商用兩年來，5G在全球各行業(yè)的應(yīng)用呈現(xiàn)出全面勃發(fā)態(tài)勢。高效率、大帶寬、小型化等5G帶來的新挑戰(zhàn)催生著新型射頻器件的加速應(yīng)用，氮化鎵射頻器件就是其一。

Yole在報告《2021氮化鎵射頻市場：應(yīng)用、主要廠商、技術(shù)和襯底》中預(yù)測，氮化鎵（GaN）射頻器件市場正以18%的復(fù)合年增長率（CAGR）增長，從2020年的8.91億美元到2026年的24億美元以上。

這與優(yōu)鎵科技創(chuàng)始人黃飛的觀點(diǎn)不謀而合：“5G基站的建設(shè)及基站中通道數(shù)量的增加為國內(nèi)基站射頻功放帶來百億級的市場空間。為了滿足基站場景中高頻、大帶寬、高效率的應(yīng)用需求，第三代半導(dǎo)體材料GaN成為5G基站中PA的理想材料。”黃飛在接受集微網(wǎng)采訪時如是說。

解決5G痛點(diǎn)，氮化鎵PA前景廣闊

與4G相比，5G通信中功放等射頻器件的設(shè)計存在更大挑戰(zhàn)。一方面，5G基站采用了大規(guī)模多天線（Massive MIMO）技術(shù)，通過空間復(fù)用大幅提高頻譜效率，這就對器件的小型化提出了很高的要求。另一方面，5G通信的頻率更高，帶寬更寬，在更小的物理空間實(shí)現(xiàn)更高的射頻性能存在很多難點(diǎn)，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料及設(shè)計技術(shù)難以適用。

氮化鎵材料因為固有的特性使它在5G射頻領(lǐng)域的應(yīng)用具有多項技術(shù)優(yōu)勢，黃飛指出，GaN 具有更高的功率密度，可以輕松實(shí)現(xiàn)很高的輸出功率，從而擴(kuò)大基站的覆蓋范圍；GaN 高功率密度的特性還有助于縮小芯片及整體方案的外型尺寸；同時，GaN功率放大器可以在高達(dá)250攝氏度下運(yùn)行，從而降低了冷卻要求，簡化系統(tǒng)散熱器設(shè)計，可進(jìn)一步減小尺寸和成本； GaN的高效率還有助于降低基站的運(yùn)行費(fèi)用，在Doherty PA配置中，GaN PA效率可以進(jìn)一步提升，GaN方案將在很大程度上降低基站能耗。

依據(jù)蜂窩通信理論計算，要達(dá)到相同的覆蓋率，預(yù)計中國5G宏基站數(shù)量要達(dá)到500萬座以上，而截至目前，國內(nèi)部署的5G基站大約100多萬座，僅以基站部署來看，未來對PA的需求空間巨大。同時，單座5G基站所需的PA數(shù)量也比4G基站要多得多。據(jù)黃飛介紹，4G基站采用4T4R方案，按照三個扇區(qū)，對應(yīng)的射頻PA需求量為12個，5G基站中，32T32R或64T32R成為主流方案，對應(yīng)的PA需求量則高達(dá)96個或192個，所需的PA數(shù)量成倍增長。

攻關(guān)PA設(shè)計難點(diǎn)，軟硬結(jié)合助推國產(chǎn)替代

多年來被國外巨頭把持的射頻通信芯片領(lǐng)域已出現(xiàn)了為數(shù)不多的國內(nèi)廠商，氮化鎵器件的廣闊應(yīng)用前景為5G射頻領(lǐng)域又開啟了一個新賽道。但要將氮化鎵PA設(shè)計好并應(yīng)用到系統(tǒng)中，并非易事。

在黃飛看來，氮化鎵PA設(shè)計上目前面臨的挑戰(zhàn)主要有幾點(diǎn)：一是缺乏精確的模型，氮化鎵晶體管存在很強(qiáng)的自熱效應(yīng)、陷阱效應(yīng)以及非線性特性，因此其建模難度較高，目前商用的GaN工藝無法提供精確的模型；二是散熱要求高，需要在電路設(shè)計及版圖布局環(huán)節(jié)進(jìn)行充分考慮，否則過高的溫度會導(dǎo)致氮化鎵PA的性能急劇下降甚至燒毀；三是可靠性要求高，氮化鎵PA通常使用在基站等可靠性要求嚴(yán)苛的場景，比如高達(dá)48V的供電電壓帶來的高電壓擺幅會導(dǎo)致匹配元件出現(xiàn)擊穿燒毀問題，這些都對可靠性提出更高要求；四是帶寬要求高，5G及下一代移動通信為了實(shí)現(xiàn)更高速率的數(shù)據(jù)傳輸，都對氮化鎵PA工作在寬帶信號應(yīng)用中提出了更大的挑戰(zhàn)。

“在高速無線通信系統(tǒng)中應(yīng)用時，GaN PA最大的難點(diǎn)在于其較強(qiáng)的非線性，需要搭配DPD算法?！?/strong>黃飛告訴集微網(wǎng)，“不能單純的去做GaN PA，在系統(tǒng)中應(yīng)用的時候需要搭配 DPD算法，這就好比說，你的工作已完成了一大半，但最后關(guān)鍵的一步需要加一個DPD來驗證，沒有這個DPD，你的工作就沒法完成，而在DPD算法這一塊，國內(nèi)一直處于極度欠缺狀態(tài)?！?/p>

出身于清華大學(xué)的黃飛，師從清華大學(xué)電子工程系微波與天線研究所所長陳文華教授，博士研究課題就是氮化鎵功率放大器設(shè)計。陳文華教授團(tuán)隊是國內(nèi)最早一批從事氮化鎵PA設(shè)計研究的科研力量之一，相關(guān)研究成果被收錄和發(fā)表于ISSCC、IMS、JSSC、T-MTT等國際頂級會議和期刊中，曾獲得“2018年中國電子學(xué)會科技進(jìn)步一等獎”、“2017年國際微波會議（IMS）DPD競賽全球第二名”、“國際微波研討會5G專題（IMWS-5G）最佳論文獎”等國際知名大獎，研究團(tuán)隊的高效功放電路和DPD算法等先后成功支持了多家國內(nèi)無線通信設(shè)備商。攜來自清華的創(chuàng)始團(tuán)隊，黃飛于2019年創(chuàng)立優(yōu)鎵科技，其高效線性功放芯片電路設(shè)計方法與經(jīng)驗積累正是源于陳文華教授團(tuán)隊的核心研究成果。

談及國內(nèi)5G基站國產(chǎn)化器件的應(yīng)用情況，黃飛直言：“國內(nèi)的5G建設(shè)走在世界前列，作為先鋒必然會趟很多坑，無論是在基站的功耗，還是造價成本方面，或是基站內(nèi)的國產(chǎn)芯片應(yīng)用方面，仍有許多可以改進(jìn)的地方?！边@反過來也推動著國內(nèi)廠商在這一領(lǐng)域迎頭趕上。優(yōu)鎵科技就是其一，基于十余年GaN PA設(shè)計積累和DPD研究經(jīng)驗，最近，優(yōu)鎵科技推出了全方位射頻功率多芯片模塊(MCM)產(chǎn)品組合，可支持5G基站的大規(guī)模MIMO有源天線系統(tǒng)應(yīng)用。

相比傳統(tǒng)產(chǎn)品，優(yōu)鎵科技的5G GaN MCM解決方案的集成度更高，可以減小功率放大器尺寸、縮短設(shè)計周期及簡化5G基站部署。黃飛表示：“我們的產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)直追國際大廠水平， 例如NXP和Qorvo，未來產(chǎn)品系列將覆蓋全頻段產(chǎn)品，包括用于1.8GHz至5.9GHz蜂窩頻段、輸出功率5W至15W的射頻功率放大器。”

憑借在射頻芯片的管芯設(shè)計、電路設(shè)計、DPD系統(tǒng)的全棧技術(shù)儲備，優(yōu)鎵科技的未來規(guī)劃涵蓋mMIMO射頻一體化模組、大功率分立射頻器件、以及DPD系統(tǒng)算法，可以滿足無線通信系統(tǒng)客戶全棧射頻功放方案需求， 助力實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的國產(chǎn)化替代。

“國際巨頭雖然公司歷史悠久、技術(shù)積累深厚，而我們才剛剛起步，”黃飛頓了一下繼續(xù)強(qiáng)調(diào)道，“但背靠國際領(lǐng)先的系統(tǒng)設(shè)備商，擁有強(qiáng)大的市場優(yōu)勢，我們很有信心迎頭趕上甚至超越?！保ㄐ?薩米）