GaN越來(lái)越重要的原因有哪些

在早前于四川成都舉辦的 2021 中國(guó)西部微波射頻技術(shù)研討會(huì)上，Qorvo 基礎(chǔ)建設(shè)事業(yè)部高級(jí)銷售經(jīng)理 Kevin He 發(fā)表了一個(gè)題為《基于5G 基站的毫米波技術(shù)和解決方案》的演講。

在演講中他首先說(shuō)道，自 2015 年開(kāi)始，通信系統(tǒng)開(kāi)始了快速演進(jìn)。這主要集中體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面是頻率不斷提高，另一方面是頻帶不斷增寬，這種改變的帶來(lái)的好處就是能給終端用戶帶來(lái)更高的傳輸速率。

同時(shí)，在這個(gè)演進(jìn)過(guò)程，也給相關(guān)的射頻元器件也提出了更高的需求，線性就是其中一個(gè)代表。因?yàn)槟愕乃俾试礁?，頻帶越寬，對(duì)器件的線性要求就越高。

“從數(shù)據(jù)上看，現(xiàn)在的通信系統(tǒng)能夠提供 2Gbps，甚至 5Gbps 以上的速度，這給器件，尤其是射頻 PA 方面帶來(lái)的挑戰(zhàn)相當(dāng)大。”Kevin He 強(qiáng)調(diào)。

Kevin He 進(jìn)一步指出，以國(guó)內(nèi)為例，現(xiàn)在的 5G 都是在 Sub-6Ghz 的頻段運(yùn)行。但因?yàn)閾碛懈叩膫鬏斔俾剩蚨紝?duì)毫米波有了更高的關(guān)注度。伴隨著速度的進(jìn)一步增加，相關(guān)器件面臨的挑戰(zhàn)也明顯提升。雖然過(guò)去這兩年，毫米波發(fā)展非常迅猛，但商用的比例并不是很高，這與供應(yīng)鏈和器件目前還沒(méi)有足夠成熟有很大的關(guān)系。

據(jù) Kevin He 介紹，從基站側(cè)看，毫米波的使用的使用場(chǎng)景有幾種：

一種是 EIRP（Effective Isotropic Radiated Power，等效全向輻射功率）為 65dBm 的應(yīng)用，這是面向城市的、功率比較大的應(yīng)用的。它對(duì)垂直或水平的波束掃描都有要求；

第二種功率也是 65 dBm，面向的應(yīng)用場(chǎng)景是在郊區(qū)。因?yàn)檫@種場(chǎng)景對(duì)垂直高度樓宇的需求會(huì)少一些，所以它基本是一種水平波束掃描、這種情況下對(duì)天線陣列數(shù)量需求的復(fù)雜度會(huì)降低；

第三種是室內(nèi)型的低功率應(yīng)用，這種應(yīng)用的功率為 45 dBm，相對(duì)較小，波束掃描基本上是垂直和水平掃描；最后一種是室內(nèi)型的小站，其功率從 45dBm 到 52dBm 不等，其天線陣列更簡(jiǎn)單。

Kevin He 認(rèn)為，雖然現(xiàn)在毫米波的需求還比較少，但從市場(chǎng)的發(fā)展來(lái)看，提前發(fā)展相關(guān)技術(shù)是非常有必要的一個(gè)事情。因?yàn)楹撩撞ㄅc Sub6 Ghz 是一個(gè)相互補(bǔ)充的關(guān)系，其中 Sub-6Ghz 是用來(lái)做廣域覆蓋的，而毫米波則在一些熱點(diǎn)、傳輸回傳等應(yīng)用上有比較大的優(yōu)勢(shì)。這兩種 5G 技術(shù)相互結(jié)合為，為客戶提供完美的體驗(yàn)。

“作為一個(gè)擁有晶圓、封裝、硬件和軟件的全產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)企業(yè)，Qorvo 能夠幫助開(kāi)發(fā)者解決 5G 帶來(lái)的問(wèn)題?！盞evin He 說(shuō)。

據(jù)介紹，從器件層面看，5G 毫米波帶給 PA 的挑戰(zhàn)體主要體現(xiàn)在線性度和效率兩個(gè)方面，因?yàn)檫@是衡量 PA 的兩大指標(biāo)，但這兩個(gè)指標(biāo)又是相互抑制的。

同時(shí)，隨著頻段更寬、頻率更高，這兩個(gè)指標(biāo)更難做好。因此如何在設(shè)計(jì)的過(guò)程中在兩者之間找好一個(gè)平衡，是給相關(guān)供應(yīng)商帶來(lái)的最大考驗(yàn)。而毫米波的高帶寬和高頻段，更是提高了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的難度。

此外，從 3G 到 5G 的演進(jìn)過(guò)程當(dāng)中，信號(hào)的調(diào)制方式都在不斷演進(jìn)，所以信號(hào)的峰均比對(duì) 5G 器件來(lái)說(shuō)，也是一個(gè)比較大的挑戰(zhàn)。因?yàn)榉寰仍礁撸€性度的要求也更高，帶給 PA 的挑戰(zhàn)也更大。這就讓氮化鎵逐漸成為了行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。

Kevin He 在演講中透露，在 5G Sub-6 Ghz 頻段的早期，氮化鎵的應(yīng)用比例并沒(méi)有那么高，LDMOS 器件依然是應(yīng)用的主流。但國(guó)內(nèi)外的供應(yīng)商都開(kāi)始密集投入到氮化鎵中去，這主要是因?yàn)榇蠹铱春玫壴?5G 的后續(xù)發(fā)展中將發(fā)揮重要作用。

具體到實(shí)際開(kāi)發(fā)而言，因?yàn)?5G 的信號(hào)更復(fù)雜，帶寬也很寬，所以我們需要對(duì) PA 的線性度進(jìn)行校正，在算法上，也需要不斷更新。“就目前從算法的層面看，已經(jīng)有足夠的能力去校正氮化鎵的 DPD 線性度，這就使得氮化鎵在 Sub-6Ghz 頻段下的應(yīng)用比例在最近兩年獲得了不斷提升?！盞evin He 說(shuō)。

據(jù)了解，在最早階段，氮化鎵主要應(yīng)用在軍品上，消費(fèi)電子商用的頻率并沒(méi)有那么高，尤其是毫米波場(chǎng)景中，因?yàn)橄鄬?duì)出貨量沒(méi)那么高，這就使得氮化鎵的成本問(wèn)題更凸顯。但因?yàn)?Sub-6 Ghz 頻段對(duì)氮化鎵的廣泛采用，這就使得氮化鎵的成本有了大幅度的下降，讓客戶更能接受這個(gè)技術(shù)。

Kevin He 指出，對(duì)客戶來(lái)說(shuō)，采用氮化鎵，也能給他們帶來(lái)多方面的優(yōu)勢(shì)。這首先體現(xiàn)在運(yùn)營(yíng)成本上。傳統(tǒng)的基站的電費(fèi)成本給運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)了巨大的壓力，但氮化鎵的應(yīng)用，可以在這方面帶來(lái)很好的優(yōu)化；此外，器件成本、可靠性和高效率也都是氮化鎵能給客戶帶來(lái)的提升。

“氮化鎵帶來(lái)的以上四點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，是以前的 LDMOS 或砷化鎵等工藝器件所不具備的?！盞evin He 強(qiáng)調(diào)。

他進(jìn)一步表示，具體到 PA 方面，氮化鎵能帶來(lái)的提升包括三個(gè)方面。首先，能支持更高信號(hào)帶寬。這是由氮化鎵的低寄生容性和高阻等特性決定的；其次，具備更高的效率，這是由其低射頻損耗帶來(lái)的；第三，可以輸出更高的功率。在高頻段、寬帶寬的應(yīng)用下，想要在提高功率的同時(shí)保持更好的線性，對(duì)器件要求相當(dāng)大，而氮化鎵的特性，讓它們能輕易應(yīng)對(duì)這種挑戰(zhàn)。

Qorvo 擁有多個(gè)工藝，能為不同頻率的應(yīng)用提供相應(yīng)的氮化鎵器件支持。

和傳統(tǒng)的砷化鎵器件相比較，在同樣條件下，氮化鎵的壽命和使用時(shí)間都比砷化鎵高很多。在器件節(jié)溫來(lái)看，氮化鎵器件的表現(xiàn)比砷化鎵器件高很多。

從 5G 基站的需求看來(lái)，他們要求器件能支持更多的頻段，同時(shí)還能做到小型化，這在毫米波時(shí)代需要 128T 甚至 256T 的天線陣列的前提下，更是必須的；此外，硬件成本也是限制 5G 基站發(fā)展的一個(gè)重要因素；最后，功耗也是運(yùn)營(yíng)商需要考量的一個(gè)關(guān)鍵。

以現(xiàn)在的 Sub-6 Ghz 基站為例，因?yàn)檫\(yùn)營(yíng)商要求設(shè)備供應(yīng)商把 32T 的 AAU 做到 10Kg 以下，這就給設(shè)備商帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。因?yàn)樵谄渲械纳岵糠?，?huì)給基站的重量下降帶來(lái)很大的限制。換而言之，只有提高系統(tǒng)的效率，才能優(yōu)化散熱片部分的設(shè)計(jì)。

這就給本身效率高的氮化鎵器件帶來(lái)了機(jī)會(huì)。得益于其這個(gè)優(yōu)勢(shì)，設(shè)備商就可以減少基站的散熱片大小和尺寸，打造能滿足運(yùn)營(yíng)商需求的基站。

從天線角度看，如圖所示，天線陣列應(yīng)該采用鍺化硅工藝制造。但采用這種工藝設(shè)計(jì)的天線，輸出功率大不了。因?yàn)橐坏┕β蔬^(guò)高，器件的效率就達(dá)不到。這就意味著在同樣的 EIRP 的情況下，所需的天線路數(shù)更多。來(lái)到砷化鎵方面，功率則可以做到相對(duì)高一點(diǎn)。氮化鎵則可以做到更高。

“對(duì) Qorvo 來(lái)說(shuō)，我們想把器件每一路的功率做得更高，這樣的話在相同 EIRP 情況下，天線陣列的路數(shù)可以做得更少，同時(shí)可以保證同樣的總輸出功率。減小的天線陣列還能帶來(lái)成本降低、尺寸和效率等優(yōu)勢(shì)。”Kevin He 最后說(shuō)。

編輯：jq