Konzept hinter Multi-Chip-Modulen
Technik für 5G-Massive-MIMO
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Der Schlüssel heißt Doherty Combiner
Das Schlüsselelement, das es dem Verstärker ermöglicht, unter diesen Einschränkungen zu arbeiten, ist die Doherty-Combiner-Architektur. Diese Architektur besteht aus zwei separaten Verstärkern, dem Träger- und dem Spitzenverstärker. Der Trägerverstärker soll bei der Back-off-Eingangsleistung gesättigt sein, während der Spitzenverstärker dazu dient, die Ausgangsleistung schnell bis zu seinem eigenen Sättigungspunkt zu verändern. Die Kombination der beiden Verstärker sorgt für einen hohen Wirkungsgrad. Obwohl der Doherty-Combiner-Ansatz eine konzeptionell einfache Struktur für den Modulationsbedarf von 5G-Systemen bietet, waren Weiterentwicklungen in der Halbleitertechnik nötig, um die erforderliche Leistung zu erreichen. Die notwendige Breitbandleistung lässt sich durch den Einsatz von Transistoren mit einer hohen Elektronenbeweglichkeit auf der Basis von Galliumnitrid (GaN) erreichen. GaN ist ein Halbleiter mit breitem Bandabstand und unterstützt so die hohe dielektrische Feldstärke, die erforderlich ist, um die Ausgangsleistung von 5G-Antennen mit relativ kleinen Transistorstrukturen zu bewältigen. GaN hat zwar eine geringere Elektronenbeweglichkeit als die ältere Generation von Transceivern, aber seine Fähigkeit, hohe Trägerdichten zu unterstützen, ermöglicht es, höhere Schaltfrequenzen bei höheren Ausgangsspitzenleistungen zu bewältigen. Aufgrund dieser Eigenschaft eignet sich GaN für Doherty-Verstärker-Designs und insbesondere für solche, die eine kompakte Elektronik benötigen. Darunter fallen auch integrierte Antennen, die für Massive-MIMO-Architekturen erforderlich sind.
Es reicht jedoch nicht aus, die ältere Siliziumtechnik durch GaN zu ersetzen. Um GaN in vollem Umfang nutzen zu können, muss man Aspekte beim Betrieb berücksichtigen, die sonst die Gesamtleistung verringern können. Ein Problem früherer GaN-Technik ist das Einfangen von Ladungen, das im gepulsten Betrieb bei hohen Elektronendichten häufig auftritt. Ein Teil der Ladungsträger bleibt im Transistorkanal an Grenzflächen und Kristallgrenzen zurück, was kleine Abweichungen bei den Eigenschaften wie der Schwellenspannung verursacht, bevor die Ladungsträger später als erwartet im Schaltzyklus freigesetzt werden. Dies führt zu Phänomenen wie dem elektrischen Gedächtniseffekt und einer unerwünschten Verschlechterung der Linearität. Weitere Ergebnisse dieses Ladungseinschlusses sind Gate-lag und Drain-lag im Zeitbereich. Bei letzterer erreicht der Drain-Strom seinen endgültigen Wert erst nach einer gewissen Verzögerung, wenn sich Vorspannungen abrupt ändern. Bei der GaN-4.5-Generation von NXP sind verschiedene Techniken im Einsatz, um die Dotierungs- und Kristallstrukturbedingungen zu kontrollieren, die den Einschluss von Ladungen verstärken. Das Ergebnis ist eine Transistorstruktur mit Hybrid-LDMOS- (Lateral-diffused Metal-oxid Semiconductor) und GaN-Leistungsverstärkern, die eine höhere Linearität als frühere Generationen ermöglicht. Im Zusammenhang mit den Leistungsverstärkermodulen der Hybrid-LDMOS- und GaN-Reihe ergibt sich ein Wirkungsgrad von 52 Prozent bei 2,6 GHz.
Multi-Chip-Module und ihre Vorteile
Die Integration von Multi-Chip-Modulen anstelle eines monolithischen Designs ermöglicht es, die Vorteile bestimmter Prozesstechniken zu nutzen, anstatt Kompromisse mit einer einzigen Technik wie GaN eingehen zu müssen. Die 5G-Modulfamilie mit Hybrid-LDMOS und GaN verbindet die GaN-basierten Doherty-Combiner-Elemente mit LDMOS-Treiber-ICs. Die Konstruktion der Treiberschaltung ist von entscheidender Bedeutung, da sie Höchstleistungen beim Betrieb von GaN-Bauelementen ermöglicht. LDMOS bietet die bestmögliche Kombination von Eigenschaften, um diese Funktion zu erfüllen. Die Integration auf einem Multi-Chip führt zu weiteren Verbesserungen, weil sie dazu beiträgt, Induktivität und andere Störeffekte zu minimieren, die den Hochfrequenzbetrieb beeinträchtigen können.
Das Konzept der Multi-Chip-Module vereinfacht die Integration für das Entwicklungsteam. Jedes Modul umfasst ein In/Out-Anpassungsnetzwerk für 50 Ohm, was die Komplexität verringert. Mit demModul lässt sich eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten abdecken. Dazu gehören Türme mit 32T32R- oder 64T64R-Antennenkonfigurationen, Small Cells im Außenbereich, Sender für proprietäre Funkzugangsnetze und neuartige Designs, die die Verlagerung zu offenen RAN-Architekturen für sich nutzen.
5G und die Umstellung auf Massive-MIMO-Architekturen stellen die Entwickler verschiedenster Transceiver für Mobilfunkbasisstationen vor Herausforderungen. Durch die Kombination von hochintegriertem Multi-Chip-Packaging mit dem Einsatz von Halbleitertechniken für spezifische Aufgaben ist es möglich, den Weg zum Bau effizienter Sender zu ebnen.
Nathan Glaza ist Integrated Power Solution Portfolio Manager bei NXP Semiconductors.
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