射頻功率放大器（PA）作為射頻前端發(fā)射通路的主要器件，主要是為了將調(diào)制振蕩電路所產(chǎn)生的小功率的射頻信號(hào)放大，獲得足夠大的射頻輸出功率，才能饋送到天線上輻射出去，通常用于實(shí)現(xiàn)發(fā)射通道的射頻信號(hào)放大。
手機(jī)射頻前端：一旦連上移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，任何一臺(tái)智能手機(jī)都能輕松刷朋友圈、看高清視頻、下載圖片、在線購(gòu)物，這完全是射頻前端進(jìn)化的功勞，手機(jī)每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)制式（2G/3G/4G/WiFi/GPS），都需要自己的射頻前端模塊，充當(dāng)手機(jī)與外界通話的橋梁—手機(jī)功能越多，它的價(jià)值越大。
射頻前端無(wú)線數(shù)傳模塊是移動(dòng)終端通信系統(tǒng)的核心組件，對(duì)它的理解可以從兩方面考慮：一是必要性，它是連接通信收發(fā)器（transceiver）和天線通信的必經(jīng)之路；二是重要性，它的性能直接決定了移動(dòng)終端可以支持的通信模式，以及接收信號(hào)強(qiáng)度、通話穩(wěn)定性、發(fā)射功率等重要性能指標(biāo)，直接影響終端用戶體驗(yàn)。
射頻前端芯片包括功率放大器（PA），天線開(kāi)關(guān)（Switch）、濾波器（Filter）、雙工器（Duplexer和Diplexer）和低噪聲放大器（LNA）等，在多模／多頻終端中發(fā)揮著核心作用。
射頻前端產(chǎn)業(yè)中最大的市場(chǎng)為濾波器，將從 2017 年的 80 億美元增長(zhǎng)到2023 年 225 億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率高達(dá) 19%。該增長(zhǎng)主要來(lái)自于 BAW 濾波器的滲透率顯著增加，典型應(yīng)用如 5G NR 定義的超高頻段和 WiFi 分集天線共享。
功率放大器市場(chǎng)增長(zhǎng)相對(duì)穩(wěn)健，復(fù)合年增長(zhǎng)率為 7%，將從 2017 年的 50億美元增長(zhǎng)到 2023 年的 70 億美元。高端 LTE 功率放大器市場(chǎng)的增長(zhǎng)，尤其是高頻和超高頻，將彌補(bǔ) 2G/3G 市場(chǎng)的萎縮。
射頻前端與智能終端一同進(jìn)化，4G 時(shí)代，智能手機(jī)一般采取 1 發(fā)射 2 接收架構(gòu)。由于 5G 新增了頻段（n41 2.6GHz，n77 3.5GHz 和 n79 4.8GHz），因此 5G 手機(jī)的射頻前端將有新的變化，同時(shí)考慮到 5G 手機(jī)將繼續(xù)兼容4G、3G 、2G 標(biāo)準(zhǔn)，因此 5G 手機(jī)射頻前端將異常復(fù)雜。
預(yù)測(cè) 5G 時(shí)代，智能手機(jī)將采用 2 發(fā)射 4 接收方案。
無(wú)論是在基站端還是設(shè)備終端，5G 給供應(yīng)商帶來(lái)的挑戰(zhàn)都首先體現(xiàn)在射頻方面，因?yàn)檫@是設(shè)備“上”網(wǎng)的關(guān)鍵出入口，即將到來(lái)的 5G 手機(jī)將會(huì)面臨多方面的挑戰(zhàn)：
更多頻段的支持：因?yàn)閺拇蠹沂煜さ?b41 變成 n41、n77 和 n78，這就需要對(duì)更多頻段的支持；
不同的調(diào)制方向：因?yàn)?5G 專注于高速連接，所以在調(diào)制方面會(huì)有新的變化，對(duì)功耗方面也有更多的要求。比如在 4G 時(shí)代，大家比較關(guān)注 ACPR。但到了 5G 時(shí)代，則更需要專注于 EVM（一般小于 1.5%）；
信號(hào)路由的選擇：選擇 4G anchor+5G 數(shù)據(jù)連接，還是直接走 5G，這會(huì)帶來(lái)不同的挑戰(zhàn)。
開(kāi)關(guān)速度的變化：這方面雖然沒(méi)有太多的變化，但 SRS 也會(huì)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。
其他如 n77/n78/n79 等新頻段的引入，也會(huì)對(duì)射頻前端形態(tài)產(chǎn)生影響，推動(dòng)前端模組改變，滿足新頻段和新調(diào)諧方式等的要求。
5G手機(jī)功率放大器（PA）用量翻倍增長(zhǎng)：PA是一部手機(jī)最關(guān)鍵的器件之一，它直接決定了手機(jī)無(wú)線通信的距離、信號(hào)質(zhì)量，甚至待機(jī)時(shí)間，是整個(gè)射頻系統(tǒng)中除基帶外最重要的部分。手機(jī)里面PA的數(shù)量隨著2G、3G、4G、5G逐漸增加。以PA模組為例，4G多模多頻手機(jī)所需的 PA 芯片為5-7 顆，預(yù)測(cè)5G手機(jī)內(nèi)的PA芯片將達(dá)到 16 顆之多。
5G 手機(jī)功率放大器（PA）單機(jī)價(jià)值量有望達(dá)到 7.5 美元：同時(shí)，PA 的單價(jià)也有顯著提高，2G 手機(jī)用 PA 平均單價(jià)為 0.3 美金，3G 手機(jī)用 PA 上升到 1.25 美金，而全模 4G 手機(jī) PA 的消耗則高達(dá) 3.25 美金，預(yù)計(jì) 5G 手機(jī)PA 價(jià)值量達(dá)到 7.5 美元以上。
5G 時(shí)代，GaAs 材料適用于移動(dòng)終端。GaAs 材料的電子遷移率是 Si 的 6倍，具有直接帶隙，故其器件相對(duì) Si 器件具有高頻、高速的性能，被公認(rèn)為是很合適的通信用半導(dǎo)體材料。在手機(jī)無(wú)線通信應(yīng)用中，目前射頻功率放大器絕大部分采用 GaAs 材料。在 GSM 通信中，國(guó)內(nèi)的銳迪科和漢天下等芯片設(shè)計(jì)企業(yè)曾憑借 RF CMOS 制程的高集成度和低成本的優(yōu)勢(shì)，打破了采用國(guó)際龍頭廠商采用傳統(tǒng)的 GaAs 制程完全主導(dǎo)射頻功放的格局。
但是到了 4G 時(shí)代，由于 Si 材料存在高頻損耗、噪聲大和低輸出功率密度等缺點(diǎn)，RF CMOS 已經(jīng)不能滿足要求，手機(jī)射頻功放重新回到 GaAs 制程完全主導(dǎo)的時(shí)代。與射頻功放器件依賴于 GaAs 材料不同，90%的射頻開(kāi)關(guān)已經(jīng)從傳統(tǒng)的 GaAs 工藝轉(zhuǎn)向了 SOI（Silicon on insulator）工藝，射頻收發(fā)機(jī)大多數(shù)也已采用 RF CMOS 制程，從而滿足不斷提高的集成度需求。
5G 時(shí)代，GaN 材料適用于基站端。在宏基站應(yīng)用中，GaN 材料憑借高頻、高輸出功率的優(yōu)勢(shì)，正在逐漸取代 Si LDMOS；在微基站中，未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)仍然以 GaAs PA 件為主，因其目前具備經(jīng)市場(chǎng)驗(yàn)證的可靠性和高性價(jià)比的優(yōu)勢(shì)，但隨著器件成本的降低和技術(shù)的提高，GaN PA 有望在微基站應(yīng)用在分得一杯羹；在移動(dòng)終端中，因高成本和高供電電壓，GaN PA 短期內(nèi)也無(wú)法撼動(dòng) GaAs PA 的統(tǒng)治地位。
5G 基站PA數(shù)量有望增長(zhǎng)16倍。4G 基站采用 4T4R 方案，按照三個(gè)扇區(qū)，對(duì)應(yīng)的 PA 需求量為 12 個(gè)，5G 基站，預(yù)計(jì) 64T64R 將成為主流方案，對(duì)應(yīng)的 PA 需求量高達(dá) 192 個(gè)，PA 數(shù)量將大幅增長(zhǎng)。
5G 基站射頻 PA 有望量?jī)r(jià)齊升。目前基站用功率放大器主要為基于硅的橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體 LDMOS 技術(shù)，不過(guò) LDMOS 技術(shù)僅適用于低頻段，在高頻應(yīng)用領(lǐng)域存在局限性。對(duì)于 5G 基站 PA 的一些要求可能包括3~6GHz 和 24GHz~40GHz 的運(yùn)行頻率，RF 功率在 0.2W~30W 之間，5G 基站 GaN 射頻 PA 將逐漸成為主導(dǎo)技術(shù)，而 GaN 價(jià)格高于LDMOS 和 GaAs。
GaN 具有優(yōu)異的高功率密度和高頻特性。提高功率放大器 RF 功率的最簡(jiǎn)單的方式就是增加電壓，這讓氮化鎵晶體管技術(shù)極具吸引力。如果我們對(duì)比不同半導(dǎo)體工藝技術(shù)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)功率通常會(huì)如何隨著高工作電壓 IC 技術(shù)而提高。
典型的 GaN 射頻器件的加工工藝，主要包括如下環(huán)節(jié)：外延生長(zhǎng)-器件隔離-歐姆接觸（制作源極、漏極）-氮化物鈍化-柵極制作-場(chǎng)板制作-襯底減薄-襯底通孔等環(huán)節(jié)。
GaN射頻器件的加工工藝
預(yù)測(cè)未來(lái)大部分 6GHz 以下宏網(wǎng)絡(luò)單元應(yīng)用都將采用 GaN 器件，小基站 GaAs 優(yōu)勢(shì)更明顯。就電信市場(chǎng)而言，得益于 5G 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的日益臨近，將從 2019 年開(kāi)始為 GaN 器件帶來(lái)巨大的市場(chǎng)機(jī)遇。相比現(xiàn)有的硅 LDMOS（橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)）和 GaAs（砷化鎵）解決方案，GaN 器件能夠提供下一代高頻電信網(wǎng)絡(luò)所需要的功率和效能。而且，GaN的寬帶性能也是實(shí)現(xiàn)多頻帶載波聚合等重要新技術(shù)的關(guān)鍵因素之一。GaN HEMT（高電子遷移率場(chǎng)效晶體管）已經(jīng)成為未來(lái)宏基站功率放大器的候選技術(shù)。
由于LDMOS無(wú)法再支持更高的頻率，GaAs 也不再是高功率應(yīng)用的最優(yōu)方案，預(yù)計(jì)未來(lái)大部分6GHz 以下宏網(wǎng)絡(luò)單元應(yīng)用都將采用 GaN 器件。5G 網(wǎng)絡(luò)采用的頻段更高，穿透力與覆蓋范圍將比 4G 更差，因此小基站（small cell）將在 5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中扮演很重要的角色。不過(guò)，由于小基站不需要如此高的功率，GaAs 等現(xiàn)有技術(shù)仍有其優(yōu)勢(shì)。與此同時(shí)，由于更高的頻率降低了每個(gè)基站的覆蓋率，因此需要應(yīng)用更多的晶體管，預(yù)計(jì)市場(chǎng)出貨量增長(zhǎng)速度將加快。
2015-2025年基站主要趨勢(shì)
GaN 微波射頻器件產(chǎn)品推出速度明顯加快。目前微波射頻領(lǐng)域雖然備受關(guān)注，但是由于技術(shù)水平較高，專利壁壘過(guò)大，因此這個(gè)領(lǐng)域的公司相比較電力電子領(lǐng)域和光電子領(lǐng)域并不算很多，但多數(shù)都具有較強(qiáng)的科研實(shí)力和市場(chǎng)運(yùn)作能力。GaN 微波射頻器件的商業(yè)化供應(yīng)發(fā)展迅速。據(jù)材料深一度對(duì) Mouser 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析顯示，截至 2018 年 4 月，共有 4 家廠商推出了150 個(gè)品類的 GaN HEMT， 占整個(gè)射頻晶體管供應(yīng)品類的 9.9%，較 1 月增長(zhǎng)了 0.6%。
Qorvo 產(chǎn)品工作頻率范圍最大，Skyworks 產(chǎn)品工作頻率較小。Qorvo、CREE、MACOM 73%的產(chǎn)品輸出功率集中在 10W～100W 之間，最大功率達(dá)到 1500W（工作頻率在 1.0-1.1GHz， 由 Qorvo 生產(chǎn)），采用的技術(shù)主要是 GaN/SiC GaN 路線。此外，部分企業(yè)提供 GaN 射頻模組產(chǎn)品，目前有 4家企業(yè)對(duì)外提供 GaN 射頻放大器的銷售，其中 Qorvo 產(chǎn)品工作頻率范圍最大，最大工作頻率可達(dá)到 31GHz。Skyworks 產(chǎn)品工作頻率較小，主要集中在 0.05-1.218GHz 之間。
Qorvo 射頻放大器的產(chǎn)品類別最多。在我國(guó)工信部公布的 2 個(gè) 5G 工作頻段（3.3-3.6GHz、4.8-5GHz，）內(nèi)，Qorvo 公司推出的射頻放大器的產(chǎn)品類別最多，最高功率分別高達(dá) 100W 和 80W（1 月份 Qorvo 在 4.8-5GHz 的產(chǎn)品最高功率為 60W），ADI 在 4.8-5GHz 的產(chǎn)品最高功率提高到 50W（之前產(chǎn)品的最高功率不到 40W）， 其他產(chǎn)品的功率大部分在 50W 以下。
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