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5G 通信的标准化进程仍在快速推进,同时第三代合作伙伴计划 (3GPP) 计划在 2020 年完成第 16 版。ResearchAndMarkets.com 最近发布的一份报告[1]指出,3.4-3.8 GHz 是第一批 5G 启用的主要频段,并估计到 2023 年,70% 的运营商将引入 5G。


其中一项关键技术是大规模多输入多输出 (mMIMO),这对于 5G 实现其蜂窝网络的承诺至关重要。据诺基亚公司首席技术官兼诺基亚贝尔实验室总裁 Marcus Weldon 表示,这一蜂窝网络“永久在线、超可靠、超可用、低延迟、高性能,并且无处不在”。[2] 


什么是 mMIMO?

MIMO已经在一些 4G 基站上得到应用,它通常使用两个或更多的发射机和接收机来同时发送和接收更多数据。而 mMIMO 则通过显著增加单个阵列上的天线数量扩展了这一概念。


例如,爱立信 AIR 6468 使用 64 个发射天线和 64 个接收天线来支持 8x8 阵列的 64 组反馈。其他设备供应商也演示过多达 128 个天线的 mMIMO 系统。


mMIMO 依赖于环境中结构反射的多路径信号传播。借助无线信道估计和信号处理技术,利用了多径传播所带来的空间分集,实现基站与多个用户之间在同一时间和频带资源上的通信。


mMIMO 的主要优势是:

  • 网络容量:通过在多个信号路径上拆分数据包,以及通过使用多用户 MIMO 允许同时有多个用户 (MU-MIMO),mMIMO 增加了网络容量和数据吞吐量。

  • 更好的覆盖:使用 mMIMO 进行波束成型,通过调整信号路径实现移动用户的动态覆盖,从而实现覆盖以适应用户位置。


图 1:mMIMO 通过利用连接用户的多信号路径,来提高覆盖范围、网络容量和速度。


挑战

5G 的更高带宽并不能线性地转化为更高的容量。因为它在描述信道信息承载能力的香农方程 (Shannon’s Equation) 中,与信噪比 (SNR) 呈反比。为了在增加带宽的同时保持信噪比不变,发射功率必须成比例地增加。


mMIMO 有着更多的射频链,需要更多的信号处理资源。这意味着需要更多的硬件以及更高的功率消耗,可能会导致空间和热管理面临挑战。更重要的是,考虑到更高的工作频率,天线之间的空间更小,留给热管理的空间也更少。


碳化硅基氮化镓GaN-on-SiC解决方案

目前,基于硅材料的技术,如横向扩散金属氧化物半导体 (LDMOS) 器件,已广泛应用于无线通信领域。然而,LDMOS 器件有功率密度和高频率限制,无法很好地满足 5G 要求。


这就是氮化镓 (GaN) 晶体管以其低损耗、高频率开关性能而闪光的地方,因为它的终端电容较低,并且缺少具有反向恢复损耗的体二极管。氮化镓 (GaN) 在高导热碳化硅 (SiC) 衬底上的出现,使 mMIMO 部署得以实现,继而促成了 5G。


氮化镓 (GaN) 提供了在所有频率上都高于 LDMOS 的性能,并能实现更高的平均功率和宽带操作。据 Cree 旗下公司 Wolfspeed,与使用 LDMOS 功率放大器的系统相比,在最大平均功率条件下工作时,碳化硅基氮化镓 (GaN-on-SiC) 可以节省 200 瓦以上的直流功率。


除了更高功率密度,碳化硅基氮化镓 (GaN-on-SiC) 的高导热性还将有助于减小芯片尺寸,并且比 LDMOS 需要更少的热管理,从而最终减小系统尺寸和减轻系统重量。如上文所述,这将有效地解决由于硬件密度引起的热问题。


从网络运营商的角度来看,降低功率消耗、减小系统尺寸和减轻系统重量就等于降低成本(点击下方图片传送门,参见碳化硅基氮化镓GaN-on-SiC助力降低 5G 基站成本)。



谁是碳化硅基氮化镓GaN-on-SiC市场引领者?

在建立长期的射频器件 5G 基站供应链时,选择可靠的碳化硅基氮化镓 (GaN-on-SiC) 器件供应商很重要。这一领域的市场引领者是 Wolfspeed。


市场分析公司 Yole Développement 认为,拥有 3,700 多项专利的 Wolfspeed 拥有强大的知识产权地位,特别是在基于碳化硅 (SiC) 衬底的氮化镓 (GaN) 高电子迁移率晶体管 (HEMT) 方面[3]。公司持续加大研发投入,2019 财年研发支出增长24%,达到1.579 亿美元。


Wolfspeed 器件经过长期现场验证,被证明是可靠的。在超过 25 年的时间里,作为电信OEM值得信赖的射频合作伙伴,公司为电信行业提供了数以百万颗计的射频器件产品,并且成为日本、韩国和美国推进 5G 部署的一部分。


了解更多关于 Wolfspeed 面向 5G 基站的碳化硅基氮化镓GaN-on-SiC器件信息,敬请浏览:

www.wolfspeed.com/rf/products/telecom


关于英文原稿,敬请浏览:

www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/mmimo-enables-5g-gan-on-sic-enables-mmimo


参考资料:

[1]. ResearchAndMarkets.com,4G 到 5G:2019 年到 2025 年全球发展、部署、收入模型和预测

https://www.researchandmarkets.com/reports/4791682/4g-to-5g-worldwide-developments-deployments

[2]. Marcus Weldon,5G 时代的新价值创造 

https://www.bell-labs.com/var/articles/new-value-creation-5g-era/

[3]. Yole Développement,2019 年射频氮化镓 – 专利形势分析 

https://www.i-micronews.com/products/rf-gan-2019-patent-landscape-analysis/


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