5G时代，基站PA迈上新台阶

基站起量，给哪些器件带来利好？

随着5G用例的推动和基站市场的起量，人们对无线通信的传输速度提出了新的需求，推动基站从频率、带宽、效率到可靠性等多方面的提高。对此，射频前端作为5G基站通信的核心部件备受关注。

射频前端是移动通信系统的核心组件，主要起到收发射频信号的作用，一般包含功率放大器(PA)、双工器(Duplexer)、射频开关(Switch)、滤波器(Filter)和低噪放大器(LNA)等器件。

射频前端的构成及功能（图源：腾讯网）

其中，射频PA（功率放大器）是射频前端通路中的重要器件，主要用于发射链路，通过把发射通道的小功率射频信号放大，获得足够大的射频输出功率，从而实现更高通信质量、更强电池续航能力、更远通信距离。

PA的性能直接决定了通信信号的强弱、稳定性和功耗等重要参数，在保障基站通信质量方面作用显著。

为了达到足够高的功率输出，PA的输出放弃了用来最大信号“传输”的共轭匹配，而采用了可以实现最大功率“输出”的负载线匹配。另外，为了实现可控的直流消耗，PA设计必须考虑效率优化设计。

负载线匹配使得PA的电压与电流摆幅均达到最大，也即达到了最大功率输出的目标。

负载线理论与电压/电流摆幅（图源：必应）

从市场规模来看，相较于4G，5G基站用到的PA数加倍增长。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64T64R成为主流方案，对应的PA需求量高达192个。

5G基站射频PA市场规模远远大于4G，有望迎来量价齐升。

另一方面，从5G的演进来看，不但加大了如Massive MIMO等技术的投入，在频率方面，Sub-6Ghz和毫米波的引入，也给相关厂商带来了新的要求，在频率、带宽、效率以及功耗和散热等方面面临的挑战比4G时代更为严峻，同时模组化的到来也需要PA设计满足高集成度模组化的需求。

在广阔的市场需求和应用前景的趋势下，PA厂商将在5G时代迎来新一波红利期。

射频PA机遇之下，国内外厂商如何布局？

从市场现状和行业布局来看，基站PA主要供应商有Qorvo、NXP、Infineon、ADI、Skyworks、Broadcom等。

Qorvo：推出新一代5G PA模块

Qorvo是射频产品和化合物半导体代工服务的领先供应商，通过各种射频连接解决方案实现5G部署，并为不断增长的移动数据提供支持。Qorvo用于无线基础设施和移动设备的射频产品组合包括功率放大器、移相器、放大器、开关、集成模块和其他高性能射频解决方案，其一系列高性能分立式射频元件具有高灵活性和高集成度，以此来缩小尺寸、降低成本并缩短了产品上市时间。

其中，QPA9122M是一款宽带、高增益和高线性度驱动放大器，其在2.6GHz时提供36.5dB增益并达到27dBm P3dB的峰值功率。该放大器可以为高达200MHz宽的5G NR信号提供良好的DPD线性性能，非常适合m-MIMO应用。

Qorvo QPA9122M芯片及关键性能参数（图源：Qorvo）

QPA9122M在2.3-5.0GHz的整个工作频带内内部匹配至50Ω，并通过VPD引脚集成了关断功能。此外，QPA9122M还具有外部偏置控制功能，可优化线性度。

在功率模组方面，近日，Qorvo推出两款GaN 8W功率放大器模块QPA3908 和QPA3810，兼有高性能和远小于传统分立元件解决方案的占用空间的优势，从而减少网络基础设施设备制造商所需的板级占用空间。两款产品的目标应用包括用于有源天线系统的大规模 MIMO 基站和 O-RAN 网络。

功率放大器模块QPA3908 和QPA3810（图源：Qorvo）

QPA3908 和 QPA3810 为集成式两级 PAM，专为大规模 MIMO 应用而设计，器件输出具有 8 瓦 RMS。QPA3908 的工作频率范围为 3.7–3.98 GHz。QPA3810 的工作频率范围为 3.4–3.8 GHz。两个模块都以 50 Ω 匹配输入/输出，只需少量的外部组件。

NEC已与Qorvo合作实施QPA3908和QPA3810 PAM，以提供最先进的5G端到端O-RAN网络。

Qorvo基础设施业务部总经理Diwakar Vishakhadatta表示：“Qorvo的5G GaN解决方案可以降低成本并增加容量，在板级上实现了更高的集成度，并降低了复杂性，致力于为客户提高效率和线性度。”

为了更好的服务客户，Qorvo还提供各种基于PA产品的开发套件，评估板、参考软件及文档供客户参考，便于客户轻松快速的开发相关产品。

NXP：RapidRF专为5G mMIMO系统而设计

恩智浦（NXP）为5G mMIMO无线基站、大功率宏基站驱动器推出了一系列紧凑型射频前端参考板，大大缩短了开发周期并加速了产品和服务的上市。

RapidRF前端框图（图源：NXP）

据了解，恩智浦为5G无线基站提供RapidRF系列参考板。RapidRF专为mMIMO系统而设计，集成了线性预驱动器、射频功率放大器、带发射/接收开关的接收器低噪声放大器、循环迭代器和偏置控制器，体积小巧。

该板采用高效的Doherty功率放大器多芯片模块，可线性化高达200MHz的瞬时带宽。此外，由于恩智浦的5G多芯片模块集成了50Ω输入/输出，它们包含数字预失真（DPD）反馈耦合器，配置紧凑，使用跨频率和功率级别的通用PCB布局。

其中，PA模块AFSC5G35D35是一个完全集成的Doherty功率放大器模块，面向体积小性能要求高的无线基础设施应用，适用于大规模MIMO系统、室外小型小区和低功耗射频拉远应用，该成熟的LDMOS功率放大器专为TDD和FDD LTE系统而设计。

ADI：产品线涵盖完整5G基站信号链

ADI提供的产品可服务于完整5G基站信号链——包括上变频器、下变频器、PLL频率合成器、开关、波束合成、LNA和PA。

PA方面，ADI的HMC1099PM5E是一款GaN宽带功率放大器，可在0.01GHz到1.1GHz瞬时带宽上实现>10W输出，PAE高达69%，典型增益平坦度为±0.5dB。

HMC1099功能框图（图源：ADI）

HMC1099PM5E非常适合脉冲波或连续波 (CW) 应用，包括基站在内的无线基础设施、雷达、公共移动无线电通信和通用放大技术等。

在相关开发工具方面，ADI还提供了基于HMC1099PM5E的评估套件、设计工具、仿真模型及文档供客户参考，便于客户能够快速开发出相关产品。

在市场和趋势之下，国产基站PA表现怎么样？

在5G基站PA市场，国际大厂具有明显的技术和市场的“先发”优势，国内PA产品虽存在差距，但近几年也进展神速。

华为海思早些年就投入了PA（包括手机和基站）的研发工作，并取得了一定进展。特别是在基站端，华为布局较早，并且因为当时华为意识到了LDMOS在走下坡路，所以把自研的重点放在了GaN上，从2016年开始，华为基于LDMOS工艺的基站PA出货就仅限于4G市场，其高端客户，如欧洲3.5G高频段的基站PA大都采用日本住友的GaN产品。

后续，随着国际贸易关系的恶化和“断供华为”事件的爆发，供应链安全成为华为关注的焦点。2020年，华为自研PA并交由三安光电代工给了国产PA厂商们一剂强心剂，也让国产PA能抓住5G商用这个机会，占领更多的市场。

因此，无论是自研，还是外购，华为的基站PA布局较早，高低端都有规划，具有一定的技术储备。

同时，在5G小基站PA市场，也涌现出一些本土优质厂商，包括芯百特、明夷科技等正在积极布局。

5G小基站是什么？

小基站，顾名思义，在产品形态、发射功率和覆盖范围等方面都比宏基站小很多，一般只能支持一个载频，能提供的容量较小。与宏基站相比，小基站能够深入室内做弱信号和盲区的定点覆盖，可以有效解决5G宏基站穿透性差和选址难等痛点。此外，在热点区域，小基站的小功率使其可以在更小的范围内进行频率复用，提升系统容量，帮助宏基站分担流量负荷。可以看到，小基站在5G生态中将发挥重要作用。

随着5G的大规模落商用，在5G室内覆盖循序渐进的过程中，小基站产业链日趋成熟，技术进程也有所突破，正在成为时代的新“宠儿”。据ABI research预测，未来5年全球小基站市场规模将达到250亿美元。

值得关注的本土小基站PA产品

芯百特：CB6318实现小基站功放最佳性价比

芯百特率先推出的小基站功放器件CB6318，支持频段（3300-3600Mhz），适用于5G基站建设/小基站射频，对标国际领先产品。

芯百特CB6318性能参数（图源：芯百特）

芯百特的5G小基站功率放大器产品具备系统稳定性和抗干扰能力强两大特点，适用于使用DPD的系统。通过封装结构优化，芯片的厚度变得更薄，散热能力也更强。CB6318采用Dorherty架构，以确保兼顾线性度和效率。在GaAs HBT工艺和SiP封装的加持下，CB6318能够实现小基站功放的最佳性价比。

明夷科技：覆盖小基站主流频段，对标国际领先产品

明夷科技也凭借着深厚的技术实力和经验积累，发布了四款4W系列砷化镓高效率功率放大器芯片，频率分别覆盖：1.8GHz (型号MYS11301)、2.1GHz (型号MYS22301)、2.3GHz (型号MYS22314)、2.6GHz (型号MYS22302)，主要用于FDD/TDD 4G/5G通讯小基站末级场景。

Doherty 结构图（图源：明夷科技）

从产品设计上来看，明夷科技的PA芯片采用GaAs HBT工艺，采用系统布局更简洁灵活的集成结构，应用Doherty架构来实现高效率，同时具备高增益、宽IBW处理能力和高开环线性，可以通过搭配外部通用的DPD系统来实现高闭环线性。

基于以上设计，明夷科技PA芯片的工作带宽覆盖了1.8-2.6GHz通讯小站场景的主流频段，并且在28dBm功率等级下能获得29-33%的发射效率，以及支持100MHz载波校准-51dBc以下的线性度，展现出了十分优异的性能表现，能够更加适应室内覆盖应用中不同微站功率等级的配置需求。

此外，至晟微电子、卓胜微、唯捷创芯等国内射频厂商也在积极发力，不断拓展产品线，逐步实现射频前端产品的全面布局。从4G到5G，射频向模组化、高集成化发展，在保持射频分立器件竞争优势的同时，也在持续推进射频模组产品的市场化进程。

随着5G市场的到来，甚至未来6G市场，国内外厂商对射频前端的研发和设计会越来越重视，但“低成本、高效率、高集成”是业界一贯的诉求，随着新技术带来新市场的爆发，也将带给国内PA厂商更多填补国外产品空缺的机会。

如何看待射频半导体技术走势与未来演进路线？

从PA市场技术走势以及行业厂商产品趋势来看，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阶段式发展历程，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。

射频晶体管制造工艺（图源：RF技术社区）

BJT是用电流控制，FET属于电压控制。相比之下，HBT具有功率密度高、相位噪声低、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。

虽然Doherty PA发明之后在很长时间里并没有广泛应用，但这一切都是藏器待时。当前，随着全球移动通信的迅猛发展，对于高效、高功率的PA有了强烈需求。同时，硅基、第三代半导体工艺的发展，数字信号处理技术带来的线性化技术，为Doherty PA在移动基站的应用提供了坚实的应用基础。Doherty PA技术在基站侧迅速发展，目前几乎统治了整个宏基站PA市场。

材料方面，随着半导体材料的不断发展，功率放大器正在经历LDMOS、GaAs、GaN等几大技术路线。

不同材料射频器件的功率频率特性（图源：Analog Devices）

5G时代，GaN材料适用于基站端。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，在宏基站应用中，GaN材料凭借高频、高输出功率的优势，正在逐渐取代硅基LDMOS；在小基站中，由于其不需要太高的功率，未来一段时间内仍然以GaAs PA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有望在小基站应用在分得一杯羹；在移动终端中，因高成本和高电压特性，GaN PA短期内无法撼动GaAs PA的统治地位。

谈及5G宏基站与小基站工艺选择的差异性，Qorvo工程师表示，这是由工艺自身特点所决定的，小基站输出功率小、供电电压低、数量大、成本低，GaAs工艺很好的契合了这个应用场景需求。预计这种宏基站用GaN、微基站用GaAs的情况在未来2年内不会发生大的改变。

总结来看，目前业界2W以下的低功率场景主要是GaAs PA，2W以上的场景由LDMOS PA和GaN PA占据。GaAs工艺比较适合平均功率2W以下的小基站，而GaN工艺的“高效率、高带宽、高功率密度、低热阻”的特性，适合用于宏基站大功率输出场景，并成为新一代宏基站PA的不二之选。

据Yole数据统计，GaN器件的射频市场预计将从2017年的3.8亿美元增长到2023年的13亿美元。

结语

当前，随着5G技术和应用的不断渗透，基站PA正迎来“量价齐升”的快速发展阶段，尽管在此过程中可能还面临射频器件的功耗、能效等产品性能，以及制造工艺、半导体材料和成本等多方面的制约和限制。但随着5G渗透率的不断提升，应用领域的不断扩大，基站PA终将在5G时代迎来新的突破，迈上新台阶。

看好基站PA市场的三大理由：

1：5G时代，在基站数量和相应天线数量增势下，基站PA市场空间广阔；

2：随着制造工艺和半导体材料的演进，GaN PA将迎来新的发展态势，在提升射频PA器件性能的同时，也将加速第三代半导体应用进展；

3：随着技术更迭，市场应用爆发，国内基站PA市场空间将进一步扩大，国产化趋势加速；

综上，基站PA属于朝阳产业，市场潜力较大，相关厂商应抓住这一市场机遇。从硬件的角度来看，电子元器件是基站射频系统重要的组成部分，电子元器件的选型、制造工艺和材料与产品最终的性能、功耗、成本和周期息息相关。

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