干货 射频电路PCB设计处理技巧

如何在PCB的设计过程中，权衡利弊寻求一个合适的折中点，尽可能地减少这些干扰，甚至能够避免部分电路的干涉，是射频电路PCB设计成败的关键。本文从PCB的LAYOUT角度，提供了一些处理的技巧，对提高射频电路的抗干扰能力有较大的用处。

由于射频(RF)电路为分布参数电路，在电路的实际工作中容易产生趋肤效应和耦合效应，所以在实际的PCB设计中，会发现电路中的干扰辐射难以控制，如：数字电路和模拟电路之间相互干扰、供电电源的噪声干扰、地线不合理带来的干扰等问题。正因为如此，如何在PCB的设计过程中，权衡利弊寻求一个合适的折中点，尽可能地减少这些干扰，甚至能够避免部分电路的干涉，是射频电路PCB设计成败的关键。文中从PCB的LAYOUT角度，提供了一些处理的技巧，对提高射频电路的抗干扰能力有较大的用处。

1、RF布局

这里讨论的主要是多层板的元器件位置布局。元器件位置布局的关键是固定位于RF路径上的元器件，通过调整其方向，使RF路径的长度最小，并使输入远离输出，尽可能远地分离高功率电路和低功率电路，敏感的模拟信号远离高速数字信号和RF信号。

在布局中常采用以下一些技巧。

1.1 一字形布局

RF主信号的元器件尽可能采用一字形布局，如图1所示。但是由于PCB板和腔体空间的限制，很多时候不能布成一字形，这时候可采用L形，最好不要采用U字形布局(如图2所示)，有时候实在避免不了的情况下，尽可能拉大输入和输出之间的距离，至少1.5cm以上。

图1 一字形布局

图2 L形和U字形布局

另外在采用L形或U字形布局时，转折点最好不要刚进入接口就转，如图3左所示，而是在稍微有段直线以后再转，如图3右图所示。

图3 两种方案

1.2 相同或对称布局

相同的模块尽可能做成相同的布局或对称的布局，如图4、图5所示。

图4 相同布局

图5 对称布局

1.3 十字形布局

偏置电路的馈电电感与RF通道垂直放置，如图6所示，主要是为了避免感性器件之间的互感。

图6 十字形布局

1.4 45度布局

为合理的利用空间，可以将器件45度方向布局，使射频线尽可能短，如图7所示。

图7 45度布局

2、RF布线

布线的总体要求是：RF信号走线短且直，减少线的突变，少打过孔，不与其它信号线相交，RF信号线周边尽量多加地过孔。

以下是一些常用的优化方式：

2.1 渐变线处理

在射频线宽比IC器件管脚的宽度大比较多的情况下，接触芯片的线宽采用渐变方式，如图8所示。

图8 渐变线

2.2 圆弧线处理

射频线不能直的情况下，作圆弧线处理，这样可以减少RF信号对外的辐射和相互问的耦合。有实验证明，传输线的拐角采用变曲的直角，能最大限度的降低回损。如图9所示。

图9 圆弧线

2.3 地线和电源

地线尽可能粗。在有条件的情况下，PCB的每一层都尽可能的铺地，并使地连到主地上，多打地过孔，尽量降低地线阻抗。

RF电路的电源尽量不要采用平面分割，整块的电源平面不但增加了电源平面对RF信号的辐射，而且也容易被RF信号的干扰。所以电源线或平面一般采用长条形状，根据电流的大小进行处理，在满足电流能力的前提下尽可能粗，但是又不能无限制的增宽。在处理电源线的时候，一定要避免形成环路。

电源线和地线的方向要与RF信号的方向保持平行但不能重叠，在有交叉的地方最好采用垂直十字交叉的方式。

2.4 十字交叉处理

RF信号与IF信号走线十字交叉，并尽可能在他们之间隔一块地。

RF信号与其他信号走线交叉时，尽量在它们之间沿着RF走线布置一层与主地相连的地。如果不可能，一定要保证它们是十字交叉的。这里的其他信号走线也包括电源线。

2.5 包地处理

对射频信号、干扰源、敏感信号及其他重要信号进行包地处理，这样既可以提高该信号的抗干扰能力，也可以减少该信号对其他信号的干扰。如图10所示。

图10 包地处理

2.6 铜箔处理

铜箔处理要求圆滑平整，不允许有长线或尖角，若不能避免，则在尖角、细长铜箔或铜箔的边缘处补几个地过孔。

2.7 间距处理

射频线离相邻地平面边缘至少要有3W的宽度，且3W范围内不得有非接地过孔。

图11 间距

同层的射频线要作包地处理，并在地铜皮上加地过孔，孔间距应小于信号频率所对应波长(λ)的1／20，均匀排列整齐。包地铜皮边缘离射频线2W的宽度或3H的高度，H表示相邻介质层的总厚度。

3、腔体处理

对整个RF电路，应把不同模块的射频单元用腔体隔离，特别是敏感电路和强烈辐射源之间，在大功率的多级放大器中，也应保证级与级之间的隔离。整个电路支流放置好后，就是对屏蔽腔的处理，屏蔽腔体的处理有以下注意事项：

整个屏蔽腔体尽量做成规则形状，便于铸模。对于每一个屏蔽腔尽量做成长方形，避免正方形的屏蔽腔。

屏蔽腔的转角采用弧形，屏蔽金属腔体一般采用铸造成型，弧形的拐角便于铸造成型时候拔模。如图12所示。

图12 腔体

屏蔽腔体的周边是密封的，接口的线引入腔体一般采用带状线或微带线，而腔体内部不同模块采用微带线，不同腔体相连处采用开槽处理，开槽的宽度为3mm，微带线走在正中间。

腔体的拐角放置3mm的金属化孔，用来固定屏蔽壳，在每支长的腔体上也要均匀放置同等的金属化孔，用来加固支撑作用。

腔体一般做开窗处理，便于焊接屏蔽壳，腔体上一般厚2 mm以上，腔体上加2排开窗过孔屏，过孔相互错开，同一排过孔之间间距150MIL。

4、结束语

射频电路PCB设计成败的关键在于如何减少电路辐射，从而提高抗干扰能力，但是在实际的布局与布线中一些问题的处理是相冲突的，因此如何寻求一个折中点，使整个射频电路的综合性能达到最优，是设计者必须要考虑的问题。所有这些都要求设计者具有一定的实践经验和工程设计能力，但是要具备这些能力，每一个设计者都不可能一蹴而就的，只有从其他人那里借鉴经验，加上自己的不停摸索和思考，才能不断进步。本文总结工作中的一些设计经验，有利于提高射频电路PCB的抗干扰能力，帮助射频电路设计初学者少走不必要的弯路。

PCB射频电路四大基础特性

此处将从射频界面、小的期望信号、大的干扰信号、相邻频道的干扰四个方面解读射频电路四大基础特性，并给出了在PCB设计过程中需要特别注意的重要因素。

射频电路仿真之射频的界面

无线发射器和接收器在概念上，可分为基频与射频两个部份。基频包含发射器的输入信号之频率范围，也包含接收器的输出信号之频率范围。基频的频宽决定了数据在系统中可流动的基本速率。基频是用来改善数据流的可靠度，并在特定的数据传输率之下，减少发射器施加在传输媒介（transmission medium）的负荷。因此，PCB设计基频电路时，需要大量的信号处理工程知识。发射器的射频电路能将已处理过的基频信号转换、升频至指定的频道中，并将此信号注入至传输媒体中。相反的，接收器的射频电路能自传输媒体中取得信号，并转换、降频成基频。

发射器有两个主要的PCB设计目标：第一是它们必须尽可能在消耗最少功率的情况下，发射特定的功率。第二是它们不能干扰相邻频道内的收发机之正常运作。就接收器而言，有三个主要的PCB设计目标：首先，它们必须准确地还原小信号；第二，它们必须能去除期望频道以外的干扰信号；最后一点与发射器一样，它们消耗的功率必须很小。

射频电路仿真之大的干扰信号

接收器必须对小的信号很灵敏，即使有大的干扰信号（阻挡物）存在时。这种情况出现在尝试接收一个微弱或远距的发射信号，而其附近有强大的发射器在相邻频道中广播。干扰信号可能比期待信号大60~70 dB，且可以在接收器的输入阶段以大量覆盖的方式，或使接收器在输入阶段产生过多的噪声量，来阻断正常信号的接收。如果接收器在输入阶段，被干扰源驱使进入非线性的区域，上述的那两个问题就会发生。为避免这些问题，接收器的前端必须是非常线性的。

因此，“线性”也是PCB设计接收器时的一个重要考虑因素。由于接收器是窄频电路，所以非线性是以测量“交调失真（intermodulation distortion）”来统计的。这牵涉到利用两个频率相近，并位于中心频带内（in band）的正弦波或余弦波来驱动输入信号，然后再测量其交互调变的乘积。大体而言，SPICE是一种耗时耗成本的仿真软件，因为它必须执行许多次的循环运算以后，才能得到所需要的频率分辨率，以了解失真的情形。

射频电路仿真之小的期望信号

接收器必须很灵敏地侦测到小的输入信号。一般而言，接收器的输入功率可以小到1 μV。接收器的灵敏度被它的输入电路所产生的噪声所限制。因此，噪声是PCB设计接收器时的一个重要考虑因素。而且，具备以仿真工具来预测噪声的能力是不可或缺的。附图一是一个典型的超外差（superheterodyne）接收器。接收到的信号先经过滤波，再以低噪声放大器（LNA）将输入信号放大。然后利用第一个本地振荡器（LO）与此信号混合，以使此信号转换成中频（IF）。前端（front-end）电路的噪声效能主要取决于LNA、混合器（mixer）和LO。虽然使用传统的SPICE噪声分析，可以寻找到LNA的噪声，但对于混合器和LO而言，它却是无用的，因为在这些区块中的噪声，会被很大的LO信号严重地影响。

小的输入信号要求接收器必须具有极大的放大功能，通常需要120 dB这么高的增益。在这么高的增益下，任何自输出端耦合（couple）回到输入端的信号都可能产生问题。使用超外差接收器架构的重要原因是，它可以将增益分布在数个频率里，以减少耦合的机率。这也使得第一个LO的频率与输入信号的频率不同，可以防止大的干扰信号“污染”到小的输入信号。

因为不同的理由，在一些无线通讯系统中，直接转换（direct conversion）或内差（homodyne）架构可以取代超外差架构。在此架构中，射频输入信号是在单一步骤下直接转换成基频，因此，大部份的增益都在基频中，而且LO与输入信号的频率相同。在这种情况下，必须了解少量耦合的影响力，并且必须建立起“杂散信号路径（stray signal path）”的详细模型，譬如：穿过基板（substrate）的耦合、封装脚位与焊线（bondwire）之间的耦合、和穿过电源线的耦合。

射频电路仿真之相邻频道的干扰

失真也在发射器中扮演着重要的角色。发射器在输出电路所产生的非线性，可能使传送信号的频宽散布于相邻的频道中。这种现象称为“频谱的再成长（spectral regrowth）”。在信号到达发射器的功率放大器（PA）之前，其频宽被限制着；但在PA内的“交调失真”会导致频宽再次增加。如果频宽增加的太多，发射器将无法符合其相邻频道的功率要求。当传送数字调变信号时，实际上，是无法用SPICE来预测频谱的再成长。因为大约有1000个数字符号（symbol）的传送作业必须被仿真，以求得代表性的频谱，并且还需要结合高频率的载波，这些将使SPICE的瞬态分析变得不切实际。

来源：网络

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1、5G智能移动终端，射频 PA的大机遇

1.1 射频功率放大器（PA）-射频器件皇冠上的明珠

射频功率放大器（PA） 作为射频前端发射通路的主要器件，主要是为了将调制振荡电路所产生的小功率的射频信号放大，获得足够大的射频输出功率，才能馈送到天线上辐射出去，通常用于实现发射通道的射频信号放大。

手机射频前端： 一旦连上移动网络，任何一台智能手机都能轻松刷朋友圈、看高清视频、下载图片、在线购物，这完全是射频前端进化的功劳，手机每一个网络制式（2G/3G/4G/WiFi/GPS），都需要自己的射频前端模块，充当手机与外界通话的桥梁—手机功能越多，它的价值越大。

射频前端模块是移动终端通信系统的核心组件， 对它的理解可以从两方面考虑：一是必要性，它是连接通信收发器（transceiver）和天线的必经之路；二是重要性，它的性能直接决定了移动终端可以支持的通信模式，以及接收信号强度、通话稳定性、发射功率等重要性能指标，直接影响终端用户体验。

射频前端芯片包括功率放大器（PA），天线开关（Switch）、滤波器（Filter）、双工器（Duplexer 和 Diplexer）和低噪声放大器（LNA）等，在多模／多频终端中发挥着核心作用。

手机和 WiFi 连接的射频前端市场预计将在 2023 年达到 352 亿美元，复合年增长率为 14%。

射频前端产业中最大的市场为滤波器，将从 2017 年的 80 亿美元增长到2023 年 225 亿美元，复合年增长率高达 19%。该增长主要来自于 BAW 滤波器的渗透率显著增加，典型应用如 5G NR 定义的超高频段和 WiFi 分集天线共享。

功率放大器市场增长相对稳健，复合年增长率为 7%， 将从 2017 年的 50亿美元增长到 2023 年的 70 亿美元。高端 LTE 功率放大器市场的增长，尤其是高频和超高频，将弥补 2G/3G 市场的萎缩。

砷化镓器件应用于消费电子射频功放，是 3G/4G 通讯应用的主力， 物联网将是其未来应用的蓝海；氮化镓器件则以高性能特点目前广泛应用于基站、雷达、电子战等军工领域，利润率高且战略位置显著，由于更加适用于 5G，氮化镓有望在 5G 市场迎来爆发。

1.2 5G推动手机射频 PA 量价齐升

射频前端与智能终端一同进化， 4G 时代，智能手机一般采取 1 发射 2 接收架构。由于 5G 新增了频段（n41 2.6GHz，n77 3.5GHz 和 n79 4.8GHz），因此 5G 手机的射频前端将有新的变化，同时考虑到 5G 手机将继续兼容4G、3G 、2G 标准，因此 5G 手机射频前端将异常复杂。

预测 5G 时代，智能手机将采用 2 发射 4 接收方案。

无论是在基站端还是设备终端，5G 给供应商带来的挑战都首先体现在射频方面，因为这是设备“上”网的关键出入口，即将到来的 5G 手机将会面临多方面的挑战：

更多频段的支持： 因为从大家熟悉的 b41 变成 n41、n77 和 n78，这就需要对更多频段的支持；

不同的调制方向： 因为 5G 专注于高速连接，所以在调制方面会有新的变化，对功耗方面也有更多的要求。比如在 4G 时代，大家比较关注 ACPR。但到了 5G 时代，则更需要专注于 EVM（一般小于 1.5%）；

信号路由的选择： 选择 4G anchor+5G 数据连接，还是直接走 5G，这会带来不同的挑战。

开关速度的变化： 这方面虽然没有太多的变化，但 SRS 也会带来新的挑战。

其他如 n77/n78/n79 等新频段的引入，也会对射频前端形态产生影响，推动前端模组改变，满足新频段和新调谐方式等的要求。

Qorvo 指出，5G 将给天线数量、射频前端模块价值量带来翻倍增长。 以5G 手机为例，单部手机的射频半导体用量达到 25 美金，相比 4G 手机近乎翻倍增长。其中滤波器从 40 个增加至 70 个，频带从 15 个增加至 30 个，接收机发射机滤波器从 30 个增加至 75 个，射频开关从 10 个增加至 30 个，载波聚合从 5 个增加至 200 个。

5G 手机功率放大器（PA）用量翻倍增长： PA 是一部手机最关键的器件之一，它直接决定了手机无线通信的距离、信号质量，甚至待机时间，是整个射频系统中除基带外最重要的部分。手机里面 PA 的数量随着 2G、3G、4G、5G 逐渐增加。以 PA 模组为例，4G 多模多频手机所需的 PA 芯片为5-7 颗，预测 5G 手机内的 PA 芯片将达到 16 颗之多。

5G 手机功率放大器（PA）单机价值量有望达到 7.5 美元： 同时，PA 的单价也有显著提高，2G 手机用 PA 平均单价为 0.3 美金，3G 手机用 PA 上升到 1.25 美金，而全模 4G 手机 PA 的消耗则高达 3.25 美金，预计 5G 手机PA 价值量达到 7.5 美元以上。

载波聚合与 Massivie MIMO 对 PA 的要求大幅增加。 “一般情况下，2G只需非常简单的发射模块，3G 需要有 3G 的功率放大器，4G 要求更多滤波器和双工器载波器，载波聚合则需要有与前端配合的多工器，上行载波器的功率放大器又必须重新设计来满足线性化的要求。

5G 无线通信前端将用到几十甚至上百个通道，要求网络设备或者器件供应商能够提供全集成化的解决方案，这大大增加产品设计的复杂度，无论对器件解决方案还是设备解决方案提供商都提出了很大技术挑战。

1.3 GaAs 射频器件仍将主导手机市场

5G 时代，GaAs 材料适用于移动终端。 GaAs 材料的电子迁移率是 Si 的 6倍，具有直接带隙，故其器件相对 Si 器件具有高频、高速的性能，被公认为是很合适的通信用半导体材料。在手机无线通信应用中，目前射频功率放大器绝大部分采用 GaAs 材料。在 GSM 通信中，国内的锐迪科和汉天下等芯片设计企业曾凭借 RF CMOS 制程的高集成度和低成本的优势，打破了采用国际龙头厂商采用传统的 GaAs 制程完全主导射频功放的格局。但是到了 4G 时代，由于 Si 材料存在高频损耗、噪声大和低输出功率密度等缺点，RF CMOS 已经不能满足要求，手机射频功放重新回到 GaAs 制程完全主导的时代。与射频功放器件依赖于 GaAs 材料不同，90%的射频开关已经从传统的 GaAs 工艺转向了 SOI（Silicon on insulator）工艺，射频收发机大多数也已采用 RF CMOS 制程，从而满足不断提高的集成度需求。

5G 时代，GaN 材料适用于基站端。 在宏基站应用中，GaN 材料凭借高频、高输出功率的优势，正在逐渐取代 Si LDMOS；在微基站中，未来一段时间内仍然以 GaAs PA 件为主，因其目前具备经市场验证的可靠性和高性价比的优势，但随着器件成本的降低和技术的提高，GaN PA 有望在微基站应用在分得一杯羹；在移动终端中，因高成本和高供电电压，GaN PA 短期内也无法撼动 GaAs PA 的统治地位。

全球 GaAs 射频器件被国际巨头垄断。 全球 GaAs 射频器件市场以 IDM 模式为主，主要厂商有美国 Skyworks、Qorvo、Broadcom，日本村田等。据 Strategy Analytics 统计，2016 年全球 GaAs 射频器件市场规模为 81.9亿美元，同比增长 0.9%。2016 年，Skyworks、Qorvo 和 Broadcom 在全球射频器件市场的占有率分别为 30.67%、27.97%和 7.39%，三家合计占有全球 66%的份额，Skyworks 和 Qorvo 更是处于全球遥遥领先的位置。

2017 年 GaAs 晶圆代工市场，台湾稳懋（Win Semi）独占全球 72.7%的市场份额，是全球第一大 GaAs 晶圆代工厂。

1.4 5G设备射频前端模组化趋势明显，SIP 大有可为

5G 将重新定义射频（RF）前端在网络和调制解调器之间的交互。 新的RF 频段（如 3GPP 在 R15 中所定义的 sub-6 GHz 和毫米波（mm-wave））给产业界带来了巨大挑战。

LTE 的发展，尤其是载波聚合技术的应用，导致当今智能手机中的复杂架构。同时，RF 电路板和可用天线空间减少带来的密集化趋势，使越来越多的手持设备 OEM 厂商采用功率放大器模块并应用新技术，如 LTE 和 WiFi之间的天线共享。

在低频频段，所包含的 600 MHz频段将为低频段天线设计和天线调谐器带来新的挑战。随着新的超高频率（N77、N78、N79）无线电频段发布，5G 将带来更高的复杂性。具有双连接的频段重新分配（早期频段包括N41、N71、N28 和 N66，未来还有更多），也将增加对前端的限制。毫米波频谱中的 5G NR 无法提供 5G 关键 USP 的多千兆位速度，因此需要在前端模组中具有更高密度，以实现新频段集成。

5G 手机需要 4X4 MIMO 应用，这将在手机中增加大量 RF 流。结合载波聚合要求，将导致更复杂的天线调谐器和多路复用器。

RF 系统级封装（SiP）市场可分为一级和二级 SiP 封装： 各种 RF 器件的一级封装，如芯片/晶圆级滤波器、开关和放大器（包括 RDL、RSV 和/或凸点步骤）；在表面贴装（SMT）阶段进行的二级 SiP 封装，其中各种器件与无源器件一起组装在 SiP 基板上。2018 年，射频前端模组 SiP 市场（包括一级和二级封装）总规模为 33 亿美元，预计 2018~2023 年期间的复合年均增长率（CAGR）将达到 11.3%，市场规模到 2023 年将增长至53 亿美元。

预测 2023 年，PAMiD SiP 组装预计将占 RF SiP 市场总营收的 39%。 2018 年，晶圆级封装大约占 RF SiP 组装市场总量的 9%。移动领域各种射频前端模组的 SiP 市场，包括：PAMiD（带集成双工器的功率放大器模块）、PAM（功率放大器模块）、Rx DM（接收分集模块）、ASM（开关复用器、天线开关模块）、天线耦合器（多路复用器）、LMM（低噪声放大器-多路复用器模块）、MMMB PA（多模、多频带功率放大器）和毫米波前端模组。

MEMS 预测，到 2023 年，用于蜂窝和连接的射频前端 SiP 市场将分别占SiP 市场总量的 82%和 18%。 按蜂窝通信标准，支持 5G（sub-6GHz 和毫米波）的前端模组将占到 2023 年 RF SiP 市场总量的 28%。高端智能手机将贡献射频前端模组 SiP 组装市场的 43%，其次是低端智能手机（35%）和奢华智能手机（13%）。

高通发布 5G 手机射频前端模组化方案。

2019 年 2 月，高通宣布推出面向 5G 多模移动终端的第二代射频前端（ RFFE）解决方案。 全 新推 出 的 产品 是 一 套完 整 的 ，可 与 全 新Qualcomm® 骁龙™ X55 5G 调制解调器搭配使用的射频解决方案，为支持6GHz 以下频段和毫米波频段的高性能 5G 移动终端提供从调制解调器到天线的完整系统。支持更纤薄、更高效的 5G 多模移动终端。高通同时还发布了全球首款宣布的 5G 100MHz包络追踪解决方案 QET6100、集成式5G/4G 功率放大器（PA）和分集模组系列，以及 QAT3555 5G 自适应天线调谐解决方案。高通 QET6100 将包络追踪技术扩展到 5G NR 上行所需的 100MHz 带宽和 256-QAM 调制，这在之前被认为是无法实现的。该解决方案与其他平均功率追踪技术相比，可将功效提升一倍，以更长的电池续航时间支持传输数据更快的终端，还可显著改善网络运营商非常关注的网络覆盖与网络容量。

Qualcomm 的全新先进射频前端功率放大器和分集模组包括：

功率放大器模组， 搭配 QET6100 支持 100MHz 5G 包络追踪。QPM6585、QPM5677 和 QPM5679 分别支持 n41、n77/78 和 n79 频段。

中/高频段 5G/4G 功率放大器模组 QPM5670 ，包括集成式低噪声放大器（LNA）、射频开关、滤波器和 5G 六工器。

低频段 5G/4G 功率放大器模组 QPM5621 ，包括集成式低噪声放大器、切换开关和滤波器，支持低频段/低频段载波聚合和双连接。

分集模组系列 QDM58xx ，包括集成式 5G/4G 低噪声放大器、射频开关和滤波器，支持 6GHz以下频段接收分集和多输入多输出（MIMO）。

为帮助 OEM 厂商应对日益增多的天线和频段给移动终端设计带来的挑战，Qualcomm 还推出了 QAT3555 Signal Boost 自适应天线调谐器，将自适应天线调谐技术扩展到 6GHz 以下的 5G 频段；与上一代产品相比，其封装高度降低了 25%，插入损耗显著减少。

2、5G基站，PA数倍增长，GaN 大有可为

2.1 5G基站，射频 PA 需求大幅增长

5G 基站 PA数量有望增长 16倍。 4G 基站采用 4T4R 方案，按照三个扇区，对应的 PA 需求量为 12 个，5G 基站，预计 64T64R 将成为主流方案，对应的 PA 需求量高达 192 个，PA 数量将大幅增长。

5G 基站射频 PA 有望量价齐升。 目前基站用功率放大器主要为基于硅的横向扩散金属氧化物半导体 LDMOS 技术，不过 LDMOS 技术仅适用于低频段，在高频应用领域存在局限性。对于 5G 基站 PA 的一些要求可能包括3~6GHz 和 24GHz~40GHz 的运行频率，RF 功率在 0.2W~30W 之间，我们研判 5G 基站 GaN 射频 PA 将逐渐成为主导技术，而 GaN 价格高于LDMOS 和 GaAs。

GaN 具有优异的高功率密度和高频特性。 提高功率放大器 RF 功率的最简单的方式就是增加电压，这让氮化镓晶体管技术极具吸引力。如果我们对比不同半导体工艺技术，就会发现功率通常会如何随着高工作电压 IC 技术而提高。硅锗(SiGe)技术采用相对较低的工作电压（2 V 至 3 V），但其集成优势非常有吸引力。GaAs 拥有微波频率和 5 V 至 7 V 的工作电压，多年来一直广泛应用于功率放大器。硅基 LDMOS 技术的工作电压为 28V，已经在电信领域使用了许多年，但其主要在 4 GHz 以下频率发挥作用，因此在宽带应用中的使用并不广泛。新兴 GaN技术的工作电压为 28 V 至 50 V，优势在于更高功率密度及更高截止频率(Cutoff Frequency，输出讯号功率超出或低于传导频率时输出讯号功率的频率)，拥有低损耗、高热传导基板，开启了一系列全新的可能应用，尤其在 5G 多输入输出(Massive MIMO)应用中，可实现高整合性解决方案。

典型的 GaN 射频器件的加工工艺， 主要包括如下环节：外延生长-器件隔离-欧姆接触（制作源极、漏极）-氮化物钝化-栅极制作-场板制作-衬底减薄-衬底通孔等环节。

外延生长： 采用金属氧化物化学气相沉积（MOCVD）或分子束外延（MBE）方式在 SiC 或 Si 衬底上外延 GaN材料。

器件隔离： 采用离子注入或者制作台阶（去除掉沟道层）的方式来实现器件隔离。射频器件之间的隔离是制作射频电路的基本要求。

欧姆接触 ：形成欧姆接触是指制作源极和漏极的电极。对 GaN材料而言，制造欧姆接触需要在很高的温度下完成。

氮化物钝化 ：在源极和漏极制作完成后，GaN 半导体材料需要经过钝化过程来消除悬挂键等界面态。GaN 的钝化过程通常采用 SiN（氮化硅）来实现。

栅极制作： 在 SiN 钝化层上开口，然后沉积栅极金属。至此，基本的场效应晶体管的结构就成型了。

场板制作： 栅极制作完成后，继续沉积额外的几层金属和氮化物，来制作场板、互连和电容，此外，也可以保护器件免受外部环境影响。

衬底减薄： 衬底厚度减薄至 100μm 左右，然后对减薄后的衬底背部进行金属化。

衬底通孔： 通孔是指在衬底上表面和下表面之间刻蚀出的短通道，用于降低器件和接地(底部金属化层)之间的电感。

GaN 材料已成为基站 PA的有力候选技术。 GaN 是极稳定的化合物，具有强的原子键、高的热导率、在Ⅲ-Ⅴ族化合物中电离度是最高的、化学稳定性好，使得 GaN 器件比 Si 和 GaAs 有更强抗辐照能力，同时 GaN又是高熔点材料，热传导率高，GaN 功率器件通常采用热传导率更优的 SiC 做衬底，因此 GaN 功率器件具有较高的结温，能在高温环境下工作。GaN 高电子迁移率晶体管（HEMT）凭借其固有的高击穿电压、高功率密度、大带宽和高效率，已成为基站 PA 的有力候选技术。

GaN 射频器件更能有效满足 5G 的高功率、高通信频段和高效率等要求。 相较于基于 Si 的横向扩散金属氧化物半导体（Si LDMOS，Lateral Double-diffused Metal-oxide Semiconductor）和 GaAs，在基站端 GaN射频器件更能有效满足 5G 的高功率、高通信频段和高效率等要求。目前针对 3G 和 LTE 基站市场的功率放大器主要有 Si LDMOS 和 GaAs 两种，但 LDMOS 功率放大器的带宽会随着频率的增加而大幅减少，仅在不超过约 3.5GHz 的频率范围内有效，而 GaAs 功率放大器虽然能满足高频通信的需求，但其输出功率比 GaN 器件逊色很多。在 5G 高集成的 Massive MIMO 应用中，它可实现高集成化的解决方案，如模块化射频前端器件。在毫米波应用上，GaN 的高功率密度特性在实现相同覆盖条件及用户追踪功能下，可有效减少收发通道数及整体方案的尺寸。实现性能成本的最优化组合。随着 5G 时代的到来，小基站及 Massive MIMO 的飞速发展，会对集成度要求越来越高，GaN 自有的先天优势会加速功率器件集成化的进程。5G 会带动 GaN 这一产业的飞速发展。然而，在移动终端领域 GaN射频器件尚未开始规模应用，原因在于较高的生产成本和供电电压。GaN将在高功率，高频率射频市场发挥重要作用。

2.2 GaN射频 PA 有望成为 5G基站主流技术

预测未来大部分 6GHz 以下宏网络单元应用都将采用 GaN 器件，小基站 GaAs 优势更明显。 就电信市场而言，得益于 5G 网络应用的日益临近，将从 2019 年开始为 GaN 器件带来巨大的市场机遇。相比现有的硅 LDMOS（横向双扩散金属氧化物半导体技术）和 GaAs（砷化镓）解决方案，GaN 器件能够提供下一代高频电信网络所需要的功率和效能。而且，GaN 的宽带性能也是实现多频带载波聚合等重要新技术的关键因素之一。GaN HEMT（高电子迁移率场效晶体管）已经成为未来宏基站功率放大器的候选技术。由于 LDMOS 无法再支持更高的频率，GaAs 也不再是高功率应用的最优方案，预计未来大部分6GHz 以下宏网络单元应用都将采用 GaN 器件。5G 网络采用的频段更高，穿透力与覆盖范围将比 4G 更差，因此小基站（small cell）将在 5G 网络建设中扮演很重要的角色。不过，由于小基站不需要如此高的功率，GaAs 等现有技术仍有其优势。与此同时，由于更高的频率降低了每个基站的覆盖率，因此需要应用更多的晶体管，预计市场出货量增长速度将加快。

预计到 2025 年 GaN 将主导 RF 功率器件市场，抢占基于硅 LDMOS 技术的基站 PA 市场。 根据 yole 的数据，2014 年基站 RF 功率器件市场规模为11 亿美元，其中 GaN 占比 11%，而横向双扩散金属氧化物半导体技术（LDMOS）占比 88%。2017 年，GaN 市场份额预估增长到了 25%，并且预计将继续保持增长。预计到 2025 年 GaN 将主导 RF 功率器件市场，抢占基于硅 LDMOS 技术的基站 PA 市场。

对于既定功率水平，GaN 具有体积小的优势。有了更小的器件，则可以减小器件电容，从而使得较高带宽系统的设计变得更加轻松。

氮化镓基 MIMO天线功耗可降低 40%。 下图展示的是锗化硅和氮化镓的毫米波 5G 基站 MIMO 天线方案，左侧展示的是锗化硅基 MIMO 天线，它有1024 个元件，裸片面积是 4096 平方毫米，辐射功率是 65dbm，与之形成鲜明对比的，是右侧氮化镓基 MIMO 天线，尽管价格较高，但功耗降低了40%，裸片面积减少 94%。

GaN 适用于大规模 MIMO

GaN 芯片每年在功率密度和封装方面都会取得飞跃，能比较好的适用于大规模 MIMO 技术。 当前的基站技术涉及具有多达 8 个天线的 MIMO 配置，以通过简单的波束形成算法来控制信号，但是大规模 MIMO 可能需要利用数百个天线来实现 5G 所需要的数据速率和频谱效率。 大规模 MIMO 中使用的耗电量大的有源电子扫描阵列（AESA），需要单独的 PA 来驱动每个天线元件，这将带来显著的尺寸、重量、功率密度和成本（SWaP-C）挑战。这将始终涉及能够满足 64 个元件和超出 MIMO 阵列的功率、线性、热管理和尺寸要求，且在每个发射/接收（T/R）模块上偏差最小的射频 PA。

MIMO PA年复合增长率将达到 135%。 预计 2022 年，4G/ 5G 基础设施用RF 半导体的市场规模将达到 16 亿美元，其中，MIMO PA 年复合增长率将达到 135%，射频前端模块的年复合增长率将达到 119%。

预计未来 5～10 年， GaN 将成为 3W 及以上 RF 功率应用的主流技术。 根据 Yole 预测，2017 年，全球 GaN 射频市场规模约为 3.84 亿美元，在3W 以上（不含手机 PA）的 RF 射频市场的渗透率超过 20%。GaN 在基站、雷达和航空应用中，正逐步取代 LDMOS。随着数据通讯、更高运行频率和带宽的要求日益增长，GaN 在基站和无线回程中的应用持续攀升。

在未来的网络设计中，针对载波聚合和大规模输入输出（MIMO）等新技术，GaN 将凭借其高效率和高宽带性能，相比现有的 LDMOS 处于更有利的位置。未来 5～10 年内，预计 GaN 将逐步取代 LDMOS，并逐渐成为3W 及以上 RF 功率应用的主流技术。而 GaAs 将凭借其得到市场验证的可靠性和性价比，将确保其稳定的市场份额。LDMOS 的市场份额则会逐步下降，预测期内将降至整体市场规模的 15%左右。

到 2023 年，GaN RF 器件市场规模达到 13 亿美元，约占 3W 以上的 RF 功率市场的 45%。 截止 2018 年底，整个 RF GaN市场规模接近 4.85 亿美元。未来大多数低于 6GHz 的宏网络单元实施将使用 GaN 器件，无线基础设施应用占比将进一步提高至近 43%。

2.3 RF GaN市场的发展方向

GaN 技术主要以 IDM 为主。 经过数十年的发展，GaN 技术在全球各大洲已经普及。市场领先的厂商主要包括 Sumitomo Electric、Wolfspeed（Cree 科锐旗下）、Qorvo，以及美国、欧洲和亚洲的许多其它厂商。化合物半导体市场和传统的硅基半导体产业不同。相比传统硅工艺，GaN 技术的外延工艺要重要的多，会影响其作用区域的品质，对器件的可靠性产生巨大影响。这也是为什么目前市场领先的厂商都具备很强的外延工艺能力，并且为了维护技术秘密，都倾向于将这些工艺放在自己内部生产。

GaN-on-SiC 更具有优势。 尽管如此，Fabless 设计厂商通过和代工合作伙伴的合作，发展速度也很快。凭借与代工厂紧密的合作关系以及销售渠道，NXP 和 Ampleon 等领先厂商或将改变市场竞争格局。同时，目前市场上还存在两种技术的竞争：GaN-on-SiC（碳化硅上氮化镓）和 GaN-onsilicon（硅上氮化镓）。它们采用了不同材料的衬底，但是具有相似的特性。理论上，GaN-on-SiC 具有更好的性能，而且目前大多数厂商都采用了该技术方案。不过，M/A-COM 等厂商则在极力推动 GaN-on-Silicon 技术的广泛应用。未来谁将主导还言之过早，目前来看，GaN-on-silicon 仍是GaN-on-SiC 解决方案的有力挑战者。

2.4 全球 GaN射频器件产业链竞争格局

境外 GaN射频器件产业链重点公司及产品进展

GaN 微波射频器件产品推出速度明显加快。 目前微波射频领域虽然备受关注，但是由于技术水平较高，专利壁垒过大，因此这个领域的公司相比较电力电子领域和光电子领域并不算很多，但多数都具有较强的科研实力和市场运作能力。GaN 微波射频器件的商业化供应发展迅速。据材料深一度对 Mouser 数据统计分析显示，截至 2018 年 4 月，共有 4 家厂商推出了150 个品类的 GaN HEMT， 占整个射频晶体管供应品类的 9.9%，较 1 月增长了 0.6%。

Qorvo 产品工作频率范围最大，Skyworks 产品工作频率较小。 Qorvo、CREE、MACOM 73%的产品输出功率集中在 10W～100W 之间，最大功率达到 1500W（工作频率在 1.0-1.1GHz， 由 Qorvo 生产），采用的技术主要是 GaN/SiC GaN 路线。此外，部分企业提供 GaN 射频模组产品，目前有 4家企业对外提供 GaN 射频放大器的销售，其中 Qorvo 产品工作频率范围最大，最大工作频率可达到 31GHz。Skyworks 产品工作频率较小，主要集中在 0.05-1.218GHz 之间。

Qorvo 射频放大器的产品类别最多。 在我国工信部公布的 2 个 5G 工作频段（3.3-3.6GHz、4.8-5GHz，）内，Qorvo 公司推出的射频放大器的产品类别最多，最高功率分别高达 100W 和 80W（1 月份 Qorvo 在 4.8-5GHz 的产品最高功率为 60W），ADI 在 4.8-5GHz 的产品最高功率提高到 50W（之前产品的最高功率不到 40W）， 其他产品的功率大部分在 50W 以下。

大陆 GaN射频器件产业链重点公司及产品进展： 欧美国家出于对我国技术发展速度的担忧及遏制我国新材料技术的发展想法，在第三代半导体材料方面，对我国进行几乎全面技术封锁和材料封锁。在此情况下，我国科研机构和企业单位立足自主创新，目前在 GaN 微波射频领域已取得显著成效，在军事国防领域和民用通信领域两个领域进行突破，打造了中电科 13 所、中电科 55 所、中兴通信、大唐移动等重点企业以及中国移动、中国联通等大客户。

苏州能讯推出了频率高达 6GHz、工作电压 48V、设计功率从 10W-320W的射频功率晶体管。 在移动通信方面，苏州能讯已经可以提供适合 LTE、4G、5G 等移动通信应用的高效率和高增益的射频功放管，工作频率涵盖1.8-3.8GHz，工作电压 48V，设计功率从 130W-390W，平均功率为 16W-55W。

3、5G时代，窄带物联网设备射频前端迎来发展新机遇

伴随着 5G 大幕拉开，特别是对于智能手机来说，新的应用和新需求，刺激着射频前端市场涌现出很多新名词，比如，MIMO，HPUE，NSA，SA，PAMiD 等等。射频前端需要更高整合度，从而支持更加复杂的频段和通信标准。

IOT 设备射频前端要求更低功耗，更长待机时间和更低的成本。 在手机市场追求更快更强的同时，有另外一个市场就是窄带物联网 (Cat-M /NB-IoT)，它在另外一个维度满足市场需求，比如更低功耗，更长待机时间和更低的成本。新的 Cat-M 和 NB-IoT 网络中，对于终端的要求在发生变化，应用于该设备的射频前端器件也有新的发展要求。新的射频前端需要在支持超宽带工作，并且保证低成本的情况下，满足更大范围的工作电压和工作温度，同时达到 3GPP 规定的射频性能标准。

NB-IoT 主要应用场景：

智能安全；

智能基础设施：智能路灯，智能井盖，智能充电，智能停车；

智能表计；

智能监控。

在有些领域，出现了迅速的增长：

电动自行车监控和管理

智能烟雾传感器

智能表计（水表／气表／电表）

另外，目前有一些基于 NB-IoT 的新的应用，也引起市场极大的兴趣。

智能停车服务：集成了云服务大数据平台，现场交通和停车位信息搜集，通过手机的电子支付，能实现方便的无人值守停车。

智能穿戴市场：得益于低功耗，NB-IoT 终端能够实现超长待机。通过运营商的广域网连接，定位数据和健康数据能自动上传到企业云的个人帐号中，摆脱了传统局域网或者需要连接手机同步数据的束缚。这一点非常适合给老人和小孩的无人看护或者出门定位服务。管理员通过划定电子安全区域，智能穿戴设备出了安全区后，报警信息会自动传到云端和管理员。

NB-IoT PA需要低成本和低功耗

基于蜂窝网的万物互联是一项有前景的新技术，从射频前端供应商的角度，我们看到了一些新的市场需求。新的垂直市场。在已有的蜂窝网需求的基础上，新的低成本和低功耗的解决方案，将会用到新的市场应用当中。

多种连接标准会同时共存。产品形态会表现为从简单的低功耗和单频段无线单元，一直到复杂的 LTE 和 5G New Radio 的全球蜂窝网解决方案。多样的应用场景和需求。复杂多样的最终用户市场还有应用，会带来需求和产品的多样化，其中包括室内的应用和户外的一些极端温度和高可靠性要求的场景。

NB-IoT 的 PA 要求低成本和高效。 NB-IoT 虽然有要求和 LTE 相同的上行功率(power class3)，但是信号的峰均比较低。另外，NB-IoT 采用半双工方式工作，避免使用 FDD 双工器，PA 后端的插入损耗小。这些因素可以让 NB-IoT 的 PA 更加偏向于非线性的设计，同时采用更小的 Die 设计，从而达到节省成本和提高效率的目的。

对于 NB-IoT PA 来讲，超宽带、低电压、极端温度和低成本是重点要考虑的方向。

超宽带： 以低频为例，NB-IoT PA 需要工作在 663MHz~915MHz，可用带宽是 252MHz。

低电压： 需要支持 1.8V 到 4.3V 工作电压，以便满足不同的电池环境需求。

高效率： 具备不同的功率模式，从而优化不同功率和电压下面的效率。同时在 headroom 设计方面，考虑到 Cat-M/NB 的最高输出功率需求。

极端温度： 满足-30/-40~+85 degree C 工作温度范围。

小尺寸： 典型的 NB 模块大小为 26.5mm x 22.5mm x 2.3mm。这个大约相当于一张名片的七分之一。射频前端的尺寸会是很重要的考虑因素。

低成本： NB 模块会逐步取代市场上的 2G 模块，销售价格日趋向 2G 模块靠拢。射频前端的价格竞争和成本考量无法避免。

4、5G渐行渐近，国际巨头纷纷布局射频产业

当前射频前端市场产业链已经非常成熟，欧美 IDM 大厂技术领先，规模优势明显。 例如其中在 SAW 滤波器中，全球 80%的市场份额被 Murata、TDK、TAIYO YUDEN 所瓜分，而在 4G、5G 中应用的 BAW 滤波器则被Avago（Broadcomm）和 Qorvo 占据 95%的市场空间，PA 全球 93%的市场集中在 Skyworks、Qorvo 和 Avago（Broadcomm）手中。

高通领先布局 5G，竞争者纷纷跟进。 随着 5G 手机和无线基础设施技术的成熟，相关应用将会出现。这需要一定的时间，许多厂商已经在为自己的“市场蛋糕”做好了准备。新的商业模式将会浮现：例如一些电信运营商正在部署 pre-5G 网络（自己的标准），作为光纤替代品应用于住宅宽带。高通（Qualcomm）在 5G 布局快人一步，已推出多款 5G 产品，其它厂商也都在探索之中。此外，英特尔（Intel）、三星（Samsung），以及领先的RF CMOS/SOI 代工厂（GLOBALFOUNDRIES、TOWERJAZZ、台联电、台积电等）都在布局 5G 射频产业。

博通（Broadcom）、Skyworks 在高频优势明显。 在 6 GHz 以下频段方面，目前的射频前端领导者，如博通（Broadcom）、Qorvo、Skyworks、村田（Murata），已经开始适应这些变化。Broadcom 通过将中高频融合在一起，为 5G 超高频段的到来做好了准备。凭借其 FBAR 体声波（BAW）滤波器技术，Broadcom 还掌握了高频和超高频的主要关键模块。Skyworks 定位于 5G 超高频市场，新推出了 Sky5 平台。这些先进的无线引擎包括高度集成的高性能发送/接收前端方案，以及分集接收（DRx）模块。此外，凭借其 SkyOne LiTE 平台，Skyworks 已在高端市场获得了一些设计大奖；在低端市场方面，赢得中国 OEM 厂商（华为、OPPO、vivo、小米）的青睐。

Qorvo 组合拳产品多元化。 采用类似的方法，分别通过 RF Fusion 和 RF Flex 平台提供涵盖高端和低端市场的广泛产品组合。Qorvo 的另一个优势在于其内部测试和封装能力，可以缩短响应时间并持续改进。值得注意的是，Qorvo 是第一家推出用于超高频段覆盖的射频前端模组厂商。Murata主要涉足低频段，但非常适合不断增长的多样化射频模组市场。高通（Qualcomm）是新进入者，带来了从调制解调器到天线的端到端解决方案。此外，对 TDK Epcos 滤波技术的战略投资已经初见成效。

毫米波有机会破坏竞争格局。 5G 将重新定义射频前端如何在网络和调制解调器之间“交互”。实际上，新的射频频段，6 GHz 以下频段（Sub-6 GHz）和毫米波，对该行业产生了巨大挑战，并有机会破坏市场竞争格局。除了 6 GHz 以下频段之外，毫米波频段将完全“破坏”射频前端产业，代表一种完全不同的技术思维，可以为高速传输数据创造新的途径。虽然Qualcomm 是明确的毫米波技术新进入者，但还有英特尔（Intel）、三星（Samsung）、海思（HiSilicon）、联发科（Mediatek）等企业也在探索这一新商机！

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