带宽越来越宽、 功率越来越高，它是5G的关键先生

从2G、3G和4G到即将面世的5G，电信行业不断需要更高的数据速率，工业系统不断需要更高的分辨率，这助推了满足这些需求的电子设备工作频率的不断上升。许多系统可以在较宽的频谱中工作，新设计通常也会有进一步增加带宽的要求。在许多这样的系统中，人们倾向于使用一个涵盖所有频带的信号链，事实上，对于5G这样的系统应用来说，这是非常重要的，如果没有在传统工艺技术之外的重大突破，很难想象5G能否真正商用化。

半导体技术的进步使高功率宽带放大器功能突飞猛进，而GaN是其中的佼佼者！GaN正在进入许多应用领域。

GaN功率放大器用于电子战和雷达系统等军事应用，基站和蜂窝基础设施等电信应用，测试测量设备等仪器仪表，以及高温油井井下应用、有线电视、卫星通信和空间应用。所有这些功率放大器应用均受益于GaN技术提供的更高功率和更高功率附加效率或PAE。

几种主要半导体材料工艺技术特性比较

就功率放大器的功率和频率性能而言，了解各种商用工艺技术的优劣是很有用的。右图显示了几种技术支持的功率与频率范围。SiGe正向更高功率和频率拓展，但在功率、线性度和PAE方面仍比不上GaAs。

GaAs是过去20年微波通信的主要技术。硅LDMOS I在窄带应用方面很有优势，但主要限于4GHz以下的频率。GaN/Si对6GHz以下的应用很有吸引力，但高衬底损失限制了其最高工作频率。但值得指出的是，GaN/SiC工艺技术在功率和频率方面的市场覆盖率最广。

何时使用何种技术？上面这个图给出了很好的基本例子。

当然，不得不指出的是，每种工艺技术都有其优点和缺点。何时使用何种PA技术取决于应用的频率和输出功率要求。L波段1-2 GHz和S波段2-4 GHz中的低频应用可以使用预匹配FET。X波段8-12 GHz及更高频率的应用，更多地依赖于MIMIC。

上图是一个S波段雷达PA级联的例子。对于1W以下的第一级驱动器，GaAs PA一般能提供足够好的性能，所以通常使用这种PA。HMC409就是这种PA的一个很好的例子。对于10W的第二级驱动器，MIMIC多级PA是一个合适的选择。HMC1114就是这种PA的一个很好的例子。对于500W的第三级输出器件，可以使用预匹配FET。

半导体器件特性比较，GaN vs. GaAs。

GaN和GaAs半导体器件之间有一些显著的差异。这些差异使得GaN具有超过GaAs的一些关键性能优势：

——GaN的带隙电压高于GaAs。GaN为3.4 eV，GaAs为1.42 eV。结果是GaN器件具有更高的击穿电压，允许使用更高供电轨，以满足更高的功率需求。——GaN的供电轨通常为28-50 V，GaAs为5-7 V。同等尺寸的器件，功率容量越高，则功率密度越高。这是一个对许多应用都很重要的品质因数。

——GaN的介电常数低于GaAs。

——SiC上GaN的热导率远高于GaAs。这意味着器件中的功耗可以更容易地转移到周围环境中。

——百万小时平均失效前时间的最高通道温度更高。GaN的典型AMR为225°C，而GaAs为150°C或175°C。

——GaN单芯片的功率可达到100W，而GaAs单芯片只能达到5-8W。

下表总结了GaN、GaAs和硅技术之间的一些差异。

与GaAs相比，GaN的优点还可以罗列很长。例如，更高的功率附加效率（PAE），

IC尺寸更小，功率密度更高（可以达五倍）……

实物为证，举几个栗子

GaN的价值定位是它能同时提供高功率带宽和PAE。

HMC1099LP5DE就是一个很好的例子，它是一款GaN 10 W功率放大器，覆盖10 MHz到1100 MHz的频率范围，具有50Ω匹配RF输入和RF输出端口。当Psat大于10 W时，它提供约70%的PAE。它可以连续运行或脉冲式运行，适合大多数一般应用。它采用SMT封装，装配简单。GaN提供LDMOS和GaAs无法提供的特性：功率、带宽和PAE。

该价值定位的另一个很好的例子是HMC 8205 BF10，它基于GaN技术，具有高功率、高效率和宽带宽。该产品的工作电源电压为50 V，在35%的典型频率下可提供35 W RF功率，带20 dB左右的功率增益，覆盖几十种带宽。这种情况下，相比类似的GaAs方案，我们只需要一个IC就能提供高出约10倍的功率。在过去数年，这可能需要复杂的GaAs芯片组合方案，并且无法实现相同的效率。

最后一个例子是HMC1114LP5DE，它是一款覆盖2.7 GHz至3.8 GHz的GaN 10 W功率放大器，具有50 Ω匹配RF输入和RF输出端口。当Psat大于10 W时，它提供约54%的PAE。它可以连续运行或脉冲式运行，适合公共移动无线电、无线基础设施、雷达、发射机以及测试测量应用。它采用SMT封装，装配简单。GaN能同时提供高功率、高带宽和高PAE，这是LDMOS和GaAs做不到的。

本文总结

随着越来越多电子设备支持更高频率，对更高频率电子战系统的需求将会出现井喷。在电信行业，随着5G走向市场，sub6GHz基础设施将大面积部署，并且随着更高带宽的需求增长而持续增加。卫星通信系统的工作频率主要为C-波段至Ka-波段。用于测量这些不同电子设备的仪器仪表需要能在所有这些必要的频率下工作，才能得到国际认可。因此，系统工程师需要努力尝试设计一些能够覆盖整个频率范围的电子设备。GaN芯片技术的带宽优势和功率密度优势帮助简化设计、加速上市时间、减少要管理的器件库存等发挥积极作用。

ADI作为业界里面唯一一家能够提供从数字到整个天线这一整个解决方案的厂商，我们看到不同半导体材料技术在发展中的机遇。例如低频的地方，数字和转化器用的是CMOS工艺成本和性能综合优势无可比拟，再往上面走一点，像变频器这些会用SiGe工艺，然后到靠天线这个地方，再用砷化镓或者氮化镓的工艺，所以这是有很多技术的不同工艺技术的结合。事实上，砷化镓、氮化镓成本是最高的，其次是锗硅，CMOS最低。所以就变成了现在行业里面都在做的是，我怎么样通过技术建模，我以低成本的工艺去取代高成本的工艺，然后等于CMOS在慢慢取代锗硅，锗硅再慢慢取代砷化镓、氮化镓。