射頻PA前端技術(shù)發(fā)展報告

1、射頻PA前端技術(shù)發(fā)展報告技術(shù)創(chuàng)新 變革未來射頻模塊是無線通信設(shè)備的核心模塊3圖：手機(jī)射頻架構(gòu)圖：基站射頻架構(gòu)無線通信主要是利用電磁波實現(xiàn)多個設(shè)備之間 的信息傳輸。射頻是可以輻射到空間的電磁頻 率,頻率范圍從300KHz300GHz之間。射頻模塊 是用于發(fā)射和/或接收兩個裝置之間的無線電信 號的電子設(shè)備，是無線通信設(shè)備實現(xiàn)信號收發(fā) 的核心模塊。圖：無線通信圖射頻前端架構(gòu)基本類似4射頻前端包括接收通道和發(fā)射通道兩大部分。 一般由射頻開關(guān)（Switch）、射頻低噪聲放大 器(LNA, Low Noise Amplifier)、射頻功率放 大 器 (PA ， Power Amplifier) 、 雙

2、工 器 (Duplexers)、射頻濾波器(Filter)、天線調(diào) 諧器(Antenna tuners) 等組成。圖：手機(jī)射頻架構(gòu)圖：基站射頻架構(gòu)發(fā)射通道和接收通道工作原理5資料來源：射頻微波電路設(shè)計，華西證券研究所平以便于解調(diào)并得到信息。發(fā)射通道是使用基帶信號（語音、視頻、數(shù)據(jù)或其他信息）去調(diào)制中頻 正弦波信號，然后中頻信號再通過混頻器往上搬移到所需的射頻發(fā)射頻 率，通過功率放大器來增加發(fā)射機(jī)的輸出功率并驅(qū)動天線將已調(diào)制好的 載波信號變換成能夠在自由空間傳播的電磁波。圖：發(fā)射通道和接收通道架構(gòu)接收通道是發(fā)射通道的逆過程，天線將在相對寬的頻率 范圍內(nèi)接收到來自很多輻射 源的電磁波，帶通濾波器將

3、 濾掉不需要的接收信號，隨 后低噪聲放大器放大可能接 收的微弱信號并使進(jìn)入到接 收信號中的噪聲影響最小化， 混頻器將接收到的射頻信號 下變頻到較低的頻率，中頻 放大器將提升信號的功率電射頻PA是決定通信質(zhì)量的關(guān)鍵器件，6圖：手機(jī)射頻前端架構(gòu)圖功率放大器是能夠向天線提 供足夠信號功率的放大電路 主要功能是將調(diào)制振蕩電路 所產(chǎn)生的功率很小的射頻信 號放大（緩沖級、中間放大 級、末級功率放大級）并饋 送到天線上輻射出去，是無 線通信設(shè)備射頻前端最核心 的組成部分，其性能直接決 定了無線終端的通訊距離、 信號質(zhì)量和待機(jī)時間（或耗 電量），它也是射頻前端功 耗最大的器件。射頻功率放大器在雷達(dá)、無 線通信

4、、導(dǎo)航、衛(wèi)星通信、 電子對抗設(shè)備等系統(tǒng)中有著 廣泛的應(yīng)用，是現(xiàn)代無線通 信的關(guān)鍵設(shè)備。資料來源：GlobalFoundries ,華西證券研究所PA也是射頻前端器件中價值量較大的器件手機(jī)目前仍然是射頻前端最大的終端應(yīng)用市場，在所有射頻前端器件中，射頻PA的 價值量僅次于濾波器，是射頻前端器件中價值量較大的器件。根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)顯示， 2017年手機(jī)射頻前端中射頻PA市場規(guī)模約50億美元，在整個射頻前端中價值量占比34%，僅次于濾波器。7資料來源：Yole,華西證券研究所Filters 54%PAs34%Switches7%3%LNAs2%圖：手機(jī)射頻前端各器件價值量占比（2017 年）Ant

5、ennatuners射頻PA的核心是晶體管8資料來源：百度文庫 ,華西證券研究所放大器的電路一般由晶體管、偏置及穩(wěn)定電路、輸入輸出匹配電路等組成。功率 放大器核心是利用三極管的電流控制作用或場效應(yīng)管的電壓控制作用將電源的功 率轉(zhuǎn)換成按照輸入信號變化的電流，起到電流電壓放大的作用。晶體管作為射頻放大器的核心器件，它通過用小信號來控制直流電源，產(chǎn)生隨之 變化的高功率信號，從而實現(xiàn)將電源的直流功率轉(zhuǎn)換成為滿足輻射要求的功率信 號。工程應(yīng)用方面，提升PA性能的方法大多依賴工藝，以手機(jī)射頻PA為例，目前主流 工藝是采用第二代半導(dǎo)體材料砷化鎵，由第一代半導(dǎo)體材料發(fā)展出的工藝技術(shù)（如CMOS、SOI和SiG

6、e工藝）在無線通信技術(shù)發(fā)展過程中遇到瓶頸，通過設(shè)計來彌 補工藝的不足難度很大，因此在整體的射頻PA器件設(shè)計生產(chǎn)過程中工藝是基礎(chǔ)。圖：射頻功率放大器工作原理射頻晶體管制造工藝BJTHBTFETMOSFETVDMOSLDMOSMESFETHEMTP-HEMTM-HEMT9資料來源：射頻功率放大器的設(shè)計研究，華西證券研究所半導(dǎo)體材料晶體管類型SiSi BJTSi VDMOSSi LDMOSGaAsInP SiGeGaAs MESFETGaAs HBTInP PHEMTInP HBTSiGe HBTSiCGaNSiC MESFETSiC LDMOSGaN HEMTGaN on SiCGaN on Si

7、C HEMT射頻晶體管發(fā)展出多種材料工藝圖：射頻晶體管制造工藝射頻半導(dǎo)體主要經(jīng)歷了由第一代 半導(dǎo)體到第三代半導(dǎo)體的三個階 段的發(fā)展，其制造工藝結(jié)構(gòu)也經(jīng) 歷了由基礎(chǔ)的BJT、FET向更復(fù)雜 的HBT、LDMOS和HEMT等的發(fā)展。表：射頻半導(dǎo)體晶體管類型不同材料的性能及成本差別較大10資料來源：百度文庫，華西證券研究所指標(biāo)SiGaAsGaN材料分類第一代第二代第三代禁帶寬度/eV1.11.423.49電子遷移率/（ 2/150085002000飽和漂移速度/（107cm/s）12.12.7臨界擊穿場強(qiáng)/（MV/cm)0.30.43.3熱導(dǎo)率(W/cmK)1.50.51.7功率密度/（W/mm)1

8、.50.51.3工作溫度/C175175600集成度較高，可與普通硅工藝兼容較低，無法與普通硅工藝兼容較低，無法與普通硅工藝兼容高頻性能差高高成本最低較高最高工藝成熟度高中低產(chǎn)能穩(wěn)定不穩(wěn)定匱乏主要應(yīng)用性能要求較低的射頻前端芯片應(yīng)用，如2G手機(jī)/ 低端WiFi等消費電子高頻/高功率/高性能領(lǐng)域射頻前端芯片應(yīng) 用，如3G/4G手機(jī)遠(yuǎn)距離信號傳送或高功率級別射頻細(xì)分市場和軍用電子 領(lǐng)域，如基站/軍用雷達(dá)/衛(wèi) 星通信不同工藝結(jié)構(gòu)圖11資料來源：百度文庫，電子工程世界，華西證券研究所圖：HBT（異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管）結(jié)構(gòu)圖圖：HEMT結(jié)構(gòu)圖BJT用電流控制，F(xiàn)ET屬于電壓控制。HBT具有功率密度高、相位噪

9、聲低、線性度好等特點，GaAs HBT 是目前手機(jī)射頻PA主流工藝。硅基LDMOS器件被廣泛用于基站的射頻PA中。HEMT是FET的一種，近幾年 GaN HEMT憑借其良好的高頻特性吸引了大量關(guān)注。圖：BJT（雙極結(jié)型晶體管）結(jié)構(gòu)圖圖：FET（場效應(yīng)晶體管）結(jié)構(gòu)圖圖：LDMOS結(jié)構(gòu)圖不同應(yīng)用場景所需PA的性能指標(biāo)不同資料來源：淺議射頻功率放大器的研究，華西證券研究所輸出功率分為最大瞬間輸出功率和標(biāo)準(zhǔn)輸出功 率，常說的輸出功率其實就是標(biāo)準(zhǔn)輸 出功率也是額定輸出功率其實質(zhì)就是射頻功率放大器能夠以長時間安全 工作且諧波失真能夠在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的輸出功率 最大值傳輸增益射頻功率放大器輸出功率與輸入功率的比

10、值射頻功率放大器的傳輸增益是衡量射頻功率放大器品質(zhì)及性能好壞的一項重要指標(biāo)線性指標(biāo)包括1dB 壓縮點、IP3（三階互調(diào)截點）、鄰道功率比以及諧波等射頻功率放大器一般采用非線性放大器，這是 因為非線性放大器在效率指標(biāo)上高于線性放大 器效率與雜常采用PAE（功率增加效率）以及nc 散輸出（集電極效率）等方法來衡量作為射頻前端功耗最大的器件，效率指標(biāo)直接 影響通信設(shè)備的綜合效率；雜散輸出與噪聲會 在當(dāng)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)采用不同頻帶工作時產(chǎn)生 于接收機(jī)頻帶內(nèi)，對其它鄰道形成干擾。12按照應(yīng)用場景分為大功率（基站等）和小功率（手機(jī)等）?；綪A的應(yīng)用指標(biāo)在于其高功率和高效率，而手機(jī)PA的應(yīng)用指標(biāo)則在 于高線

11、性度、低功耗和高效率。表：射頻PA性能指標(biāo)及說明指標(biāo)定義說明不同應(yīng)用場景下射頻PA的競爭格局13資料來源：Yole，ABI Research, 華西證券研究所基站射頻PA主要供應(yīng)商有Freescale、NXP、Infineon等。2015年，NXP以約 118億美元的價格并購Freescale后將NXP自身的射頻功率晶體管業(yè)務(wù)剝離賣給 了北京建廣資本，這部分剝離的業(yè)務(wù)后來成立了Ampleon（安譜?。?。手機(jī)射頻PA主要供應(yīng)商有Skyworks、 Broadcom(Avago) 、Qorvo等。NXP（Freescale）34%Ampleon20%Infineon 10%Sumitomo12%o

12、thers 24%Skyworks43%Qorvo 25%Broadcom 25%Murata 3%others 4%圖：2018年手機(jī)射頻PA市場份額占比圖：2016年基站射頻PA市場份額占比不同材料工藝的PA產(chǎn)業(yè)分工略有不同14拉晶切 片外延生 長IC設(shè)計晶圓代 工封裝測 試終端集 成資料來源：穩(wěn)懋公告，華西證券研究所普通硅工藝集成電路和砷化鎵/氮化鎵等化合物集成電路芯片生產(chǎn)流 程大致類似，但與硅工藝不同的是化合物半導(dǎo)體制程由于外延過程復(fù) 雜，所以形成了單獨的磊晶產(chǎn)業(yè)。磊晶是指一種用于半導(dǎo)體器件制造過程中，在原有芯片上長出新結(jié)晶 以制成新半導(dǎo)體層的技術(shù)，又稱外延生長。以砷化鎵為例，IQE、

13、 VPEC(全新)兩家磊晶廠占據(jù)超過70%的市場份額。由于與Si材料性能差異較大，化合物晶圓制造中設(shè)備及工藝與硅有極 大的不同，所以化合物半導(dǎo)體擁有自己獨立的全套產(chǎn)業(yè)鏈。圖：化合物半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)鏈射頻PA產(chǎn)業(yè)同時存在兩種商業(yè)模式15資料來源：穩(wěn)懋公告，華西證券研究所芯片設(shè) 計企業(yè)晶圓制 造商外包封 測企業(yè)終端垂直整合制造商終端FablessIDM射頻PA 產(chǎn)業(yè)同時有IDM(Integrated Device Manufacture ， 垂直整合制造) 模式和 Fabless模式。IDM模式是指垂直整合制造商獨自完成集成電路設(shè)計、晶圓制造、封測的所有環(huán)節(jié)。該 模式為集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展較早期最為常見的模式，但由于對技術(shù)和資金實力均有很高的 要求，因此目前只為少數(shù)大型企業(yè)所采納，歷史成熟廠商Skyworks、Qorvo、Broadcom 等均采用