5G y GaN:el cambio de LDMOS a GaN

En el artículo anterior de esta serie, revisamos las tecnologías Massive MIMO que están impulsando la implementación de 5G en todo el país. Si bien el potencial de las aplicaciones de frecuencia de ondas milimétricas eventualmente se hará realidad, durante los próximos años, el servicio 5G se definirá mediante señales transmitidas en bandas de Sub-6GHz. Para que esto sea posible, las próximas generaciones de soluciones de estaciones base requerirán mejoras significativas en el rendimiento de la interfaz de RF.

Se pide a los ingenieros que desarrollen estaciones base que tengan en cuenta una mejor integración RFFE, reducciones de tamaño, menor consumo de energía, mayor potencia de salida, ancho de banda más amplio, linealidad mejorada y mayor sensibilidad del receptor. Todo eso además de satisfacer los requisitos de acoplamiento más estrictos entre el transceptor, RFFE y la antena. Es una tarea muy difícil. La única forma de satisfacer estas necesidades e implementar con éxito Massive MIMO será con amplificadores de potencia pequeños, altamente eficientes y rentables que se puedan usar en estos conjuntos de antenas en expansión.

Alimentación de MIMO masivo Sub-6

El espacio del amplificador de potencia de RF ha sido definido por dispositivos semiconductores de óxido de metal de difusión lateral (LDMOS) desde que la tecnología ingresó al mercado en la década de 1990, particularmente en frecuencias por debajo de 2 GHz debido a su bajo costo. Su mayor competencia provino de los amplificadores de arseniuro de galio (GaAs) que eran más adecuados para frecuencias más altas, pero con niveles de transmisión de potencia más bajos y costos más altos. Cuando se implementaron las redes móviles digitales 2G, LDMOS logró el dominio del mercado en la estación base de RF que aún mantiene en la actualidad. Sin embargo, a medida que se introdujeron las redes 3G y 4G, los amplificadores de potencia LDMOS no han alcanzado los mismos niveles de eficiencia energética de las generaciones anteriores. A pesar de los aumentos de rendimiento derivados del uso de topologías Doherty y seguimiento de envolvente, los fabricantes y operadores de equipos comenzaron a recurrir al nitruro de galio (GaN) como semiconductor de próxima generación para aplicaciones de potencia de RF durante la implementación de 4G LTE en China en 2014.

GaN es una tecnología relativamente nueva en comparación con otros semiconductores, pero se ha convertido en la tecnología elegida para aplicaciones de alta RF que requieren mucha energía, como las que se requieren para transmitir señales a largas distancias o en niveles de potencia de alta gama, lo que la hace ideal para Sub -6 estaciones base 5G. Su alta potencia de salida, linealidad y eficiencia energética han impulsado a los fabricantes de equipos originales de la red a cambiar el uso de tecnología LDMOS para PA a nitruro de galio. La tecnología LDMOS todavía tiene la mayor participación de mercado en las estaciones base de RF en la actualidad, pero se espera que GaN continúe desplazándola en las implementaciones de 5G Massive MIMO.

Ventajas de rendimiento de GaN

La principal ventaja de GaN es su mayor densidad de potencia. Esto se debe a una banda prohibida entre las bandas de conducción y valencia que es más alta que en las tecnologías LDMOS, que proporciona altos voltajes de ruptura y densidades de potencia. Permite transmitir una señal con más potencia que amplía las áreas de cobertura de las estaciones base. La densidad de alta potencia de los PA de GaN también permite factores de forma más pequeños que requieren menos espacio en la PCB. En un área determinada, los diseñadores de sistemas pueden producir más energía que con otra tecnología. O, para un nivel de potencia dado, los diseñadores de sistemas pueden reducir el tamaño del RFFE y reducir los costos.

Esta mayor densidad de potencia también permite que los amplificadores de potencia de GaN funcionen a temperaturas de hasta 250 grados Fahrenheit, un nivel que las tecnologías basadas en silicio no pueden alcanzar. La disipación térmica mejorada de GaN simplifica los requisitos de enfriamiento y disipación de calor de los sistemas, lo que reduce aún más el tamaño y el costo. Dados los elevados gastos en infraestructura que enfrentan los MNO, los equipos más pequeños y menos costosos contribuirán en gran medida a que la 5G esté disponible a nivel nacional.

La mayor eficiencia energética de GaN también contribuye a reducir los gastos de funcionamiento de las estaciones base. Los operadores buscan minimizar el consumo de energía de la red y están presionando a los fabricantes de equipos originales para que diseñen para la eficiencia del sistema y el ahorro general de energía. Para satisfacer esa necesidad, los ingenieros recurren cada vez más a GaN. En una configuración de PA de Doherty, GaN alcanza eficiencias promedio de hasta el 60% con una potencia de salida de 100 W, lo que reduce significativamente la energía requerida para ejecutar sistemas Massive MIMO sedientos de energía.

La eficiencia de GaN a alta frecuencia y en anchos de banda amplios también puede ayudar a reducir los sistemas Massive MIMO. Aunque las mejoras en las características del amplificador LDMOS permiten rangos de frecuencia de hasta 4 GHz, los amplificadores basados ​​en GaN pueden alcanzar frecuencias de hasta 100 GHz con densidades de potencia hasta cinco veces mayores. La mayor eficiencia e impedancia de salida, junto con una menor capacitancia parásita, hace que los dispositivos de GaN sean más fáciles de igualar y escalar de banda ancha a una potencia de salida muy alta. Si bien las aplicaciones mmWave son más obvias, esto puede beneficiar a las portadoras en Sub-6 al transmitir sobre múltiples bandas simultáneamente. Los operadores no necesitarán múltiples radios de banda estrecha, solo necesitarán una plataforma de radio de banda ancha que sirva a múltiples bandas. GaN ofrece el rango y la flexibilidad para hacer posibles estos sistemas, al mismo tiempo que se escala fácilmente para entregar las altas frecuencias de las transmisiones mmWave del futuro.

Eso no quiere decir que GaN sea siempre la opción correcta para cada aplicación de potencia de RF. LDMOS a menudo está disponible a un precio más bajo y ofrece una linealidad muy competitiva en ciertas frecuencias. GaAs también tiene sus propias ventajas de eficiencia en ciertos nichos de mercado. Sin embargo, hay una razón por la que muchos de los principales actores de LDMOS se están cambiando a la producción de GaN:reconocen lo fundamental que es GaN para ayudar a los operadores y a los OEM de estaciones base a lograr sus objetivos de MIMO masivo sub-6 GHz.

Debido a la amplia adopción de GaN en las estaciones base, junto con la ampliación de las aplicaciones en otras industrias como la defensa y la aeroespacial, el volumen de GaN que se produce crece año tras año. Más volumen equivale a mayores economías de escala, lo que convierte a GaN en una solución más asequible. Eso es sin tener en cuenta los ahorros logrados por una mayor eficiencia energética, factores de forma más pequeños o aplicaciones multibanda. La linealidad también mejorará. Es importante recordar que GaN solo se encuentra en su segunda generación de ofertas para estaciones base. Las tecnologías maduras como LDMOS están en la generación 15. Actualmente, es el área de investigación más activa en el espacio de GaN, lo que hace que muchos en la industria anticipen una eficiencia lineal líder en el mercado a corto plazo.

A medida que se abordan las restricciones que limitan a GaN de una aplicación más amplia, ahora es fundamental para los diseñadores de sistemas comprender cómo aplicar el semiconductor a sus propias aplicaciones.

Qué deben saber los diseñadores integrados

GaN ofrece muchas ventajas de rendimiento a los diseñadores integrados, pero ciertamente existen mejores prácticas de diseño que son exclusivas del material. El próximo artículo de esta serie detallará lo que los diseñadores de sistemas integrados necesitan saber para aprovechar todo el potencial de GaN. Corregirá las percepciones erróneas comunes, ofrecerá soluciones de diseño y explorará lo que sigue para la tecnología GaN tanto dentro como fuera de las aplicaciones de RF.

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