射频PA前端技术发展报告

1、射频PA前端技术发展报告技术创新 变革未来射频模块是无线通信设备的核心模块3图：手机射频架构图：基站射频架构无线通信主要是利用电磁波实现多个设备之间 的信息传输。射频是可以辐射到空间的电磁频 率,频率范围从300KHz300GHz之间。射频模块 是用于发射和/或接收两个装置之间的无线电信 号的电子设备，是无线通信设备实现信号收发 的核心模块。图：无线通信图射频前端架构基本类似4射频前端包括接收通道和发射通道两大部分。 一般由射频开关（Switch）、射频低噪声放大 器(LNA, Low Noise Amplifier)、射频功率放 大 器 (PA ， Power Amplifier) 、 双

2、工 器 (Duplexers)、射频滤波器(Filter)、天线调 谐器(Antenna tuners) 等组成。图：手机射频架构图：基站射频架构发射通道和接收通道工作原理5资料来源：射频微波电路设计，华西证券研究所平以便于解调并得到信息。发射通道是使用基带信号（语音、视频、数据或其他信息）去调制中频 正弦波信号，然后中频信号再通过混频器往上搬移到所需的射频发射频 率，通过功率放大器来增加发射机的输出功率并驱动天线将已调制好的 载波信号变换成能够在自由空间传播的电磁波。图：发射通道和接收通道架构接收通道是发射通道的逆过程，天线将在相对宽的频率 范围内接收到来自很多辐射 源的电磁波，带通滤波器将

3、 滤掉不需要的接收信号，随 后低噪声放大器放大可能接 收的微弱信号并使进入到接 收信号中的噪声影响最小化， 混频器将接收到的射频信号 下变频到较低的频率，中频 放大器将提升信号的功率电射频PA是决定通信质量的关键器件，6图：手机射频前端架构图功率放大器是能够向天线提 供足够信号功率的放大电路 主要功能是将调制振荡电路 所产生的功率很小的射频信 号放大（缓冲级、中间放大 级、末级功率放大级）并馈 送到天线上辐射出去，是无 线通信设备射频前端最核心 的组成部分，其性能直接决 定了无线终端的通讯距离、 信号质量和待机时间（或耗 电量），它也是射频前端功 耗最大的器件。射频功率放大器在雷达、无 线通信

4、、导航、卫星通信、 电子对抗设备等系统中有着 广泛的应用，是现代无线通 信的关键设备。资料来源：GlobalFoundries ,华西证券研究所PA也是射频前端器件中价值量较大的器件手机目前仍然是射频前端最大的终端应用市场，在所有射频前端器件中，射频PA的 价值量仅次于滤波器，是射频前端器件中价值量较大的器件。根据Yole的数据显示， 2017年手机射频前端中射频PA市场规模约50亿美元，在整个射频前端中价值量占比34%，仅次于滤波器。7资料来源：Yole,华西证券研究所Filters 54%PAs34%Switches7%3%LNAs2%图：手机射频前端各器件价值量占比（2017 年）Ant

5、ennatuners射频PA的核心是晶体管8资料来源：百度文库 ,华西证券研究所放大器的电路一般由晶体管、偏置及稳定电路、输入输出匹配电路等组成。功率 放大器核心是利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功 率转换成按照输入信号变化的电流，起到电流电压放大的作用。晶体管作为射频放大器的核心器件，它通过用小信号来控制直流电源，产生随之 变化的高功率信号，从而实现将电源的直流功率转换成为满足辐射要求的功率信 号。工程应用方面，提升PA性能的方法大多依赖工艺，以手机射频PA为例，目前主流 工艺是采用第二代半导体材料砷化镓，由第一代半导体材料发展出的工艺技术（如CMOS、SOI和SiG

6、e工艺）在无线通信技术发展过程中遇到瓶颈，通过设计来弥 补工艺的不足难度很大，因此在整体的射频PA器件设计生产过程中工艺是基础。图：射频功率放大器工作原理射频晶体管制造工艺BJTHBTFETMOSFETVDMOSLDMOSMESFETHEMTP-HEMTM-HEMT9资料来源：射频功率放大器的设计研究，华西证券研究所半导体材料晶体管类型SiSi BJTSi VDMOSSi LDMOSGaAsInP SiGeGaAs MESFETGaAs HBTInP PHEMTInP HBTSiGe HBTSiCGaNSiC MESFETSiC LDMOSGaN HEMTGaN on SiCGaN on Si

7、C HEMT射频晶体管发展出多种材料工艺图：射频晶体管制造工艺射频半导体主要经历了由第一代 半导体到第三代半导体的三个阶 段的发展，其制造工艺结构也经 历了由基础的BJT、FET向更复杂 的HBT、LDMOS和HEMT等的发展。表：射频半导体晶体管类型不同材料的性能及成本差别较大10资料来源：百度文库，华西证券研究所指标SiGaAsGaN材料分类第一代第二代第三代禁带宽度/eV1.11.423.49电子迁移率/（ 2/150085002000饱和漂移速度/（107cm/s）12.12.7临界击穿场强/（MV/cm)0.30.43.3热导率(W/cmK)1.50.51.7功率密度/（W/mm)1

8、.50.51.3工作温度/C175175600集成度较高，可与普通硅工艺兼容较低，无法与普通硅工艺兼容较低，无法与普通硅工艺兼容高频性能差高高成本最低较高最高工艺成熟度高中低产能稳定不稳定匮乏主要应用性能要求较低的射频前端芯片应用，如2G手机/ 低端WiFi等消费电子高频/高功率/高性能领域射频前端芯片应 用，如3G/4G手机远距离信号传送或高功率级别射频细分市场和军用电子 领域，如基站/军用雷达/卫 星通信不同工艺结构图11资料来源：百度文库，电子工程世界，华西证券研究所图：HBT（异质结双极型晶体管）结构图图：HEMT结构图BJT用电流控制，FET属于电压控制。HBT具有功率密度高、相位噪

9、声低、线性度好等特点，GaAs HBT 是目前手机射频PA主流工艺。硅基LDMOS器件被广泛用于基站的射频PA中。HEMT是FET的一种，近几年 GaN HEMT凭借其良好的高频特性吸引了大量关注。图：BJT（双极结型晶体管）结构图图：FET（场效应晶体管）结构图图：LDMOS结构图不同应用场景所需PA的性能指标不同资料来源：浅议射频功率放大器的研究，华西证券研究所输出功率分为最大瞬间输出功率和标准输出功 率，常说的输出功率其实就是标准输 出功率也是额定输出功率其实质就是射频功率放大器能够以长时间安全 工作且谐波失真能够在标准范围内的输出功率 最大值传输增益射频功率放大器输出功率与输入功率的比

10、值射频功率放大器的传输增益是衡量射频功率放大器品质及性能好坏的一项重要指标线性指标包括1dB 压缩点、IP3（三阶互调截点）、邻道功率比以及谐波等射频功率放大器一般采用非线性放大器，这是 因为非线性放大器在效率指标上高于线性放大 器效率与杂常采用PAE（功率增加效率）以及nc 散输出（集电极效率）等方法来衡量作为射频前端功耗最大的器件，效率指标直接 影响通信设备的综合效率；杂散输出与噪声会 在当接收机和发射机采用不同频带工作时产生 于接收机频带内，对其它邻道形成干扰。12按照应用场景分为大功率（基站等）和小功率（手机等）。基站PA的应用指标在于其高功率和高效率，而手机PA的应用指标则在 于高线

11、性度、低功耗和高效率。表：射频PA性能指标及说明指标定义说明不同应用场景下射频PA的竞争格局13资料来源：Yole，ABI Research, 华西证券研究所基站射频PA主要供应商有Freescale、NXP、Infineon等。2015年，NXP以约 118亿美元的价格并购Freescale后将NXP自身的射频功率晶体管业务剥离卖给 了北京建广资本，这部分剥离的业务后来成立了Ampleon（安谱隆）。手机射频PA主要供应商有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%图：2018年手机射频PA市场份额占比图：2016年基站射频PA市场份额占比不同材料工艺的PA产业分工略有不同14拉晶切 片外延生 长IC设计晶圆代 工封装测 试终端集 成资料来源：稳懋公告，华西证券研究所普通硅工艺集成电路和砷化镓/氮化镓等化合物集成电路芯片生产流 程大致类似，但与硅工艺不同的是化合物半导体制程由于外延过程复 杂，所以形成了单独的磊晶产业。磊晶是指一种用于半导体器件制造过程中，在原有芯片上长出新结晶 以制成新半导体层的技术，又称外延生长。以砷化镓为例，IQE、

13、 VPEC(全新)两家磊晶厂占据超过70%的市场份额。由于与Si材料性能差异较大，化合物晶圆制造中设备及工艺与硅有极 大的不同，所以化合物半导体拥有自己独立的全套产业链。图：化合物半导体芯片产业链射频PA产业同时存在两种商业模式15资料来源：稳懋公告，华西证券研究所芯片设 计企业晶圆制 造商外包封 测企业终端垂直整合制造商终端FablessIDM射频PA 产业同时有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独自完成集成电路设计、晶圆制造、封测的所有环节。该 模式为集成电路产业发展较早期最为常见的模式，但由于对技术和资金实力均有很高的 要求，因此目前只为少数大型企业所采纳，历史成熟厂商Skyworks、Qorvo、Broadcom 等均采用