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射频硅基氮化镓技术为未来无线技术提供动力
录入时间:2025/1/20 14:19:18

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射频硅基氮化镓技术为未来无线技术提供动力

Johannes Schulze and Peter Singerl, Infineon, Neubiberg, Germany

移动数据流量持续增长。爱立信预计,到2029年,移动数据流量(不包括固定无线接入)将增长3倍。1

虽然移动流量预计将成倍增长,但移动网络运营商的收入预计将持平。这是因为所谓的5G"杀手级应用"尚未出现。这意味着客户将继续支付与4G相同的5G合约费用。

这就要求网络运营商和设备制造商在总成本不变的情况下管理更高的数据能力,要求大幅降低每比特成本。这可以通过多种优化来实现。将频段合并到一个无线电设备中,并采用更宽的频段,可减少所需无线电设备的数量。减小无线电设备的尺寸和重量将降低发射塔租赁成本,而减少每个无线电设备的能耗将降低运营商的能源账单。需要使用更高的频段,尤其是在高密度的城市地区。为了以经济高效的方式实现这一目标,无线电基站的网格不应改变。2这就导致工作频率为6-10GHz的无线电设备所覆盖的区域与工作频率为该频率一半的设备所覆盖的区域相同。最后,无线电元件的成本也面临降低初始资本支出的压力。

将这些要求落实到5G无线电设备,射频功率放大器需要支持更高的频率、更宽的瞬时带宽和更高的效率。这些无线电设备还必须能够通过数字预失真(DPD)在低于-50dBc的水平上实现线性化。能够以商业上可行的价格实现这些目标的半导体技术是射频碳化硅基氮化镓(GaN-on-SiC)和射频硅基氮化镓(GaN-on-Si)。

射频GaN-on-SiC

自2010年代末首款5G无线电产品上市以来,碳化硅基氮化镓已逐渐成为射频功率放大器(PA)的首选半导体技术,其市场份额已增至目前电信市场的51%。3碳化硅基氮化镓最初用于军事和太空应用,其性能是关键驱动因素,它提供了从S波段到Ka波段的雷达和通信所需的增益、功率密度和高传输频率。电信的广泛应用增加了需求和产量。许多晶圆厂从3英寸晶圆升级到4英寸晶圆生产,在某些情况下还升级到6英寸,从而将碳化硅基氮化镓晶圆最初较高的成本降低到商业应用更容易接受的水平。

新的晶体管概念(如分级氮化镓铝沟道)最近被证明可提高功率增加效率(PAE)和毫米波频率下碳化硅基氮化镓晶体管的线性度。4一项研究5利用下沉式场板实现了更高的电压能力和增益,同时提高了PAE。一篇论文6介绍了0.25μm射频碳化硅基氮化镓技术,在3.5GHz时达到22dB的最大稳定增益和23GHz的fT。该论文的作者介绍了一种增益大于16dB的Doherty演示器,其在3.4-3.8GHz之间的W-CDMA信号的效率可达49%-55%。

虽然射频碳化硅基氮化镓技术的性能将继续提高,但目前还不清楚产品价格将如何大幅降低。要为全集成MMIC功率放大器铺平道路,使6GHz及更高频率的大规模多输入多输出(mMIMO)无线电设备实现最佳性能和商业可行性,就必须降低产品价格。在7GHz无线电设备中,要聚焦无线电波束并创建与3.5GHz无线电相同的覆盖范围,可能需要500多个天线阵元和128个Tx通道。7这意味着功率放大器的平均价格需要降低。

射频GaN-on-Si性能

2021年11月,英飞凌推出了第一代28V射频硅基氮化镓。8该技术用于5G mMIMO基站收发器(BTS)的射频功率放大器,可在现场可靠运行。英飞凌在三年后推出了第二代产品。这种新工艺是一种完全支持MMIC的28V、0.25μm射频硅基氮化镓技术,在英飞凌硅工厂的8英寸晶圆上制造。

射频硅基氮化镓使用的硅衬底成本较低。使用8英寸晶圆可进一步降低单位面积成本。较低的成本有望以商业可行的价格实现频率高于6GHz的集成射频功率放大器。射频硅基氮化镓可在硅工厂生产,不需要通常用于射频碳化硅基氮化镓工艺的单独生产线。生产设备可与其他工艺共享,从而实现更动态的产量扩展。这有助于降低制造成本的批量依赖性,在整个市场周期内实现可靠、可持续的制造工艺。硅工厂的制造过程与其他硅工艺一样受到严格的工艺控制,因此工艺稳定性高、公差小。

英飞凌的下一代射频硅基氮化镓技术能够显著提高性能,尤其是增益。这些改进主要得益于有源器件采用了先进的场板结构这一颠覆性概念。与第一代器件相比,这一概念降低了寄生反馈电容Cdg。这些晶体管具有更高的稳定性、3-4dB的增益、更低的频率色散和更“Doherty友好”的性能,这对于满足下一代基站部署的带宽和效率要求非常重要。

图1显示了一个测试单元,该单元将展示新技术的器件级射频性能。测试单元包含不同的硅基氮化镓晶体管,驱动器件的栅极外围为1.44毫米,主器件的栅极外围为5.76毫米,峰值器件的栅极外围为11.52毫米。晶体管的栅极焊盘与高Q值金属氧化物半导体电容器(MOS盖帽)用线连接,为晶体管输入侧的二次谐波提供低欧姆阻抗。测试单元是在一个8毫米×12毫米的多层叠片上实现的,其尺寸、材料和叠片层堆叠与用于稍后描述的Doherty PA模块实相同。对于这个Doherty功率放大器,只使用了图1所示的主器件和峰值器件;驱动器件是为未来的功率放大器设计准备的。

 

图1:硅基氮化镓测试单元(cell)。

图2a显示了图1中5.76毫米主功率放大器的史密斯图负载-牵引等值线测量结果,该器件在3.6GHz频率下去掉了20Ω锥形嵌入,3dB转换器(transducer)增益压缩、漏极效率和Pout,参考阻抗为20Ω。图中的三角形标记表示负载阻抗以及相应的最小和最大性能值。负载牵引测量是在漏极电压为28V、静态电流为115mA(栅极外围电流为20mA/mm)的条件下进行的。表1汇总了这一性能。

 

图2:(a) 3.6GHz主放大器在3dB增益压缩时的负载牵引等值线。(b) 5.76毫米主功率放大器的功率扫描。

 

图2b的实线曲线表示ZLmax.DE=(5.3-j1.2)Ω最大漏极效率负载时的功率扫描。虚线表示ZLmax.Pout=(7.8-j6.4)Ω最大输出功率负载时的功率扫描。这些值针对3.6GHz进行了优化,但曲线图显示的是3.4、3.6和3.8GHz的值。

图3以"鼻形图"的形式描述了负载牵引测量数据,显示了3.6GHz时所有应用负载阻抗在3dB增益压缩条件下的漏极效率与Pout的关系。

 

图3:主装置的"鼻形图"负载牵引测量结果。

图1所示测试单元的驱动器和调峰装置的性能在本文中没有明确显示。不过,它们与主器件的性能接近。与5.76毫米的主晶体管相比,Pout性能随器件栅极外围的大小而变化。

射频GaN-on-Si Doherty PA模块

利用图1所示测试单元中的主器件和峰值器件设计了一个8W(平均)的Doherty功率放大器,工作频率为3.5-3.9GHz。功率放大器(包括英飞凌智能偏置和控制集成电路)的尺寸为8毫米×12毫米,采用与器件测试单元相同的多层层压板。这样就能在设计和后续功率放大器调整中使用测量到的负载-牵引数据和器件模型。主器件和峰值器件的外围选择为1:2,以便在5G NR信号为7.5dB PAPR(39dBm Pout)时获得最佳效率和线性度。基波和二次谐波的器件输出匹配以及功率组合网络是通过层压板上的传输线和高质量SMD盖帽实现的。主设备和峰值设备的射频输入信号分离是通过一个3dB块状威尔金森分流器实现的。模块中集成了一个智能偏置和控制集成电路,用于控制Doherty功率放大器的偏置和TDD开关。该模块可在生产周期内通过数字I2C接口进行编程。该功率放大器模块如图4所示。

 

图4:带有英飞凌硅基氮化镓器件以及偏置和控制集成电路的Doherty功率放大器模块。

图5a显示了图4所示Doherty功率放大器模块的增益性能,图5b显示了漏极效率,图5c显示了测得的AM-PM与输出功率的关系。这些结果是在脉冲宽度为200μs和占空比为10%的射频脉冲下测量的。

 

图5:(a)脉冲增益与输出功率的关系。(b)脉冲漏极效率与输出功率的关系。(c) AM-PM与输出功率的关系。

如图5a所示,在平均Pout为39dBm时,增益约为14.5dB,接近已公布的基于碳化硅基氮化镓的Doherty功率放大器在漏极电压从28V升至50V时的最佳值。6如图5b所示,在输出功率为39dBm、带宽为400MHz时,效率超过55%。二次研究表明,这与最好的碳化硅基氮化镓Doherty功率放大器处于同一水平。6,94dB增益压缩时的峰值输出功率大于47dBm,最大AM-PM为23度,平均和峰值功率水平的相位随频率变化约为6度。图5a和图5c所示的平滑增益和AM-PM行为对于高效宽带DPD线性化非常重要。

图6显示了在256-QAM调制、1×100MHz信号带宽、30kHz信号载波间隔和PAPR=7.5dB条件下,针对5G NR FDD信号的三种不同载波频率测量的调制PAE与输出功率的关系。虚线表示非线性化PAE曲线,实线表示使用DPD的线性化性能。在平均Pout为39dBm时,PAE大于50%。

 

图6:PAE与平均P out的关系。

频域线性化性能的评估采用相邻信道功率比ADJmax=max[ADJleft, ADJright]。不同平均功率水平下的结果如图7所示。在39dBm Doherty PA平均Pout时,对于PAPR为7.5dB的100MHz 5G NR信号,线性化ADJmax小于-51dBc。为了评估时域线性化性能,必须考虑5G NR TDD测试信号(NR-TM3.1)的最大符号EVM与输出功率的关系,信号带宽为1×20MHz,信号载波间隔为60kHz,PAPR为8.4dB。图8中的测量结果显示,在功率放大器线性化Pout上,最大符号EVM几乎持平,小于1%。

 

图7:ADJmax与平均输出功率的关系。

 

图8:5G NR-TM3.1测试条件下最大符号EVM与平均Pout的关系。

可靠性

设备的可靠运行是必然的要求。电信基础设施应用中的设备通常必须在苛刻的条件下运行至少10年。如果器件能够承受更高的温度,基站冷却设施就可以更小、更轻,从而降低运营成本。图9显示了这种新型硅基氮化镓技术的MTTF。温度低于200°C时,电迁移是主要的失效机制。这种失效纯粹由工艺的金属化层和连接宽度决定,可以独立于固有晶体管进行扩展。超过200°C时,晶体管的内在失效机制开始占主导地位。对于典型的150°C晶体管工作温度,MTTF为108小时或11,000年,符合使用寿命要求。

 

图9:射频硅基氮化镓技术的MTTF与温度的关系。

虽然目前还没有第二代技术的现场数据,但英飞凌的第一代射频硅基氮化镓器件已在数百万个功率放大器中现场运行,没有出现任何故障,这表明射频硅基氮化镓是苛刻电信应用的合适技术选择。

电源电压

英飞凌射频硅基氮化镓工艺的电源电压为28V,合格电压高达32V。虽然5G mMIMO基站中常用的8-12W功率放大器可采用50V电源设计,但28V的外围设备稍大,输出阻抗较低,因此输出匹配更容易。随着基站频率向6GHz以上发展,发射通道数量增加,功率放大器的平均Pout会降低。如果变换比过大,射频功率放大器中的阻抗变换网络和相关损耗将变得非常棘手,28V成为最佳选择。对于工作频率为10GHz、具有256个或更多发射信道的基站,业界正在讨论更低的12V电源电压。这将进一步提高硅基氮化镓的竞争力。

结论

基站市场的经济驱动力决定了当前和未来射频功率放大器的技术要求是更高的频率、更宽的瞬时带宽和更高的效率。英飞凌的第二代射频硅基氮化镓技术提供了颠覆性的低反馈电容概念,显著提高了增益和"Doherty友好"功率放大器的性能。对于平均输出功率为39dBm的100MHz 5G NR信号,由此产生的Doherty PA的PAE超过50%。这些结果显示了这项技术的前景。在3.6-3.8GHz时的输出功率范围内,Doherty PA的线性化EVM值小于1%。随着8英寸硅制造能力的提高,采用射频硅基氮化镓技术的功率放大器的优势将显现出来,因为5G-A和6G的更高频率要求为MMIC集成提供商业上可行的解决方案。

参考文献

  1. Ericsson, “Ericsson Mobility Report,” June 2024, Web: www.ericsson.com/en/reports-and-papers/mobility-report/reports/june-2024.
  2. Nokia, “Coverage evaluation of 7 - 15 GHz bands from existing sites,” White Paper, April 2024, Web: https://onestore.nokia.com/asset/213702.
  3. Yole Group, “RF GaN Compound Semiconductor Market Monitor Q2 2024,” 2024.
  4. J.-S. Moon et al., “Ultra-Linear and High-Efficiency GaN Technology for 5G and Beyond,” IEEE Topical Conference on RF/Microwave Power Amplifiers for Radio and Wireless Applications (PAWR), 2022.
  5. K. M. Bothe et al., “Improved X-Band Performance and Reliability of a GaN HEMT With Sunken Source Connected Field Plate Design,” IEEE Electron Device Letters, Vol. 43, No. 3, 2022.
  6. B. Grote et al., “High Performance 0.25 μm GaN Technology with Low Memory Effects,” BiCMOS and Compound Semiconductor Integrated Circuits and Technology Symposium, 2023.
  7. Ericsson, “Why cmWave spectrum is expected to be a powerful enabler of 6G and future networks,” 2023, Web: www.ericsson.com/en/blog/2023/6/cm-wave-spectrum-6g-potent-enabler.
  8. I. Nasr, “RF GaN on Silicon: The Best of Two Worlds,” Microwave Journal, Vol. 64, No. 11, Nov. 2021.
  9. S. Sakata et al., “A Fully-Integrated GaN Doherty Power Amplifier Module with a Compact Frequency-Dependent Compensation Circuit for 5G massive MIMO Base Stations,” IEEE International Microwave Symposium MTT-S, 2020.

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