失真技术前，MMIC GaN Doherty芯片在载频为28.5 GHz的64QAM 100 MHz调制信号下的测量输出功率谱。总之，这些研究表明，采用尖端GaN hemt设计的先进PAs是sub-6 GHz和mm-wave波段的强大解决方案。
(a) GaN软开关电路。(b)软开关和硬开关降压变换器的开关频率性能比较。
| 
提升卡
变色卡
千斤顶
