氮化镓变得越来越重要的原因是什么

早些时候，在四川成都举行的2021中国西部微波射频技术研讨会上，Qorvo基础设施事业部高级销售经理何凯文发表了题为《基于5G 基站的毫米波技术和解决方案》的演讲。

他在演讲中首先表示，从2015年开始，通信系统开始快速演进。这主要体现在两个方面：一方面是频率不断提高，另一方面是频段不断拓宽。这种变化的好处是可以给终端用户带来更高的传输速率。

同时，在这一演进过程中，也对相关射频元器件提出了更高的要求，线性度就是其中的代表。因为速度越高，频带越宽，对线性度的要求就越高。

“从数据来看，目前的通信系统可以提供2Gbps甚至超过5Gbps，这给设备带来了相当大的挑战，尤其是射频PA。”凯文何强调。

何凯文进一步指出，以中国为例，现在5G运行在Sub 6 GHz频段。然而，由于其较高的传输速率，毫米波越来越受到全世界的关注。随着速度的进一步提升，相关设备面临的挑战也明显改善。虽然毫米波近两年发展迅速，但商用比例并不是很高，这与目前供应链和器件还不够成熟有很大关系。

根据何凯文的说法，从基站端来看，毫米波的使用有几种使用场景：

一个是EIRP(有效各向同性辐射功率)为65dBm的应用，这是一个面向城市的高功率应用。它需要垂直和水平波束扫描。

第二功率也是65 dBm，应用场景在郊区。因为这个场景对垂直建筑的需求较少，基本上是水平波束扫描，这种情况下天线阵列数量的复杂度会降低；

第三种是室内低功耗应用，功率相对较小，为45 dBm，波束扫描基本为垂直和水平扫描；最后一种是室内小站，功率在45dBm到52dBm之间，天线阵比较简单。

何凯文认为，虽然毫米波的需求还比较小，但从市场发展的角度来看，提前开发相关技术是非常必要的。因为毫米波和Sub6 Ghz是互补的，其中Sub 6 Ghz用于广域覆盖，而毫米波在一些热点、传输和回程应用上有很大的优势。这两种5G技术相结合，为客户提供完美的体验。

“作为一家拥有晶圆、封装、软硬件的全产业链供应商，Qorvo可以帮助开发者解决5 G带来的问题，”Kevin He表示。

据报道，从器件层面来看，5G毫米波给PA带来的挑战主要体现在线性度和效率上，因为这是衡量PA的两大指标，但这两个指标是相互制约的。

同时，随着频段越来越宽，频率越来越高，这两个指标更难做好。因此，在设计过程中如何在两者之间找到良好的平衡，是对相关供应商最大的考验。毫米波的高带宽和高频带使得实现这一目标更加困难。

此外，在3G向5G演进的过程中，信号的调制方式也在不断演进，因此信号的峰均比也是5G设备面临的一大挑战。因为峰均比越高，对线性度的要求就越高，对功率放大器的挑战也就越大。这使得氮化镓逐渐成为业界关注的焦点。

何凯文在演讲中透露，在5G Sub 6 Ghz频段初期，氮化镓的应用比例并没有那么高，LDMOS器件仍然是应用的主流。但国内外供应商开始密集投资氮化镓，主要是因为大家都看好氮化镓在后续5G发展中发挥重要作用。

就实际发展而言，由于5G信号较为复杂，带宽较宽，需要对PA的线性度进行修正，算法需要不断更新。“目前从算法层面来看，有足够的能力对氮化镓的DPD线性进行校正，使得近两年来氮化镓在Sub-6Ghz频段的应用比例不断提升。”凯文何说。

据了解，最早阶段氮化镓主要用于军工产品，消费电子的商用频率并没有那么高，尤其是在毫米波场景下，因为相对出货量没有那么高，使得氮化镓的成本更加突出。但是由于氮化镓在Sub-6 Ghz频段的广泛应用，使得氮化镓的成本大大降低，这种技术更容易被客户接受。

何凯文指出，对于客户来说，采用氮化镓也能给他们带来很多优势。这首先体现在运营成本上。传统基站的电费成本给运营商带来了很大的压力，但是氮化镓的应用可以在这方面带来很好的优化；此外，器件的成本、可靠性和高效率也是氮化镓能给客户带来的提升。

“氮化镓带来的上述四大优势，是以前的LDMOS或砷化镓工艺器件所没有的。”凯文何强调。

他进一步表示，具体到PA，氮化镓可以在三个方面提升。首先，它可以支持更高的信号带宽。这由氮化镓的低寄生电容和高电阻决定。其次，它具有较高的效率，这是由它的低射频损耗带来的；第三，它可以输出更高的功率。在高频带和宽带宽的应用中，要求器件在增加功率的同时保持更好的线性度，氮化镓的特性使其很容易应对这一挑战。

Qorvo具有多种工艺，可以为不同频率的应用提供相应的氮化镓器件支持。

与传统砷化镓器件相比，在相同条件下，氮化镓的寿命与砷化镓器件相同

用时间都比砷化镓高很多。在器件节温来看，氮化镓器件的表现比砷化镓器件高很多。

从 5G 基站的需求看来，他们要求器件能支持更多的频段，同时还能做到小型化，这在毫米波时代需要 128T 甚至 256T 的天线阵列的前提下，更是必须的；此外，硬件成本也是限制 5G 基站发展的一个重要因素；最后，功耗也是运营商需要考量的一个关键。

以现在的 Sub-6 Ghz 基站为例，因为运营商要求设备供应商把 32T 的 AAU 做到 10Kg 以下，这就给设备商带来了很大的挑战。因为在其中的散热部分，会给基站的重量下降带来很大的限制。换而言之，只有提高系统的效率，才能优化散热片部分的设计。

这就给本身效率高的氮化镓器件带来了机会。得益于其这个优势，设备商就可以减少基站的散热片大小和尺寸，打造能满足运营商需求的基站。

从天线角度看，如图所示，天线阵列应该采用锗化硅工艺制造。但采用这种工艺设计的天线，输出功率大不了。因为一旦功率过高，器件的效率就达不到。这就意味着在同样的 EIRP 的情况下，所需的天线路数更多。来到砷化镓方面，功率则可以做到相对高一点。氮化镓则可以做到更高。

“对 Qorvo 来说，我们想把器件每一路的功率做得更高，这样的话在相同 EIRP 情况下，天线阵列的路数可以做得更少，同时可以保证同样的总输出功率。减小的天线阵列还能带来成本降低、尺寸和效率等优势。”Kevin He 最后说。

编辑：jq