氮化鎵、MMIC、射頻SoC以及光網絡技術的并行發展共同助力提高設計和成本效率

5G的出現促使人們重新思考從半導體到基站系統架構再到網絡拓撲的無線基礎設施。

在半導體層面上，硅基氮化鎵的主流商業化開啟了提高射頻功率密度、節省空間和提高能效的大門，其批量生產水平的成本結構非常低，與LDMOS相當，遠低于碳化硅基氮化鎵。與此同時，對于高功率射頻應用，氮化鎵的用例已經擴展到分立晶體管以外。 隨著氮化鎵向商用4G LTE無線基礎設施的擴展，逐漸實現了規模經濟，為氮化鎵順利進入MMIC市場提供了有力支持，從而幫助系統設計人員實現更高水平的功能和設備集成，滿足新一代5G系統的需求。

同時，隨著集成射頻、模擬和數字電路的射頻SoC不斷發展，數據處理速度發生了質的飛躍（涵蓋極寬頻率范圍），可利用先進的直接采樣功能。在電路板層面上，這消除了與特定頻率計劃相關的離散數據轉換器的需求，從而可實現具備數字靈活性和更多IO的小型系統。

在網絡節點層面上，5G數據吞吐量要求重新審視了負責卸載和路由5G數據洪流的光學傳輸技術。通過全面了解從基站到網絡光纖的網絡（ 從射頻到光），系統設計人員可以更好地了解這些技術交叉出現時遇到的挑戰和機遇。

在這里，我們將評估用于集成多功能MMIC的硅基氮化鎵的優勢、射頻片上系統(SOC)的優勢以及影響5G無線基礎設施發展的先進光通信技術架構。

氮化鎵和MMIC的創新

由于大規模MIMO天線配置的密度很大（單個5G基站中可擴展超過256個發射和接收元件），可用的PCB空間就極為珍貴，特別是在較高頻率下。為了應對這一挑戰，目前我們正在用多功能MMIC取代5G基站設計中的分立IC和單功能MMIC。

除了通過多功能集成來節省空間外，還可通過降低設計復雜度，減少個別芯片封裝、測試和裝配的工作量來降低成本。可通過減少接口數量提高整體機械可靠性。

上述背景為硅基氮化鎵成功進入商用半導體市場提供了良好的時機。由于硅基氮化鎵可向8英寸和12英寸硅晶圓擴展，因此可實現碳化硅基氮化鎵無法企及的成本效益以及LDMOS無法達到的功率密度- 每單位面積的功率提高4至6倍。

為兼顧這兩個關鍵屬性，硅基氮化鎵進一步突出了其卓越性能，即在芯片級集成強大的功能，為打造超緊湊型MMIC提供額外的空間優化。其硅基底支持氮化鎵器件和基于CMOS的器件在單個芯片上同質集成- 碳化硅基氮化鎵由于工藝限制而無法提供該功能。這為多功能數字輔助射頻MMIC集成片上數字控制和校準以及片上配電網絡等奠定了基礎。

射頻SoC處理效率

對于5G基站基礎設施來說，可通過基于硅基氮化鎵的多功能MMIC實現集成優勢并減少硬件內容，而商業市場上新興的射頻SoC對此做出了進一步的補充。射頻SoC集成了多個千兆位采樣射頻數據轉換器，可在很寬的頻率范圍內進行高速數據處理，從而簡化了數據流水線，并為增加射頻通道數量提供了可擴展的途徑。

采用傳統的超外差接收器架構時，信號必須先降頻為基帶信號，這需要一個混頻器和附加電路。2.6 GHz射頻信號(4G LTE)需要下變頻到MHz級頻率范圍，這樣一來，傳統的ADC便可以較低的速度進行采樣。

要將所有的頻率信息放入第一奈奎斯特頻帶，您需要以3倍的射頻頻率進行采樣。為此，2.6 GHz信號需要以大約每秒8千兆次的采樣速率進行采樣，遠遠超過傳統ADC的能力，傳統ADC的采樣速率要低得多，在400 MHz頻率范圍內通常為每秒3千兆次采樣。

新一代射頻SoC正竭力克服這一障礙，它能夠以高達每秒56千兆次的采樣速率對信號進行采樣，從而可在極高射頻頻率下進行直接射頻采樣，當然也可以選擇降低采樣速率。這種數字采樣功能消除了對傳統超外差接收器和離散數據轉換器的需求，同時也消除了超外差采樣所需的激勵器技術的需求。

射頻SoC可以將大量通道封裝到極小的器件中。從功能上看，可將4到16個通道裝入一個約12mm X 12mm的IC中，而無需通過多個電路板卡實現相同的目的- 這就類似于從老式旋轉電話發展到智能手機后，不但減小了體積，還增強了IO功能。在確立發展7nm間距射頻CMOS技術的明確方向后，通道密度將只能繼續增大，功耗優化將繼續得到改善。

展望未來，射頻SoC所實現信號的失真情況將越來越少- 先前無法糾正的模糊和不完善之處將很容易進行糾正。在系統級，我們能夠再次見證多功能集成和減少組件數帶來的優勢如何為經濟實惠的5G基礎設施顯著節省空間、降低功耗和壓縮成本。

另外值得注意的是，射頻SoC在相干波束成形中起到關鍵作用，這是一種用于先進雷達系統的有源相控陣天線技術，可以提高6 Ghz以下無線基站的性能。憑借相干波束成形，大規模MIMO陣列中的每個發射和接收元件可與其他元件協同工作，以動態地增加用戶方向的發射功率和接收器靈敏度，從而減輕來自其他源的噪聲、干擾和反射。系統設計人員可將硅基氮化鎵、異類微波集成電路(HMIC)和相干波束成形技術相結合，在滿足大規模MIMO陣列緊湊尺寸約束的前提下實現高水平能效。

從射頻到光

無線網絡運營商和超大規模數據中心運營商在順應5G發展的新形勢下目標一致- 他們需要盡可能快速且經濟高效地移動數據。隨著射頻和光通信技術的并行發展開始相互交融，我們將更清楚地了解一個技術領域的創新如何影響其他領域的發展。

射頻基站實現的更快數據處理和吞吐速度同樣反映在從100G到400G光收發器模塊的過渡中，特別是在端口密度必須繼續增加以滿足數據中心對不斷增長的數據量的需求。

實現更高集成度和減少組件數量是大勢所趨，這是向400G模塊發展的關鍵因素，其中單λ（又稱單波長）PAM-4調制方案的出現正在轉變模塊架構。對于100G收發器，單λPAM-4技術可將激光器數量減少為一個，并消除了對光復用的需求。對于400G實施方案，僅需四個光學組件，對數據中心運營商而言，這是一個通過極其緊湊且節能的模塊降低其成本的重大機遇。超大規模數據中心的這項創新將在不久后推廣到無線網絡節點。

在半導體層面上，硅光子技術的不斷進步將改變新一代多功能MMIC的組成，從而利用已確立的CMOS工藝通過商業規模的制造技術在晶圓基底上一次生產數千個光學元件。憑借將基于氮化鎵的射頻器件與光學器件集成在單一硅片上的新功能（以極具吸引力的成本結構實現），可減少射頻元件和光學元件之間接口，從而通過網絡輕松實現更清晰、更快速的信號。

與此同時，硅基氮化鎵技術、多功能MMIC和射頻SoC的不斷發展將推動射頻和微波行業朝著實現更卓越、更經濟高效的集成無線系統基礎設施的道路邁進，最終完成5G連接的目標。

本文作者：MACOM副總裁兼首席架構師Tony Fischetti