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微波射频高性能全频段覆盖,三代半导体工艺一个都不能少
材料来源:ADI           录入时间:2019/8/18 10:46:43

半导体材料共经历了三个发展阶段,包括以硅(SI)、锗(ge)为代表的第一代半导体材料;到以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等化合物为代表的第二阶段,以及以氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)等为主的第三代宽禁带半导体材料。特别是随着通信技术向着高GHz频段演进,具有低导通损耗、高电流密度等优势的第三代半导体材料GaN获得行业更大的关注,可显著减少电力损耗和散热负载,广泛应用于变频器、稳压器、变压器、无线充电等领域。

然而,这个世界上没有普适的方法论。对于无线通信射频与微波端的半导体工艺材料来说同样如此:CMOS的低功耗、高集成度、低成本等优势依然显著;GaAs在高功率传输领域具有优异的物理性能优势;而SiGe工艺兼容性的优势突出,几乎能够与硅半导体超大规模集成电路行业中的所有新工艺技术兼容;GaN在高频、高温、大功率的射频组件应用独具优势。事实上,作为全球高性能射频微波技术领先半导体提供商之一的ADI,在其涵盖DC到100GHz的广泛产品线中,同样也布局了几乎所有这些主流半导体工艺。要占据高性能射频微波技术前端,很明显需要多工艺技术组合上阵。

SiGe工艺成就24GHz44GHz微波上/下变频器

前不久ADI宣布推出高集成度微波上变频器和下变频器ADMV1013和ADMV1014。这些基于SiGe工艺的IC在24GHz至44GHz的极宽频率范围内工作,使得在构建的单一平台上可以支持所有5G毫米波频带(包括28GHz和39GHz),从而有助于简化设计并降低成本。

此外,该芯片组能够提供平坦的1GHzRF瞬时带宽,支持所有宽带服务以及其他超宽带宽收发器应用。每个上变频器和下变频器均高度集成,包括I(同相)和Q(正交相)混频器,片内可编程正交移相器可配置为直接变频至/自基带(工作频率范围:DC至6GHz)或变频至IF(工作频率范围:800MHz至6GHz)。

片内还集成了电压可变衰减器、发射PA驱动器(上变频器中)和接收LNA(下变频器中)、集成4倍倍频器的LO缓冲器和可编程跟踪滤波器。大多数可编程功能通过SPI串行接口控制。通过此端口,这些芯片还为每个上变频器和下变频器提供独特功能以纠正各自的正交相位不平衡,因此可以提高通常难以抑制的边带发射性能,从32dBc典型值改善10dB或以上。这样,可提供无可匹敌的微波无线电性能。这些特性组合提供前所未有的灵活性和易用性,同时将外部元件减至最少,支持实现小型蜂窝等小尺寸系统。

高度集成的ADMV1013微波上变频器和ADMV1014微波下变频器非常适用于工作在28GHz和39GHz 5G无线基础设施频带下的微波无线电平台。这些转换器具有1GHz带宽,以及OIP3高于20dBm的上变频器,可以支持严苛的调制方案(如1024QAM),可支持多Gb无线数据。此外,该芯片组也支持其他应用,如卫星和地面接收站宽带通信链路、航空无线电、RF测试设备和雷达系统。其卓越的线性度和镜像抑制性能尤其适合提升微波收发器范围。

传统材料焕发新生机,28nm CMOS工艺领衔射频技术创新

尽管各种新材料工艺技术层出不穷,近年来基于CMOS的创新无线解决方案依然不时有亮眼的表现,其中尤其以ADI公司先后推出多款高性能产品而广受关注,去年以来先后推出瞄准下一波宽带软件定义系统的28纳米高速CMOS模数转换器AD9208,瞄准4G/5G多频段无线通信基站和2GHz E-band微波点对点回传平台千兆赫兹带宽应用的需求28纳米高速数模转换器系列AD9172,前不久宣布再次推出基于其28nm CMOS的新型AD9081/2 MxFE平台。

AD9081/2 MxFE平台就允许制造商在与单频段无线电相同的占板面积上安装多频段无线电,使当今4G LTE基站的通话容量提高3倍,并凭借1.2GHz通道带宽,新型MxFE平台还支持无线运营商为其蜂窝塔增加更多天线,以满足新兴毫米波5G的更高无线电密度和数据速率要求。AD9081/2 MxFE器件分别集成了8个和6个RF数据转换器,实现了业界最宽的瞬时信号带宽(高达2.4GHz),减少了频率转换级的数量和放宽滤波器要求,从而简化硬件设计并通过减少芯片数量来解决无线设备设计人员面临的空间限制问题,使得印刷电路板面积缩小60%。

基于GaAs的分布式功率放大器

砷化镓技术是射频和微波器件设计的常用技术,如果您的设计超过40GHz,最高可能达到80或90GHz,那么砷化镓似乎是当前的唯一选择。功率处理、插入损耗、隔离度和线性度是设计参数,硅和砷化镓工艺均可满足要求。对于高温工作,砷化镓显示出优于硅的性能。另外,砷化镓pHEMT器件还能实现故障安全操作之类的功能,但器件需要电源才能进入导电模式。

ADI公司基于GaAs的分布式功率放大器产品HMC994A,工作频率范围为直流至30GHz,该器件覆盖了几十种带宽、许多不同应用,并且可实现高功率和效率。其性能如图所示。在这里,我们看到它是覆盖MHz至30GHz、功率附加效率(PAE)典型值为25%的饱和输出功率大于1瓦的器件。这款产品还拥有标准值为38dBm的强大的三阶交调截点(TOI)性能。结果显示,利用基于GaAs的设计能够实现接近于许多窄带功率放大器设计的效率。HMC994A拥有正向频率增益斜率、高PAE宽带功率性能和强大的回波损耗,是一款独特的产品。

HMC994A增益、功率以及PAE和频率的关系。

功率优势突出的氮化镓宽带功率放大器

ADI公司推出了一款标准产品HMC8205BF10,它基于GaN技术,具有高功率、高效率和宽带宽。该产品的工作电源电压为50V,在35%的典型频率下可提供35W RF功率,带20dB左右的功率增益,覆盖几十种带宽。

这种情况下,相比类似的GaAs方案,工程师只需要一个IC就能提供高出约10倍的功率。在过去数年,这可能需要复杂的GaAs芯片组合方案,并且无法实现相同的效率。该产品展示了使用GaN技术的各种可能性,包括覆盖宽带宽,提供高功率和高效率。这还展现了高功率电子设备封装技术的发展历程,因为这个采用法兰封装的器件能够支持部分特殊应用所需的连续波(CW)信号。

总结

总结而言,各种半导体材料都有其优势,在无线设备覆盖面日益广泛的今天,主流半导体工艺技术相关产品在各种应用中都能发挥其独特优势:基于功耗和成本等因素,消费终端产品明显更多采用CMOS技术;CPE采用CMOS和SiGe BiCMOS;低功耗接入点则采用CMOS、SiGe BiCMOS和GaAs;而高功率基站领域则是GaAs和GaN的天下。随着5G部署的广泛推进,这种趋势将持续下去。


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