射頻功率放大器基本概念

wiki · 發(fā)表于 2021-6-16 17:00:31

射頻放功率放大器基本概念

射頻功率放大器(RF PA)是發(fā)射系統(tǒng)中的主要部分，其重要性不言而喻。在發(fā)射機(jī)的前級(jí)電路中，調(diào)制振蕩電路所產(chǎn)生的射頻信號(hào)功率很小，需要經(jīng)過(guò)一系列的放大（緩沖級(jí)、中間放大級(jí)、末級(jí)功率放大級(jí)）獲得足夠的射頻功率以后，才能饋送到天線(xiàn)上輻射出去。為了獲得足夠大的射頻輸出功率，必須采用射頻功率放大器。在調(diào)制器產(chǎn)生射頻信號(hào)后，射頻已調(diào)信號(hào)就由RF PA將它放大到足夠功率，經(jīng)匹配網(wǎng)絡(luò)，再由天線(xiàn)發(fā)射出去。

放大器的功能，即將輸入的內(nèi)容加以放大并輸出。輸入和輸出的內(nèi)容，我們稱(chēng)之為“信號(hào)”，往往表示為電壓或功率。對(duì)于放大器這樣一個(gè)“系統(tǒng)”來(lái)說(shuō)，它的“貢獻(xiàn)”就是將其所“吸收”的東西提升一定的水平，并向外界“輸出”。如果放大器能夠有好的性能，那么它就可以貢獻(xiàn)更多，這才體現(xiàn)出它自身的“價(jià)值”。如果放大器存在著一定的問(wèn)題，那么在開(kāi)始工作或者工作了一段時(shí)間之后，不但不能再提供任何“貢獻(xiàn)”，反而有可能出現(xiàn)一些不期然的“震蕩”，這種“震蕩”對(duì)于外界還是放大器自身，都是災(zāi)難性的。

射頻功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)是輸出功率與效率，如何提高輸出功率和效率,是射頻功率放大器設(shè)計(jì)目標(biāo)的核心。通常在射頻功率放大器中，可以用LC諧振回路選出基頻或某次諧波，實(shí)現(xiàn)不失真放大。除此之外，輸出中的諧波分量還應(yīng)該盡可能地小，以避免對(duì)其他頻道產(chǎn)生干擾。

分類(lèi)

根據(jù)工作狀態(tài)的不同，功率放大器分類(lèi)如下：

傳統(tǒng)線(xiàn)性功率放大器的工作頻率很高，但相對(duì)頻帶較窄，射頻功率放大器一般都采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路。射頻功率放大器可以按照電流導(dǎo)通角的不同，分為甲（A）、乙（B）、丙（C）三類(lèi)工作狀態(tài)。甲類(lèi)放大器電流的導(dǎo)通角為360°，適用于小信號(hào)低功率放大，乙類(lèi)放大器電流的導(dǎo)通角等于180°，丙類(lèi)放大器電流的導(dǎo)通角則小于180°。乙類(lèi)和丙類(lèi)都適用于大功率工作狀態(tài)，丙類(lèi)工作狀態(tài)的輸出功率和效率是三種工作狀態(tài)中最高的。射頻功率放大器大多工作于丙類(lèi)，但丙類(lèi)放大器的電流波形失真太大，只能用于采用調(diào)諧回路作為負(fù)載諧振功率放大。由于調(diào)諧回路具有濾波能力，回路電流與電壓仍然接近于正弦波形，失真很小。

開(kāi)關(guān)型功率放大器（Switching Mode PA,SMPA)，使電子器件工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，常見(jiàn)的有丁（D）類(lèi)放大器和戊（E）類(lèi)放大器，丁類(lèi)放大器的效率高于丙類(lèi)放大器。SMPA將有源晶體管驅(qū)動(dòng)為開(kāi)關(guān)模式，晶體管的工作狀態(tài)要么是開(kāi)，要么是關(guān)，其電壓和電流的時(shí)域波形不存在交疊現(xiàn)象，所以是直流功耗為零，理想的效率能達(dá)到100%。

傳統(tǒng)線(xiàn)性功率放大器具有較高的增益和線(xiàn)性度但效率低，而開(kāi)關(guān)型功率放大器具有很高的效率和高輸出功率，但線(xiàn)性度差。具體見(jiàn)下表：

電路組成

放大器有不同類(lèi)型，簡(jiǎn)化之，放大器的電路可以由以下幾個(gè)部分組成：晶體管、偏置及穩(wěn)定電路、輸入輸出匹配電路。

1-1、晶體管

晶體管有很多種，包括當(dāng)前還有多種結(jié)構(gòu)的晶體管被發(fā)明出來(lái)。本質(zhì)上，晶體管的工作都是表現(xiàn)為一個(gè)受控的電流源或電壓源，其工作機(jī)制是將不含內(nèi)容的直流的能量轉(zhuǎn)化為“有用的”輸出。直流能量乃是從外界獲得，晶體管加以消耗，并轉(zhuǎn)化成有用的成分。不同的晶體管不同的“能力”，比如其承受功率的能力有區(qū)別，這也是因?yàn)槠淠塬@取的直流能量的能力不同所致；比如其反應(yīng)速度不同，這決定它能工作在多寬多高的頻帶上；比如其面向輸入、輸出端的阻抗不同，及對(duì)外的反應(yīng)能力不同，這決定了給它匹配的難易程度。

1-2、偏置電路及穩(wěn)定電路

偏置和穩(wěn)定電路是兩種不同的電路，但因?yàn)樗麄兺茈y區(qū)分，且設(shè)計(jì)目標(biāo)趨同，所以可以放在一起討論。

晶體管的工作需要在一定的偏置條件下，我們稱(chēng)之為靜態(tài)工作點(diǎn)。這是晶體管立足的根本，是它自身的“定位”。每個(gè)晶體管都給自己進(jìn)行了一定的定位，其定位不同將決定了它自身的工作模式，在不同的定位上也存在著不同的性能表現(xiàn)。有些定位點(diǎn)上起伏較小，適合于小信號(hào)工作；有些定位點(diǎn)上起伏較大，適合于大功率輸出；有些定位點(diǎn)上索取較少，釋放純粹，適合于低噪聲工作；有些定位點(diǎn)，晶體管總是在飽和和截至之間徘徊，處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)。一個(gè)恰當(dāng)?shù)钠命c(diǎn)，是正常工作的礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)寬帶功率放大器時(shí)，或工作頻率較高時(shí)，偏置電路對(duì)電路性能影響較大，此時(shí)應(yīng)把偏置電路作為匹配電路的一部分考慮。

偏置網(wǎng)絡(luò)有兩大類(lèi)型，無(wú)源網(wǎng)絡(luò)和有源網(wǎng)絡(luò)。無(wú)源網(wǎng)絡(luò)(即自偏置網(wǎng)絡(luò))通常由電阻網(wǎng)絡(luò)組成，為晶體管提供合適的工作電壓和電流。它的主要缺陷是對(duì)晶體管的參數(shù)變化十分敏感，并且溫度穩(wěn)定性較差。有源偏置網(wǎng)絡(luò)能改善靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定性，還能提高良好的溫度穩(wěn)定性，但它也存在一些問(wèn)題，如增加了電路尺寸、增加了電路排版的難度以及增加了功率消耗。

穩(wěn)定電路一定要在匹配電路之前，因?yàn)榫w管需要將穩(wěn)定電路作為自身的一部分存在，再與外界接觸。在外界看來(lái)，加上穩(wěn)定電路的晶體管，是一個(gè)“全新的”晶體管。它做出一定的“犧牲”，獲得了穩(wěn)定性。穩(wěn)定電路的機(jī)制能夠保證晶體管順利而穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)。

1-3、輸入輸出匹配電路

匹配電路的目的是在選擇一種接受的方式。對(duì)于那些想提供更大增益的晶體管來(lái)說(shuō)，其途徑是全盤(pán)的接受和輸出。這意味著通過(guò)匹配電路這一個(gè)接口，不同的晶體管之間溝通更加順暢，對(duì)于不同種的放大器類(lèi)型來(lái)說(shuō)，匹配電路并不是只有“全盤(pán)接受”一種設(shè)計(jì)方法。一些直流小、根基淺的小型管，更愿意在接受的時(shí)候做一定的阻擋，來(lái)獲取更好的噪聲性能，然而不能阻擋過(guò)了頭，否則會(huì)影響其貢獻(xiàn)。而對(duì)于一些巨型功率管，則需要在輸出時(shí)謹(jǐn)小慎微，因?yàn)樗麄兏环€(wěn)定，同時(shí)，一定的保留有助于他們發(fā)揮出更多的“不扭曲的”能量。

典型的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)有L匹配、π形匹配和T形匹配。其中L匹配，其特點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且只有兩個(gè)自由度L和C。一旦確定了阻抗變換比率和諧振頻率，網(wǎng)絡(luò)的Q值（帶寬）也就確定了。π形匹配網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是不管什么樣的寄生電容，只要連接到它，都可以被吸到網(wǎng)絡(luò)中，這也導(dǎo)致了π形匹配網(wǎng)絡(luò)的普遍應(yīng)用，因?yàn)樵诤芏嗟膶?shí)際情況中，占支配地位的寄生元件是電容。T形匹配，當(dāng)電源端和負(fù)載端的寄生參數(shù)主要呈電感性質(zhì)時(shí)，可用T形匹配來(lái)把這些寄生參數(shù)吸收入網(wǎng)絡(luò)。

確保射頻PA穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)方式

每一個(gè)晶體管都是潛在不穩(wěn)定的。好的穩(wěn)定電路能夠和晶體管融合在一起，形成一種“可持續(xù)工作”的模式。穩(wěn)定電路的實(shí)現(xiàn)方式可劃分為兩種：窄帶的和寬帶的。

窄帶的穩(wěn)定電路是進(jìn)行一定的增益消耗。這種穩(wěn)定電路是通過(guò)增加一定的消耗電路和選擇性電路實(shí)現(xiàn)的。這種電路使得晶體管只能在很小的一個(gè)頻率范圍內(nèi)貢獻(xiàn)。另外一種寬帶的穩(wěn)定是引入負(fù)反饋。這種電路可以在一個(gè)很寬的范圍內(nèi)工作。

不穩(wěn)定的根源是正反饋，窄帶穩(wěn)定思路是遏制一部分正反饋，當(dāng)然，這也同時(shí)抑制了貢獻(xiàn)。而負(fù)反饋?zhàn)龅煤�，還有產(chǎn)生很多額外的令人欣喜的優(yōu)點(diǎn)。比如，負(fù)反饋可能會(huì)使晶體管免于匹配，既不需要匹配就可以與外界很好的接洽了。另外，負(fù)反饋的引入會(huì)提升晶體管的線(xiàn)性性能。

射頻PA的效率提升技術(shù)

晶體管的效率都有一個(gè)理論上的極限。這個(gè)極限隨偏置點(diǎn)（靜態(tài)工作點(diǎn)）的選擇不同而不同。另外，外圍電路設(shè)計(jì)得不好，也會(huì)大大降低其效率。目前工程師們對(duì)于效率提升的辦法不多。這里僅講兩種：包絡(luò)跟蹤技術(shù)與Doherty技術(shù)。

包絡(luò)跟蹤技術(shù)的實(shí)質(zhì)是：將輸入分離為兩種：相位和包絡(luò)，再由不同的放大電路來(lái)分別放大。這樣，兩個(gè)放大器之間可以專(zhuān)注的負(fù)責(zé)其各自的部分，二者配合可以達(dá)到更高的效率利用的目標(biāo)。

Doherty技術(shù)的實(shí)質(zhì)是：采用兩只同類(lèi)的晶體管，在小輸入時(shí)僅一個(gè)工作，且工作在高效狀態(tài)。如果輸入增大，則兩個(gè)晶體管同時(shí)工作。這種方法實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是二只晶體管要配合默契。一種晶體管的工作狀態(tài)會(huì)直接的決定了另一支的工作效率。

射頻PA面臨的測(cè)試挑戰(zhàn)

功率放大器是無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中非常重要的組件，但他們本身是非線(xiàn)性的，因而會(huì)導(dǎo)致頻譜增生現(xiàn)象而干擾到鄰近通道，而且可能違反法令強(qiáng)制規(guī)定的帶外（out-of-band）放射標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)特性甚至?xí)斐蓭?nèi)失真，使得通信系統(tǒng)的誤碼率（BER）增加、數(shù)據(jù)傳輸速率降低。

在峰值平均功率比（PAPR）下，新的OFDM傳輸格式會(huì)有更多偶發(fā)的峰值功率，使得PA不易被分割。這將降低頻譜屏蔽相符性，并擴(kuò)大整個(gè)波形的EVM及增加BER。為了解決這個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)工程師通常會(huì)刻意降低PA的操作功率。很可惜的，這是非常沒(méi)有效率的方法，因?yàn)镻A降低10%的操作功率，會(huì)損失掉90%的DC功率。

現(xiàn)今大部分的RF PA皆支持多種模式、頻率范圍及調(diào)制模式，使得測(cè)試項(xiàng)目變得更多。數(shù)以千計(jì)的測(cè)試項(xiàng)目已不稀奇。波峰因子消減（CFR）、數(shù)字預(yù)失真（DPD）及包絡(luò)跟蹤（ET）等新技術(shù)的運(yùn)用，有助于將PA效能及功率效率優(yōu)化，但這些技術(shù)只會(huì)使得測(cè)試更加復(fù)雜，而且大幅延長(zhǎng)設(shè)計(jì)及測(cè)試時(shí)間。增加RF PA的帶寬，將導(dǎo)致DPD測(cè)量所需的帶寬增加5倍（可能超過(guò)1 GHz），造成測(cè)試復(fù)雜性進(jìn)一步升高。

依趨勢(shì)來(lái)看，為了增加效率，RF PA組件及前端模塊（FEM）將更緊密整合，而單一FEM則將支持更廣泛的頻段及調(diào)制模式。將包絡(luò)跟蹤電源供應(yīng)器或調(diào)制器整合入FEM，可有效地減少移動(dòng)設(shè)備內(nèi)部的整體空間需求。為了支持更大的操作頻率范圍而大量增加濾波器/雙工器插槽，會(huì)使得移動(dòng)設(shè)備的復(fù)雜度和測(cè)試項(xiàng)目的數(shù)量節(jié)節(jié)攀升。

半導(dǎo)體材料的變遷：

Ge(鍺)、Si(硅)→→→GaAs(砷化鎵)、InP(磷化銦)→→→SiC(碳化硅)、GaN(氮化鎵)、SiGe(鍺化硅)、SOI(絕緣層上覆硅) →→→碳納米管(CNT) →→→石墨烯(Graphene)。

目前功率放大器的主流工藝依然是GaAs工藝。另外，GaAs HBT，砷化鎵異質(zhì)結(jié)雙極晶體管。其中HBT（heterojunction bipolar transistor，異質(zhì)結(jié)雙極晶體管）是一種由砷化鎵(GaAs)層和鋁鎵砷(AlGaAs)層構(gòu)成的雙極晶體管。

CMOS工藝雖然已經(jīng)比較成熟，但Si CMOS功率放大器的應(yīng)用并不廣泛。成本方面，CMOS工藝的硅晶圓雖然比較便宜，但CMOS功放版圖面積比較大，再加上CMOS PA復(fù)雜的設(shè)計(jì)所投入的研發(fā)成本較高，使得CMOS功放整體的成本優(yōu)勢(shì)并不那么明顯。性能方面，CMOS功率放大器在線(xiàn)性度，輸出功率，效率等方面的性能較差，再加上CMOS工藝固有的缺點(diǎn):膝點(diǎn)電壓較高、擊穿電壓較低、CMOS工藝基片襯底的電阻率較低。

碳納米管(CNT)由于具有物理尺寸小、電子遷移率高，電流密度大和本征電容低等特點(diǎn)，人們認(rèn)為是納米電子器件的理想材料。

零禁帶半導(dǎo)體材料石墨烯，因?yàn)榫哂泻芨叩碾娮舆w移速率、納米數(shù)量級(jí)的物理尺寸、優(yōu)秀的電性能以及機(jī)械性能，必將成為下一代射頻芯片的熱門(mén)材料。

射頻PA的線(xiàn)性化技術(shù)

射頻功率放大器的非線(xiàn)性失真會(huì)使其產(chǎn)生新的頻率分量，如對(duì)于二階失真會(huì)產(chǎn)生二次諧波和雙音拍頻，對(duì)于三階失真會(huì)產(chǎn)生三次諧波和多音拍頻。這些新的頻率分量如落在通帶內(nèi)，將會(huì)對(duì)發(fā)射的信號(hào)造成直接干擾，如果落在通帶外將會(huì)干擾其他頻道的信號(hào)。為此要對(duì)射頻功率放大器的進(jìn)行線(xiàn)性化處理，這樣可以較好地解決信號(hào)的頻譜再生問(wèn)題。

射頻功放基本線(xiàn)性化技術(shù)的原理與方法不外乎是以輸入RF信號(hào)包絡(luò)的振幅和相位作為參考，與輸出信號(hào)比較，進(jìn)而產(chǎn)生適當(dāng)?shù)男Ｕ�。目前己�?jīng)提出并得到廣泛應(yīng)用的功率放大器線(xiàn)性化技術(shù)包括，功率回退，負(fù)反饋，前饋，預(yù)失真，包絡(luò)消除與恢復(fù)(EER)，利用非線(xiàn)性元件進(jìn)行線(xiàn)性放大(LINC) 。較復(fù)雜的線(xiàn)性化技術(shù)，如前饋，預(yù)失真，包絡(luò)消除與恢復(fù)，使用非線(xiàn)性元件進(jìn)行線(xiàn)性放大，它們對(duì)放大器線(xiàn)性度的改善效果比較好。而實(shí)現(xiàn)比較容易的線(xiàn)性化技術(shù)，比如功率回退，負(fù)反饋，這幾個(gè)技術(shù)對(duì)線(xiàn)性度的改善就比較有限。

2-1、功率回退

這是最常用的方法，即選用功率較大的管子作小功率管使用，實(shí)際上是以犧牲直流功耗來(lái)提高功放的線(xiàn)性度。

功率回退法就是把功率放大器的輸入功率從1dB壓縮點(diǎn)(放大器有一個(gè)線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)，放大器的輸出功率隨輸入功率線(xiàn)性增加。隨著輸入功率的繼續(xù)增大，放大器漸漸進(jìn)入飽和區(qū)，功率增益開(kāi)始下降，通常把增益下降到比線(xiàn)性增益低1dB時(shí)的輸出功率值定義為輸出功率的1dB壓縮點(diǎn)，用P1dB表示。)向后回退6-10個(gè)分貝，工作在遠(yuǎn)小于1dB壓縮點(diǎn)的電平上，使功率放大器遠(yuǎn)離飽和區(qū)，進(jìn)入線(xiàn)性工作區(qū)，從而改善功率放大器的三階交調(diào)系數(shù)。一般情況，當(dāng)基波功率降低1dB時(shí)，三階交調(diào)失真改善2dB。

功率回退法簡(jiǎn)單且易實(shí)現(xiàn)，不需要增加任何附加設(shè)備，是改善放大器線(xiàn)性度行之有效的方法，缺點(diǎn)是效率大為降低。另外，當(dāng)功率回退到一定程度，當(dāng)三階交調(diào)制達(dá)到-50dBc以下時(shí)，繼續(xù)回退將不再改善放大器的線(xiàn)性度。因此，在線(xiàn)性度要求很高的場(chǎng)合，完全靠功率回退是不夠的。

2-2、預(yù)失真

預(yù)失真就是在功率放大器前增加一個(gè)非線(xiàn)性電路用以補(bǔ)償功率放大器的非線(xiàn)性失真。

預(yù)失真線(xiàn)性化技術(shù)，它的優(yōu)點(diǎn)在于不存在穩(wěn)定性問(wèn)題，有更寬的信號(hào)頻帶，能夠處理含多載波的信號(hào)。預(yù)失真技術(shù)成本較低，由幾個(gè)仔細(xì)選取的元件封裝成單一模塊，連在信號(hào)源與功放之間，就構(gòu)成預(yù)失真線(xiàn)性功放。手持移動(dòng)臺(tái)中的功放已采用了預(yù)失真技術(shù)，它僅用少量的元件就降低了互調(diào)產(chǎn)物幾dB，但卻是很關(guān)鍵的幾dB。

預(yù)失真技術(shù)分為RF預(yù)失真和數(shù)字基帶預(yù)失真兩種基本類(lèi)型。RF預(yù)失真一般采用模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易于高頻、寬帶應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是頻譜再生分量改善較少、高階頻譜分量抵消較困難。

數(shù)字基帶預(yù)失真由于工作頻率低，可以用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，適應(yīng)性強(qiáng)，而且可以通過(guò)增加采樣頻率和增大量化階數(shù)的辦法來(lái)抵消高階互調(diào)失真，是一種很有發(fā)展前途的方法。這種預(yù)失真器由一個(gè)矢量增益調(diào)節(jié)器組成，根據(jù)查找表(LUT)的內(nèi)容來(lái)控制輸入信號(hào)的幅度和相位，預(yù)失真的大小由查找表的輸入來(lái)控制。矢量增益調(diào)節(jié)器一旦被優(yōu)化，將提供一個(gè)與功放相反的非線(xiàn)性特性。理想情況下，這時(shí)輸出的互調(diào)產(chǎn)物應(yīng)該與雙音信號(hào)通過(guò)功放的輸出幅度相等而相位相反，即自適應(yīng)調(diào)節(jié)模塊就是要調(diào)節(jié)查找表的輸入，從而使輸入信號(hào)與功放輸出信號(hào)的差別最小。注意到輸入信號(hào)的包絡(luò)也是查找表的一個(gè)輸入，反饋路徑來(lái)取樣功放的失真輸出，然后經(jīng)過(guò)A/D變換送入自適應(yīng)調(diào)節(jié)DSP中，進(jìn)而來(lái)更新查找表。

2-3、前饋

前饋技術(shù)起源于"反饋"，應(yīng)該說(shuō)它并不是什么新技術(shù)，早在二三十年代就由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室提出來(lái)的。除了校準(zhǔn)(反饋)是加于輸出之外，概念上完全是"反饋"。

前饋線(xiàn)性放大器通過(guò)耦合器、衰減器、合成器、延時(shí)線(xiàn)、功分器等組成兩個(gè)環(huán)路。射頻信號(hào)輸入后，經(jīng)功分器分成兩路。一路進(jìn)入主功率放大器，由于其非線(xiàn)性失真，輸出端除了有需要放大的主頻信號(hào)外，還有三階交調(diào)干擾。從主功放的輸出中耦合一部分信號(hào)，通過(guò)環(huán)路1抵消放大器的主載頻信號(hào)，使其只剩下反相的三階交調(diào)分量。三階交調(diào)分量經(jīng)輔助放大器放大后，通過(guò)環(huán)路2抵消主放大器非線(xiàn)性產(chǎn)生的交調(diào)分量，從而了改善功放的線(xiàn)性度。

前饋技術(shù)既提供了較高校準(zhǔn)精度的優(yōu)點(diǎn)，又沒(méi)有不穩(wěn)定和帶寬受限的缺點(diǎn)。當(dāng)然，這些優(yōu)點(diǎn)是用高成本換來(lái)的，由于在輸出校準(zhǔn)，功率電平較大，校準(zhǔn)信號(hào)需放大到較高的功率電平，這就需要額外的輔助放大器，而且要求這個(gè)輔助放大器本身的失真特性應(yīng)處在前饋系統(tǒng)的指標(biāo)之上。

前饋功放的抵消要求是很高的，需獲得幅度、相位和時(shí)延的匹配，如果出現(xiàn)功率變化、溫度變化及器件老化等均會(huì)造成抵消失靈。為此，在系統(tǒng)中考慮自適應(yīng)抵消技術(shù)，使抵消能夠跟得上內(nèi)外環(huán)境的變化。

射頻功率放大器產(chǎn)業(yè)鏈情況

一、5G智能移動(dòng)終端，射頻PA的大機(jī)遇

1. 射頻器件皇冠上的明珠

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(xiàn)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(xiàn)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(huà)的橋梁—手機(jī)功能越多，它的價(jià)值越大。

射頻前端模塊是移動(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(xiàn)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(huà)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(hù)體驗(yàn)。

射頻前端芯片包括功率放大器（PA），天線(xiàn)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(xiàn)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。

2. 5G推動(dòng)手機(jī)射頻 PA 量?jī)r(jià)齊升

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(zhuān)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(zhuān)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(mǎn)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(xiàn)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。

3. GaAs 射頻器件仍將主導(dǎo)手機(jī)市場(chǎng)

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(xiàn)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(chǎng)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(mǎn)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(lài)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(mǎn)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?xún)r(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。

二、5G基站，PA數(shù)倍增長(zhǎng)，GaN 大有可為

1. 5G基站，射頻 PA 需求大幅增長(zhǎng)

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

2. GaN射頻 PA 有望成為 5G基站主流技術(shù)

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)

3. 全球 GaN射頻器件產(chǎn)業(yè)鏈競(jìng)爭(zhēng)格局

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(zhuān)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(chǎng)商推出了150 個(gè)品類(lèi)的 GaN HEMT，占整個(gè)射頻晶體管供應(yīng)品類(lèi)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(xiàn)。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(xiāo)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(lèi)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(lèi)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。