Az NXP új RF GaN-megoldásai

Az 5G NR, ipari és szélessávú kommunikációs alkalmazások

Az NXP Semiconductors az alkalmazások legszélesebb körét lefedő innovatív megoldások gazdag portfóliójával a technológiai fejlődés egyik fő mozgatórugója, amely folyamatosan a határokat feszegeti. 2020. szeptember 29-én az NXP hivatalosan is elindította a legmodernebb gallium-nitrid (GaN) gyárának a bővítését, egyértelműen irányt szabva a gyorsan növekvő 5G piacnak.

Ez nem jelenti azt, hogy az NXP kivonja a forgalomból az LDMOS és SiGe (szilícium-germánium) eszközeit, hanem a vezeték nélküli infrastruktúra-technológiák teljes skáláját kínálja, és a már amúgy is sokszínű RF-portfólióját nagymértékben optimalizált GaN-alapú megoldásokkal gazdagítja – így a már bevált Si-alapú LDMOS- és SiGe-megoldásai mellett mostantól rendkívül optimalizált GaN RF-teljesítményű eszközöket is kínál, megalapozva ezzel az 5G NR (New Radio) infrastruktúra tömeges kiépítését.

A világ legfejlettebb GaN-gyára

Annak ellenére, hogy az NXP az egyik legnagyobb LDMOS beszállító a piacon, szakértői úgy vélik, hogy az LDMOS-technológiájuk – bár még mindig kiváló az alkalmazásokban – elérte az érettségét, és eljött az ideje, hogy előlépjenek az új RF GaN-on-SiC megoldásokkal, amelyeket a laboratóriumukban közel 20 éve csendben fejlesztenek. A GaN-technológia eredendő előnyei a hagyományos szilíciummal szemben számosak: a GaN sokkal nagyobb hatásfokot és teljesítménysűrűséget biztosít, nagyobb feszültségen üzemeltethető (csökkentve az impedanciaillesztés bonyolultságát), és rendkívül magas frekvenciákon, széles sávszélességen képes nagy teljesítményt leadni. Végezetül a GaN nagyságrenddel jobb a SiC vegyületben található hővezető képességű szilíciumhoz képest, ami nagymértékben leegyszerűsíti a hűtési erőfeszítéseket. Ennek az ígéretes technológiának azonban számos akadályt kellett leküzdenie, mielőtt tömeggyártásra kerülhetett volna. Az NXP új RF GaN-gyára megkönnyíti e technológia további fejlesztését azáltal, hogy nagyobb ellenőrzést biztosít a gyártási kapacitás és a költségek felett, valamint szorosabb integrációt a folyamat és az eszköztervezők között. Az NXP szakértői úgy vélik, hogy új gyáruk megteremti az alapot a nagy hatékonyságú GaN félvezetők gyártásához, amelyek akár a mm-es hullámtartományban is felhasználhatók, és a meglévő megoldásoknál lényegesen nagyobb hatékonyságot és teljesítménysűrűséget kínálnak. Az NXP új, az arizonai Chandlerben található RF GaN-gyára 6 inches (150 mm-es) szeletekkel, a világ legfejlettebb ilyen jellegű gyára. (1. ábra)

1. ábra Az arizonai Chandlerben (USA) található RF GaN-gyár ünnepélyes megnyitása

A GaN-technológiával valósággá válik az 5G

Napjaink egyik legforróbb technológiai témája minden bizonnyal az 5G kommunikáció. Egyre több olyan megoldásszolgáltatót látunk a piacon, amelyek az új 5G NR-technológia bevezetését kínálják, amely számos előnyt ígér a meglévő cellás hálózati technológiákhoz képest – villámgyors adatátviteli sebesség, jobb lefedettség, nagyobb hálózati kapacitás, alacsonyabb késleltetés és még sok más. Hogyan lehet azonban legyőzni a már meglehetősen fejlett 4G LTE-technológiát és a nagyfrekvenciás hullámok térben történő fizikai terjedésének problémáit? Az 5G NR-technológiában a mobileszközök és a cellák közötti interfész a masszív, többszörös bemenetű, többszörös kimenetű (mMIMO), fázisvezérelt antennarács-architektúrák használatára támaszkodik a végpontok közötti adatátviteli sebesség méretarányos maximalizálása érdekében. A fázisos elrendezés akár 64 egymástól függetlenül táplált antennaelemet is magában foglal, amelyeket az RF-jel alakítására használnak a sugáralakításnak nevezett folyamat során. Itt azonban felmerül egy nyilvánvaló kérdés: hogyan lehet egyetlen toronyban ennyi RF teljesítményerősítőt támogatni és elegendő áramot biztosítani anélkül, hogy a mobilszolgáltatóknak jelentős pénzügyi veszteséget okozna? Itt jön a képbe a GaN-technológia. Az 5G számára jelenleg a 2,5 és 3,7 GHz közötti tartomány a legkedvezőbb, ami akár 900 Mbps adatátviteli sebességet is lehetővé tesz, és az egyes mobiltornyok akár több kilométeres körzetben is nyújthatnak szolgáltatást. A cikk megírásának időpontjában (2021) ez a szolgáltatási szint a legelterjedtebb számos nagyvárosi területen. A hagyományos LDMOS-eszközök azonban nem tudnak ilyen magas frekvenciákon elég hatékonyan működni. Ezzel szemben az NXP RF GaN-eszközei sokkal jobb teljesítményt és nagyobb teljesítménysűrűséget kínálnak. A kiváló hővezető képességgel kombinálva az NXP RF GaN-eszközei nagy megbízhatóságot garantálnak, lehetővé téve a kompakt hűtőbordás kialakítást, ami a masszív 64T64R MIMO rádiók kulcsfontosságú tényezője, biztosítva a mögöttes infrastruktúra által megkövetelt legmagasabb szintű integrációt.

2. ábra Taktikai szélessávú kommunikáció a terepen

RF GaN-teljesítménytranzisztorok más alkalmazásokban

Általánosságban elmondható, hogy minden nagy teljesítményű, nagy frekvencián működő szélessávú alkalmazás számára előnyös lehet az RF GaN-eszközök használata, mivel a GaN a legjobb (és bizonyos esetekben az egyetlen) technológia, amely az ilyen alkalmazások összes követelményének megfelel. Egy ilyen példa az NXP Airfast A3G26D055NT4 kettős RF teljesítményű GaN-tranzisztora, amely 100 és 2690 MHz közötti széles frekvenciatartományban képes működni. Ezt a kettős RF GaN-tranzisztort olyan bázisállomás-alkalmazásokhoz tervezték, amelyek nagyon széles pillanatnyi sávszélesség-képességet igényelnek, de az NXP legújabb Airfast RF GaN-sorozatú eszközeire jellemző eredendő robusztusságnak és nagy teljesítménynek köszönhetően taktikai szélessávú kommunikációs alkalmazásokban is használhatók.
A nagyfrekvenciás elektromágneses hullámokat (mikrohullámok) szintén széles körben használják számos iparágban a gyors hőátadásra. A 2,45 GHz-es ISM (ipari, tudományos, orvosi) frekvencia a leggyakrabban használt frekvencia, de az ISM-sávban néhány más frekvencia is használható. A mikrohullámú fűtés számos előnnyel jár, lehetővé téve a szelektív fűtést, a fűtési energia pontos szabályozását, a berendezés kompaktságát és az égéstermékek hiányát. A mikrohullámokat leginkább az élelmiszeriparban használják szárításra, pasztőrözésre, főzésre, fehérítésre és hasonló célokra, de az orvostudományban is alkalmazzák a rákos szövetek mikrohullámú ablációjára (2,45 GHz és 5,8 GHz frekvenciák). Egészen a közelmúltig az ilyen alkalmazásokra a magnetron nevű terjedelmes elektromechanikus szerkezet volt az egyetlen megoldás. A GaN-technológia megjelenésével azonban szilárdtest ipari magnetronok kezdtek megjelenni a piacon, amelyek az előnyök teljes spektrumát kínálják, mint például a digitális vezérlés, a sokkal alacsonyabb felharmonikus-tartalom, a jel modulálásának lehetősége (folyamatos hullám – CW vagy impulzus), sokkal alacsonyabb üzemi feszültség (kV vs. 50 V DC), jobb robusztusság, hosszabb élettartam, és természetesen sokkal nagyobb hatékonyság. Az NXP olyan RF GaN HEMT (high-electron-mobility transistor – nagy elektronmobilitású tranzisztor) megoldásokat kínál, amelyek kiválthatják a hagyományos ipari magnetronokat, mint például az MRF24G300H(S), egy kettős 300 W-os RF teljesítményű GaN-tranzisztor, amely a 2400 és 2500 MHz közötti tartományban működik, és 15,2 dB-es teljesítménynyereséget biztosít (tip. 2450 MHz-en). Ez az eszköz rendkívül nagy robusztussággal is rendelkezik, és minden fázisszögnél 20:1-nél nagyobb feszültség-állandóhullám-aránynak is ellenáll, romlás nélkül.

3. ábra 300 W-os szilárdtest ISM-sávú teljesítményerősitő egyetlen MRF24G300HS RF GaN-on-SiC eszközzel (referenciaterv)

A tervezés egyszerűsítése és a szélesebb körű piaci bevezetés felgyorsítása érdekében az NXP átfogó támogatást nyújt az RF GaN-eszközökhöz adatlapok, webináriumok, alkalmazási jegyzetek és fejlesztőkészletek széles választéka formájában, amelyek egyszerűsítik a tervezést, és gyorsabb piacra jutást tesznek lehetővé. A referenciatervek, a frekvenciák és a teljesítményértékek széles skáláját fedik le, hogy támogassák a különböző RF-alkalmazásokat. Ha további támogatásra van szüksége, forduljon bizalommal az EBV RF-szakértőihez vagy a legközelebbi EBV Elektronik értékesítési képviselőhöz.

Összefoglalva

A Si-alapú LDMOS-eszközök továbbra is jelentős szerepet játszanak néhány olyan hiánypótló alkalmazásban, amelyek nagyon nagy RF-teljesítményt igényelnek keskeny, akár 4 GHz-es sávszélességen. Emellett versenyképes áraik hosszú távon biztosítják a piacon való létezésüket. A GaN-technológia fejlődésével azonban egyre több GaN-eszközzel fogunk találkozni az RF-alkalmazások legszélesebb körében. És miközben a szilíciumalapú technológia utolsó előnyeit is learatjuk, a legfejlettebb GaN-gyártók, mint például az NXP arizonai üzeme, lehetővé teszik számunkra, hogy új fejezetet nyissunk a félvezetők történetében, és teljes mértékben felfedezzük az összes rejtett lehetőséget, amit ez az innovatív technológia kínál, jobbá téve a világot.

4. ábra Példa egy hagyományos mikrohullámú sütőben lévő terjedelmes elektromechanikus magnetronra

Az EBV Elektronik mint vezető félvezető-forgalmazó Európában széles gyártói portfóliójából a legújabb alkatrészek és félvezető-megoldások teljes és folyamatos ellátását garantálja. Vegye fel a kapcsolatot az EBV technológiai és piaci szakértőivel, hogy megbizonyosodhasson arról, hogy az alkalmazásaihoz a legoptimálisabb megoldást választja!

Több mint disztribúció – EBV Elektronik!

Gnyálin István
EBV Elektronik Kft.
1117 Budapest, Budafoki út 91–93.
Tel.: +36 30 470 34 96
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.ebv.com