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)射通道的射頻信號放大。
手機(jī)射頻前端：一旦連上移動網(wǎng)絡(luò)，任何一臺智能手機(jī)都能輕松刷朋友圈、看高清視頻、下載圖片、在線購物，這完全是射頻前端進(jìn)化的功勞，手機(jī)每一個網(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，它的價值越大。
射頻前端無線數(shù)傳模塊是移動終端通信系統(tǒng)的核心組件，對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終端可以支持的通信模式，以及接收信號強(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)中最大的市場為濾波器，將從 2017 年的 80 億美元增長到2023 年 225 億美元，復(fù)合年增長率高達(dá) 19%。該增長主要來自于 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。
功率放大器市場增長相對穩(wěn)健，復(fù)合年增長率為 7%，將從 2017 年的 50億美元增長到 2023 年的 70 億美元。高端 LTE 功率放大器市場的增長，尤其是高頻和超高頻，將彌補(bǔ) 2G/3G 市場的萎縮。
射頻前端與智能終端一同進(jìn)化，4G 時代，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 5G 時代，智能手機(jī)將采用 2 發(fā)射 4 接收方案。
無論是在基站端還是設(shè)備終端，5G 給供應(yīng)商帶來的挑戰(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，即將到來的 5G 手機(jī)將會面臨多方面的挑戰(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)制方面會有新的變化，對功耗方面也有更多的要求。比如在 4G 時代，大家比較關(guān)注 ACPR。但到了 5G 時代，則更需要專注于 EVM（一般小于 1.5%）；
信號路由的選擇：選擇 4G anchor+5G 數(shù)據(jù)連接，還是直接走 5G，這會帶來不同的挑戰(zhàn)。
開關(guān)速度的變化：這方面雖然沒有太多的變化，但 SRS 也會帶來新的挑戰(zhàn)。
其他如 n77/n78/n79 等新頻段的引入，也會對射頻前端形態(tài)產(chǎn)生影響，推動前端模組改變，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：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)無線通信的距離、信號質(zhì)量，甚至待機(jī)時間，是整個射頻系統(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)價值量有望達(dá)到 7.5 美元：同時，PA 的單價也有顯著提高，2G 手機(jī)用 PA 平均單價為 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 5G 手機(jī)PA 價值量達(dá)到 7.5 美元以上。
5G 時代，GaAs 材料適用于移動終端。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 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，國內(nèi)的銳迪科和漢天下等芯片設(shè)計企業(yè)曾憑借 RF CMOS 制程的高集成度和低成本的優(yōu)勢，打破了采用國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)的時代。與射頻功放器件依賴于 GaAs 材料不同，90%的射頻開關(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，正在逐漸取代 Si LDMOS；在微基站中，未來一段時間內(nèi)仍然以 GaAs PA 件為主，因其目前具備經(jīng)市場驗(yàn)證的可靠性和高性價比的優(yōu)勢，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；在移動終端中，因高成本和高供電電壓，GaN PA 短期內(nèi)也無法撼動 GaAs PA 的統(tǒng)治地位。
5G 基站PA數(shù)量有望增長16倍。4G 基站采用 4T4R 方案，按照三個扇區(qū)，對應(yīng)的 PA 需求量為 12 個，5G 基站，預(yù)計 64T64R 將成為主流方案，對應(yīng)的 PA 需求量高達(dá) 192 個，PA 數(shù)量將大幅增長。
5G 基站射頻 PA 有望量價齊升。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 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。如果我們對比不同半導(dǎo)體工藝技術(shù)，就會發(fā)現(xiàn)功率通常會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-器件隔離-歐姆接觸（制作源極、漏極）-氮化物鈍化-柵極制作-場板制作-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)測未來大部分 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)勢更明顯。就電信市場而言，得益于 5G 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的日益臨近，將從 2019 年開始為 GaN 器件帶來巨大的市場機(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（高電子遷移率場效晶體管）已經(jīng)成為未來宏基站功率放大器的候選技術(shù)。
由于LDMOS無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)計未來大部分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，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。與此同時，由于更高的頻率降低了每個基站的覆蓋率，因此需要應(yīng)用更多的晶體管，預(yù)計市場出貨量增長速度將加快。
2015-2025年基站主要趨勢
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，專利壁壘過大，因此這個領(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 Mouser 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析顯示，截至 2018 年 4 月，共有 4 家廠商推出了150 個品類的 GaN HEMT， 占整個射頻晶體管供應(yīng)品類的 9.9%，較 1 月增長了 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。在我國工信部公布的 2 個 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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