I takt med att nätverksoperatörer förskjuter fokus från täckning till kapacitet kommer GaN-teknologin väl till pass med sina möjligheter till hög verkningsgrad och stor bandbredd i kompakta effektförstärkare för småceller.

Med en global täckning på mer än 90 procent av 2G trådlös infrastruktur och en 3G-täckning i liknande storleksordning i utvecklingsländerna (källa: Ericsson) har marknadens focus förflyttats till att leverera datakapacitet. Abonnenterna kräver nu att över allt ha tillgång till omfattande multimedia och molnbaserade tjänster.
Efterfrågan på trådlös kapacitet uppskattas enligt Cisco vara fördubblad var 18e månad. Dessutom förväntar sig abonnenterna, i takt med att de vänjer sig vid snabb dataöveröring, att dessa tjänster ska finnas tillgängliga överallt: såväl inomhus som utomhus – från landsbygd till tätbefolkade områden med stora byggnader och bostadskomplex,

Trådlös kapacitet
Kapaciteten hos ett trådlöst nätverk kan summeras med hjälp av följande enkla ekvation:
Nätverkskapacitet = spektral utnyttjandegrad × tillgängligt spektrum × spatial utnyttjandegrad
Nätverkskapacitet, uttryckt i Mb/s/km², kvantifierar hur mycket datatrafik som kan levereras till abonnenter inom en area på 1 km². Spektral utnyttjandegrad, uttryckt i Mb/s/Hz, kvantifierar hur effektivt ett tillgängligt spektrum utnyttjas. Tillgängligt spektrum, uttryckt i Hz, är helt enkelt ett mått på det licensierade spektrumet som kan utnyttjas av en operatör.
Prognoser visar att utan betydande förändringar vad gäller åtkomst till teknologier – till exempel användning av mikovågor eller millimetervågor för mobiltelefonianvändning (vilket diskuteras som en möjlig lösning för 5G) – finns det litet utrymme för att öka tillgängligt spektrum med mer än en faktor 2, kompletterat med en fördubblad spektraleffektivitet. Denna kan uppnås genom en omfördelning av existerande 2G- och 3G-spektrum till mer effektiva LTE eller LTE-Advanced (LTE-A), eller med hjälp av ”carrier aggregation” och MIMO-teknik.
Förutom att använda teknologier med högre spektral effektivitet, som LTE och LTE-A, koncentrerar sig mängder av nätverksoperatörer på tilldelning av nya, ofta högre frekvenser i band 7 och 41 (2,5-2,7 GHz) och i banden 22, 42 and 43 (3,4-3,8 GHz). Dessa nya frekvenstilldelningar, i synnerhet banden 7 och 41, används för utbyggnaden av 4G nätet i Kina, vilket kortsiktigt driver tillväxten på marknaden för trådlös infrastruktur.

Små celler och utrymmeseffektivitet
Det är uppenbart att den aktuella utvecklingen av ökad efterfrågan av data kommer att kräva förbättrad spektraleffektivitet inom tre till fem år.
Uppskattningsvis kan man även i småceller med en medelhög effekttäthet kan nå kapacitetsförbättringar i storleksordningen en faktor på 10 jämfört med makroceller (källa: Qualcomm), och därmed förlänga livslängden hos existerande trådlösa protokoll som WCDMA, LTE och LTE-A med upp till 5 år.

Förbättringar av spatialt utnyttjande görs antingen i form av ökad sektorisering av makrocellen, med hjälp av aktiv antenn, eller genom att makrocellen kompletteras med småcellslösningar. Båda dessa möjligheter ger liknande effekter på HF-effektförstärkarna eftersom de måste vara kompakta, högeffektiva och kunna leverera stora bandbredder.
På systemnivå måste småceller vara färdiga att enkelt kunna monteras på master och ha vikter och storlekar som kan hanteras med minsta möjliga personal för att minimera kostnaderna för operatören.
I vissa regioner i världen kräver gällande föreskrifter att småcellsinstallationer ska vara i det närmaste osynliga för förbipasserande. I vilket fall som helst spelar formatet en avgörande roll, oavsett om monteringen görs på en mast eller på en lyktstolpe.
Med tanke på bristen på lämpliga uppställningsplatser för småceller, liksom krävande tillståndsprocesser, är det fördelaktigt att använda småceller som klarar multiband. Den här problemlösningen minskar det totala antalet småceller som krävs.

Styrkan hos GaN
Jämfört med andra konventionella teknologier täcker GaN-effektkomponenter en större bandbredd oavsett effektnivå och förenklar mindre system tack vare den högre effekttätheten.
GaN-baserade effektförstärkare gör det möjligt för cellkonstruktörer att uppnå ambitiösa mål vad gäller storlek och vikt, samtidigt med högre effekt och utökad bandbredd, utan att verkningsgraden påverkas negativt. Med GaN-teknologin har man redan kunnat påvisa en verkningsgrad på upp till 70 procent. Egenskaperna hos GaN lägger grunden för en ny generation av rörligare, tåligare småceller som är optimerade för att leva upp till kraven på bättre prestanda och högre miljökrav.
GaN uppnår en betydligt högre effekttäthet i förhållande till andra teknologier: En faktor 4 uppnås genom en kombination av högre spänning och ström. I sin tur reducerar det kapacitansen vid en given uteffekt. Det leder till två till fyra gånger så hög bandbredd som vid konventionella teknologier.
En högre spänning leder också till högre impedans så att optimal anpassning kan uppnås med enklare och kompaktare anpassningskretsar. En hög genomslagsspänning förbättrar tåligheten mot missanpassad last och den ökade verkningsgraden förbättrade de termiska egenskaperna. En enkel tumregel är att oavsett när eller var en effektförstärkares verkningsgrad ökas med 5 procent minskas den avgivna värmen med 18 procent.
Värme är verkligen en kritisk aspekt när det gäller småceller. Till skillnad från makroceller är det hos småceller svårt att avleda värme med kylfläns eller luftkylning. Det sätter gränsen för mängden värme och den effekt en småcell kan avge. Av de större komponenterna i radiodelen upptas den största delen av kortytan av effektförstärkaren. Den förbrukar den största andelen effekt och genererar därför mest värme.
Eftersom GaN-komponenter avleder värme på ett bättre sätt och dessutom arbetar tillförlitligare även när de är varma än någon annan idag känd effekthalvledare, har denna teknologi öppnat upp dörren till nya alternativ för transistorkapsar. Det skapar mängder av fördelar för effektförstärkare och småceller.

Plastkapsel
Marknaden för GaN- effekttransitorer har förändrats radikalt då GaN-komponenter i plastkapslar infördes. De utmanar storleks- och viktbegränsningarna hos konventionella GaN-produkter i keramiska kapslar och möjliggör en helt ny generation med högpresterande och ultrakompakta effektförstärkare för småcellapplikationer.
MACOM har visat fördelarna med plastkapslade GaN-komponenter för effekter på upp till 100 W. det är bland de högsta effektnivåerna som branschen kan visa upp inom den här produktkategorin. För att uppnå den här nivån krävs sofistikerad teknik för värmeavledning för att säkerställa en tillförlitlighet i paritet med keramikkapslade GaN-komponenter.
Nedan visas plastkapslade GaN-transistorer för 90 W, 50 W och 15 W i två olika kapseltyper:

TO-272-2

14 anslutningars 3×6 mm DFN

Genom att optimera transistorlayouten och genom att använda avancerade metoder för värmebortledning har dessa GaN-transistorer i plastkapslar visat att de klarar en genomsnittlig spärrskiktstemperatur på mindre än 115°C (80°C vid basanslutningen) vid en pulseffekt på 93 W, med 1 msek pulstid och 10 procents arbetscykel. Dessa prestanda har verifierats med hjälp av stränga testmetoder för värmefotografering.
Transistorerna arbetar med en 50 V kollektorförspänning som ger utmärkt effekttäthet och utmärkta prestanda liksom högre verkningsgrad. Bredbandiga impedansanpassningskretsar kan åstadkommas tack vare högre impedans och minskade parasiteffekter i komponenten.
Att kunna köra konstruktionen på höga spänningar är fördelaktigt för hela systemets design, med mindre kondensatorer för energilagring och lägre strömförbrukning.  I allmänhet är passar plastkapslar för GaN-effektkomponenter med över 100 W maximal effekt och därmed mer än tillräckliga för småcellers effektbehov.

Dra nytta av traditionell PA-arkitektur
Den högre effekttätheten, bandbredden och verkningsgraden hos GaN-effekttransistorer passar perfekt in i på den kommersiella telekommunikationsmarknaden. Det gäller såväl för högeffekts (>10 W medeleffekt) Doherty-effektförstärkare i band 7 (2,620-2,690 GHz) för FDD LTE och band 41 (2,496-2,690 GHz) för TDD LTE, vilka för närvarande utvecklas globalt.
När nätverksoperatörer och OEM-tillverkare strävar efter att uppfylla prestandavärden för lägre bandbredd och lägre frekvenser, uppvisar GaN-Doherty-förstärkare typiskt sett PAE (power added efficiency) på mer än 50 procent, vilket gör dem till det perfekta valet.
Dessutom kan GaN-transistorer, avsedda för småcellsanvändning vid låga effekter (1-5 W medeleffekt), användas i enkla klass AB (eller klass J med anpassningsnät för övertoner) för att uppnå bandbredder som ligger över 1 GHz.

Framtida PA-arkitekturer
Paradigmväxlingen inom kapslingsteknologin för högpresterande GaN-transistorer klarar av att accelerera etableringen av två väldokumenterade innovationer inom linjära förstärkarkonstruktioner: Envelope Tracking (envelopföljning) och Asymmetrical Multilevel Outphasing (asymmetriskt flernivåers fasskifte).
Dessa lovar betydande framsteg vad gäller verkningsgraden i sändare över stor bandbredd men är beroende av hur man kan minimera parasiter och dämpa övertoner i förstärkarkonstruktionen. GaN-baserade effekttransistorer lämpar sig perfekt för att uppfylla dessa krav.
Dessa teknologier drar fördel av att kunna tillverkas med precisionsplacering av komponenterna inom systemet där minimering och exakt avstämning mot parasiter är utslagsgivande. Även här ger plastkapslade GaN-effektkomponenter en avgörande fördel jämfört med keramikkåpor med fläns som är större, kräver manuell montering och innebär en utmaning när det gäller impedansanpassning.
Plastkapslade GaN-komponenter gör kompakta, helt anpassade och integrerade modulösningar möjliga, vilka är konstruerade för att kunna monteras exakt. Med stöd för vanlig ytmontering av dessa moduler kan kunderna korta ner tiden fram till marknadsinförandet och spara pengar genom att använda kommersiella tillverkningsmetoder för stora volymer. Det säkerställer en rad andra fördelar som förbättrat monteringsutbyte, ett mindre antal komponenter och minskat manuellt arbete.

Energibesparing

GaN-komponenternas utveckling mot konventionell användning i kommersiella, trådlösa tillämpningar accelereras och drivs på av förbättrade kostnadsstrukturer för kisel och beprövade modeller för leveranskedjor som ger stordriftsfördelar.
I sin tur skapar GaN-drivna innovationer i effektförstärkare och småceller dramatisk operativ effektivitet med avseende på utgifter som operatörerna kan dra nytta av. Det gäller framförallt effektförbrukningen.
Allt detta innebär naturligtvis omfattande påverkan på miljön. Om alla basstationer som levererades under 2015 skulle bygga på högeffektiva GaN-baserade effektförstärkare, skulle det uppskattningsvis motsvara en energibesparing på närmare 500 Megawatt. Det motsvarar i sin tur nästan ett helt kärnkraftverk.

En ny generation förstärkare
GaN-teknologin har öppnat dörren för en ny generation kompakta, högeffektiva effektförstärkare med bandbredder som är perfekt lämpade för småceller.
Tack vare att plastkapslade, högpresterande GaN-effekttransistorer har dykt upp är konstruktörer av småceller nu bättre rustade för att uppfylla kraven på prestanda, storlek och vikter och kan därmed ge nätverksoperatörer en större flexibilitet vid utbyggnaden av nätverkskapaciteter och samtidigt minimera energiförbrukningen och tillhörande kostnader.

David Ryan, Business Development Manager, Networks, MACOM

Filed under: Mikrovag