Como alcançar as metas da cadeia de radiofrequência do 5G e as metas de rede "verde"?

Entre no mundo do nitreto de gálio (GaN) de radiofrequência – essa tecnologia de amplificador de potência (PA) altamente eficiente, de banda larga e confiável, está possibilitando melhorias significativas na eficiência da rede ano após ano. Como mostra a figura abaixo, a introdução do GaN no ecossistema de estações rádio-base (BTS) melhorou drasticamente a eficiência do front-end, tornando-o uma nova tecnologia de escolha tanto para aplicações de alta quanto de baixa potência.

As excelentes propriedades do 2GaN, incluindo alta densidade de potência, alta eficiência de potência adicionada (PAE), alto ganho e facilidade de adaptação de impedância, melhoram a eficiência geral da cadeia de RF. Assim como os projetistas de um carro de Fórmula 1, os engenheiros de sistemas sem fio podem ajustar e otimizar seus sistemas de RF para otimizar o desempenho ao longo do tempo. O uso de uma tecnologia de semicondutores fundamentalmente melhor desde o início pode alcançar as metas de desempenho, ao mesmo tempo que melhora drasticamente a eficiência energética.

5G e GaN

A expansão das redes 4G LTE está amadurecendo, mas várias atualizações são necessárias para reduzir a diferença para o 5G. Atualmente, estamos nas fases de definição e prova de conceito do 5G, mas empresas como a Verizon estão acelerando os cronogramas para viabilizar implantações iniciais focadas em acesso sem fio fixo.

Os primeiros testes com a tecnologia 5G começaram em 2013, e os dados desses testes, tanto iniciais quanto recentes, estão sendo divulgados regularmente.

Tecnologias-chave que apresentam resultados promissores em ondas milimétricas, como grandes conjuntos de antenas MIMO e formação de feixe, já estão em fase de desenvolvimento pré-comercial. Todos os fabricantes de estações base já entraram em fase de testes de produto.

Empresas como a Qualcomm, a Intel e outras estão testando modems compatíveis com 5G, como o modem X50, que opera na banda de 28 GHz.

A Qorvo e a NanoSemi divulgaram dados demonstrativos sobre resultados de linearização de banda ultralarga para dispositivos GaN adequados para aplicações MIMO massivas. Essas empresas inovadoras estão explorando arquiteturas de sistemas 5G, faixas de frequência e tecnologias habilitadoras essenciais para encontrar o equilíbrio ideal entre custo, desempenho e complexidade.

Para atender aos diversos requisitos do 5G, os fabricantes de GaN precisam oferecer múltiplas variantes em uma ampla gama de frequências e níveis de potência. Com diversas opções de processo GaN disponíveis, os projetistas podem otimizar a escolha da tecnologia GaN para sua aplicação. O gráfico abaixo ilustra as capacidades da Qorvo nessa área.

Como Doug Reep, da Qorvo, mencionou em outro artigo, o GaN substituirá os materiais semicondutores tradicionais em aplicações de rede 5G, como células pequenas que exigem frequências mais altas, integração compacta e o menor custo de implementação possível.

Ele também sugeriu que o desempenho oferecido pelo GaN de baixa tensão inevitavelmente encontrará seu lugar em dispositivos móveis. A capacidade do GaN de operar em ambientes de alta temperatura o torna ideal para resfriamento passivo, eletrônica de estações base externas e aplicações automotivas. Em suma, ter uma ampla gama de tecnologias GaN significará que mais necessidades de aplicação serão atendidas.

Atualmente, o GaN é amplamente utilizado nos segmentos de mercado de small cells e BTS e continuará a crescer em 2016. Espera-se que as remessas de GaN atinjam quase US$ 300 milhões em 2016, um aumento em relação aos US$ 150 milhões de 2015.

A implantação densificada de pequenas células, sistemas de antenas distribuídas (DAS) e redes de rádio de longo alcance desempenha um papel importante nessa tendência.

Os incentivos relacionados ao espectro ainda não explorado, à alta taxa de transferência e às metas de baixa latência estão atraindo os desenvolvedores a migrarem para faixas de frequência de ondas milimétricas mais altas.

As bandas do espectro de ondas milimétricas oferecem de 10 a 30 vezes a largura de banda das bandas 4G atuais (<4 GHz), e a capacidade da rede é diretamente proporcional à largura de banda disponível.

O GaN é ideal para fornecer as altas frequências e as amplas larguras de banda necessárias no domínio das ondas milimétricas. Ele atende aos requisitos de desempenho e tamanho reduzido, como mostrado na imagem acima.

Aplicações que utilizam bandas de ondas milimétricas requerem tecnologia de formação de feixe altamente direcional (a formação de feixe concentra sinais de rádio em feixes altamente direcionais, aumentando assim a potência e minimizando a interferência nos equipamentos do usuário).

Isso significa que o subsistema de RF exigirá um grande número de componentes ativos para acionar a abertura relativamente compacta. O GaN é ideal para essas aplicações, pois oferecer alto desempenho em um tamanho reduzido é uma de suas características mais notáveis.

Em 2020, com a maturidade do 5G, todos descobriremos as capacidades e os benefícios que ele traz. Hoje, testes, planos, discussões e demonstrações continuam a impulsionar a definição dos padrões do 5G. Mas amanhã, latência inferior a 1 ms e capacidade extremamente alta estarão presentes em todos os aspectos do nosso dia a dia. Independentemente do resultado, o GaN (nitrogênio de gálio) certamente se tornará uma tecnologia fundamental nas aplicações do 5G. 

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