射頻功率放大器的應用領域解析

隨著綠色環保、低碳經濟理念在全球不斷的推廣深入人心，運營商對于移動通信基站的效率提出了越來越高的需求。與此同時，由于移動通信市場數據業務的飛速增長，移動通信基站的帶寬要求也從最初的20MHz向40MHz、60MHz直至100MHz一路攀升，未來的5G系統甚至需要1GHz。而在基站設備中，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OPEX(運營成本)、實現綠色節能的最為有效的手段。

目前，整個業界移動通信基站使用的基本上都是基于LDMOS技術射頻功率放大器。LDMOS技術自上世紀九十年代應用于移動通信基站射頻功率放大器應用以來，以其優異的性能迅速占領了幾乎全部的2G和3G市場份額。全球每年用于移動通信基站的射頻功率器件的銷售數量大約一億只，并且還在逐年的增加。由于這樣巨大的市場份額支撐使LDMOS射頻功率器件的成本迅速降低，目前已達到$0.1/W的水平。更為遺憾的是LDMOS射頻功率器件的市場多年來一直被Freescale、NXP和Infineon三家歐美公司壟斷，其中Freescale占據55%左右，NXP占據30%左右，Infineon占據15%左右的市場份額(圖1是國際權威的調研機構ABIResearch發布的移動通信基站射頻功率器件2013年的調查數據)。面對如此巨大的市場需求，而我國的半導體企業卻難以與其爭鋒、有所作為。

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圖1、移動通信基站射頻功率器件2013年的調查數據

隨著超寬帶、高頻段LTE業務需求的不斷涌現，LDMOS技術的疲態已現。一則由于LDMOS技術射頻功率器件的最高工作頻率在3.5GHz左右，在2.5GHz以上頻段其效率則大幅下降;二則是面對80MHz甚至100MHz的超寬帶信號，為滿足DPD的校正需求，功放的VBW(視頻帶寬)必須大于300MHz，LDMOS技術的射頻功率器件難以達到。

而GaNHEMT(HighElectronMobilityTransistor，高電子遷移率晶體管)由于具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電壓、更好的熱導率、更高的電子飽和速率及更高抗輻射能力,在新一代無線通訊基站等領域應用中具有較LDMOS和GaAs技術具有顯著的優勢。GaN功率器件的最高工作頻率可達數十GHz，VBW是LDMOS器件的4倍以上;它具有高擊穿電壓、高功率功率密度、高輸出阻抗等特性，其非常適合用作高頻、寬帶功率放大器，采用SiC襯底又可以大幅提高其散熱特性，從而實現射頻功放業界追求的高效率、超寬帶、小體積的目標。GaN材料的固有特性優勢，其高的工作電壓、高的功率密度、高的工作頻率和帶寬以及能夠實現高效率功率放大器等優點，因此，被認為是應用于下一代無線通信的理想射頻功率器件技術，在不久的將來，基于SiC襯底的GaN射頻功率器件必將代替LDMOS技術成為無線基站射頻功放的主流技術。

近年來，在全球經濟疲軟的大背景下，半導體行業的巨頭們加快了兼并重組的步伐，通過強強聯合提升企業競爭力。其中射頻功率器件領域的案例如：2014年3月MACOM收購Nitronex聚焦Si襯底GaN射頻功率器件研發;2014年9月RFMD和Triquint合并成立Qorvo和2015年3月NXP以118億美元收購Freescale都是昔日競爭對手重新聯合打天下;2016年7月Infineon以8.5億美金收購CREE旗下的wolfspeed將極大地提升其SiC和GaN技術的核心競爭力。因此，對我們國家一而言，整合資源、集中力量打造移動通信基站射頻功率器件的核心競爭力刻不容緩。