GaN PA器件逐渐深入基站高频应用，适应5G网络对性能和功率效率的需求，适用于大规模MIMO

时间： 2021-08-20 来源：时代速信

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5G对于设备性能和功率效率提出了更高的要求，特别是在基站端，基站数量和单个基站成本双双上涨，这将会带来市场空间的巨大增长。依据蜂窝通信理论计算，要达到相同的覆盖率，估计中国5G宏基站数量要达到约500万个。2021年全球5G宏基站PA和滤波器市场将达到243.1亿元人民币，年均复合增长率CAGR为162.31%，2021年全球4G和5G小基站射频器件市场将达到21.54亿元人民币，CAGR为140.61%。

由于基站越来越多地用到了多天线MIMO技术，这对PA提出了更多需求。预计到2022年，4G/ 5G基础用的射频半导体市场规模将达到16亿美元，其中，MIMO PA的年复合增长率将达到135%，射频前端模块的年复合增长率将达到 119%。

相对于4G，5G基站用到的PA数会加倍增长。4G基站采用4T4R方案，按照三个扇区，对应的射频PA需求量为12个，5G基站中，预计64T64R将成为主流方案，对应的PA需求量高达192个。

功耗问题待解决

虽然，5G发展前景可期，但相关技术依然未达到成熟水平，特别是功耗问题，无论是基站，还是手机端，都存在这个问题，这也是苹果依然没有推出5G手机的一个重要原因。

特别是基站，目前来看功耗比4G高出不少，而在所有耗电的芯片元器件当中，PA是大户。因为射频信号功率很小，只有经过PA放大获得足够的射频功率后，才能馈送到天线并发射出去，因此，PA是基站发射系统的重要器件。与此同时，PA也是最耗电、效率较低的器件，有统计显示，约一半的基站功率消耗在了PA上。

然而，宏基站和小基站之间的功耗又有非常明显的区别：与宏基站相比，小基站的覆盖范围小，发射功率低，PA非线性失真较小，PA功耗占比也较小，甚至可能不需要DPD等技术来进行预失真处理。因此，对应不同的基站，特别是5G基站的需求，PA有更多的产品路线可走，未来的商机也多了起来。

GaN替代LDMOS

基站用PA市场空间巨大，但其性能和功率效率问题亟待解决。在这样的背景下，新工艺技术替代传统工艺早已被提上了议事日程。

目前的PA市场，包括基站和手机端用的，制造工艺主要包括传统的LDMOS、GaAs，以及新兴的GaN。而在基站端，传统LDMOS工艺用的更多，但是，LDMOS 技术适用于低频段，在高频应用领域存在局限性。而为了适应5G网络对性能和功率效率的需求，越来越多地应用到了GaN，它能较好地适用于大规模MIMO。

GaN具有优异的高功率密度和高频特性。GaAs拥有微波频率和5V至7V的工作电压，多年来一直广泛应用于PA。硅基LDMOS技术的工作电压为28V，已经在电信领域使用了许多年，但其主要在4GHz以下频率发挥作用，在宽带应用中的使用并不广泛。相比之下，GaN的工作电压为28V至50V，具有更高的功率密度和截止频率，在MIMO应用中，可实现高整合性解决方案。

在宏基站PA应用中，GaN凭借高频、高输出功率的优势，正在逐渐取代LDMOS；在小基站中，未来一段时间内仍然以GaAs工艺为主，这是因为它具备可靠性和高性价比的优势，但随着GaN器件成本的降低和技术的提高，GaN PA有望在小基站应用中逐步拓展。

在手机端，射频前端PA还是以GaAs工艺为主，短期内还看不到GaN的机会，主要原因是成本和高电压特性，这在手机内难以接受。

总之，很可能大部分6GHz以下宏基站应用都将采用基于GaN工艺的PA，5G网络采用的频段更高，穿透力与覆盖范围将比4G更差，因此，小基站将在5G网络建设中扮演很重要的角色。不过，由于小基站不需要如此高的功率，GaAs等现有技术仍有其优势。而传统的LDMOS工艺在基站用PA市场的份额将逐年减少，很可能在不久的将来退出历史舞台。

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