射频功率放大器的应用领域解析

随着绿色环保、低碳经济理念在全球不断的推广深入人心，运营商对于移动通信基站的效率提出了越来越高的需求。与此同时，由于移动通信市场数据业务的飞速增长，移动通信基站的带宽要求也从最初的20MHz向40MHz、60MHz直至100MHz一路攀升，未来的5G系统甚至需要1GHz。而在基站设备中，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OPEX(运营成本)、实现绿色节能的最为有效的手段。

目前，整个业界移动通信基站使用的基本上都是基于LDMOS技术射频功率放大器。LDMOS技术自上世纪九十年代应用于移动通信基站射频功率放大器应用以来，以其优异的性能迅速占领了几乎全部的2G和3G市场份额。全球每年用于移动通信基站的射频功率器件的销售数量大约一亿只，并且还在逐年的增加。由于这样巨大的市场份额支撑使LDMOS射频功率器件的成本迅速降低，目前已达到$0.1/W的水平。更为遗憾的是LDMOS射频功率器件的市场多年来一直被Freescale、NXP和Infineon三家欧美公司垄断，其中Freescale占据55%左右，NXP占据30%左右，Infineon占据15%左右的市场份额(图1是国际权威的调研机构ABIResearch发布的移动通信基站射频功率器件2013年的调查数据)。面对如此巨大的市场需求，而我国的半导体企业却难以与其争锋、有所作为。

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图1、移动通信基站射频功率器件2013年的调查数据

随着超宽带、高频段LTE业务需求的不断涌现，LDMOS技术的疲态已现。一则由于LDMOS技术射频功率器件的最高工作频率在3.5GHz左右，在2.5GHz以上频段其效率则大幅下降;二则是面对80MHz甚至100MHz的超宽带信号，为满足DPD的校正需求，功放的VBW(视频带宽)必须大于300MHz，LDMOS技术的射频功率器件难以达到。

而GaNHEMT(HighElectronMobilityTransistor，高电子迁移率晶体管)由于具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电压、更好的热导率、更高的电子饱和速率及更高抗辐射能力,在新一代无线通讯基站等领域应用中具有较LDMOS和GaAs技术具有显著的优势。GaN功率器件的最高工作频率可达数十GHz，VBW是LDMOS器件的4倍以上;它具有高击穿电压、高功率功率密度、高输出阻抗等特性，其非常适合用作高频、宽带功率放大器，采用SiC衬底又可以大幅提高其散热特性，从而实现射频功放业界追求的高效率、超宽带、小体积的目标。GaN材料的固有特性优势，其高的工作电压、高的功率密度、高的工作频率和带宽以及能够实现高效率功率放大器等优点，因此，被认为是应用于下一代无线通信的理想射频功率器件技术，在不久的将来，基于SiC衬底的GaN射频功率器件必将代替LDMOS技术成为无线基站射频功放的主流技术。

近年来，在全球经济疲软的大背景下，半导体行业的巨头们加快了兼并重组的步伐，通过强强联合提升企业竞争力。其中射频功率器件领域的案例如：2014年3月MACOM收购Nitronex聚焦Si衬底GaN射频功率器件研发;2014年9月RFMD和Triquint合并成立Qorvo和2015年3月NXP以118亿美元收购Freescale都是昔日竞争对手重新联合打天下;2016年7月Infineon以8.5亿美金收购CREE旗下的wolfspeed将极大地提升其SiC和GaN技术的核心竞争力。因此，对我们国家一而言，整合资源、集中力量打造移动通信基站射频功率器件的核心竞争力刻不容缓。