毫無疑問，5G更高的帶寬、更低的延遲和更高的可用性使其非常適合一系列應用。然而，較高頻段，特別是毫米波 (mmWave)，也給實現這些改進帶來了挑戰。因此，功率 IC 制造商正在尋求更高效的技術，例如氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 等寬帶隙 (WBG) 半導體，以提高這些新網絡的性能并降低成本。

毫米波頻段能帶來什么？

首先，它擴展了無線數據通信的頻譜，這有助于增加可傳輸的數據量并降低延遲，其次，它的速度超快。然而業內人士表示，為了提供 20 Gbits/s 的 5G 高數據速率，需要推出毫米波頻譜。

然而，毫米波有幾個缺點：距離超短，信號容易被建筑物、墻壁、樹木甚至下雨等惡劣天氣條件阻擋。

IDTechEx 高級技術分析師，James Edmondson 表示，5G 毫米波的真正好處是高下載速度和低延遲，但缺點是信號傳播較差，因為頻率較高，很容易被窗戶和墻壁阻擋，而且一般距離使其傳播更加困難。

雖然傳統 LDMOS 半導體等硅技術仍可在較低頻率下提供高性能，但毫米波頻率將需要可處理高達 100 GHz 范圍的基于 GaN 的放大器等 WBG 半導體。GaN 半導體利用其更高的密度和效率以及更低的寄生電容，已經在 6 GHz 以下范圍內提供了優勢。但 GaN 在全面應用于毫米波網絡之前仍面臨一些發展挑戰。

5G 有兩種類型：支持中頻（約 3.5 GHz 至 7 GHz）和低頻（<1 GHz）的 6 GHz 以下頻率（目前已部署在移動網絡中）和超高頻段（毫米波），通常用于移動網絡中。被稱為 24 GHz 至 100 GHz 之間，仍處于開發的早期階段。

IDTechEx 表示，由于其高吞吐量和成本，當今大多數 5G 部署都基于 6 GHz 以下。盡管毫米波速度超快，但部署成本仍然太高，而且在視線方面也有缺點。據市場研究公司稱，目前部署了約 100 萬個毫米波天線，預計到 2033 年將達到 5000 萬個。

什么將加速 5G 毫米波部署？

盡管許多行業參與者表示，5G 毫米波部署還為時過早（主要是因為成本），但 GaN 功率器件將在開發更具成本效益的網絡和實現 5G 的承諾方面發揮作用。

快速推進 5G 毫米波的障礙之一是缺乏市場需求。“當 5G 第一次被談論時，有很多殺手級的潛在應用，比如遠程手術和虛擬宇宙，但并不是所有這些都已經起飛，所以目前還缺乏一些市場吸引力，”他說。埃德蒙森.

恩智浦半導體等 GaN 射頻功率 IC 供應商也將需求缺乏視為一項挑戰。恩智浦提供多種射頻功率器件選擇，包括硅基氮化鎵、硅 LDMOS、硅鍺 (SiGe) 和砷化鎵 (GaAs) 技術。

射頻系統總監，Geoff Tucker 表示：“我們看到的是大量的炒作和興趣，因為大量的帶寬已經可用，而且每個人都爭先恐后地推出產品，最初都感到非常興奮，包括恩智浦。”恩智浦半導體無線電電源業務部門的工程師。“在實際出貨量方面，有點失敗。我認為它在網絡中仍然發揮著作用，但到目前為止，它似乎還沒有真正找到自己的定位，無論是移動技術還是固定無線接入。”

然而，他補充說，考慮到大范圍的頻譜（這是行業的黃金），這項技術如何發展，以及它可能的發展方向是恩智浦感興趣的。

盡管當今市場需求不足，功率 IC 制造商仍在努力解決最大的技術挑戰，包括更高的集成度，以提供高效功率放大器，這將有助于降低功耗并縮小無線電和天線的外形尺寸。基于 GaN 的器件位居榜首。盡管他們中的大多數都在研究碳化硅基氮化鎵，但仍有一些針對毫米波的硅基氮化鎵的工作正在開發中。

Yole Intelligence 報告了許多圍繞硅基 GaN 的活動。Yole Intelligence 射頻設備和技術技術和市場分析師 Cyril Buey 表示：“OMMIC 公司正在提議用于 5G 毫米波的硅基氮化鎵波束形成器，預計該解決方案將在未來幾年滲透到市場中。”隸屬于 Yole 集團。“我們還看到初創公司 Finwave 正在為毫米波技術開發 FinFET GaN-on-Si，意法半導體和 GlobalFoundries 也致力于開發 GaN-on-Si 器件，因此在 GaN-on-Si 方面開展了很多活動。”

然而，Yole 對用于 5G 毫米波的 GaN-on-SiC 器件不太樂觀。“Qorvo 擁有毫米波頻率的 GaN-on-SiC 功率放大器產品組合，但目前在 Yole Intelligence，我們還沒有看到使用 GaN-on-SiC 器件的 5G 毫米波產品，”他補充道。

Buey 認為 5G 毫米波應用中的 GaN-on-Si 有空間，但 GaN-on-SiC 則不然，這主要是因為毫米波器件需要高集成度。“最終，碳化硅基氮化鎵可能適用于回程應用，也適用于毫米波頻率，其中系統架構更簡單。”

為什么將 GaN 用于毫米波？

業界眾所周知，SiC 和 GaN 比硅功率器件具有多種優勢，包括更低的開關和更低的傳導損耗。SiC 還可以減少熱管理，而 GaN 可以提供更高的開關頻率。

GaN 的主要優點是其更高的功率密度，從而可以在相同的性能下實現更小的外形尺寸，從而減小總體系統尺寸。這可以讓毫米波基站受益，因為它允許以更大的功率傳輸信號，從而覆蓋更廣泛的區域。

Edmondson 表示，LDMOS 在高達 4 GHz 的頻率下表現良好，但高于該頻率，它的運行效率就開始變得相當低下。“GaN 面臨的巨大挑戰，尤其是最初，更多的是材料的成本，因此硅技術非常成熟且非常便宜。但由于功率密度高，您可以使用更少的材料，因此需要進行一些權衡。通常情況下，GaN 的價格更高，但最重要的是，人們普遍缺乏該材料的行業經驗。”

Tucker 表示：“這里涉及到一些物理原理，但 GaN 的作用是將更多的功率集中到更小的區域，以實現放大器的相同目標，因此，這是一項很好的技術，可以幫助我們提高整體設計的密度。” 。“你仍然需要將所有其他模擬功能放在其中——開關、增益塊、衰減器以及我們決定在給定放大器中添加的任何其他東西——但如果能夠成功完成，它確實可以幫助我們實現小型化。”

毫米波在視線、范圍和信號傳播（高損耗）方面的最大挑戰需要解決。盡管可以使用大規模 MIMO、微型天線陣列和智能有源中繼器等技術來解決其中一些問題，但其中一些答案將需要改變射頻電路和功率放大器。

“當你轉向毫米波時，天線會縮小，這會增加每個設備的功率密度，因此設備內天線元件的實際數量會增加很多，”埃德蒙森說。“你可以看到一個封裝中的數千個天線元件，這實際上意味著每個放大器的功率需求下降。我認為這是我們尚未看到 GaN 在毫米波 5G 中得到廣泛采用的一個重要原因。如果可以不使用現有的硅技術，那么這可能會是更簡單的方法。

“未來毫米波將更多地采用 GaN，但它確實面臨一些額外的挑戰，例如組件集成以及實際上每個放大器的功率需求較少，”他補充道。

最終，技術的選擇（基于硅或基于寬帶隙）取決于應用。“對于天線設計，放大器的規格才是賣給我的，”埃德蒙森說。但與此同時，如果 GaN 器件需要在電路板上安裝或處理熱管理方面進行額外的工作，那么這些顯然是設計上的權衡，他補充道。

塔克說，第一個設計挑戰是無線電本身的架構以及其中加入的功能集，因為它仍處于非常早期的階段。

塔克說，第一代無線電本質上是純線性的，放大器末級沒有利用行業其他地方的高效技術。“這種情況正在慢慢改變，你開始看到這些高頻無線電的效率更高的架構和數字預失真即將上線，但它仍然非常簡單。它遠不如成熟的通信系統那么成熟。”

他補充說，目前的趨勢是提高功率和減少傳輸路徑，這對于 GaN 及其在高頻方面的實際用途非常重要。

塔克還指出成本是一個設計挑戰。“我們看到這些毫米波無線電采用了一種簡單的架構，純粹是模擬波束成形，這可能不是首選的方式。這當然不是我們在 6 GHz 以下使用的。”

塔克解釋說，原因很簡單。他補充說，這些高階類型的發射機具有大量模擬功能，與現代無線電中使用的數字前端進行了大量集成和配對。

恩智浦半導體無線電電源業務部門的設備工程博士， Christopher Dragon 總監說：“恩智浦目前使用的碳化硅基氮化鎵 (GaN-on-SiC) 將非常有競爭力，并且在高達 30-40 GHz 的頻率下工作得非常好，但超過 40 GHz，您將開始失去一些‘卓越’的效率”。

盡管在較高頻率范圍內面臨一些挑戰，但 Christopher Dragon 相信，基于尋求擴展頻率范圍的行業研究，碳化硅基氮化鎵 (GaN-on-SiC) 仍將發揮作用。研究和討論的一個領域是 N 極 GaN-on-SiC。“我認為這項研究將引導我們走向一個行之有效的方向，”他說。

Christopher Dragon 表示，多年來統治基站行業的硅 LDMOS 在大約 2-3 GHz 時開始失去效率，而這正是向 GaN 過渡的地方。“我發現 30 至 40 GHz 范圍內的 GaN-on-SiC 會出現這種情況（效率損失）。”

Christopher Dragon 說，隨著頻率的升高，由于設備中的所有寄生效應，您開始失去效率，這就是消除該技術可用性的原因。“這就是你在嘗試設計功率放大器時遇到問題的地方。你確實需要這些東西才能高效運行，并且需要它們是線性的。功率附加效率將會讓您滿意。”

設計人員還必須考慮熱管理

Christopher Dragon 表示：“GaN 很棒：設備中每毫米外圍都有很高的功率密度，而且確實能產生瓦特功率，但你必須管理所有熱量，這就是 SiC 如此重要的原因。” 。“通常情況下這非常好，但當你接近這些毫米波時，實際上由于幾個原因，關于轉向硅基氮化鎵存在很大的爭論。一是你不再需要 SiC 來散熱，而且硅將比 SiC 上的 GaN 便宜得多。”

“在這些無線電中，散熱仍然是需要重點考慮的問題，因為每瓦面積問題需要解決，并且整個無線電的熱設計仍然非常重要，并且是設計人員需要重點考慮的問題，”塔克補充道。

Christopher Dragon 表示，單片微波集成電路（MMIC）在更高的頻率下也將變得更加重要。他補充說，集成所有這些不同的組件，使它們更具可重復性和可靠性，在更高的頻率下將變得非常重要。

“在越來越高的頻率下，集成變得很重要——我們不能使用傳統的芯片和電線互連，”塔克表示同意。“如果我們采用 GaN-on-SiC 并進行成熟的 MMIC 類型的設計，那將非常昂貴。它對于功率放大器來說可能很棒，但對于這些芯片上的所有其他特性和功能來說卻相當糟糕。因此，在更高頻率下使用 GaN 的秘訣在于，我們如何將其與另一種技術結合起來，以經濟高效的方式支持我們所需的其他模擬功能。”

無論是使用 GaN-on-SiC 芯片和 SiGe 芯片的小芯片類型方法，還是將 GaN-on-Si 集成在更大的芯片上，這一切還有待觀察，但這些都是正在開發中的事情。他補充說，正在為解決這一問題進行研究的會議和大學進行了討論。

“這更難做到，但毫無疑問，隨著頻率的提高，我們會看到更多這樣的事情，”Christopher Dragon說。

“我認為 GaN 在毫米波范圍內占有一席之地，”他補充道。“就研發而言，是否會因為集成件而轉向 N 極或 GaN-on-Si，這些都是有趣的問題，但我認為 GaN 絕對會存在。但傳統的硅 LDMOS 類型根本不會出現。”