Come raggiungere gli obiettivi della catena RF 5G e gli obiettivi di rete "verde"?

Entra nel mondo del nitruro di gallio RF (GaN): questa tecnologia di amplificatori di potenza ad alta efficienza, a banda proibita ampia e affidabile sta consentendo miglioramenti significativi nell'efficienza di rete anno dopo anno. Come mostrato nella figura seguente, l'introduzione del GaN nell'ecosistema delle stazioni base di ricetrasmissione (BTS) ha migliorato drasticamente l'efficienza del front-end, rendendolo la nuova tecnologia di riferimento sia per applicazioni ad alta potenza che a bassa potenza.

Le eccellenti proprietà del 2GaN, tra cui l'elevata densità di potenza, l'alta efficienza di conversione di potenza (PAE), l'alto guadagno e la facilità di adattamento di impedenza, migliorano l'efficienza complessiva della catena RF. Come i progettisti di una vettura di Formula 1, gli ingegneri wireless possono perfezionare e ottimizzare i loro sistemi RF per massimizzare le prestazioni nel tempo. L'impiego fin dall'inizio di una tecnologia a semiconduttore fondamentalmente migliore consente di raggiungere gli obiettivi di prestazione migliorando drasticamente l'efficienza energetica.

5G e GaN

L'espansione delle reti 4G LTE sta raggiungendo la maturità, ma sono necessari diversi aggiornamenti per colmare il divario con il 5G. Attualmente ci troviamo nelle fasi di definizione e di dimostrazione del concetto di 5G, ma aziende come Verizon stanno accelerando i tempi per consentire le prime implementazioni incentrate sull'accesso wireless fisso.

Le prime sperimentazioni del 5G sono iniziate nel 2013 e i dati provenienti da queste prime e recenti sperimentazioni vengono ora pubblicati regolarmente.

Le tecnologie chiave che offrono risultati promettenti nelle onde millimetriche, come gli array di antenne Massive MIMO e il beamforming, sono già in fase di sviluppo pre-commerciale. Tutti i produttori di stazioni base hanno avviato la fase di test dei prodotti.

Aziende come Qualcomm, Intel e altre stanno testando modem compatibili con il 5G, come il modem X50 che opera nella banda a 28 GHz.

Qorvo e NanoSemi hanno pubblicato dati dimostrativi sui risultati di linearizzazione a banda ultralarga per dispositivi GaN adatti ad applicazioni Massive MIMO. Queste aziende all'avanguardia stanno esplorando le principali architetture di sistema 5G, le bande di frequenza e le tecnologie abilitanti per trovare il giusto equilibrio tra costi, prestazioni e complessità.

Per soddisfare i diversi requisiti del 5G, i produttori di GaN devono offrire molteplici varianti su un'ampia gamma di frequenze e livelli di potenza. Grazie alla disponibilità di diverse opzioni di processo GaN, i progettisti possono abbinare in modo ottimale la tecnologia GaN alla propria applicazione. Il grafico seguente illustra le capacità di Qorvo in questo ambito.

Come ha accennato Doug Reep di Qorvo in un altro articolo, il GaN sostituirà i materiali semiconduttori tradizionali nelle applicazioni di rete 5G, come le small cell, che richiedono frequenze più elevate, una stretta integrazione e costi di implementazione minimi.

Ha inoltre suggerito che le prestazioni offerte dal GaN a bassa tensione troveranno inevitabilmente applicazione nei dispositivi mobili. La capacità del GaN di funzionare in ambienti ad alta temperatura lo rende ideale per il raffreddamento passivo, l'elettronica delle stazioni base per torri di telecomunicazione interamente esterne e le applicazioni automobilistiche. Nel complesso, avere un'ampia scelta di tecnologie GaN significherà poter soddisfare un maggior numero di esigenze applicative.

Oggi, il GaN è ampiamente utilizzato nei segmenti di mercato delle small cell e delle BTS e continuerà a crescere nel 2016. Si prevede che le spedizioni di GaN raggiungeranno quasi 300 milioni di dollari nel 2016, rispetto ai 150 milioni di dollari del 2015.

In questa tendenza, un ruolo importante è svolto dalla diffusione intensiva di piccole celle, sistemi di antenne distribuite (DAS) e reti di centrali radio a lungo raggio.

Gli incentivi legati allo spettro non sfruttato, all'elevata velocità di trasmissione e alla bassa latenza stanno spingendo gli sviluppatori a spostarsi verso bande di frequenza mmWave più elevate.

Le bande di frequenza a onde millimetriche offrono una larghezza di banda da 10 a 30 volte superiore rispetto alle attuali bande 4G (<4 GHz), e la capacità della rete è direttamente proporzionale alla larghezza di banda disponibile.

Il nitruro di gallio (GaN) è ideale per fornire le alte frequenze e le ampie larghezze di banda richieste nel dominio delle onde millimetriche. Soddisfa i requisiti di prestazioni e dimensioni ridotte, come mostrato nell'immagine qui sopra.

Le applicazioni che utilizzano le bande delle onde millimetriche richiedono una tecnologia di beamforming altamente direzionale (il beamforming focalizza i segnali radio in fasci altamente direzionali, aumentando così la potenza e minimizzando le interferenze sulle apparecchiature dell'utente).

Ciò significa che il sottosistema RF richiederà un gran numero di componenti attivi per pilotare l'apertura relativamente compatta. Il GaN è particolarmente adatto a queste applicazioni perché la capacità di offrire prestazioni elevate in dimensioni ridotte è una delle sue caratteristiche più notevoli.

Entro il 2020, con la maturazione del 5G, scopriremo tutti le sue potenzialità e i vantaggi che offre. Oggi, sperimentazioni, progetti, discussioni e dimostrazioni continuano a guidare la definizione degli standard 5G. Ma domani, latenza inferiore a 1 ms e capacità estremamente elevate saranno onnipresenti nella nostra vita quotidiana. Indipendentemente dall'esito, il GaN diventerà senza dubbio una tecnologia chiave nelle applicazioni 5G. 

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