對于大規模MIMO系統而言，第4代氮化鎵技術和多功能相控陣雷達(MPAR)架構可提升射頻性能和裝配效率——DavidRyan，MACOM高級業務開發和戰略營銷經理解說道，向5G移動網絡的推進不斷加快，無線吞吐量和容量會呈現爆發式增長。在短期內，我們將看到Sub-6GHz無線基礎設施開始部署，以彌補現有4GLTE網絡與未來毫米波(mmW)5G實施方案之間的帶寬差距，后者采用的頻率要遠遠高于6GHz。
Sub-6GHz基礎設施將繼續利用2.5至2.7GHz的大量可用頻譜，同時增加3.3至3.8GHz的頻率，在某些地區甚至達到4.4至5GHz。中國移動計劃于2017年和2018年進行主要試點部署，pre-5Gsub-6GHz基礎設施有望提高傳統手機頻段的頻譜效率，并且在可比較的頻率帶寬范圍內，能夠以比現有4GLTE快10倍的數據速率擴展容量和覆蓋范圍。Sub-6Ghz的5G無線基礎設施將采用波束成形方案進行廣泛部署，采用該方案可以大大擴展網絡覆蓋范圍和建筑內部穿透能力。
5G無線：從Sub-6GHz到毫米波市場機遇與技術挑戰
雖然3GPP聯盟的第一套5G標準(第15版)預計在2018年6月才會獲得批準，而且mmW頻率的5G網絡在幾年之內都不會成為商業主流，但當今正在開發演示系統和前期標準，并且已經實現了一些重要的里程碑節點。早些時候，Verizon和AT&T已經公布了部署5GmmW技術的測試/試驗，主要是針對固定無線應用，旨在與傳統有線電視運營商進行競爭，為每個家庭提供同時觀看多個4K視頻所需的帶寬。5G也可能用于在人口稠密的環境中提供海量容量，例如體育場館和地鐵購物中心。隨著技術的發展，未來的用途將更加明顯。
然而，5G不僅僅表示頻率更高的更快網絡。其關鍵特性之一是，5G將使運營商以新的方式從網絡獲利，并通過聯合網絡切片等新功能來發展商業模式。憑借將物理網絡劃分為幾個虛擬移動網絡的功能，運營商可以利用消費者用戶使用的同一硬件基礎設施，為企業客戶提供廣泛的服務質量(QoS)和安全/加密選項。長期來看，聯合網絡切片功能還可以在運營商之間實現更大的共享平臺，使他們能夠在各個國家之間協調分配網絡資源，從而為用戶提供無縫5G漫游體驗。
大規模MIMO也帶來了巨大挑戰
Sub-6GHz和mmW5G系統將依靠相控陣技術來優化信號鏈路和數據速率，該技術利用了在3D-MIMO(多輸入多輸出)架構中配置的大量天線元件。傳統的基站可容納兩個到八個發射器和接收器，而3D-MIMO系統可配備64個發射和接收(T/R)元件，并且可擴展到128或256個元件。這些陣列天線配置增加了可用的T/R路徑的數量以最大化數據速率，并且實現了對5G價值主張至關重要的高級波束成形功能-不過，這類系統的復雜性和密度為設計和裝配帶來了諸多挑戰。
考慮到在緊密聚集的天線配置中減小元件與元件之間的空間，特別是在較高頻率的條件下減小空間，3D-MIMO系統需要緊湊的前端解決方案。這反過來又產生了與產生顯著射頻功率(在某些情況下，每個元件高達5W)和在小區域中進行散熱等相關的散熱挑戰。
最終裝置的裝配是另一個主要挑戰。64天線陣列將容納64個功放、64個開關和64個低噪聲放大器等器件。如此之多的射頻組件和射頻接口使最終產量面臨很低的風險。當一些基站OEM廠商具備可以組裝數千個組件并在內部處理PCB封裝的生產能力時，其他OEM廠商會選擇采購完全組裝的模塊作為其無線電設備中的功能塊，以降低復雜性和產量風險。通過利用更高級別的組件，可將組件故障定位到各個64個子系統中，因此，與因一個單個故障就會損害由數千個單獨元件組成的組件相比，可以更容易地對電路板進行返工。
第4代氮化鎵優勢
就半導體層面而言，第四代硅基氮化鎵(Gen4GaN)已經作為LDMOS的明確替代者來服務于針對5G部署的下一代基站，尤其對于3.5GHz及以上頻率，LDMOS存在固有技術限制。第四代氮化鎵技術通過4GLTE基礎設施確立了相對于LDMOS的領先優勢，其在功率密度、節省空間和能源效率方面具有顯著優勢，而且還有助于實現優于LDMOS的成本結構。
第四代氮化鎵的原始功率密度比當前LDMOS技術的原始功率密度高百分之十分，每單位面積可將功率提高4到6倍，也就是說，氮化鎵裸片尺寸為LDMOS裸片尺寸的1/6至1/4。第四代氮化鎵具有更高功率密度特性，能夠實現更小器件封裝，因而非常適用于3D-MIMO天線系統。
此外，第四代氮化鎵與LDMOS相比，效率提高了百分之十以上。如果加以適當利用，這種頻效差量能夠在系統層面上對商業5G應用產生巨大影響，特別是對于多封裝層需要專門解決高溫問題的解決方案(例如第四代氮化鎵，能夠使器件工作在較高結溫條件下)的高級裝配，更是如此。
最后要說明的是，器件設計師利用第四代氮化鎵技術可實現寬帶寬，這一點至關重要，運營商可借此過渡到頻段更寬的更高頻率，進而能夠靈活地實現更廣泛的載波聚合頻帶。基于氮化鎵的功放與基于LDMOS的器件相比，支持的帶寬更寬，因而減少了覆蓋5G基站內主要手機頻段所需的部件數量。
MPAR裝配效率
我們知道，就大規模MIMO5G系統的架構和裝配而言，與專用于軍用和民用空中交通管制應用的新一代多功能相控陣雷達(MPAR)系統具有很多相近之處。Sub-6GHz3D-MIMO系統尤其適合采用MPAR設計和裝配策略(假定這兩種技術涵蓋的頻帶范圍均為2.6到3.5GHz)，并且這類系統共用一個64天線架構。
第一代MPAR系統在由成百上千個T/R元件組成的平面配置中采用了可微縮平面陣列(SPAR?)片。MACOM和麻省理工學院林肯實驗室合作開發的SPAR片技術憑借高級射頻裝配以及大規模商業級封裝和制造技術，提供了成本敏感型的全新相控陣雷達系統開發方法。
SPAR片避免使用傳統縫隙陣列架構，而是采用天線元件和射頻波束成形器借此來集成在單個多層射頻板中的平面片式陣列架構。通過這種方式，可使用符合行業標準的制造流程將T/R模塊以SMT形式安裝到PCB，這簡化了系統裝配過程并且最大限度降低了產量風險。這種相控陣實現方式縮短了上市時間，并大幅降低了成本，可推動MPAR技術成為商業應用(如sub-6GHz無線應用)中的主流技術。
對于采用sub-6GHz和mmW頻率的5G系統，其從半導體層面到器件封裝和最終系統裝配，都面臨多種特有的設計挑戰。我們在氮化鎵和相控陣技術(例如MPAR)領域不斷進行創新，這有助于充分挖掘5G的潛力，可使基站OEM利用能夠簡化設計和制造流程的模塊化子系統，在緊湊外形的條件下實現功率輸出和能源效率的最佳平衡。
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