5G 基站中,PA 数倍增长,GaN大有可为

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GaN器件在5G时代需求将迎来爆发式增长

射频功率放大器(PA)作为射频前端发射通路的主要器件,通常用于实现发射通道的射频信号放大。5G将带动智能移动终端、基站端及IOT设备射频PA稳健增长,智能移动终端射频PA市场规模将从2017年的50亿美元增长到2023年的70亿美元,复合年增长率为7%,高端LTE功率放大器市场的增长,尤其是高频和超高频,将弥补2G/3G市场的萎缩。GaAs器件是消费电子3G/4G应用的主力军,5G时代仍将延续,此外,物联网将是其未来应用的蓝海。GaN器件则以高性能特点目前广泛应用于基站、雷达、电子战等军工领域,在5G 时代需求将迎来爆发式增长。

5G 基站中,PA 数倍增长,GaN大有可为

4G 基站采用 4T4R方案,按照三个扇区,对应的射频 PA 需求量为 12个,5G 基站,预计64T64R将成为主流方案,对应的PA需求量高达192 个, PA 数量将大幅增长。目前基站用功率 放大器主要为 LDMOS技术,但是 LDMOS技术适用 于低频段,在高应领域存在局限性。5G 基站 GaN射频 PA 将成为主流技术,逐渐侵占LDMOS的市场,GaAs器件份额变化不大。GaN能较好的适用于大规模 MIMO,根据Yole的预计 ,2023 年GaN RF在基站中的市场规模将达到5.2亿美元,年复合增长率达到22.8%。

就电信市场而言,得益于5G网络应用的日益临近,将从2019年开始为 GaN器件带来巨大的市场机遇。相比现有的硅LDMOS(横向双扩散金属氧化物半导体技术)和GaAs(砷化镓)解决方案,GaN器件能够提供下一代高频电信网络所需要的功率和效能。而且,GaN的宽带性能也是实现多频载波聚合等重要新技术的关键因素之一。GaN HEMT(高电子迁移率场效晶体管)已经成为未来宏基站功率放大器的候选技术。

对于既定功率水平,GaN具有体积小的优势。有了更小的器件,则可以减小器件电容,从而使得较高带宽系统的设计变得更加轻松。

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GaN具有更小的尺寸优势

由于LDMOS无法支持更高的频率,GaAs也不再是高功率应用的最优方案,预计未来大部分6GHz以下宏网络单元应用都将采用GaN器件,但小基站中GaAs优势更明显 。5G网络采用的频段更高,穿透力与覆盖范围将比4G更差,因此小基站(small cell)将在5G网络建设中扮演很重要的角色。不过,由于小基站不需要如此高的功率,GaAs等现有技术仍有其优势。与此同时,由于更高的频率降低了每个基站的覆盖率,因此需要应用更多的晶体管,预计市场出货量增长速度将加快。

GaN适用于大规模MIMO

GaN芯片每年在功率密度和封装方面都会取得飞跃,能比较好的适用于大规模MIMO技术。当前的基站技术涉及具有多达8个天线的MIMO配置,以通过简单的波束形成算法来控制信号,但是大规模MIMO可能需要利用数百个天线来实现5G所需要的数据速率和频谱效率。大规模MIMO中使用的耗电量大的有源电子扫描阵列(AESA),需要单独的PA来驱动每个天线元件,这将带来显著的尺寸、重量、功率密度和成本(SWaP-C)挑战。这将始终涉及能够满足64个元件和超出MIMO阵列的功率、线性、热管理和尺寸要求,且在每个发射/接收(T/R)模块上偏差最小的射频PA。

GaN-on-SiC更具有优势

目前市场上还存在两种技术的竞争:GaN-on-SiC(碳化硅上氮化镓)和GaN-on-silicon(硅上氮化镓)。它们采用了不同材料的衬底,但是具有相似的特性。理论上,GaN-on-SiC具有更好的性能,而且目前大多数厂商都采用了该技术方案。不过,MACOM等厂商则在极力推动GaN-on-Silicon技术的广泛应用。未来谁将主导还言之过早,目前来看,GaN-on-silicon仍是GaN-on-SiC解决方案的有力挑战者。

GaN RF市场的发展方向

GaN制造主要以IDM为主。经过数十年的发展,GaN技术在全球各大洲已经普及。市场领先的厂商主要包括Sumitomo Electric、Wolfspeed(Cree旗下)、Qorvo,以及美国、欧洲和亚洲的许多其它厂商。化合物半导体市场和传统的硅基半导体产业不同。相比传统硅工艺,GaN技术的外延工艺要重要的多,会影响其作用区域的品质,对器件的可靠性产生巨大影响。这也是为什么目前市场领先的厂商都具备很强的外延工艺能力,并且为了维护技术秘密,都倾向于将这些工艺放在自己内部生产。尽管如此,Fabless设计厂商通过和代工合作伙伴的合作,发展速度也很快。凭借与代工厂紧密的合作关系以及销售渠道,NXP和Ampleon等领先厂商或将改变市场竞争格局。

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