淺析:5G浪潮下,射頻功率放大器產業發展

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2020-2-24 14:00 Monday
分類: 5G

淺析:5G浪潮下,射頻功率放大器產業發展

文章作者:劉楷
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編者按:5G技術涵蓋毫米波頻率和大規模陣列天線的運用,帶寬、時延、同步等性能全面提升,對高功率、高性能、高密度的射頻元件需求不斷增加。GaN功率放大器以其高擊穿電壓、高功率、......

編者按5G技術涵蓋毫米波頻率和大規模陣列天線的運用,帶寬、時延、同步等性能全面提升,對高功率、高性能、高密度的射頻元件需求不斷增加。GaN功率放大器以其高擊穿電壓、高功率、大帶寬、高效率等優勢符合新技術要求,逐漸成為LDMOS的最佳替代者。

一、在基站中的應用

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202002/409749.htm

作為前端發射通路的主要器件,主要是為了將調制振蕩電路所產生的小功率的信號放大,獲得足夠大的輸出功率,才能饋送到天線上輻射出去,通常用于實現發射通道的信號放大。

關鍵技術中的高密集組網(UDN)以及全頻譜接入將帶來基站數量的增加和頻譜的進一步拓寬,對終端器件帶來更多的需求。特別是時代基地臺設備升級及小型化,成為推動射頻市場規模成長的主要動力。據統計,功率放大器占基地臺成本比重約25~30%,具有舉足輕重角色。目前投入射頻功率放大器業者眾多,包括NXP、Qorvo、Ampleon、Infineon、Sumitomo、Gree、UMS等。

圖1 通信設備/移動設備射頻組成部分

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資料來源:華為

二、功率放大器發展趨勢

功率放大器日益小型化。隨著無線通訊新標準、新技術的不斷發展,基站朝著寬帶化、多?;?、集成化等方向不斷演進,這要求提高射頻PA的各種性能,進一步降低成本、減少尺寸與重量,同時擁有良好的線性度、高輸出功率及效率。對射頻組件需求的提升將大幅提升基站射頻行業的市場空間,高度的集成化需求,同時也將推動功率放大器等射頻組件工藝進一步升級,產品將更加的小型化。此外,在基站設備中,射頻功放的能耗占到總能耗的60%左右,因此,大帶寬、高效率、小體積,輕重量、低成本的射頻功率放大器成為了未來移動運營商降低運營成本、實現綠色節能的最為有效的手段。

GAN功率器件將成為PA的主流技術。目前針對3G和LTE基站市場的功率放大器主要有硅基LDMOS和GaAS兩種。但隨著5G帶來的多頻帶載波聚合和大規模MIMO等新技術出現新要求,現有的硅基LDMOS和GaAS解決方案局限性不斷凸顯,氮化鎵成為中高頻段主要技術方向。

傳統LDMOS技術疲態已現

未來5G商用頻段主要在3.5GHz,LDMOS功率放大器的帶寬會隨著頻率的增加而大幅減少,LDMOS 僅在不超過約3.5GHz的頻率范圍內有效,因此在3.5GHz頻段LDMOS的性能已開始出現明顯下滑。5G基站AAU功率大幅提升,單扇區功率從4G時期的50W左右提升到5G時期的200W左右,傳統的LDMOS制程將很難滿足性能要求。

GaAs技術適用性有限

GaAs功率放大器雖然能夠滿足高頻通信的要求,但其輸出功率與GaN器件相比多有遜色。對于小基站(微基站)不需要很高的功率,現有GaAs技術仍具有優勢。

GaN技術具有顯著優勢

HEMT利用髙遷移率的二維電子氣2DEG工作,具有超高速,低功耗和低噪聲的優點。GaN具有的壓電極化效應可以顯著地提高HEMT中的2DEG遷移率和密度,采用GaN材料的HEMT具有高跨導、高工作頻率、飽和電流的顯著優勢。隨著半導體材料工藝的進步,氮化鎵(GaN)正成為中高頻頻段PA主要技術路線,GaN技術優勢包括能源效率提高、帶寬更寬、功率密度更大、體積更小,使之成為LDMOS的天然繼承者。根據Yole數據顯示,預計到2025年GaN將主導RF功率器件市場,搶占基于硅LDMOS技術的基站PA市場。

圖2 2015-2025年射頻功率市場不同技術路線的份額占比

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資料來源:Yole

圖3 基站射頻PA技術路線比較

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數據來源:Macom、Qorvo

三、功率放大器市場潛力巨大

在4G建設高峰期,國內市場平均每年功率放大器的市場空間約在42億元??紤]到單站功率放大器價格的大幅提升,到了5G時代,單站價格的大幅上漲將推動功率放大器的總市場空間大幅提升。未來,隨著毫米波等高頻段技術的成熟,GaN 作為主流技術將成為必然。

5G基站引入大規模陣列天線,這將帶動射頻組件需求量大幅增加。根據目前的5G測試來看,采用64通道的MassiveMIMO技術是各個設備商的主流測試選擇。未來64通道的天線陣列將容納64個功率放大器等器件。據華泰證券研究所統計,預計2025年國內功率放大器市場規模將達到40億元左右,而在2020年-2023年5G發展高峰期,功率放大器市場規模將超過100億元。



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