用于5G的射频功率半导体转向 WBG 材料

5G 技术的进步正在推动半导体行业面临新的技术挑战。5G 服务以更高的频率工作，以确保更高的传输速率和极低的延迟。使用新频率会产生功率效率问题，从而需要新的解决方案。

5G 不仅仅是一个更快的 4G 移动网络。5G 被认为是“新”网络，是管理物联网的基础设施候选者。而且速度很快。运行 5G 的网络将比现有的 4G 网络快 20 倍，使视频下载速度快 10 倍。氮化镓 （GaN）、碳化硅 （SiC） 和砷化镓 （GaAs） 等高性能功率半导体和化合物半导体在 5G 终端产品开发过程中发挥着关键作用。

5G 和功耗 凭借前所未有的复杂性，下一个 5G 技术将在未来几年通过使其完全智能化来彻底改变行业。这种变化的挑战是巨大的：超高带宽、高达 1 毫秒的延迟以及高度可靠的连接。此外，RF 架构需要可扩展、高效且极其紧凑。5G 不仅需要在宏观层面上安装更多基站，还需要在设备层面实现高功率密度。

为了满足更低功耗、更小外形尺寸和更好的热管理性能的需求，基于 GaAs、GaN 和 SiC 技术的射频功率放大器开始引领 4G 时代的到来。GaN 凭借其改进的功率性能有望成为市场的主流。

此外，与硅 （Si） 相比，SiC 器件具有更低的成本和更好的性能，而 GaN-on-SiC 可以提供最佳的整体价值。特别是，GaN-on-SiC 的热导率是 GaN-on-Si 的 3 倍。

同时，GaN 和 GaAs 功率半导体比传统的 Si 基半导体具有更多优势，例如更高的开关速度、更低的电流损耗和更高的功率密度。材料供应商正在实施新的制造解决方案，以提供更低的成本和更容易采用。特别是GaN和GaAs化合物半导体的制造工艺有望取得进一步进展。

根据 ABI Research 的数据，在 5G 应用的推动下，射频功率半导体的支出持续增长，在 2019 年达到近 20 亿美元。市场分析表明，无线基础设施领域经历了重大转变，所有其他领域都在经历强劲增长。LDMOS 发挥着重要作用，但 GaN 继续争夺市场份额，通过缩小与其他更老的硅基技术之间的差距来解决市场所需的许多技术挑战。

据 ABI Research 称，无线基础设施市场约占总销售额的 75%，并且在 5G NR 中频的推动下表现异常出色。在无线基础设施之外，RF 功率半导体采用增长最为强劲的垂直市场是商业航空电子设备和空中交通管制。

推荐 的 GaN 和 SiC 功率器件为军用/航空系统带来巨大优势

与 LDMOS 相比，GaN-on-SiC 为 5G 技术提供了显着的改进，例如出色的热特性，并且在更高频率的 5G 应用中效率更高。

智慧城市的 5G 用例（图片：英飞凌科技）

以下是适用于 5G 应用的射频功率 IC 示例。

Analog Devices Inc. 由 Analog Devices Inc. （ADI） 提供的功率放大器基于 GaN 和 GaAs 半导体技术，频率范围为千赫至 95 GHz。除了裸芯片和表面贴装元件，该公司的产品组合还包括输出功率超过 8 kW 的基于 GaN 的功率放大器模块。

ADPA7002CHIP 是一款 GaAs、单片微波集成电路 （MMIC）、假晶高电子迁移率晶体管 （pHEMT）、分布式功率放大器，工作频率为 20 GHz 至 44 GHz。该放大器提供 15 dB 的小信号增益、1 dB 增益压缩 （P1dB） 下的 28 dBm 输出功率和 40 dBm 的典型输出三阶截距 （IP3）。

ADPA7002CHIP 的功能图（图片：Analog Devices Inc.）

Infineon Technologies AG Infineon Technologies 为 6 GHz 以上的集成架构提供 GaN-on-SiC 和 GaN-on-Si 射频功率技术，并为 6 GHz 以下的高稳健性系统提供 LDMOS。封装创新使 Doherty 集成宽带放大器成为可能。

适用于移动和低功耗基础设施的灵活射频解决方案，包括 SiGe、BiCMOS、GaN 毫米波和 CMOS 射频技术，通过从成本优化到高集成度设计的替代选项满足最佳性能要求。

随着 CPU 电流要求的增加以支持下一代人工智能和 5G 电网工作负载，DC/DC 稳压器必须为负载提供超过 500 A 的电流。XDPE132G5C控制器采用真正的 16 相 PWM 数字算法，可满足这些高相数要求。

通信系统中最先进的 ASIC 和 FPGA 要求 V OUT控制步长小于 1 mV。这是 XDPE132G5C 所固有的，它以 0.625-mV 的增量提供精细的 V OUT控制。此外，该解决方案支持自动重启要求，并提供选项以减少因电源问题导致的远程站点维护。

NXP Semiconductors NXP Semiconductors 提供多种射频功率器件，包括 GaN、LDMOS、SiGe 和 GaAs 技术。一个例子是 MMRF5014H，这是一款 125W 连续波 （CW） 射频功率晶体管，针对高达 2，700 MHz 的宽带操作进行了优化，它还包括用于扩展带宽性能的输入匹配。该器件具有高增益和高耐用性，非常适合 CW、脉冲和宽带射频应用。该器件采用先进的 GaN-on-SiC 技术构建，适用于军事和商业应用，包括窄带和多倍频程宽带放大器、雷达、干扰器和 EMC 测试。

LDMOS 功率放大器专为 TDD 和 FDD LTE 系统而设计。AFSC5G23D37 是一款完全集成的 Doherty 功率放大器模块，专为需要在最小尺寸内获得高性能的无线基础设施应用而设计。目标应用包括大规模 MIMO 系统、小型室外蜂窝和低功率远程无线电头端。

随着蜂窝市场向更高频率和更高功率水平发展，GaN 技术提供了最先进的线性化和射频性能，以简化 5G 部署。这些解决方案还通过实现更小、更轻的有源天线系统和多芯片模块 （MCM） 来简化大规模 MIMO 实施，以实现高集成度。

A2G35S160-01SR3 是一款 32W 射频功率 GaN 晶体管，适用于频率范围为 3，400 至 3，600 MHz 的蜂窝基站应用。它提供高终端阻抗以实现最佳宽带性能，它专为数字预失真纠错系统而设计，并针对 Doherty 应用进行了优化。

Macom Macom 提供范围广泛的射频功率半导体产品，包括设计用于在直流至 6 GHz 范围内工作的分立器件、模块和托盘。MAGB-101822-380A0P 是一款 GaN HEMT D 模式放大器对，设计用于平均功率为 55W 的数字预失真纠错系统和非对称 Doherty 基站应用。该器件采用塑料封装，针对具有高终端阻抗的蜂窝基站应用进行了优化，以实现宽带性能。

Qorvo Inc. Qorvo Inc. 为整个 5G 基础设施提供高度集成的组件和模块。GaN 技术用于构建固态微波功率放大器 （SSPA）。它受益于导致高功率密度的高故障电压。可以使用多种实施选项构建 GaN 功率放大器。

PRFI Ltd. 实施了 Qorvo 解决方案 TGF2977，以设计 5W X 波段 GaN 功率放大器。该放大器针对 9.3 至 9.5 GHz 频段进行了优化，提供 11 dB 的小信号增益，并在 3 dB 增益压缩下提供超过 37 dBm 的输出功率，相应的漏极效率超过 55%。

TGF2977 是一款 5W （P3dB） 宽带非匹配分立式 GaN-on-SiC HEMT，可在直流至 12GHz 和 32V 电源轨下工作。该器件采用行业标准的 3 × 3-mm QFN 封装，非常适合军用和民用雷达、陆地移动和军用无线电通信、航空电子设备和测试仪器。该器件可以支持脉冲和线性操作。

TGA2219 是一款 25W GaN 功率放大器，作为高功率 MMIC 放大器提供，专为商用和军用雷达（包括 Ku 波段）和卫星通信系统而设计。TGA2219 放大器采用 TriQuint 生产的 0.15-µm GaN-on-SiC 工艺开发，工作频率范围为 13.4 GHz 至 16.5 GHz，提供 25 W 的饱和输出功率、27 dB 的大信号增益和超过 28% 的功率附加效率（PAE ）。TGA2219 完全匹配至 50 Ω，在 RF 端口上集成了隔直电容，以简化系统集成。

Wolfspeed 是一家 Cree 公司 GaN-on-SiC，已成为应对 5G 网络引入带来的所有挑战和要求的领跑者。Wolfspeed 的产品组合主要集中在 GaN-on-SiC HEMT。一个例子是 GTRA384802FC。该解决方案是一种 400W （P3dB） HEMT，用于多标准蜂窝功率放大器应用。

HEMT 具有输入和输出匹配、高效率和带无耳法兰的热增强封装。该器件提供 62% 的效率和 12-dB 增益，并且可以处理 10:1 VSWR @ 48-V、63-W （WCDMA） 输出功率。其不对称的 Doherty 设计保证了主 P3dB 200 W 典型值和峰值 P3dB 280 W 典型值。

结论 技术正在显着发展。对于 5G，GaN 比硅更有效，并且多年来一直是 5G 功率放大器中硅的明显继承者。由于晶圆和成本降低的发展，它肯定会流行起来，尤其是在 5G 毫米波网络方面。

GaN 器件正在市场上取代 LDMOS 器件，特别是在 5G 电信基站、雷达和航空电子设备以及其他宽带应用中。在未来的网络设计中，GaN 和其他宽带隙 （WBG） 材料将因其物理特性而取代现有的 LDMOS 器件。然而，由于其成熟度和成本低廉，LDMOS 仍将占据稳固的市场份额。

审核编辑：彭静