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2022/6/16 09:53

优镓科技:迎接射频GaN新蓝海市场,性能和成本是两大考验

爱集微  

5G垂直应用的快速落地推动下,全球各国5G部署在有序推进。最新数据显示,我国的5G基站部署已超过150万座,预计到2025年将超过500万座。

随着5G大规模MIMO架构的普及,包括PA在内的各种射频器件的需求数量呈现数倍增加,“5G基站的建设及基站中通道数量的增加为国内基站PA带来百亿级的市场空间,”优镓科技创始人黄飞告诉集微网。

面对这一广阔的增量市场,第三代半导体材料GaN(氮化镓)展现出了诱人的应用前景,黄飞认为:“GaN天生的宽禁带和高电子迁移率的特点,使它特别适合下一代通信、微波射频应用,尤其是其高频、大带宽、高效率的器件优势,使它成为5G基站中PA的理想材料。

多die混合集成,解决GaN PA成本挑战

PA是基站中的核心器件,消耗了基站中接近50%的电量,由于其位于发射机末级,直接决定了基站的通信信号质量。随着通信频段以及信号带宽的不断提高,传统LDMOS PA的增益、带宽、效率等性能指标会急剧下降,GaN PA成为必然的选择。

尽管具有先天的材料性能优势,但目前,相比传统的硅基LDMOS或砷化镓,射频GaN的工艺成本仍然偏高,单片集成方案(MMIC)意味着较大的GaN die尺寸,进而导致较高的芯片成本,难以适用于民品市场。

“采用混合集成方案不失为较好的解决思路。”黄飞解释道,“所谓混合集成,就是采用多die互联的结构,在核心功率管部分采用GaN工艺,其他匹配网络、供电网络等则采用成本较低的工艺(例如,集成无源器件工艺,IPD),这样既可以保证整个产品发挥GaN的显著的性能优势,同时又可以大大减少GaN的使用面积,从而降低整体成本。”

优镓科技的多die互联混合集成模组大幅降低成本

优镓科技推出的全匹配集成化模组GaN MCM产品就是采用了上述混搭的设计思路。 例如:GaN+IPD、GaN+HBT、GaN+SOI的混搭模式,将不同工艺材料的die集成在一个模组中。

“这种混搭的模式不仅可以降低成本,还有助于提升性能。”黄飞说,“IPD工艺中的无源器件具有较高的Q值,再结合片外的绑定金线及基板SMT元件,可以实现低损耗阻抗匹配,进一步改善功放效率。”

相比传统产品,优镓科技的5G GaN MCM模组产品不仅解决了成本挑战,同时高集成度还可以减小PA模组尺寸、缩短设计周期,有助简化5G基站部署。黄飞透露:“目前产品的关键技术指标已直追国际大厂水平, 例如NXP和Qorvo。在产品规划上围绕功率和频率两个维度布局产品矩阵,将覆盖包括从2.6GHz至4.9GHz频段、输出功率5W至15W的多型号射频功率放大器。”

软硬结合,突破效率和线性度两大挑战

“GaN主要应用在高频、高功率场景,这些应用领域通常对它的效率和线性度这两个指标尤为关注。所以做GaN射频电路设计时,不能仅采用传统的电路设计方法,还要专注于它的应用场景的特别需求,有针对地采用专门的电路设计方法。”多年从事GaN PA设计的黄飞深有体会地指出。

GaN PA电路设计充满挑战

GaN PA的原始线性度较差,为了满足基站严苛的线性度要求,通常采用数字预失真(DPD)算法对功放进行线性化处理。但随着通信信号带宽的增加,DPD功耗及硬件成本会急剧上升。为了解决这个问题,需要在电路设计层面去改善功放的原始线性度。“这就需要将硬件电路和软件算法相结合,不断调试改进,另外,还有在提升效率同时兼顾不同市场的价格需求,例如,在尽力缩小核心GaN占位面积的同时,还要兼顾苛刻的散热需求,这些都是我们过去重点花费力气去钻研和突破的方面。”黄飞表示。

脱胎于清华大学的科研成果转化,经过多年的积累,目前,优镓科技在北京、苏州设有研发中心,立足于第三代半导体GaN材料,优镓科技的团队已掌握了射频功放全栈技术能力,可提供功放芯片及DPD线性化的射频前端一体化解决方案。从半导体器件设计、仿真、测试验证到结合基于不同工艺的混合方案,再到塑封和陶封等不同封装,以及各种功率、频段的不同模块的集成设计,优镓科技的产品经过快速迭代,不断提升性能和可靠性,目前已推出多款产品,得到数十家客户的认可,一些产品已在量产中。

迎接射频GaN新蓝海市场 国产化大势下引领产业发展

Yole 2020年数据显示,到2025年,预计全球GaN射频器件的总体市场将以12%的年均复合增长率发展,5G基站建设是GaN射频器件市场的一个关键驱动力量,预计该市场年均复合增长率将达15%。

如果说手机等消费电子领域的射频器件市场已出现白热化竞争迹象,那基站等工业领域的射频应用则展示出蓬勃发展的势头,尤其是在5G通信带动下,射频芯片的需求激增,射频GaN所面对的新赛道市场,可以说是一片蓝海。

作为第三代半导体器件,GaN在商用射频领域的发展应用时间并不长。“第一个商用GaN器件是Cree在2004年推出的,我们团队在清华大学从2006年开始专注做GaN射频器件,所以从对这一技术的研发历程上来看,国内与国外的一线大厂几乎处于同一起跑线。”黄飞透露,“我们非常看好GaN射频的未来发展前景。”

时下,在疫情、地缘政治等多方因素影响下,近两年,芯片国产化呼声日益高涨,为国内的IC企业带来难得的机会。

从市场应用侧来看,目前,中国引领着全球5G基础设施建设,有华为中兴等全球主流的通信设备厂商,对于国内的射频器件供应商,这些强大的客户市场资源有助于快速的技术迭代,从而形成产品的应用壁垒和技术壁垒。

“我觉得国产替代是我们实现快速发展的第一步,我们应该在推进国产替代的同时,更要去逐步占领在行业中的中坚力量的地位,从而去引领产业技术发展。”黄飞呼吁道,“我们背靠着中国这个全球最大的市场,应该充分利用近水楼台(紧贴市场)的优势,去创造机会并承担起引导产业技术发展的领导地位。”

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