5G的出现促使人们重新思考从半导体到基站系统架构再到网络拓扑的无线基础设施。

在半导体层面上,硅基氮化镓的主流商业化开启了提高射频功率密度、节省空间和提高能效的大门,其批量生产水平的成本结构非常低,与LDMOS相当,远低于碳化硅基氮化镓。与此同时,对于高功率射频应用,氮化镓的用例已经扩展到分立晶体管以外。 随着氮化镓向商用4G LTE无线基础设施的扩展,逐渐实现了规模经济,为氮化镓顺利进入MMIC市场提供了有力支持,从而帮助系统设计人员实现更高水平的功能和设备集成,满足新一代5G系统的需求。

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同时,随着集成射频、模拟和数字电路的射频SoC不断发展,数据处理速度发生了质的飞跃(涵盖极宽频率范围),可利用先进的直接采样功能。在电路板层面上,这消除了与特定频率计划相关的离散数据转换器的需求,从而可实现具备数字灵活性和更多IO的小型系统。

在网络节点层面上,5G数据吞吐量要求重新审视了负责卸载和路由5G数据洪流的光学传输技术。通过全面了解从基站到网络光纤的网络( 从射频到光),系统设计人员可以更好地了解这些技术交叉出现时遇到的挑战和机遇。

在这里,我们将评估用于集成多功能MMIC的硅基氮化镓的优势、射频片上系统(SOC)的优势以及影响5G无线基础设施发展的先进光通信技术架构。

氮化镓和MMIC的创新

由于大规模MIMO天线配置的密度很大(单个5G基站中可扩展超过256个发射和接收元件),可用的 PCB空间就极为珍贵,特别是在较高频率下。为了应对这一挑战,目前我们正在用多功能MMIC取代5G基站设计中的分立IC和单功能MMIC。

除了通过多功能集成来节省空间外,还可通过降低设计复杂度,减少个别芯片封装、测试和装配的工作量来降低成本。可通过减少接口数量提高整体机械可靠性。

上述背景为硅基氮化镓成功进入商用半导体市场提供了良好的时机。由于硅基氮化镓可向8英寸和12英寸硅晶圆扩展,因此可实现碳化硅基氮化镓无法企及的成本效益以及LDMOS无法达到的功率密度 - 每单位面积的功率提高4至6倍。

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为兼顾这两个关键属性,硅基氮化镓进一步突出了其卓越性能,即在芯片级集成强大的功能,为打造超紧凑型MMIC提供额外的空间优化。其硅基底支持氮化镓器件和基于CMOS的器件在单个芯片上同质集成 - 碳化硅基氮化镓由于工艺限制而无法提供该功能。这为多功能数字辅助射频MMIC集成片上数字控制和校准以及片上配电网络等奠定了基础。

射频SoC处理效率

对于5G基站基础设施来说,可通过基于硅基氮化镓的多功能MMIC实现集成优势并减少硬件内容,而商业市场上新兴的射频SoC对此做出了进一步的补充。射频SoC集成了多个千兆位采样射频数据转换器,可在很宽的频率范围内进行高速数据处理,从而简化了数据流水线,并为增加射频通道数量提供了可扩展的途径。

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采用传统的超外差接收器架构时,信号必须先降频为基带信号,这需要一个混频器和附加电路。 2.6 GHz射频信号(4G LTE)需要下变频到MHz级频率范围,这样一来,传统的ADC便可以较低的速度进行采样。

要将所有的频率信息放入第一奈奎斯特频带,您需要以3倍的射频频率进行采样。为此,2.6 GHz信号需要以大约每秒8千兆次的采样速率进行采样,远远超过传统ADC的能力,传统ADC的采样速率要低得多,在400 MHz频率范围内通常为每秒3千兆次采样。

新一代射频SoC正竭力克服这一障碍,它能够以高达每秒56千兆次的采样速率对信号进行采样,从而可在极高射频频率下进行直接射频采样,当然也可以选择降低采样速率。这种数字采样功能消除了对传统超外差接收器和离散数据转换器的需求,同时也消除了超外差采样所需的激励器技术的需求。

射频SoC可以将大量通道封装到极小的器件中。从功能上看,可将4到16个通道装入一个约12mm X 12mm的IC中,而无需通过多个电路板卡实现相同的目的 - 这就类似于从老式旋转电话发展到智能手机后,不但减小了体积,还增强了IO功能。在确立发展7nm间距射频CMOS技术的明确方向后,通道密度将只能继续增大,功耗优化将继续得到改善。

展望未来,射频SoC所实现信号的失真情况将越来越少 - 先前无法纠正的模糊和不完善之处将很容易进行纠正。在系统级,我们能够再次见证多功能集成和减少组件数带来的优势如何为经济实惠的5G基础设施显著节省空间、降低功耗和压缩成本。

另外值得注意的是,射频SoC在相干波束成形中起到关键作用,这是一种用于先进雷达系统的有源相控阵天线技术,可以提高6 Ghz以下无线基站的性能。凭借相干波束成形,大规模MIMO阵列中的每个发射和接收元件可与其他元件协同工作,以动态地增加用户方向的发射功率和接收器灵敏度,从而减轻来自其他源的噪声、干扰和反射。系统设计人员可将硅基氮化镓、异类微波集成电路(HMIC)和相干波束成形技术相结合,在满足大规模MIMO阵列紧凑尺寸约束的前提下实现高水平能效。

从射频到光

无线网络运营商和超大规模数据中心运营商在顺应5G发展的新形势下目标一致 - 他们需要尽可能快速且经济高效地移动数据。随着射频和光通信技术的并行发展开始相互交融,我们将更清楚地了解一个技术领域的创新如何影响其他领域的发展。

射频基站实现的更快数据处理和吞吐速度同样反映在从100G到400G光收发器模块的过渡中,特别是在端口密度必须继续增加以满足数据中心对不断增长的数据量的需求。

实现更高集成度和减少组件数量是大势所趋,这是向400G模块发展的关键因素,其中单λ(又称单波长)PAM-4调制方案的出现正在转变模块架构。对于100G收发器,单λ PAM-4技术可将激光器数量减少为一个,并消除了对光复用的需求。对于400G实施方案,仅需四个光学组件,对数据中心运营商而言,这是一个通过极其紧凑且节能的模块降低其成本的重大机遇。超大规模数据中心的这项创新将在不久后推广到无线网络节点。

在半导体层面上,硅光子技术的不断进步将改变新一代多功能MMIC的组成,从而利用已确立的CMOS工艺通过商业规模的制造技术在晶圆基底上一次生产数千个光学元件。凭借将基于氮化镓的射频器件与光学器件集成在单一硅片上的新功能(以极具吸引力的成本结构实现),可减少射频元件和光学元件之间接口,从而通过网络轻松实现更清晰、更快速的信号。

与此同时,硅基氮化镓技术、多功能MMIC和射频SoC的不断发展将推动射频和微波行业朝着实现更卓越、更经济高效的集成无线系统基础设施的道路迈进,最终完成5G连接的目标。

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本文作者:MACOM副总裁兼首席架构师Tony Fischetti

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