移動(dòng)通信的無線數(shù)據(jù)流量在過去幾年里急劇增長，隨著5G和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的普及，預(yù)計(jì)到2020年，移動(dòng)通信的年增長率將達(dá)到1.5倍。為了建立這種高容量的下一代無線通信網(wǎng)絡(luò)，人們將注意力集中在使用高頻W波段的無線通信技術(shù)上。為此，富士通實(shí)驗(yàn)室(Fujitsu Laboratories Ltd.)宣布開發(fā)一種氮化鎵(GaN)高電子移動(dòng)晶體管(HEMT)功率放大器，可用于W波段(75-110ghz)傳輸。

圖1：新開發(fā)的W-band GaN-HEMT功率放大器芯片

　　要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高容量的無線通信，一種很有前景的方法是利用W波段和其他高頻波段，其中包含了廣泛的可用頻率，并通過傳輸功率放大器增加輸出。與此同時(shí)，為了降低通信系統(tǒng)的能耗，提高功率放大器的效率。

　　而新開發(fā)的W波段功率放大器能提供高輸出功率和運(yùn)作效率，通過減少電流泄漏和內(nèi)部的甘-海特電阻，該技術(shù)得以提高晶體管的性能。在W波段，每毫米寬為4.5 W的W波段，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，它的能耗降低了26%，富士通取得了創(chuàng)紀(jì)錄的輸出功率密度。

　　富士通表示，在W波段中可以使用的頻率范圍非常廣泛，因?yàn)檫@一頻段的通信速度可以迅速增加，它非常適合這種高帶寬的無線通信。傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)已經(jīng)允許在數(shù)公里范圍內(nèi)的幾個(gè)gbit/s的性能，但是在無線通信距離和使用w波段的能力上實(shí)現(xiàn)了更大的增長，這需要進(jìn)一步增加功率放大器的輸出來在傳輸過程中增加信號(hào)。

圖2：GaN-HEMT器件結(jié)構(gòu)截面示意圖

　　為了增加距離和容量，有必要擴(kuò)大可放大的頻率帶寬，同時(shí)支持可以在相同頻寬范圍內(nèi)傳輸更多信息的調(diào)制方法，并且硬性要求是在信號(hào)被放大時(shí)減少失真。另一個(gè)目標(biāo)是，在更大的距離和容量的通信系統(tǒng)中，以及提高功率放大器的能源效率，來控制通信系統(tǒng)的能耗。

同時(shí)減少內(nèi)部阻力和電流泄漏

　　為了提高無線通信的距離和容量，并減少銦鋁氮化鎵(InAlGaN)的能耗，富士通開發(fā)了可減少內(nèi)部阻力和控制電流泄漏的兩種新技術(shù)技術(shù)。當(dāng)電流在源或漏電電極和GaN-HEMT設(shè)備之間流動(dòng)時(shí)，減少內(nèi)部阻力的技術(shù)能夠可靠地將電阻的電阻降低到以前技術(shù)的十分之一。該技術(shù)采用了一種制造工藝，將根直接插入到源以下的干接處，并將電極排出，從而產(chǎn)生高密度的電子。

　　讓從源電極到二維電子氣體(2DEG)場(chǎng)的電子盡可能的順利地傳輸至關(guān)重要。然而，前一種技術(shù)的結(jié)構(gòu)使電子供應(yīng)層成為一個(gè)障礙，而源電極與二維電子氣體之間的內(nèi)部電阻增加。通過應(yīng)用這種新技術(shù)，富士通可以在晶體管中運(yùn)行高電流，從而大大減少電阻。

圖3：GaN-HEMT功率放大器性能比較

　　在控制電流泄漏方面，當(dāng)晶體管處于非狀態(tài)，且二維電子氣體(在通道層頂部的邊界處高速移動(dòng))時(shí)，電流就會(huì)發(fā)生泄漏。這種泄漏會(huì)導(dǎo)致功率放大器的運(yùn)行性能惡化。通常情況下，通過在通道層下放置一個(gè)屏障層來減少電流泄漏是可能的，但在這種情況下，二維電子氣體的數(shù)量也會(huì)減少，從而減少了漏電電流。

　　新技術(shù)通過有效地分配銦氮化鎵(InGaN)來在通道層下形成一個(gè)屏障層，從而維持高的排水電流。這減少了操作過程中的電子繞道，成功地減少了電流泄漏。

節(jié)省26%的能耗

　　富士通表示，之前的功率放大器輸出密度的記錄是每一毫米寬(由富士通實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的技術(shù))為每毫米3.6 W。這一技術(shù)在新開發(fā)的技術(shù)上得到了極大的改進(jìn)，該技術(shù)的輸出功率為4.5 W/毫米，為一種功率放大器，設(shè)計(jì)為94GHz。此外，通過減少電流泄漏，新技術(shù)與之前的技術(shù)相比降低了26%的能源消耗。

　　該公司預(yù)計(jì)，這種功率放大器的使用將允許在不同位置的兩個(gè)連接系統(tǒng)之間的高容量、遠(yuǎn)距離無線通信，在10公里以上的距離上實(shí)現(xiàn)。

　　未來該技術(shù)將應(yīng)用于功率放大器的開發(fā)，為無線通信提供更大的范圍和更高的容量，同時(shí)提供比光纖更容易的安裝技術(shù)。富士通希望到2020年時(shí)，能將這種新技術(shù)商業(yè)化，并在解決光纜被自然災(zāi)害切斷或在舉辦活動(dòng)時(shí)建立臨時(shí)通訊基礎(chǔ)設(shè)施等情況下使用這種技術(shù)。