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5G标准的设定意味着什么?   二月. 26, 2018

5G Standard Blog.jpg (649900766)这是5G发展进程中一个激动人心的里程碑。2017年12月,3G合作伙伴计划(3GPP)正式宣布5G新无线电(NR)的新标准,开启了5G网络全方位高性价比发展的新时代。已批准的标准包括对非独立5G的支持,这项支持使得目前提供4G/LTE网络的运营商能够充分利用5G的性能优势,从而无论是在新频谱还是现有频谱中,都能够提供更大的容量和用户吞吐量。

现状

在完成5G标准设定这样一项重要的里程碑之后,通信行业将开始全面致力于5G部署工作。尽管目前无法实现5G网络的全面部署以及承诺的10倍到1000倍容量,但至少已经开始不断努力创新以缩小现有4G速度与最大化5G潜力之间的差距。

与之前的网络技术类似,5G同样将在其生命周期中演变出多种类型。早期部署通常使用直接的硬件分区,这对于展示技术十分有利,但不一定会达到国际电信联盟(ITU)设定的性能要求,ITU负责定义网络更新换代或“G”的构成要素。例如,4G LTE的3GPP标准于2009年获得批准,并且在一年内推出第一批网络 - Telia于当年年末在斯德哥尔摩和奥斯陆部署了4G LTE网络。尽管这一初始部署被视为是对3G的渐进式改进,但它对向4G LTE的过渡产生了深刻影响。

在这样一个以不断革新而非革命为表现形式的快速发展行业,ITU始终致力于连通世界并捍卫沟通权利。ITU迄今为止为每个网络都设定了分步目标,努力确保定义和部署目标保持一致。ITU迄今为止为5G设定的关键目标包括:最小带宽为100MHz、下行链路峰值速率为20Gbit/s、极限宽带的延时为4毫秒(ms)、超低延时为1ms、下行链路平均速率为100Mbit/s、上行链路速率为50 Mbit/s。在每次初始部署中,自然不会立刻全面实现这些标准,而是将其视为5G逐步发展和成熟的目标。

下图(图1)突出显示了5G在演化成熟的过程中能够达到的总容量。假设容量需求每两年翻一番 - 该假设基于以往的经验 - 在6 GHz以下所提供的容量得到充分利用之前,不需要毫米波提供额外的容量。虽然可能会在特定位置更早地部署较高频段,但随着5G发展过程的自然推进,这些将成为个例而不是普遍规则。世界已经迎来了5G发展的关键时刻,对于通信行业来说这也是激动人心的时刻。

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 关于5G的新闻

正如预期的那样,世界各地的运营商已经投入到5G部署计划中,并提供了不同的战略方案和生态系统。挑战是显而易见的:运营限制、硬件和光纤资源,越来越多的运营商加入无限数据计划,寻求对5G的全部容量实现货币化的途径。解决这些挑战的现有创新方案正在进行中:

在美国,AT&T已宣布他们的计划,到2018年底将为十二座城市的客户部署5G移动网络。据推测,要实现这一点,AT&T必须使用现有或临时的硬件解决方案来代替标准兼容芯片组。

作为公认的毫米波(mmWave)5G先驱,Verizon建立了5G技术论坛与三星合作开发了“固定5G”微蜂窝单元、家庭路由器和移动芯片尺寸的调制解调器,借此为其客户提供5G服务。在2018年的CES上,Verizon的CEO宣布运营商计划击败AT&T,抢先实现5G部署。 

去年,Sprint宣布计划于2019年底之前部署2.5 GHz的5G解决方案。同年,T-Mobile也宣布了他们的600MHz频谱,并预计将使用整个频段来实现完整的室内/室外5G网络。600 MHz无线电波的传播距离增加一倍,在建筑物/障碍物周围性能提高三倍,能够提供关键的性能优势。

在加拿大,Telus运营商与华为合作推出5G无线到家试用服务,使用定制设计的5G客户端设备。在揭晓3GPP标准之前,他们已经成功展示了使用28GHz的5G连接试点网络

中国移动作为全球用户数量最多的移动通信运营商,宣布了其宏伟的5G计划,声称于2018年开展大规模试验,并于2020年开始独立推出5G。相比于整合4G和5G网络,独立推出5G意味着将彻底革命当前的架构和核心网络。预计这些新网络主要运行在3.5 GHz频段,重点测试大规模MIMO技术。单一的标准解决方案有望实现巨大的规模效益。

Vodafone Ireland也承诺在未来两年内推出5G,并已经在3.6 GHz频谱上测试了预标准5G。Vodafone与华为一起完成了全球首个使用非独立3GPP 5G NR标准和低于6GHz频谱的电话呼叫

欧洲运营商Deutsche Telecom和华为最近宣布将对采用mmWave(E-Band)技术的5G NR进行现场测试。之前已经宣布在现场网络中实现了第一个预标准5G连接

GSMA曾预测到2025年全世界会拥有超过11亿的5G连接,而随着上述技术的快速发展,GSMA预测也就不足为奇了。

展望未来

随着5G竞争的全面展开,MACOM已准备好在更新基础设施领域发挥主导作用。射频和光学技术的并行发展开始相互交融和整合,MACOM已为实现5G的演进做好充分准备,全面提供必要的半导体组件、技术和经济高效的解决方案(单击此处了解更多信息)。

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在接下来的几年里,全球范围内都将开始部署各种类型的5G。初始部署的5G连接可能只会带来渐进式的性能改善,但是随着时间的推移,势必将能够实现5G的全部容量并完成全面部署,届时也将带来长远的收益。待5G网络技术完全成熟之时,定将能够为用户带来接近于零的延时、更快的数据传输速度、更低的能耗和更大的容量。虽然目前来看这一切仍然需要花费数年的时间才能实现,但我们坚信所有的等待和付出都将是值得的。


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氮化镓的卓越表现:推动主流射频应用实现规模化、供应安全和快速应对能力   二月. 06, 2018

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射频半导体技术的市场格局近年发生了显著变化。

数十年来,横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)技术在商业应用中的射频半导体市场领域起主导作用。如今,这种平衡发生了转变,硅基氮化镓(GaN-on-Si)技术成为接替传统LDMOS技术的首选技术。

与LDMOS相比,硅基氮化镓的性能优势已牢固确立——它可提供超过70%的功率效率,将每单位面积的功率提高4到6倍,并且可扩展至高频率。同时,综合测试数据已证实,硅基氮化镓符合严格的可靠性要求,其射频性能和可靠性可媲美甚至超越昂贵的碳化硅基氮化镓(GaN-on-SiC)替代技术。

硅基氮化镓成为射频半导体行业前沿技术之时正值商用无线基础设施发展的关键时刻。硅基氮化镓相比于LDMOS技术的性能优势已经过验证,这推动了其在最新一代4G LTE基站中广泛应用,并使其定位为最适合未来5G无线基础设施的实际促技术,其轰动性市场影响可能会远远超出手机连接领域,而将涉足运输、工业和娱乐应用等领域。

展望未来,基于硅基氮化镓的射频技术有望取代旧式磁控管和火花塞技术,充分发挥烹饪、照明和汽车点火等商用固态射频能量应用的价值和潜力,我们相信上述应用的能源/燃料效率以及加热和照明精度将在不久的将来发生质的飞跃。

制造和成本效益的突破

鉴于5G基础设施扩建将以前所未有的节奏和规模进行,人们越来越关注硅基氮化镓相对于LDMOS和碳化硅基氮化镓的成本结构、制造和快速应对能力以及供应链的灵活性和固有可靠性。作为新一代无线基础设施独一无二的出色半导体技术,硅基氮化镓有望以LDMOS成本结构实现优异的氮化镓性能,并且具备支持大规模需求的商业制造扩展能力。

MACOM和意法半导体今天联合宣布将硅基氮化镓技术引入主流射频市场和应用领域的计划,这标志着氮化镓供应链生态系统的重要转折点,未来会将MACOM的射频半导体技术实力与ST在硅晶圆制造方面的规模化和出色运营完美结合。我们预计这项协议在扩大MACOM供应来源的同时,还将促进扩大规模、提高产能和成本结构优化,从而加速硅基氮化镓技术在大众市场的普及。

对于无线网络基础设施,这次合作有望使硅基氮化镓技术经济高效地部署和扩展到4G LTE基站以及大规模MIMO 5G天线领域,其中天线配置的绝对密度对功率和热性能具有极高的价值,特别是在较高频率下。经过适当开发,硅基氮化镓的功率效率优势将对无线网络运营商的基站运营费用产生深远影响。MACOM估计,采用0.1美元/千瓦时的平均能量率模型时,仅将一年内部署的新大型基站转换为MACOM硅基氮化镓技术一项便可节省超过1亿美元的费用。

新时代

硅基氮化镓从早期研发到商业规模应用的发展历程无疑是一次最具颠覆性的技术革新过程,为射频半导体行业开创了一个新时代。通过与ST达成的协议,MACOM硅基氮化镓技术将获得独特优势,能够满足未来4G LTE和5G无线基站基础设施对于性能、成本结构、制造能力和供应链灵活性的要求,在固态射频能量应用领域拥有无限潜力。硅基氮化镓提供的射频解决方案具有LDMOS和碳化硅基氮化镓竞争技术无法匹敌的价格/性能指标,而这仅仅是冰山一角。

有关MACOM硅基氮化镓技术领先地位的更多信息,请访问www.macom.com/gan

 


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2018年射频半导体行业有哪些趋势?   一月. 03, 2018

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2017年可谓是令人振奋的一年,射频半导体行业取得了众多颠覆性的突破与进步,包括但不限于持续整合MMIC市场,通过氮化镓技术促进新型基站架构和射频能量应用的发展,甚至在实现5G部署方面也初步取得了一些真正意义上的创新性进展。2018年,我们有望看到上述进展的不断延续,与此同时也将迎来一些新的趋势,例如数字化、日益膨胀的多任务处理能力需求以及业界对于二极管的持续依赖性。

数字化趋势

现如今,射频和微波行业面临的最大影响因素之一当属迅猛发展的数字技术,其发展程度已经越来越接近天线,曾经的射频功能将会逐渐遭到替代。因此,射频公司只有积极顺应数字化趋势并学习涉足数字领域才有望在2018年脱颖而出。

随着数字化技术的成本效益越来越高、能耗逐渐减少、采样率也日益提高,更高级别的数字解决方案在众多细分市场中得到了广泛普及。在过去,数字化技术受成本和功耗要求所限而仅应用于非常高端的系统。但随着硅技术的发展,数字解决方案的应用也变得越来越普遍。在这一趋势下,系统复杂性将从射频领域转移到日益依赖软件、数据和数据分布的系统。这类系统需要借助高频/高带宽光链路来适应所产生的数据。

因此,今年我们有望看到许多通信系统中普遍采用数字化技术的趋势。射频内容将集中在功率、噪声和开关应用方面,并与功率监控相结合,从而实现高度数字化的前端解决方案。

多任务处理能力需求

2018年,我们将有望看到国防系统需求的不断提高。新型系统将要求具备更卓越的性能水平和更多的射频前端内容,但碍于全球预算的限制,仍需要将成本控制在较低水平。

为了应对这一挑战,供应商已开始尝试调整和适应商业制造实践,以便充分利用商业市场中更为广泛的制造基础设施。供应商需要克服的主要障碍是如何在利用商业技术和制造方法的同时保持最先进的性能。性能非常关键——未来许多系统都将具备多任务处理能力。单一系统即可同时支持通信、感测、命令和控制等多项功能。

这种任务定义为射频领域带来了重大挑战。例如,要在单一系统中同时实现雷达探测、电子战和通信,则需要支持极其广泛的瞬时频率能力(从1 GHz到20 GHz),这在射频领域无疑是一项巨大的挑战。在民用领域,我们也将看到多任务处理能力需求的增加,其中当属空中交通管制、无人驾驶车辆跟踪和天气监测等功能的需求最为迫切,但必须以价格实惠为前提。

MACOM多年来一直专注于开发能够满足复杂系统要求的商用制造技术。通过多种射频技术的异构集成实现卓越系统性能,并结合适当的制造方法来降低成本,我们相信MACOM定将能够为国防和民用市场的发展趋势提供有力支持。

基本构件:二极管

2018年的另一个主要趋势将是对于二极管的持续依赖性。数十年来,业界唱衰二极管的预言一直不绝于耳,然而直到今天,二极管依然是射频半导体行业广泛使用的基本构件。事实上,二极管结构一直在不断为某些重点和关键的射频功能贡献最高性能。低插入损耗和抗击穿能力的独特组合成就了产品的独特性能,例如能够以最低的插入损耗实现最高的功率处理能力、以卓越的性能跨越带宽倍频程以及在高频条件下运行等等。我们预计2018年也不会有什么不同。二极管将继续保持核心元素地位,助力完成人们根本无法做到的事情。

随着5G在市场中兴起,二极管技术将再次绽放光芒。在较低频率下,高度集成的二极管T/R开关将提供卓越的功率处理能力,并且通常具备接收链保护和低损耗特性,从而实现较低的系统噪声系数。随着毫米波系统的日渐普及,二极管和集成二极管产品势必将成为实现卓越系统性能的关键所在。二极管的时代远没有结束,在即将到来的一年里,它将凭借着显著的技术优势继续屹立于主导地位。

展望未来

2018年依然将会成为令人振奋的一年,射频半导体行业有望继续取得多项新进展,可能会面临一些波折,但总体来讲势必将实现大量前沿技术创新。在MACOM,我们期待新的一年能够涉足更多领域,为客户开发尖端技术,打造卓越解决方案。


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用二极管设计:为什么选择AlGaAs?   十月. 24, 2017

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几十年来,诸如PIN二极管之类的固态控制元器件在射频和微波控制设备(例如开关和衰减器)上广为使用。PIN二极管充当电荷控制可变射频电阻,可带来低插入损耗、较大隔离、出色的功率处理能力和线性度,在许多情况下都优于任何场效应晶体管。PIN二极管的阻抗范围可高至50或60,其极值接近开路和短路。

PIN二极管可以与传输线(如微带、共面波导等)串联或并联。PIN二极管的电阻和电容分别确定串联连接的插入损耗和隔离,或并联连接的隔离和插入损耗。

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PIN二极管是一个3层器件,由

  • 阳极(掺入了受主的(p型)P层)、
  • 未掺杂(本征)I层
  • 阴极(掺入了施主的(n型)N层)组成

当此结构的横截面近似为标准圆柱形时,根据基本方程,我们发现结的面积和I层的厚度决定了PIN二极管不导电时的电容(C)和二极管偏置进入导通状态时的串联电阻(R):

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I层的介电常数(e)及其电阻率(r)由构成二极管的材料类型决定。厚度(也称为I层的长度(l)决定或影响若干性能参数,包括二极管的电容、二极管的电阻、二极管的雪崩击穿电压和产生的谐波失真。二极管结面积主要影响C和R。

电子元器件设计的实践无疑是一个权衡做法。随着PIN二极管使用频率的增大,二极管所需的电容必须减小才能实现可接受的性能,这主要通过减小结面积来实现。  但利用这种方法降低电容的代价是串联电阻相应增加,导致串联应用的插入损耗增加或并联应用的隔离度降低。除了增加I层厚度(这也会增加串联电阻),设计工程师别无他法。

串联电阻也可以用二极管的半导体物理特性来定义。

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其中,l是I层的厚度,µamb是注入I层的电荷载流子的双极性迁移率,Q表示注入I层的自由电荷载流子的量。

由于频率的增大导致硅的µamb产生过大的串联电阻,已开始使用µamb值更大的材料,例如砷化镓(GaAs)。对于毫米波(mmW)应用,即便使用µamb值更大的砷化镓也存在缺点。

为了满足在毫米波频率下对更优电阻和更低电容的需求,MACOM开发了采用新型砷化铝镓(AlGaAs)结构的异质结PIN二极管,以打破砷化镓和硅PIN二极管的局限性。砷化铝镓PIN二极管也是三层二极管,但具有显着差异:铝(Al)用作二极管阳极层中的p型掺质。二极管的I层和N层包含砷化镓。在阳极层加入铝会使二极管结的带隙相对于砷化镓PIN结构有所增大。当二极管的电压低于正向偏置电压时,这种带隙差会在空穴从I层扩散回P层时产生较大的势垒,从而增大I层中自由电荷载流子量Q。I层正向偏置电荷载流子量的这种增加减小了砷化铝镓PIN二极管的串联电阻,不会改变二极管反向偏置性能。 

最终结果是,一种以前无法避免的折衷得到了缓解:对于具有相同I层长度和相同电阻值的砷化铝镓PIN二极管和砷化镓PIN二极管,砷化铝镓PIN二极管具有更小的结面积和更低的结电容,从而可提高电路性能。


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