射頻功率放大器的應(yīng)用領(lǐng)域解析

隨著綠色環(huán)保、低碳經(jīng)濟(jì)理念在全球不斷的推廣深入人心，運(yùn)營(yíng)商對(duì)于移動(dòng)通信基站的效率提出了越來(lái)越高的需求。與此同時(shí)，由于移動(dòng)通信市場(chǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的飛速增長(zhǎng)，移動(dòng)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(lái)的5G系統(tǒng)甚至需要1GHz。而在基站設(shè)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(lái)移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商降低OPEX(運(yùn)營(yíng)成本)、實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能的最為有效的手段。

目前，整個(gè)業(yè)界移動(dòng)通信基站使用的基本上都是基于LDMOS技術(shù)射頻功率放大器。LDMOS技術(shù)自上世紀(jì)九十年代應(yīng)用于移動(dòng)通信基站射頻功率放大器應(yīng)用以來(lái)，以其優(yōu)異的性能迅速占領(lǐng)了幾乎全部的2G和3G市場(chǎng)份額。全球每年用于移動(dòng)通信基站的射頻功率器件的銷售數(shù)量大約一億只，并且還在逐年的增加。由于這樣巨大的市場(chǎng)份額支撐使LDMOS射頻功率器件的成本迅速降低，目前已達(dá)到$0.1/W的水平。更為遺憾的是LDMOS射頻功率器件的市場(chǎng)多年來(lái)一直被Freescale、NXP和Infineon三家歐美公司壟斷，其中Freescale占據(jù)55%左右，NXP占據(jù)30%左右，Infineon占據(jù)15%左右的市場(chǎng)份額(圖1是國(guó)際權(quán)威的調(diào)研機(jī)構(gòu)ABIResearch發(fā)布的移動(dòng)通信基站射頻功率器件2013年的調(diào)查數(shù)據(jù))。面對(duì)如此巨大的市場(chǎng)需求，而我國(guó)的半導(dǎo)體企業(yè)卻難以與其爭(zhēng)鋒、有所作為。

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圖1、移動(dòng)通信基站射頻功率器件2013年的調(diào)查數(shù)據(jù)

隨著超寬帶、高頻段LTE業(yè)務(wù)需求的不斷涌現(xiàn)，LDMOS技術(shù)的疲態(tài)已現(xiàn)。一則由于LDMOS技術(shù)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(duì)80MHz甚至100MHz的超寬帶信號(hào)，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(shù)的射頻功率器件難以達(dá)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(dǎo)率、更高的電子飽和速率及更高抗輻射能力,在新一代無(wú)線通訊基站等領(lǐng)域應(yīng)用中具有較LDMOS和GaAs技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢(shì)。GaN功率器件的最高工作頻率可達(dá)數(shù)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(shí)現(xiàn)射頻功放業(yè)界追求的高效率、超寬帶、小體積的目標(biāo)。GaN材料的固有特性優(yōu)勢(shì)，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?qū)崿F(xiàn)高效率功率放大器等優(yōu)點(diǎn)，因此，被認(rèn)為是應(yīng)用于下一代無(wú)線通信的理想射頻功率器件技術(shù)，在不久的將來(lái)，基于SiC襯底的GaN射頻功率器件必將代替LDMOS技術(shù)成為無(wú)線基站射頻功放的主流技術(shù)。

近年來(lái)，在全球經(jīng)濟(jì)疲軟的大背景下，半導(dǎo)體行業(yè)的巨頭們加快了兼并重組的步伐，通過(guò)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。其中射頻功率器件領(lǐng)域的案例如：2014年3月MACOM收購(gòu)Nitronex聚焦Si襯底GaN射頻功率器件研發(fā);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(gòu)Freescale都是昔日競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手重新聯(lián)合打天下;2016年7月Infineon以8.5億美金收購(gòu)CREE旗下的wolfspeed將極大地提升其SiC和GaN技術(shù)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。因此，對(duì)我們國(guó)家一而言，整合資源、集中力量打造移動(dòng)通信基站射頻功率器件的核心競(jìng)爭(zhēng)力刻不容緩。