用GaN技术改变5G射频前端

shuszhao

从2G到4G再到将来的5G，高速增长的数据流量使得调制解调难度不断增加，需要的频段越来越多，对射频前端器件的性能要求也越来越高。而载波聚合技术的出现，更是促使移动基站、智能手机对射频前端器件的需求增长了一倍以上。
随着第五代移动通信技术标准(5G NR)独立组网(SA, Standalone)功能在3GPP第80次TSG RAN全会上的正式冻结，5G已经完成第一阶段全功能标准化工作，进入了产业全面冲刺新阶段。
被5G改变的射频前端
“移动数据吞吐量的每一次增长都是通过RF性能的提升来实现的。”Qorvo无线基础设施及国防产品高性能解决方案事业部总经理Roger Hall说，从2G到4G再到将来的5G，高速增长的数据流量使得调制解调难度不断增加，需要的频段越来越多，对射频前端器件的性能要求也越来越高。而载波聚合技术的出现，更是促使移动基站、智能手机对射频前端器件的需求增长了一倍以上。Qorvo无线基础设施及国防产品高性能解决方案事业部总经理Roger Hall
数据显示，全球4G/5G基站市场规模将在2022年达到16亿美元，其中，用于Sub-6GHz频段的M-MIMO PA器件年复合增长率将达到135%，用于5G毫米波频段的射频前端模块年复合增长率将达到119%。

5G射频系统非常复杂，尤其是那些需要使用高载波频率和宽频带的新技术，包括载波聚合、Massive MIMO等。因此，对于拥有GaN、GaAs和SiGe等完整工艺的Qorvo来说，其核心战略不仅仅是提供产品，更重要的，是如何把这些元件整合进系统中，是如何建议用户在合适的应用场景中选择合适的低功耗系统级解决方案。
以下图为例，左侧展示的是锗化硅基MIMO天线，它拥有1024个元件，裸片面积4096mm2，辐射功率65dbm；与之形成鲜明对比的，是右侧氮化镓基MIMO天线，尽管价格较高，但功耗降低了40%，裸片面积减少94%，成本降低80%。

“除了采用GaN技术将天线阵列的功耗降低40%外，我们的集成式多通道模组、3-6GHz和28/39GHz频段最全面的射频前端产品线布局、以及经过优化的集成式方案，能够为用户提供一种合力，一种包含低功耗、高性能、高集成度、高易用性等多种分力在内的合力。”Roger说，为了实现这一目标，Qorvo在先进封装技术和集成度方面投资极大，就是为了让用户在使用这些器件时简单易用。
坚定的GaN技术拥护者
相对于Si和其它III-V族半导体而言，GaN是一种相对较新的材料，由于带隙较大，具有较高的击穿电场，能够承受更高的工作电压，使得它在性能、体积、重量以及效率等方面具备独特优势，已然成为某些高射频、大功耗应用的技术首选，比如需要长距离或以高端功率水平传输信号的应用(如雷达、基站收发器、卫星通信等)。而根据行业调研机构Yole Development的分析，GaN市场未来六年内预期将实现从1000万美元到6亿美元的增长幅度。
目前市场上的GaN器件以GaN-on-SiC及GaN-on-Si两种工艺进行制造，Qorvo在两方面也均有布局。尽管Roger说Qorvo更倾向于将GaN-on-SiC视作未来的发展方向，因为只要产量能够实现突破，成本的降低是必然的。但他并不愿意将两者视作“非此即彼”的竞争关系，“还是那句话，我们希望找到最低的成本和最高效的解决方案，然后把它们整合起来形成一个集成式的系统解决方案。”
“GaN-on-SiC和GaN-on-Si器件的成本在今后会非常接近。”在Roger看来，成本问题不能只关注裸片价格，作为系统级方案，后续的集成、封装、测试等许多工艺的价值也需要考虑在内，再加上GaN-on-SiC在效率、散热性、尺寸方面具备的绝对优势，这些对用户来说都是极具价值的。
但他并不认为GaN功率放大器模块会很快应用在手机上，除了成本因素外，当前手机3V左右的电压需求与氮化镓器件28-50V的电压值完全不能实现匹配。但科技是在不断进步的，正如很多年前人们认为GaAs不可能用于手机中一样，GaN在移动设备中的发展前景也同样值得期待。
5G另一个显著的变化就是有可能会使用毫米波频段，这对于射频前端模组设计也是一个挑战。众所周知，微波频段下(28GHz、39GHz或60GHz频率)5G无线接入的最大障碍之一是克服不理想的传播特性，这些频段下的无线传播在很大程度上受到大气衰减、下雨、障碍物(建筑、人群、植物)以及反射的影响，若要克服接入系统的传播难题，就需要采用自适应波束成形(Beam-forming)技术。此外，宽带数据转换、高性能频谱转换、高能效比电源设计、先进封装技术、OTA测试、天线校准等，都构成了微波和毫米波频段5G接入系统面临的设计难题。
考虑到“中国实际的用户需求和应用领域，以及运营商的盈利方式”，Roger认为5G毫米波在中国市场的部署会落后于全球其他地区，Sub-6GHz频段会更早实现商用。“中国有着全球最好的通信基础设施，这跟美国不一样。对北美国家来说，通过毫米波技术实现高速接入的成本会更低，也更容易实现容量的扩充。”
由于国防/航天工业的特殊性，Qorvo相关业务目前未能进入中国市场。但这并不妨碍它成为公司的重要技术驱动力。他们的做法是将最新最顶尖的技术率先投入该领域，然后再引入到高性能通信基础设施产品中，通过以上两个市场的技术积累，最终将成熟的技术推向移动设备中。通过打造这样一个循环链条，Qorvo既保证了技术的延续性，也保证了产品的稳定性。
高带宽、高频段、高效率和高容量被Roger视作5G部署中面临的巨大挑战。“M-MIMO输入输出、阵列规模、部署成本、设备的重量尺寸、散热性能……所有这些指标就像跷跷板游戏一样，必须要努力达到很好的平衡才能得到认可。”Roger举例称，曾有人问他是否可以通过一颗器件覆盖所有频率？从技术角度而言是可以实现的，但这将导致效率和性能的降低，反而得不到用户的认可，这也是为什么尽管目前LDMOS仍有成本、芯片尺寸等方面的优势，但Qorvo依旧十分看好GaN前景的原因。

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