干货 | 功率放大器的基本知识点

2019-07-22 14:31:12 来源:21ic电子网
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射频功率放大器基本概念

射频功率放大器(RF PA)是发射系统中的主要部分,其重要性不言而喻。在发射机的前级电路中,调制振荡电路所产生的射频信号功率很小,需要经过一系列的放大(缓冲级、中间放大级、末级功率放大级)获得足够的射频功率以后,才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率,必须采用射频功率放大器。在调制器产生射频信号后,射频已调信号就由RF PA将它放大到足够功率,经匹配网络,再由天线发射出去。

 

放大器的功能,即将输入的内容加以放大并输出。输入和输出的内容,我们称之为“信号”,往往表示为电?#22815;?#21151;率。对于放大器这样一个“系统”来说,它的“贡献”就是将其所“吸收”的东西提升一定的水平,并向外界“输出”。如果放大器能够有好的性能,那么它就可以贡献更多,这才体现出它自身的“价值”。如果放大器存在着一定的问题,那么在开始工作或者工作了一?#38382;?#38388;之后,不但不能再提供任何“贡献”,反而有可能出现一些不期然的“震荡”,这种“震荡”对于外界还是放大器自身,都是灾难性的。

 

射频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率,如何提高输出功率和效率,是射频功率放大器设计目标的核心。通常在射频功率放大器中,可以用LC谐振回路选出基频或某次谐波,实现不失真放大。除此之外,输出中的谐波分量还应该尽可能地小,以避免对其他频道产生干扰。

 

 

分类

根据工作状态的不同,功率放大器分类如下:

 

 

传统线性功率放大器的工作频率很高,但相对频带较窄,射频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。射频功率放大器可以按照电流导通角的不同,分为甲(A)、乙(B)、丙(C)三类工作状态。甲类放大器电流的导通角为360°,?#35270;?#20110;小信号低功率放大,乙类放大器电流的导通角等于180°,丙类放大器电流的导通角则小于180°。乙类和丙类都?#35270;?#20110;大功率工作状态,丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高的。射频功率放大器大多工作于丙类,但丙类放大器的电流波形失真太大,只能用于采用调谐回路作为负载谐振功率放大。由于调谐回路具?#26032;?#27874;能力,回路电流与电压仍然接近于正弦波形,失真很小。

 

开关型功率放大器(Switching Mode PA,SMPA),使电子器件工作于开关状态,常见的有丁(D)类放大器和戊(E)类放大器,丁类放大器的效率高于丙类放大器。SMPA将?#24615;?#26230;体管驱动为开关模式,晶体管的工作状态要么是开,要么是关,其电?#36141;?#30005;流的时域波形不存在交叠现象,所以是直流功耗为零,理想的效率能达到100%。

 

传统线性功率放大器具有较高的增益和线性?#40522;?#25928;率低,而开关型功率放大器具有很高的效率和高输出功率,但线性度差。具体见下表:

 

 

电路组成

放大器有不同类型,简化之,放大器的电路可以由以下几个部分组成:晶体管、偏置及稳定电路、输入输出匹配电路。

 

 

1-1、晶体管

晶体管有很多种,包括当前还有多种结构的晶体管被发明出?#30784;?#26412;质上,晶体管的工作都是表现为一个受控的电流源或电压源,其工作机制是将不含内容的直流的能量转化为“有用的”输出。直流能量乃是从外界获得,晶体管加以消?#27169;?#24182;转化成有用的成分。不同的晶体管不同的“能力”,比如其承受功率的能力有区别,这也是因为其能获取的直流能量的能力不同所致;比如其反应速度不同,这决定它能工作在多宽多高的频带上;比如其面向输入、输出端的阻抗不同,及对外的反应能力不同,这决定了给它匹配的难易程度。

 

1-2、偏置电路及稳定电路

偏置和稳定电路是两种不同的电路,但因为他们往往很难区分,且设计目标趋同,所以可以放在一起讨论。

 

晶体管的工作需要在一定的偏置条件下,我们称之为静态工作点。这是晶体管立足的根本,是它自身的“定位”。每个晶体管都给自己进行了一定的定位,其定位不同将决定了它自身的工作模式,在不同的定位上也存在着不同的性能表现。?#34892;?#23450;位点上起伏较小,适合于小信号工作?#25381;行?#23450;位点上起伏较大,适合于大功率输出?#25381;行?#23450;位点上索取较少,释放?#30475;猓?#36866;合于低噪声工作?#25381;行?#23450;位点,晶体管总是在饱和和截至之间徘徊,处于开关状态。一个恰当的偏置点,是正常工作的础。在设计宽带功率放大器时,或工作频率较高时,偏置电路对电路性能影响较大,此时应把偏置电路作为匹配电路的一部分考?#24688;?/p>

 

偏置网络有两大类型,无源网络和?#24615;?#32593;络。无源网络(即自偏置网络)通常由电阻网络组成,为晶体管提供合适的工作电?#36141;?#30005;流。它的主要缺陷是对晶体管的参数变化十分敏感,并且温?#20219;?#23450;性较差。?#24615;?#20559;置网络能改善静态工作点的稳定性,还能提高?#24049;?#30340;温?#20219;?#23450;性,但它也存在一些问题,如增加了电路尺寸、增加了电?#25918;?#29256;的?#35759;?#20197;及增加了功率消耗。

 

稳定电路一定要在匹配电?#20998;?#21069;,因为晶体管需要将稳定电路作为自身的一部分存在,再与外界接触。在外界看来,加上稳定电路的晶体管,是一个“全新的”晶体管。它做出一定的“牺牲”,获得了稳定性。稳定电路的机制能够保证晶体管顺利而稳定的运转。

 

1-3、输入输出匹配电路

匹配电路的目的是在选择一种接受的方式。对于那些想提供更大增益的晶体管来说,其途径是全盘的接受和输出。这意味着通过匹配电路这一个接口,不同的晶体管之间沟通更加顺畅,对于不同种的放大器类型来说,匹配电路并不是只有“全盘接受”一种设计方法。一些直流小、根基浅的小型管,更愿意在接受的时候做一定的阻挡,来获取更好的噪声性能,然而不能阻挡过了头,否则会影响其贡献。而对于一些巨型功率管,则需要在输出时谨小慎微,因为他们更不稳定,同时,一定的保留有助于他们发挥出更多的“不扭曲的”能量。

 

典型的阻抗匹配网络有L匹配、π形匹配和T形匹配。其中L匹配,其特点就是结构简单且只有两个自由度L和C。一旦确定了阻?#36129;?#25442;比率和谐振频率,网络的Q值(带宽)也就确定了。π形匹配网络的一个优点就是不管什么样的寄生电容,只要连接到它,都可以被吸到网络中,这也导致了π形匹配网络的普遍应用,因为在很多的?#23548;是?#20917;中,占支配地位的寄生元件是电容。T形匹配,当电源端和负载端的寄生参数主要呈电感性质时,可用T形匹配来把这些寄生参数吸收入网络。

 

确保射频PA稳定的实现方式

每一个晶体管都是潜在不稳定的。好的稳定电路能?#32531;?#26230;体管融合在一起,形成一种“可?#20013;?#24037;作”的模式。稳定电路的实现方式可划分为两种:窄带的和宽带的。

 

窄带的稳定电路是进行一定的增益消耗。这种稳定电路是通过增加一定的消耗电路和选择性电路实现的。这种电路使得晶体管只能在很小的一个频率?#27573;?#20869;贡献。另外一种宽带的稳定是引入负反馈。这种电路可以在一个很宽的?#27573;?#20869;工作。

 

不稳定的根源是正反馈,窄带稳定思路是遏制一部分正反馈,?#27604;唬?#36825;也同时抑制了贡献。而负反馈做得好,还有产生很多额外的令人欣喜的优点。比如,负反馈可能会使晶体管免于匹配,既不需要匹配就可以与外界很好的接洽了。另外,负反馈的引入会提升晶体管的线性性能。

 

射频PA的效率提升技术

晶体管的效率?#21152;?#19968;个理论上的极限。这个极限随偏置点(静态工作点)的选择不同而不同。另外,外围电路设?#39057;?#19981;好,?#19981;?#22823;大降低其效率。目前工程师们对于效率提升的办法不多。这里仅讲两种:包络跟踪技术与Doherty技术。

 

包络跟踪技术的实质是:将输入分离为两种:相位和包络,再由不同的放大电路来分别放大。这样,两个放大器之间可以专注的负责其各自的部分,二者配合可?#28304;?#21040;更高的效率利用的目标。

 

Doherty技术的实质是:采用两只同类的晶体管,在小输入时仅一个工作,且工作在高效状态。如果输入增大,则两个晶体管同时工作。这种方法实现的基础是二只晶体管要配合默契。一种晶体管的工作状态会直接的决定了另一支的工作效率。

 

射频PA面临的测试挑战

功率放大器是无线通信系统中非常重要的组件,但他们本身是非线性的,因而会导致频?#33258;?#29983;现象而干扰到邻近通道,而且可能违反法令强制规定的带外(out-of-band)放射标准。这个特性甚至会造成带内失真,使得通信系统的误码率(BER)增加、数据传输速率降低。

 

在峰值平均功率比(PAPR)下,新的OFDM传输格?#20132;?#26377;更多偶发的峰值功率,使得PA不易被分割。这将降低频谱屏蔽相符性,并扩大整个波形的EVM及增加BER。为了解决这个问题,设计工程师通常会刻意降低PA的操作功率。很可惜的,这是非常?#25381;行?#29575;的方法,因为PA降低10%的操作功率,会损失掉90%的DC功率。

 

现今大部分的RF PA?#28798;?#25345;多种模式、频率?#27573;?#21450;调制模式,使得测试项目变得更多。数以千计的测试项目已不稀奇。波峰因子消减(CFR)、数字预失真(DPD)及包络跟踪(ET)等新技术的运用,有助于将PA效能及功率效率优化,但这些技术只会使得测试更加复杂,而且大幅延长设计及测试时间。增加RF PA的带宽,将导致DPD测量所需的带宽增加5倍(可能超过1 GHz),造成测试复杂性进一步升高。

 

依趋势来看,为了增加效率,RF PA组件及前端模块(FEM)将更紧密整合,而单一FEM则将支持更广泛的频段及调制模式。将包络跟踪电源供应器或调制器整合入FEM,可?#34892;?#22320;减少移动设备内部的整体空间需求。为了支持更大的操作频率?#27573;?#32780;大量增加滤波器/双工器插槽,会使得移动设备的复杂?#32676;?#27979;试项目的数量节节攀升。

 

半导体材料的变迁:

Ge(锗)、Si(硅)→→→GaAs(砷化镓)、InP(磷化铟)→→→SiC(碳化硅)、GaN(氮化镓)、SiGe(锗化硅)、SOI(绝?#25377;?#19978;覆硅) →→→?#23492;?#31859;管(CNT) →→→石墨烯(Graphene)。

 

目前功率放大器的主流工?#25214;?#28982;是GaAs工艺。另外,GaAs HBT,砷化镓异?#24335;?#21452;极晶体管。其中HBT(heterojunction bipolar transistor,异?#24335;?#21452;极晶体管)是一种由砷化镓(GaAs)层和铝镓砷(AlGaAs)层构成的双极晶体管。

 

CMOS工艺虽然已经比较成熟,但Si CMOS功率放大器的应用并不广泛。成本方面,CMOS工艺的硅晶圆虽然比较便宜,但CMOS功放版图面积比较大,再加上CMOS PA复杂的设计所投入的研发成本较高,使得CMOS功放整体的成本优势并不那么明显。性能方面,CMOS功率放大器在线性度,输出功率,效率等方面的性能较差,再加上CMOS工艺固有的缺点:膝点电压较高、击穿电压?#31995;汀MOS工艺基片衬底的电阻率?#31995;汀?/p>

 

?#23492;?#31859;管(CNT)由于具?#24418;?#29702;尺寸小、电子迁移率高,电流密度大和本征电容低等特点,人们认为是纳米电子器件的理想材料。

 

零禁带半导体材料石墨烯,因为具有很高的电子迁移速率、纳?#36164;?#37327;级的物理尺寸、优秀的电性能以及机械性能,必将成为下一代射频芯片的热门材料。

 

射频PA的线性化技术

射频功率放大器的非线性失真会使其产生新的频率分量,如对于二?#36164;?#30495;会产生二次谐波?#36864;?#38899;拍频,对于三?#36164;?#30495;会产生三次谐波和多音拍频。这些新的频率分量如落在通带内,将会对发射的信号造成直接干扰,如果落在通带外将会干扰其他频道的信号。为此要对射频功率放大器的进行线性化处理,这样可以较好地解决信号的频?#33258;?#29983;问题。

 

射频功放基本线性化技术的原理与方法不外乎是以输入RF信号包络的振幅和相位作为参考,与输出信号比较,进而产生?#23454;?#30340;校正。目前己经提出并得到广泛应用的功率放大器线性化技术包括,功率回退,负反馈,前馈,预失真,包络消除与?#25351;?EER),利用非线性元件进行线性放大(LINC) 。较复杂的线性化技术,如前馈,预失真,包络消除与?#25351;矗?#20351;用非线性元件进行线性放大,它们对放大器线性度的改善效果比较好。而实现比较容易的线性化技术,比如功率回退,负反馈,这几个技术对线性度的改善就比较有限。

 

 

2-1、功率回退

这是最常用的方法,即选用功率较大的管子作小功率管使用,?#23548;?#19978;是以牺牲直流功耗来提高功放的线性度。

 

功率回退法就是把功率放大器的输入功率从1dB压缩点(放大器有一个线性动态?#27573;В?#22312;这个?#27573;?#20869;,放大器的输出功率随输入功率线性增加。随着输入功率的继续增大,放大器渐渐进入饱和区,功率增益开始下降,通常?#35328;?#30410;下降到比线性增益低1dB时的输出功率值定义为输出功率的1dB压缩点,用P1dB表示。)向后回退6-10个分贝,工作在远小于1dB压缩点的电平上,使功率放大器远离饱和区,进入线性工作区,从而改善功率放大器的三阶交调系数。一般情况,当基波功率降低1dB时,三阶交调失真改善2dB。

 

功率回退法简单?#20057;资?#29616;,不需要增加任何附加设备,是改善放大器线性度行之?#34892;?#30340;方法,缺点是效率大为降低。另外,当功率回退到一定程度,?#27604;?#38454;交调制达到-50dBc以?#29575;保?#32487;续回退将不再改善放大器的线性度。因此,在线性度要求很高的场合,完全靠功率回退是不够的。

 

2-2、预失真

预失真就是在功率放大器前增加一个非线性电路用以补偿功率放大器的非线性失真。

 

预失真线性化技术,它的优点在于不存在稳定性问题,有更宽的信号频带,能够处理含多载波的信号。预失真技术成本?#31995;停?#30001;几个仔细选取的元件封装成单一模块,连在信号源与功放之间,就构成预失真线性功放。手持移动台中的功放已采用了预失真技术,它仅用少量的元件就降低了互调产物几dB,但却是很关键的几dB。

 

预失真技术分为RF预失真和数字基带预失真两种基本类型。RF预失真一般采用模拟电路?#35789;?#29616;,具有电?#26041;?#26500;简单、成本低、?#23376;?#39640;频、宽带应用等优点,缺点是频?#33258;?#29983;分量改?#24179;?#23569;、高阶频谱分量抵消较困难。

 

数字基带预失真由于工作频率低,可以用数字电路实现,适应性强,而且可以通过增加采样频率和增大量化?#36164;?#30340;办法来抵消高阶互调失真,是一种很有发展前途的方法。这种预失真器由一个矢量增益调节器组成,根据查找表(LUT)的内容来控制输入信号的幅?#32676;?#30456;位,预失真的大小由查找表的输入来控制。矢量增益调节器一旦被优化,将提供一个与功放相反的非线性特性。理想情况下,这时输出的互调产物应该与双音信号通过功放的输出幅度相等而相位相反,即自适应调节模块就是要调节查找表的输入,从而使输入信号与功放输出信号的差别最小。注意到输入信号的包络也是查找表的一个输入,反馈路径来取样功放的失真输出,?#32531;?#32463;过A/D变换送入自适应调节DSP中,进而来更新查找表。

 

2-3、前馈

前馈技术起源于"反馈",应该说它并不是什么新技术,早在二三十年代就由美国贝尔实验室提出来的。除了校准(反馈)是加于输出之外,概念上完全是"反馈"。

 

前馈线性放大器通过耦合器、衰减器、合成器、延时线、功分器等组成两个环路。射频信号输入后,经功分器分成两路。一?#26041;?#20837;主功率放大器,由于其非线性失真,输出端除了?#34892;?#35201;放大的主频信号外,还有三阶交调干扰。从主功放的输出中耦合一部?#20013;?#21495;,通过环路1抵消放大器的主载频信号,使其只剩?#36335;?#30456;的三阶交调分量。三阶交调分量经辅助放大器放大后,通过环路2抵消主放大器非线性产生的交调分量,从而了改善功放的线性度。

 

前馈技术既提供了较高校准精度的优点,?#32622;?#26377;不稳定和带宽受限的缺点。?#27604;唬?#36825;些优点是用高成本换来的,由于在输出校准,功率电平较大,校准信号需放大到较高的功率电平,这就需要额外的辅助放大器,而且要求这个辅助放大器本身的失真特性应处在前馈系统的指标之上。

 

前馈功放的抵消要求是很高的,需获得幅度、相位和时延的匹配,如果出现功率变化、温度变化及器件老化等均会造成抵消失灵。为此,在系统中考虑自适应抵消技术,使抵消能够跟得上内外环境的变化。

 

射频功率放大器产业链情况

一、5G智能移动终端,射频PA的大机遇

1. 射频器件?#20351;?#19978;的明珠

射频功率放大器(PA)作为射频前端发射通路的主要器件,主要是为了将调制振荡电路所产生的小功率的射频信号放大,获得足够大的射频输出功率,才能馈送到天线上辐射出去,通常用于实现发射通道的射频信号放大。

 

手机射频前端:一旦连上移动网络,任?#25105;?#21488;智能手机都能轻松刷朋友圈、看高清视频、下载?#35745;?#22312;线购物,这完全是射频前端进化的功劳,手机每一个网络制式(2G/3G/4G/WiFi/GPS),都需要自己的射频前端模块,充当手机与外界通话的桥梁—手机功能越多,它的价值越大。

 

 

射频前端模块是移动终端通信系统的核心组件,对它的理解可?#28304;?#20004;方面考虑:一是必要性,它是连接通信收发器(transceiver)和天线的必经之路;二是重要性,它的性能直接决定了移动终端可以支持的通信模式,以及接收信号强度、通话稳定性、发射功率等重要性能指标,直接影响终端用户体验。

 

 

射频前端芯片包括功率放大器(PA),天线开关(Switch)、滤波器(Filter)、双工器(Duplexer 和 Diplexer)和低噪声放大器(LNA)等,在多模/多频终端中发挥着核心作用。

 

射频前端产业中最大的?#35856;?#20026;滤波器,将从 2017 年的 80 亿美元增长到2023 年 225 亿美元,复合年增长率高达 19%。该增长主要来自于 BAW 滤波器的渗透率?#28798;?#22686;加,典型应用如 5G NR 定义的超高频段和 WiFi 分集天线共享。

 

 

功率放大器?#35856;?#22686;长相对稳健,复合年增长率为 7%,将从 2017 年的 50亿美元增长到 2023 年的 70 亿美元。高端 LTE 功率放大器?#35856;?#30340;增长,尤其是高频?#32479;?#39640;频,将弥补 2G/3G ?#35856;?#30340;萎缩。

 

 

2. 5G推动手机射频 PA 量价齐升

射频前端与智能终端一同进化,4G 时代,智能手机一般采取 1 发射 2 接收架构。由于 5G 新增了频段(n41 2.6GHz,n77 3.5GHz 和 n79 4.8GHz),因此 5G 手机的射频前端将?#34892;?#30340;变化,同时考虑到 5G 手机将继续兼容4G、3G 、2G 标准,因此 5G 手机射频前端将异常复杂。

 

预测 5G 时代,智能手机将采用 2 发射 4 接收方案。

 

 

无论是在基站端还是设备终端,5G 给供应商带来的挑战都首先体现在射频方面,因为这是设备“上”网的关键出入口,即将到来的 5G 手机将会面临多方面的挑战:

 

更多频段的支持:因为从大家熟悉的 b41 变成 n41、n77 和 n78,这就需要对更多频段的支持;

 

不同的调制方向:因为 5G 专注于高速连接,所以在调制方面会?#34892;?#30340;变化,对功耗方面也有更多的要求。比如在 4G 时代,大家比较关注 ACPR。但到了 5G 时代,则更需要专注于 EVM(一般小于 1.5%);

 

信号路由的选择:选择 4G anchor+5G 数据连接,还是直接走 5G,这会带来不同的挑战。

 

开关速度的变化:这方面虽然没有太多的变化,但 SRS ?#19981;?#24102;来新的挑战。

 

其他如 n77/n78/n79 等新频段的引入,?#19981;?#23545;射频前端形态产生影响,推动前端模组改变,满足新频段和新调谐方式等的要求。

 

 

5G 手机功率放大器(PA)用量翻?#23545;?#38271;:PA 是一部手机最关键的器件之一,它直接决定了手机无线通信的距离、信号质量,甚至待机时间,是整个射频系统中除基带外最重要的部分。手机里面 PA 的数量随着 2G、3G、4G、5G 逐渐增加。以 PA 模组为例,4G 多模多频手机所需的 PA 芯片为5-7 颗,预测 5G 手机内的 PA 芯片将达到 16 颗之多。

 

 

5G 手机功率放大器(PA)单机价值量有望达到 7.5 美元?#21644;?#26102;,PA 的单价也有?#28798;?#25552;高,2G 手机用 PA 平均单价为 0.3 美金,3G 手机用 PA 上升到 1.25 美金,而全模 4G 手机 PA 的消耗则高达 3.25 美金,预计 5G 手机PA 价值?#30475;?#21040; 7.5 美元以上。

 

 

3. GaAs 射频器件仍将主导手机?#35856;?/strong>

5G 时代,GaAs 材料?#35270;?#20110;移动终端。GaAs 材料的电子迁移率是 Si 的 6倍,具有直接带隙,故其器件相对 Si 器件具有高频、高速的性能,被公认为是很合适的通信用半导体材料。在手机无线通信应用中,目前射频功率放大器绝大部分采用 GaAs 材料。在 GSM 通信中,国内的锐迪科和汉天下等芯片设计企业曾凭借 RF CMOS 制程的高集成?#32676;偷统?#26412;的优势,打破了采用国际龙头厂商采用传统的 GaAs 制程完全主导射频功放的格局。

 

但是到了 4G 时代,由于 Si 材料存在高频损耗、噪声大和低输出功率密度等缺点,RF CMOS 已经不能满足要求,手机射频功放重新回到 GaAs 制程完全主导的时代。与射频功放器件?#35272;?#20110; GaAs 材料不同,90%的射频开关已经从传统的 GaAs 工艺转向了 SOI(Silicon on insulator)工艺,射频收发机大多数也已采用 RF CMOS 制程,从而满足不断提高的集成度需求。

 

 

5G 时代,GaN 材料?#35270;?#20110;基站端。在宏基站应用中,GaN 材料凭借高频、高输出功率的优势,正在逐渐取代 Si LDMOS;在微基站中,未来一?#38382;?#38388;内仍然以 GaAs PA 件为主,因其目前具备经?#35856;?#39564;证的可靠性和高性价比的优势,但随着器件成本的降低和技术的提高,GaN PA 有望在微基站应用在分得一杯羹;在移动终端中,因高成本和高供电电压,GaN PA 短期内?#21442;?#27861;撼动 GaAs PA 的统治地位。

 

二、5G基站,PA数?#23545;?#38271;,GaN 大有可为

1. 5G基站,射频 PA 需求大幅增长

5G 基站 PA数量有望增长16?#19969;?G 基站采用 4T4R 方案,按照三个扇区,对应的 PA 需求量为 12 个,5G 基站,预计 64T64R 将成为主流方案,对应的 PA 需求量高达 192 个,PA 数量将大幅增长。

 

5G 基站射频 PA 有望量价齐升。目前基站用功率放大器主要为基于硅的横向扩散金属氧化物半导体 LDMOS 技术,不过 LDMOS 技术仅?#35270;?#20110;低频段,在高频应用领域存在局限性。对于 5G 基站 PA 的一些要求可能包括3~6GHz 和 24GHz~40GHz 的运行频率,RF 功率在 0.2W~30W 之间,5G 基站 GaN 射频 PA 将逐渐成为主?#25216;?#26415;,而 GaN 价格高于LDMOS 和 GaAs。

 

GaN 具有优异的高功率密?#32676;?#39640;频特性。提高功率放大器 RF 功率的最简单的方式就是增加电压,这让氮化镓晶体管技术极具吸引力。如果我们对比不同半导体工艺技术,就会发现功率通常会如何随着高工作电压 IC 技术而提高。

 

典型的 GaN 射频器件的加工工艺,主要包括如下?#26041;冢和?#24310;生长-器件隔离-欧?#26041;?#35302;(制作源极、漏极)-氮化物钝化-栅极制作-场板制作-衬?#20934;?#34180;-衬底通孔等?#26041;凇?/p>

 

GaN射频器件的加工工艺

 

2. GaN射频 PA 有望成为 5G基站主流技术

预测未来大部分 6GHz 以下宏网络单元应用都将采用 GaN 器件,小基站 GaAs 优势更明显。就电信?#35856;?#32780;言,得益于 5G 网络应用的?#25214;?#20020;近,将从 2019 年开始为 GaN 器件带来巨大的?#35856;?#26426;遇。相比现有的硅 LDMOS(横向双扩散金属氧化物半导体技术)和 GaAs(砷化镓)解决方案,GaN 器件能够提供下一代高频电信网络所需要的功率和效能。而且,GaN 的宽带性能也是实现多频带载波聚?#31995;?#37325;要新技术的关键因素之一。GaN HEMT(高电子迁移率场效晶体管)已经成为未来宏基站功率放大器的候选技术。

 

由于 LDMOS 无法再支持更高的频率,GaAs 也不再是高功率应用的最优方案,预计未来大部分6GHz 以下宏网络单元应用都将采用 GaN 器件。5G 网络采用的频段更高,穿透力与覆盖?#27573;?#23558;比 4G 更差,因此小基站(small cell)将在 5G 网络建设中扮演很重要的?#24039;?#19981;过,由于小基站不需要如此高的功率,GaAs 等现有技术仍有其优势。与?#36865;?#26102;,由于更高的频率降低了每个基站的覆盖率,因此需要应用更多的晶体管,预计?#35856;?#20986;货量增长速度将加快。

 

2015-2025年基站主要趋势

 

3. 全球 GaN射频器件产业链竞争格局

GaN 微波射频器件产品推出速度明显加快。目前微波射频领域虽然备受关注,但是由于技术水平较高,专利壁垒过大,因此这个领域的公司相比?#31995;?#21147;电子领域和光电子领域并不算很多,但多数都具有较强的科研实力和?#35856;?#36816;作能力。GaN 微波射频器件的商业化供应发展迅速。据材料深一度对 Mouser 数据统计分析显示,截至 2018 年 4 月,共有 4 ?#39029;?#21830;推出了150 个品类的 GaN HEMT, 占整个射频晶体管供应品类的 9.9%,较 1 月增长了 0.6%。

 

Qorvo 产品工作频率?#27573;?#26368;大,Skyworks 产品工作频率较小。Qorvo、CREE、MACOM 73%的产品输出功率集中在 10W~100W 之间,最大功率达到 1500W(工作频率在 1.0-1.1GHz, 由 Qorvo 生产),采用的技术主要是 GaN/SiC GaN 路线。?#36865;猓?#37096;分企业提供 GaN 射?#30340;?#32452;产品,目前有 4?#31227;?#19994;对外提供 GaN 射频放大器的销售,其中 Qorvo 产品工作频率?#27573;?#26368;大,最大工作频率可达到 31GHz。Skyworks 产品工作频率较小,主要集中在 0.05-1.218GHz 之间。

 

Qorvo 射频放大器的产品类别最多。在我国工信部公布的 2 个 5G 工作频段(3.3-3.6GHz、4.8-5GHz,)内,Qorvo 公司推出的射频放大器的产品类别最多,最高功率分别高达 100W 和 80W(1 ?#36335;?Qorvo 在 4.8-5GHz 的产品最高功率为 60W),ADI 在 4.8-5GHz 的产品最高功率提高到 50W(之前产品的最高功率不到 40W), 其他产品的功率大部分在 50W 以下。

 

国外GaN射频器件产业链重点企业

 

最后,报告?#33455;?#20102;一些射频功率放大器产业链的重点受益公?#23613;?/p>

 

基站射频 PA:Qorvo、CREE、稳懋、旋极信息(拟收购安谱隆)、三?#34917;?#30005;、海特高新(海威华芯);

 

移动终端及 IOT 射频 PA:Skyworks、Qorvo、高通、台湾稳懋、三?#34917;?#30005;、环旭电子、卓胜微电子、信维通信。

 
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