導讀
5G技術涵蓋毫米波頻率和大規模陣列天線的運用，帶寬、時延、同步等性能全面提升，對高功率、高性能、高密度的射頻元件需求不斷增加。GaN功率放大器以其高擊穿電壓、高功率、大帶寬、高效率等優勢符合新技術要求，逐漸成為LDMOS的最佳替代者。
一、功率放大器在基站中的應用
功率放大器作為射頻前端發射通路的主要器件，主要是為了將調製振盪電路所產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，通常用於實現發射通道的射頻信號放大。
5G關鍵技術中的高密集組網(UDN)以及全頻譜接入將帶來基站數量的增加和頻譜的進一步拓寬，對終端射頻器件帶來更多的需求。特別是5G時代基地臺設備升級及小型化，成為推動射頻功率放大器市場規模成長的主要動力。據統計，功率放大器佔基地臺成本比重約25～30%，具有舉足輕重角色。目前投入射頻功率放大器業者眾多，包括NXP、Qorvo、Ampleon、Infineon、Sumitomo、Gree、UMS等。
圖1 通信設備/移動設備射頻組成部分
二、功率放大器發展趨勢
功率放大器日益小型化。隨著無線通訊新標準、新技術的不斷髮展，基站朝著寬帶化、多模化、集成化等方向不斷演進，這要求提高射頻PA的各種性能，進一步降低成本、減少尺寸與重量，同時擁有良好的線性度、高輸出功率及效率。5G對射頻組件需求的提升將大幅提升基站射頻行業的市場空間，高度的集成化需求，同時也將推動功率放大器等射頻組件工藝進一步升級，產品將更加的小型化。此外，在基站設備中，射頻功放的能耗佔到總能耗的60%左右，因此，大帶寬、高效率、小體積，輕重量、低成本的射頻功率放大器成為了未來移動運營商降低運營成本、實現綠色節能的最為有效的手段。
GAN功率器件將成為PA的主流技術。目前針對3G和LTE基站市場的功率放大器主要有硅基LDMOS和GaAS兩種。但隨著5G帶來的多頻帶載波聚合和大規模MIMO等新技術出現新要求，現有的硅基LDMOS和GaAS解決方案侷限性不斷凸顯，氮化鎵成為中高頻段主要技術方向。
- 傳統LDMOS技術疲態已現
未來5G商用頻段主要在3.5GHz，LDMOS功率放大器的帶寬會隨著頻率的增加而大幅減少，LDMOS 僅在不超過約3.5GHz的頻率範圍內有效，因此在3.5GHz頻段LDMOS的性能已開始出現明顯下滑。5G基站AAU功率大幅提升，單扇區功率從4G時期的50W左右提升到5G時期的200W左右，傳統的LDMOS製程將很難滿足性能要求。
- GaAs技術適用性有限
GaAs功率放大器雖然能夠滿足高頻通信的要求，但其輸出功率與GaN器件相比多有遜色。對於小基站（微基站）不需要很高的功率，現有GaAs技術仍具有優勢。
- GaN技術具有顯著優勢
HEMT利用髙遷移率的二維電子氣2DEG工作，具有超高速，低功耗和低噪聲的優點。GaN具有的壓電極化效應可以顯著地提高HEMT中的2DEG遷移率和密度，採用GaN材料的HEMT具有高跨導、高工作頻率、飽和電流的顯著優勢。隨著半導體材料工藝的進步，氮化鎵（GaN）正成為中高頻頻段PA主要技術路線，GaN技術優勢包括能源效率提高、帶寬更寬、功率密度更大、體積更小，使之成為LDMOS的天然繼承者。根據Yole數據顯示，預計到2025年GaN將主導RF功率器件市場，搶佔基於硅LDMOS技術的基站PA市場。
圖2 2015-2025年射頻功率市場不同技術路線的份額佔比
圖3 基站射頻PA技術路線比較
三、功率放大器市場潛力巨大
在4G建設高峰期，國內市場平均每年功率放大器的市場空間約在42億元。考慮到單站功率放大器價格的大幅提升，到了5G時代，單站價格的大幅上漲將推動功率放大器的總市場空間大幅提升。未來，隨著毫米波等高頻段技術的成熟，GaN 作為主流技術將成為必然。
5G基站引入大規模陣列天線，這將帶動射頻組件需求量大幅增加。根據目前的5G測試來看，採用64通道的MassiveMIMO技術是各個設備商的主流測試選擇。未來64通道的天線陣列將容納64個功率放大器等器件。據華泰證券研究所統計，預計2025年國內功率放大器市場規模將達到40億元左右，而在2020年-2023年5G發展高峰期，功率放大器市場規模將超過100億元。
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