智芯文庫 | 5G 毫米波技術(shù)及基站解決方案

第三代半導(dǎo)體聯(lián)合創(chuàng)新孵化中心

2021年4月27日 13:41

自 2015 年開始，網(wǎng)絡(luò)逐漸從 4G 網(wǎng)絡(luò)往 5G 網(wǎng)絡(luò)過渡，當(dāng)中最明顯的一個(gè)變化就是網(wǎng)絡(luò)頻率的增加。在 4G 時(shí)代，我們主要使用的 2.6GHz 及以下的頻率，而到了 5G 時(shí)代，頻段已經(jīng)擴(kuò)展到 Sub 6GHz，毫米波的到來更是將網(wǎng)絡(luò) 頻率提升到 28GHz、39GHz 等更高頻段。

進(jìn)入 5G 時(shí)代，另一個(gè)明顯的變化就是頻寬的增加。在 4G 時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)的帶寬都是 2×20MHz，到了 5G 時(shí)代，頻寬則獲得了大幅提升。例如 3.5GHz 網(wǎng)絡(luò)的帶寬就已經(jīng)高達(dá) 200MHz，有些 OEM 廠商更是帶來了 300MHz 和 500MHz 這樣的帶寬。毫米波的引入更是可以將網(wǎng)絡(luò)帶寬擴(kuò)展到 2GHz。

在這種情況下，基站整版效率的改善，也是大家的一個(gè)重要關(guān)注點(diǎn)。

“要達(dá)成設(shè)計(jì)者的目標(biāo)，這就涉及 PA 等關(guān)鍵器件的性能提升。在 4G 時(shí)代，大家在基站里基本都是用 LDMOS 的 PA，而進(jìn)入 5G 時(shí)代，大家都將目光投向了適用頻段更高，效率更優(yōu)的 GaN PA。”Qorvo 無線基礎(chǔ)設(shè)施事業(yè)部工程師經(jīng)理荀穎（Jenny Xun，以下都用 Jenny）說。她進(jìn)一步指出，從產(chǎn)品形態(tài)上看，5G 的基站較之以往網(wǎng)絡(luò)的同類產(chǎn)品有了前所未有的轉(zhuǎn)變。在 4G 時(shí)代，基站的布置都是以宏基站搭配微基站配置為主流。但進(jìn)入 5G 時(shí)代，基站形態(tài)更加多樣化。sub 6G mMIMO，室內(nèi)小基站以及 mmWave 基站將會(huì)在其中發(fā)揮重要的作用，這也給廠商們帶來了機(jī)會(huì)。

“天線陣列的變化則是 5G 的另一個(gè)明顯轉(zhuǎn)變。在 4G 時(shí)代，基站最多使用 8×8 的陣列，但到了 5G，陣列擴(kuò)展到 32×32，甚至 64×64，有些毫米波應(yīng)用場(chǎng)景的天線陣列更高。”Jenny 說。

在這些技術(shù)轉(zhuǎn)變背后，伴隨而來的是相關(guān)市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)。

如上圖所示，5G 帶來了各種各樣的需求，其中毫米波 RU 的出貨量更將獲得明顯的增長(zhǎng)。下圖則給我們帶來了這個(gè)市場(chǎng)的詳細(xì)表現(xiàn)。

從地域上看，在 2025 年之前，主要以北美市場(chǎng)為主，這與美國(guó)現(xiàn)在已經(jīng)商用了 5G 毫米波有很重要的關(guān)系。而在 2025 年之后，我們可以看到，隨著中國(guó)、日本和韓國(guó)的加大投入，亞太地區(qū)將會(huì)迎來 5G 毫米波 RU 的爆發(fā)。下圖還從功率和架構(gòu)這兩個(gè)不同角度，展示了 5G 毫米波 RU 的發(fā)展趨勢(shì)。

Jenny 在會(huì)議上指出，按照發(fā)射功率和掃描角的需求，我們可以把 5G 毫米波的應(yīng)用分成以下幾種：一種是高功率的城市宏基站，這種場(chǎng)景下對(duì) EIRP 的要求很高，達(dá)到 65dBm。其對(duì)垂直和水平的掃描角度也有嚴(yán)格要求；另一種用例則是面向農(nóng)村的高功率宏基站，這種用例同樣有高功率的 EIRP（65dBm），但在這種用例下，對(duì)垂直方面的掃描要求沒那么高；第三種是低功率的室外宏基站，其 EIRP 需求只有 45dBm；此外，還有一種是室內(nèi)的小基站和 Repeater，這種用例對(duì) EIRP 的需求范圍是 45dBm 到 52dBm。

“我們可以做出預(yù)測(cè)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋永遠(yuǎn)是領(lǐng)先于容量需求的。為此我們需要先解決 5G 毫米波的信號(hào)覆蓋需求，才有可能迎來市場(chǎng)容量的提升。”Jenny 說。

Jenny 進(jìn)一步表示，從下圖，我們可以看到 Sub-6GHz 和毫米波的混合組網(wǎng)形態(tài)。當(dāng)中 Sub-6GHz 網(wǎng)絡(luò)是用來保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋和基本的連接，讓人無論走到哪里都能獲得 5G 信號(hào)。頻率大于 6GHz 的毫米波頻段則是用來滿足如體育場(chǎng)、大型商場(chǎng)和飛機(jī)場(chǎng)等大吞吐量的應(yīng)用場(chǎng)景。

“面對(duì) 5G 的多樣化布網(wǎng)需求，Qorvo 的多樣化產(chǎn)品布局能夠給開發(fā)者提供全方位的支持”，Jenny 說。從她的介紹我們得知，首先在工藝上，Qorvo 能提供包括 GaAs、GaN、BAW、TC-SAW、SOI、SiGe 和 CMOS 等在內(nèi)多種工藝，可以制造滿足 5G 頻段需求的各種射頻器件；來到封裝方面，Qorvo 同時(shí)還有塑封、空腔等封裝技術(shù)，滿足各種器件的不同封裝需求。

接下來，我們以 5G 給 PA 設(shè)計(jì)帶來的挑戰(zhàn)為例，說明 Qorvo 在射頻領(lǐng)域方面的實(shí)力。

如下圖所示，隨著網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)，信號(hào)帶寬大幅度提升，這就給 PA 的線性提出了更高的要求。在這個(gè)過程中，PAR 也在同步增加，要在這種情況下保證信號(hào)回退的效率，這同樣給 PA 的效率提出了更高的要求。此外，因?yàn)檩d波聚合、熱功耗和尺寸的需求，5G 給 PA 設(shè)計(jì)帶來了前所未有的新挑戰(zhàn)。

“為此，我們不但要求 PA 擁有更高的效率和頻率，同時(shí)還要求有更大的視頻帶寬，同時(shí)還需要有更好的寬帶線性化技術(shù)。在這種場(chǎng)景下，GaN PA 就能發(fā)揮重要作用”，Jenny 說。

如上圖所示，運(yùn)營(yíng)商在實(shí)際工作中，希望擁有更低的運(yùn)營(yíng)成本、更低的資本支出、更高的可靠性、更高的數(shù)據(jù)吞吐，這正是 GaN 解決方案所具備的。從下圖，我們更是看到基站在不同場(chǎng)景下對(duì)不同工藝的需求，作為一個(gè)行業(yè)專家，Qorvo 能夠提供全面的技術(shù)覆蓋，幫助客戶解決相關(guān)問題。由此圖也可以看到 GaN PA 在 5G 時(shí)代的重要意義。

熟悉 GaN 的讀者應(yīng)該知道，當(dāng)前的氮化鎵器件有不同的襯底，其中 Qorvo 專注的 SiC 基 GaN 在 PA 應(yīng)用上擁有巨大的價(jià)值，當(dāng)中就包括了高效率、高帶寬和協(xié)助打造小尺寸設(shè)備的特點(diǎn)。這主要與 SiC 基 GaN 擁有更低的寄生電容、更低的 RF 損耗、更高的擊穿電壓和更好的熱傳導(dǎo)性有關(guān)。Qorvo 的 GaN 器件，則能更好的體現(xiàn)上述的 GaN 優(yōu)勢(shì)。Qorvo 還能根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景需求，提供不同的方案以供選擇，這從下圖可以看到。

“基于這些技術(shù)布局，Qorvo 能夠?yàn)榭蛻籼峁└采w多個(gè)頻段的，包括 FEM、PA、開關(guān)和 LNA 在內(nèi)的各類產(chǎn)品。此外，技術(shù)更優(yōu)的集成化方案也是 Qorvo 發(fā)力的一個(gè)方向。這些方案在成本上和功耗上有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，也能幫助客戶更快地把產(chǎn)品投入市場(chǎng)，這恰好都是客戶所需要的”,Jenny 在會(huì)議上指出。

從發(fā)展歷程上看，Qorvo 的 PA 已經(jīng)進(jìn)行了多次的演進(jìn)，那么驅(qū)使其進(jìn)步的背后驅(qū)動(dòng)力是什么？在談到這一點(diǎn)的時(shí)候，Jenny 表示，這主要與公司對(duì) PA 要達(dá)成的目標(biāo)有一貫的堅(jiān)持——那就是希望公司的 PA 能夠擁有高功率和高效率，用較小的陣列去實(shí)現(xiàn)高 EIRP，進(jìn)而帶來更大的覆蓋范圍。所以，實(shí)現(xiàn)較小的陣列尺寸和更小的整板功耗，是 Qorvo 做產(chǎn)品研發(fā)的時(shí)候所重點(diǎn)關(guān)注的。

“同時(shí)擁有高輸出功率和高效率，是我們對(duì) PA 的最根本要求”，Jenny 強(qiáng)調(diào)。而從下面的兩個(gè)圖的對(duì)比，我們更清楚了解了 Qorvo 產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)。

智芯文庫 | 5G 毫米波技術(shù)及基站解決方案的圖13

從上面的介紹我們可以得出結(jié)論，GaN 在射頻應(yīng)用中有其他材料無法比擬的優(yōu)勢(shì)，通過不同材料的對(duì)比，我們能更清楚看出了這種材料的領(lǐng)先。

智芯文庫 | 5G 毫米波技術(shù)及基站解決方案的圖15

作為一個(gè)領(lǐng)先的射頻系統(tǒng)方案供應(yīng)商，Qorvo 面向 5G 毫米波需求提供了領(lǐng)先的 PA、FEM 和 LNA 等射頻器件產(chǎn)品。針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，Qorvo 也能提供不同的解決方案。

智芯文庫 | 5G 毫米波技術(shù)及基站解決方案的圖17

| 來源：Qorvo半導(dǎo)體

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