數據顯示，全球4G/5G基站市場規模將在2022年達到16億美元，其中用于Sub-6GHz頻段的M-MIMO PA器件年復合增長率將達到135%，用于5G毫米波頻段的射頻前端模塊年復合增長率將達到119%。高增長的背后是射頻市場的機遇，但同時也是挑戰。從2G到4G再到將來的5G，高速增長的數據流量使得調制解調難度不斷增加，需要的頻段越來越多，對射頻前端器件的性能要求也越來越高。

以5G為代表的Sub 6G通信射頻系統非常復雜，尤其是那些需要使用高載波頻率和寬頻帶的新技術，包括載波聚合、Massive MIMO等。為此，很多半導體公司在技術上全面開花希望利用先進的半導體工藝技術應對甚至引領新一代的通信技術需求。以ADI為例，該公司全面擁有GaN、GaAs和SiGe以及28納米CMOS等完整工藝，努力打造更具高集成度、低功耗和低成本的整合系統解決方案。然而，在下一步的5G系統部署以及高端測試應用和衛星及航天應用中，無疑以高帶寬和大功率為優勢的GaN是其中的佼佼者，正在進入許多應用領域。

GaN器件廣泛應用在基站和蜂窩基礎設施等電信應用，測試測量設備等儀器儀表，以及高溫油井井下應用、有線電視、衛星通信和空間應用。

關鍵指標PK，GaN“一枝獨秀”

事實上，在射頻領一直是各大半導體企業激烈競爭名利場，各種技術堪稱百花齊放。就功率放大器的功率和頻率性能而言，了解各種商用工藝技術的優劣是很有用的。右圖顯示了幾種技術支持的功率與頻率范圍。

GaAs是過去20年微波通信的主要技術。硅LDMOS在窄帶應用方面很有優勢，但主要限于4GHz以下的頻率。GaN/Si對6GHz以下的應用很有吸引力，但高襯底損失限制了其最高工作頻率。但值得指出的是，GaN/SiC工藝技術在功率和頻率方面的市場覆蓋率最廣。

何時使用何種技術？ADI專家繪制的這個圖給出了很好的基本例子。

當然，不得不指出的是，每種工藝技術都有其優點和缺點。何時使用何種PA技術取決于應用的頻率和輸出功率要求。L波段1-2 GHz和S波段2-4 GHz中的低頻應用可以使用預匹配FET。X波段8-12 GHz及更高頻率的應用，更多地依賴于MIMIC。

上圖是一個S波段雷達PA級聯的例子。對于1W以下的第一級驅動器，GaAs PA一般能提供足夠好的性能，所以通常使用這種PA。HMC409就是這種PA的一個很好的例子。對于10W的第二級驅動器，MIMIC多級PA是一個合適的選擇。HMC1114就是這種PA的一個很好的例子。對于500W的第三級輸出器件，可以使用預匹配FET。

射頻特性比較，GaN vs. GaAs

GaN和GaAs半導體器件之間有一些顯著的差異。這些差異使得GaN具有超過GaAs的一些關鍵性能優勢：

——GaN的帶隙電壓高于GaAs。GaN為3.4 eV，GaAs為1.42 eV。結果是GaN器件具有更高的擊穿電壓，允許使用更高供電軌，以滿足更高的功率需求。——GaN的供電軌通常為28-50 V，GaAs為5-7 V。同等尺寸的器件，功率容量越高，則功率密度越高。這是一個對許多應用都很重要的品質因數。
——GaN的介電常數低于GaAs。
——SiC上GaN的熱導率遠高于GaAs。這意味著器件中的功耗可以更容易地轉移到周圍環境中。
——百萬小時平均失效前時間的最高通道溫度更高。GaN的典型AMR為225°C，而GaAs為150°C或175°C。
——GaN單芯片的功率可達到100W，而GaAs單芯片只能達到5-8W。

下表總結了GaN、GaAs和硅技術之間的一些差異。

與GaAs相比，GaN的優點非常明顯，上面的列表還可以羅列很長。例如，更高的功率附加效率（PAE），IC尺寸更小，功率密度更高（可以達五倍），等等。

實物為證，舉幾個栗子

GaN的價值定位是它能同時提供高功率帶寬和PAE。

HMC1099LP5DE就是一個很好的例子，它是一款GaN 10 W功率放大器，覆蓋10 MHz到1100 MHz的頻率范圍，具有50Ω匹配RF輸入和RF輸出端口。當Psat大于10 W時，它提供約70%的PAE，它可以連續運行或脈沖式運行，適合大多數一般應用。

該價值定位的另一個很好的例子是HMC 8205 BF10，它基于GaN技術，具有高功率、高效率和寬帶寬。該產品的工作電源電壓為50 V，在35%的典型頻率下可提供35 W RF功率，帶20 dB左右的功率增益，覆蓋幾十種帶寬。這種情況下，相比類似的GaAs方案，只需要一個IC就能提供高出約10倍的功率。在過去數年，這可能需要復雜的GaAs芯片組合方案，并且無法實現相同的效率。

最后一個例子是HMC1114LP5DE，它是一款覆蓋2.7 GHz至3.8 GHz的GaN 10 W功率放大器，具有50 Ω匹配RF輸入和RF輸出端口。當Psat大于10 W時，它提供約54%的PAE。它可以連續運行或脈沖式運行，適合公共移動無線電、無線基礎設施、雷達、發射機以及測試測量應用。

本文總結

隨著越來越多電子設備支持更高頻率，對更高頻率電子戰系統的需求將會出現井噴。在電信行業，隨著5G走向市場，sub 6GHz基礎設施將大面積部署，并且隨著更高帶寬的需求增長而持續增加。衛星通信系統的工作頻率主要為C-波段至Ka-波段。因此，系統工程師需要努力嘗試設計一些能夠覆蓋整個頻率范圍的電子設備。GaN芯片技術的帶寬優勢和功率密度優勢幫助簡化設計、加速上市時間，減少要管理的器件庫存等方面發揮著積極的作用。