氮化镓PA新赛道开启，国内厂商如何后来居上？

商用两年来，5G在全球各行业的应用呈现出全面勃发态势。高效率、大带宽、小型化等5G带来的新挑战催生着新型射频器件的加速应用，氮化镓射频器件就是其一。

Yole在报告《2021氮化镓射频市场：应用、主要厂商、技术和衬底》中预测，氮化镓（GaN）射频器件市场正以18%的复合年增长率（CAGR）增长，从2020年的8.91亿美元到2026年的24亿美元以上。

这与优镓科技创始人黄飞的观点不谋而合：“5G基站的建设及基站中通道数量的增加为国内基站射频功放带来百亿级的市场空间。为了满足基站场景中高频、大带宽、高效率的应用需求，第三代半导体材料GaN成为5G基站中PA的理想材料。”黄飞在接受集微网采访时如是说。

解决5G痛点，氮化镓PA前景广阔

与4G相比，5G通信中功放等射频器件的设计存在更大挑战。一方面，5G基站采用了大规模多天线（Massive MIMO）技术，通过空间复用大幅提高频谱效率，这就对器件的小型化提出了很高的要求。另一方面，5G通信的频率更高，带宽更宽，在更小的物理空间实现更高的射频性能存在很多难点，传统的半导体材料及设计技术难以适用。

氮化镓材料因为固有的特性使它在5G射频领域的应用具有多项技术优势，黄飞指出，GaN 具有更高的功率密度，可以轻松实现很高的输出功率，从而扩大基站的覆盖范围；GaN 高功率密度的特性还有助于缩小芯片及整体方案的外型尺寸；同时，GaN功率放大器可以在高达250摄氏度下运行，从而降低了冷却要求，简化系统散热器设计，可进一步减小尺寸和成本； GaN的高效率还有助于降低基站的运行费用，在Doherty PA配置中，GaN PA效率可以进一步提升，GaN方案将在很大程度上降低基站能耗。

依据蜂窝通信理论计算，要达到相同的覆盖率，预计中国5G宏基站数量要达到500万座以上，而截至目前，国内部署的5G基站大约100多万座，仅以基站部署来看，未来对PA的需求空间巨大。同时，单座5G基站所需的PA数量也比4G基站要多得多。据黄飞介绍，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，32T32R或64T32R成为主流方案，对应的PA需求量则高达96个或192个，所需的PA数量成倍增长。

攻关PA设计难点，软硬结合助推国产替代

多年来被国外巨头把持的射频通信芯片领域已出现了为数不多的国内厂商，氮化镓器件的广阔应用前景为5G射频领域又开启了一个新赛道。但要将氮化镓PA设计好并应用到系统中，并非易事。

在黄飞看来，氮化镓PA设计上目前面临的挑战主要有几点：一是缺乏精确的模型，氮化镓晶体管存在很强的自热效应、陷阱效应以及非线性特性，因此其建模难度较高，目前商用的GaN工艺无法提供精确的模型；二是散热要求高，需要在电路设计及版图布局环节进行充分考虑，否则过高的温度会导致氮化镓PA的性能急剧下降甚至烧毁；三是可靠性要求高，氮化镓PA通常使用在基站等可靠性要求严苛的场景，比如高达48V的供电电压带来的高电压摆幅会导致匹配元件出现击穿烧毁问题，这些都对可靠性提出更高要求；四是带宽要求高，5G及下一代移动通信为了实现更高速率的数据传输，都对氮化镓PA工作在宽带信号应用中提出了更大的挑战。

“在高速无线通信系统中应用时，GaN PA最大的难点在于其较强的非线性，需要搭配DPD算法。”黄飞告诉集微网，“不能单纯的去做GaN PA，在系统中应用的时候需要搭配 DPD算法，这就好比说，你的工作已完成了一大半，但最后关键的一步需要加一个DPD来验证，没有这个DPD，你的工作就没法完成，而在DPD算法这一块，国内一直处于极度欠缺状态。”

出身于清华大学的黄飞，师从清华大学电子工程系微波与天线研究所所长陈文华教授，博士研究课题就是氮化镓功率放大器设计。陈文华教授团队是国内最早一批从事氮化镓PA设计研究的科研力量之一，相关研究成果被收录和发表于ISSCC、IMS、JSSC、T-MTT等国际顶级会议和期刊中，曾获得“2018年中国电子学会科技进步一等奖”、“2017年国际微波会议（IMS）DPD竞赛全球第二名”、“国际微波研讨会5G专题（IMWS-5G）最佳论文奖”等国际知名大奖，研究团队的高效功放电路和DPD算法等先后成功支持了多家国内无线通信设备商。携来自清华的创始团队，黄飞于2019年创立优镓科技，其高效线性功放芯片电路设计方法与经验积累正是源于陈文华教授团队的核心研究成果。

谈及国内5G基站国产化器件的应用情况，黄飞直言：“国内的5G建设走在世界前列，作为先锋必然会趟很多坑，无论是在基站的功耗，还是造价成本方面，或是基站内的国产芯片应用方面，仍有许多可以改进的地方。”这反过来也推动着国内厂商在这一领域迎头赶上。优镓科技就是其一，基于十余年GaN PA设计积累和DPD研究经验，最近，优镓科技推出了全方位射频功率多芯片模块(MCM)产品组合，可支持5G基站的大规模MIMO有源天线系统应用。

相比传统产品，优镓科技的5G GaN MCM解决方案的集成度更高，可以减小功率放大器尺寸、缩短设计周期及简化5G基站部署。黄飞表示：“我们的产品的关键技术指标直追国际大厂水平， 例如NXP和Qorvo，未来产品系列将覆盖全频段产品，包括用于1.8GHz至5.9GHz蜂窝频段、输出功率5W至15W的射频功率放大器。”

凭借在射频芯片的管芯设计、电路设计、DPD系统的全栈技术储备，优镓科技的未来规划涵盖mMIMO射频一体化模组、大功率分立射频器件、以及DPD系统算法，可以满足无线通信系统客户全栈射频功放方案需求， 助力实现进一步的国产化替代。

“国际巨头虽然公司历史悠久、技术积累深厚，而我们才刚刚起步，”黄飞顿了一下继续强调道，“但背靠国际领先的系统设备商，拥有强大的市场优势，我们很有信心迎头赶上甚至超越。”（校对/萨米）