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来源:材料深一度

导读


5G技术涵盖毫米波频率和大规模阵列天线的运用,带宽、时延、同步等性能全面提升,对高功率、高性能、高密度的射频元件需求不断增加。GaN功率放大器以其高击穿电压、高功率、大带宽、高效率等优势符合新技术要求,逐渐成为LDMOS的最佳替代者。


一、功率放大器在基站中的应用

功率放大器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。

5G关键技术中的高密集组网(UDN)以及全频谱接入将带来基站数量的增加和频谱的进一步拓宽,对终端射频器件带来更多的需求。特别是5G时代基地台设备升级及小型化,成为推动射频功率放大器市场规模成长的主要动力。据统计,功率放大器占基地台成本比重约25~30%,具有举足轻重角色。目前投入射频功率放大器业者众多,包括NXP、Qorvo、Ampleon、Infineon、Sumitomo、Gree、UMS等。

图1 通信设备/移动设备射频组成部分

资料来源:华为

二、功率放大器发展趋势

功率放大器日益小型化。随着无线通讯新标准、新技术的不断发展,基站朝着宽带化、多模化、集成化等方向不断演进,这要求提高射频PA的各种性能,进一步降低成本、减少尺寸与重量,同时拥有良好的线性度、高输出功率及效率。5G对射频组件需求的提升将大幅提升基站射频行业的市场空间,高度的集成化需求,同时也将推动功率放大器等射频组件工艺进一步升级,产品将更加的小型化。此外,在基站设备中,射频功放的能耗占到总能耗的60%左右,因此,大带宽、高效率、小体积,轻重量、低成本的射频功率放大器成为了未来移动运营商降低运营成本、实现绿色节能的最为有效的手段。

GAN功率器件将成为PA的主流技术。目前针对3G和LTE基站市场的功率放大器主要有硅基LDMOS和GaAS两种。但随着5G带来的多频带载波聚合和大规模MIMO等新技术出现新要求,现有的硅基LDMOS和GaAS解决方案局限性不断凸显,氮化镓成为中高频段主要技术方向。

  • 传统LDMOS技术疲态已现

未来5G商用频段主要在3.5GHz,LDMOS功率放大器的带宽会随着频率的增加而大幅减少,LDMOS 仅在不超过约3.5GHz的频率范围内有效,因此在3.5GHz频段LDMOS的性能已开始出现明显下滑。5G基站AAU功率大幅提升,单扇区功率从4G时期的50W左右提升到5G时期的200W左右,传统的LDMOS制程将很难满足性能要求。

  • GaAs技术适用性有限

GaAs功率放大器虽然能够满足高频通信的要求,但其输出功率与GaN器件相比多有逊色。对于小基站(微基站)不需要很高的功率,现有GaAs技术仍具有优势。

  • GaN技术具有显著优势

HEMT利用髙迁移率的二维电子气2DEG工作,具有超高速,低功耗和低噪声的优点。GaN具有的压电极化效应可以显著地提高HEMT中的2DEG迁移率和密度,采用GaN材料的HEMT具有高跨导、高工作频率、饱和电流的显著优势。随着半导体材料工艺的进步,氮化镓(GaN)正成为中高频频段PA主要技术路线,GaN技术优势包括能源效率提高、带宽更宽、功率密度更大、体积更小,使之成为LDMOS的天然继承者。根据Yole数据显示,预计到2025年GaN将主导RF功率器件市场,抢占基于硅LDMOS技术的基站PA市场。

图2 2015-2025年射频功率市场不同技术路线的份额占比

资料来源:Yole


图3 基站射频PA技术路线比较

数据来源:Macom、Qorvo

三、功率放大器市场潜力巨大

在4G建设高峰期,国内市场平均每年功率放大器的市场空间约在42亿元。考虑到单站功率放大器价格的大幅提升,到了5G时代,单站价格的大幅上涨将推动功率放大器的总市场空间大幅提升。未来,随着毫米波等高频段技术的成熟,GaN 作为主流技术将成为必然。

5G基站引入大规模阵列天线,这将带动射频组件需求量大幅增加。根据目前的5G测试来看,采用64通道的MassiveMIMO技术是各个设备商的主流测试选择。未来64通道的天线阵列将容纳64个功率放大器等器件。据华泰证券研究所统计,预计2025年国内功率放大器市场规模将达到40亿元左右,而在2020年-2023年5G发展高峰期,功率放大器市场规模将超过100亿元。


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