“氮化镓”制成的功率放大器 助力5G无线移动通信
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德国弗劳恩霍夫应用固体物理研究所的功率放大器在5.8Ghz的频率下传输这种频率满足了最新的5G移动通信标准。中间放置的氮化镓（GaN）半导体电路，是封装的功率放大器的中间部分。
（图片来源于: © Photo Fraunhofer IAF）
引言
移动通信的无线数据传输，目前已经广泛应用，不仅是可靠的而且也是廉价的。然而，如今每个用户的数据量，都呈指数级增长。究其原因主要有两方面：智能手机数量的持续增长，以及"汽车与汽车之间的通信"（C2C）或者"机器与机器之间的通信"（M2M）的迅猛发展，他们需要在相互之间高速通信。从2020年起，5G移动标准将广泛应用，它旨在更加快速高效的传播数据。为了配合5G系统，德国弗劳恩霍夫应用固体物理研究所开发了基于半导体“氮化镓”的新型功率放大器。
目前无线通信系统所面临的挑战
至少80亿的无线通信设备，目前通过无线通信系统进行连接。它大大改善了我们生活的各个方面。例如，和家人朋友聊天，在路途中观看视频，在线游戏或者网上冲浪，这一切都不再是问题，而且还很廉价。然而，当用户数量激增，以及因此而出现的数据容量的激增，情况还会仍然是这样吗？
“我们到达了一个转折点，”位于德国弗莱堡的，弗劳恩霍夫应用固体物理研究所的Rüdiger Quay博士，说道，“目前，主要是人类通过移动通信设备进行相互通信。未来，汽车，设备，或者生产机器人都将加入到网络中。”
然而，随着物联网（IOT），工业4.0或者无人驾驶汽车的发展，实现“实时无线电通信”，是相当必要的。最大数据率达每秒10Gbit，是很有必要的目标。可是，目前的4G LTE移动标准，只达到每秒300Mbit，并不能支持实时传输。平时，我们使用移动设备网上冲浪的速度，相对来说更慢，平均峰值数据速率只能达到每秒50Mbit。
所以，无线运营商和网络设备供应商，和研究人员一起研发更加强大的5G系统。这种新的蜂窝网络标准，将可以支持高质量视频的实时传输。
5G系统需要更高的无线电频率达6GHz
在蜂窝网络中，基站是十分重要的组件。所有的数据都需要通过这里，因此它也成为了“瓶颈”。然而，弗劳恩霍夫应用固体物理研究所，在解决这个“瓶颈”问题方面，有着专门的知识。研究人员开发的功率放大器，能够更加快速地发送数据，最重要的是，能够更加有效地通过蜂窝网络。“新的功率放大器，可提供必要的数据传输使用的无线电频率，”Quay解释道。作为第一步，5G系统，所需要无线电频率将达6GHz，而目前的LTE仅限于2.7GHz。
更高的频率带来对于信号发射机功率效率要求更高
“更高的频率，意味着更快速的数据传输。但是，不幸的是，发射机可用的功率将更少，”Quays说。因此，科学家正在使用半导体材料氮化镓(GaN)，制造晶体管和微芯片，大小只有几平方毫米。“由于它的特殊晶体结构，在更高的频率下，仍然可以使用相同的电压，从而带来了更好的功率和效率性能，”Quay说。在欧盟项目Flex5Gware中，研究所已经成功的测试了达6GHz的原型。
对于每个传输的比特位来说，无线传输的数据都消耗功率。“它单独占有了我们的无线电话功耗的15%，”Quay解释道。每个信息比特，需要确定的，常量的无线电传输功率。达到目前情况200倍甚至更多的比特，应该以类似的能量消耗传输。
这意味着200倍的功率需求。“考虑到可持续性，5G系统的无线通信的功率效率必须大幅增加。”Quays说。但是目前，基站只能够以十分高的能量损耗传输高数据率。根本原因，就是他们向空中传输无线电波，但是不知道用户的具体位置。然而，新的电子可操纵天线，以及基于GaN的功率放大器，可以高度精确性和更低的能量消耗，将信息传输至接收器。使用有来自弗莱堡的研究人员的技术，基站天线以电子方式瞄准接收器。“他们的工作方式更像人的耳朵，我们不需要转头，就可以知道噪音的来源方向。”
GaN材料的实用性
GaN的原材料十分丰富。氮气可以从空气中获得，镓是金属加工时的废物。GaN是一种用于蓝色和白色LED的重要组件。这种灯光技术，已经很成功地将GaN的生产变得更加的划算。如今，操作时的能量节省的需求，超过了生产成本的考虑，相比于硅，贵一点的GaN仍然是值得选择的。
消息来源：http://www.fraunhofer.de/en/press/research-news/2016/august/power-amplifiers-for-5g-made-of-gallium-nitride.html
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