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5G手机|化合物半导体GaAs、GaN、SiC的技术优势和应用领域分析( 四 )



在电子器件领域 ， GaN更适合高频、高功率、低压应用领域 。 在射频应用方面 ， 相比于GaAs和Si ， GaN具有更高的电子饱和漂移速度和更大的禁带宽度 ， 导通损耗较低 ， 适用于大功率、高频的射频应用 。 在功率半导体应用方面 ， 由于其在高压场景表现不如SiC ， 因此主要应用在低压领域 。 具体来看 ， 目前GaN的优势领域在200-600V的低压领域 ， 而SiC主要应用于600V以上的中高压领域 。

5G手机|化合物半导体GaAs、GaN、SiC的技术优势和应用领域分析
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3.2射频需求旺盛&快充快速起量 ， GaN未来前景广阔
射频功放需求旺盛
当前射频功率放大器主要有三种工艺：GaAs、GaN和基于Si的LDMOS 。 前文所述的GaAs输出功率较低（一般低于50W） ， 主要应用于终端射频前端和微蜂窝基站建设 。 而GaN和LDMOS输出功率较高 ， 主要应用于宏基站射频单元中 。 在4G基站建设中 ， LDMOS器件是市场的主流 。 预计在5G建设中 ， GaN器件将逐步成为宏基站应用的主流 ， 此外 ， 军事领域GaN射频市场也将维持高景气 ， 预计GaN在射频功率器件应用中的占比将持续显著提升 。

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5G宏基站对射频器件提出了更高的要求 。 5G给基站建设带来的挑战主要有：1）更高频率和更大带宽：4G的频率范围为1.88GHz-2.635GHz ， 而5G的Sub-6GHz频段和毫米波频段的频率分别可达到0.45GHz-6GHz和24.25GHz-52.6GHz ， 分量载波带宽可达100MHz 。 2）更高功率效率的需求；3）更高功率密度的需求：根据华为 ， 5G基站的功率将超过11Kw ， 相比于4G基站功率提高68% ， 运营商需要大幅提高功率密度以在相同大小的空间内提供更高的功率 。 4）更小体积：5GMassiveMIMO和波束成形技术采用阵列天线 ， 器件数量的大幅增加 ， 设备小型化的需求驱动内部器件小型化 。

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GaN射频器件更适用于5G宏基站 。 GaN射频器件能很好的适应5G宏基站的高要求：1）传统的LDMOS仅在3.5GHz及以下表现良好 ， 无法适应5G的高频率 ， 而GaN适应的频率范围拓展了40Hz甚至更高 ， 适应了5G高频的需求 。 另外 ， GaN器件更高效率、更高输出阻抗和更低寄生电容能够更容易实现带宽匹配 。 2）GaN具有软压缩特性 ， 更容易预失真和线性化 ， 实现更高的效率 。 3）GaN可以做到更高的功率密度 ， 达到LDMOS器件功率密度的4倍左右 。 4）体积方面 ， GaN封装尺寸仅LDMOS的1/4-1/7 。

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受益于5G宏基站快速放量 ， GaN器件用量有望快速提升 。 全球主要国家如美日中韩等国都已开启5G商用 ， 基站建设正处于逐步放量阶段 。 5G宏基站将以64通道的大规模阵列天线为主 ， 按三个扇区计算 ， 单基站PA需求量将高达192个 。 根据拓墣产业研究院的预测 ， 国内5G宏基站建设将于2023年左右达到高峰 ， 年新增115万个以上 ， 对应PA需求高达2.21亿个 。 随着GaN器件成本的下降和工艺的成熟 ， GaNPA渗透率将不断提升 ， 拓墣产业研究院估计2019年5G宏基站PA中GaN占比在50%左右 ， 预计到2023年GaN占比将达到80% ， 对应112.6亿元国内市场需求 。

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军用雷达升级驱动GaN射频市场快速起量 。 军用雷达升级体现在两个方面：一是基于GaN的有源电子扫描阵列（AESA）雷达系统替换原有的基于GaAs的AESA雷达系统和基于行波管（TWT）的系统 。 这主要是因为两个方面的原因：一方面GaN的高功率提高了抗干扰能力 ， 扩大了作用距离或搜索范围；另一方面 ， 采用GaN后 ， 较小的孔径就能够形成与不采用GaN的较大孔径相同的作用距离和搜索范围 。 因此向基于GaN的AESA雷达系统升级成为趋势 ， 各国的军队正在同时升级至AESA雷达和GaN芯片 。 二是AESA天线架构的升级 ， 下一代AESA天线将在同一个射频前端组合产生不同工作模式 ， 包括雷达、通信和电子战 ， 这将产生更高的单片微波集成电路（MMIC）的需求 ， 对应GaN的需求也将相应提升 。 在上述两种因素的驱动下 ， 军用射频市场持续景气 。


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