众所周知,目前针对3G/HSPA和LTE基站市场的PA主要有基于硅的横向扩散金属氧化物半导体 (LDMOS)和砷化镓(GaAs)两种,但LDMOS PA的带宽会随着频率的增加而大幅减少,仅在不超过约3.5GHz的频率范围内有效,GaAs PA是目前市场主流,出货占比占9成以上。随着通讯频段向高频迁移,基站和通信设备需要支持高频性能的PA,GaN射频器件相比LDMOS和GaAs优势逐步突显。
5G带动GaN崛起
由于5G需要大规模MIMO和Sub-6GHz部署,需要使用毫米波(mmWave)频谱。
GaN技术可以在sub-6GHz 5G应用中发挥重要作用,有助于实现更高数据速率等目标。高输出功率、线性度和功耗要求正在推动基站和网络OEM部署的PA从使用LDMOS技术转换到GaN。GaN为5G sub-6GHz大规模MIMO基站应用提供了多种优势:
1.更低的导通电阻,从而实现更低的传导损耗
2.更快速开关的器件可以实现更低的开关损耗
3.更小的电容在对器件进行充电及放电时,可实现更低的损耗
4.需要更少的功率来驱动电路
5.更细小的器件可以减小解决方案于印刷电路板上的占板面积
GAN的缺点
LDMOS依然有优势
以雷达应用为例,在选择工艺时必须考虑不同晶体管技术的优缺点。而对于大功率应用,关键是要根据实际应用要求来决定了使用的工艺技术,而LDMOS就是这些技术之一。
高功率放大器(HPA)通常用于国防、航空航天和气象雷达等,从早期的分立或集成RF功率晶体管开始,一直到现在,已经有好几种有源器件半导体技术用于放大脉冲和连续波(CW)信号,从HF / VHF / UHF到L-,S-,C-和X-波段的频率。
而用于RF /微波HPA的晶体管包括传统的硅双极和硅VDMOS等功率晶体管,以及更新近的LDMOS和氮化镓等技术,另外还有碳化硅(SiC或GaN-on-SiC)高电子迁移率晶体管(HEMT)。根据频率、带宽和其他要求,每种晶体管技术都可以在输出功率、增益和性能方面提供各自的性能优势。
其中,LDMOS是一种比双极晶体管更新的技术,广泛应用于高线性通信以及宽带CW放大器,也是L波段脉冲应用的绝佳选择。
LDMOS非常适合长脉冲和高占空比应用,因为它具有非常低的每瓦特热阻,这也提升了其出色的VSWR耐受特性。然而,与双极和GaN HEMT功率管相比,LDMOS的最大不足之处就是功率效率较差。
但是,与LDMOS相比,GaN HEMT的一个最大缺点就是:它是耗尽型器件,这意味着它不仅需要电压供应,还必须在漏极电压之前施加栅极电压。
选择正确的晶体管技术
应该根据实际应用的要求,例如波形类型、频率、带宽和输出功率水平等来选定功率放大器所需的类型。
如在S波段及以上,SIC基的GaN HEMT真的是唯一选择,而介于两者之间的话,主要挑战就是平衡成本与性能,这方面做起来很难。下图总结了三种晶体管的优缺点,以及在雷达应用中选择时的考量因素。
虽然GaN来势汹汹,但LDMOS仍然有强劲的应用需求,而相应的新产品也在不断涌现,如恩智浦的MRFX系列高功率产品就是其中之一,MRFX系列基于65-LDMOS技术,该公司称该技术具有许多优势。
结语
LDMOS要“死”了吗?答案很响亮:“不”。虽然受到了以GaN为代表的新技术的挑战与冲击,使得LDMOS可能没有它曾经拥有的辉煌了,但在可预见的未来,该技术仍然会存活下去,而且还会活得很好。