5G：先进化再革命

5G的推出将使 行业受益。GaAs HBT和GaN HEMT的应用将蓬勃发展，其他技术的发展也将随之而来，例如GaAs pHEMT和硅上GaN晶体管。

Richard Stevenson

总有些人想要最新和最好的。他们肯定会首先跟进5G智能手机，这些手机具有更快的连接速度，承诺可以在一分钟左右的时间内下载一部4K的电影。

但是，这些早期使用者可能会非常失望。如果他们生活在刚刚推出5G的城市中，那么他们确实将会享有更好的连接，而且当每个人都希望同时访问互联网时，这是非常有价值的。但是，如果他们希望以惊人的速度下载数据，那么他们可能会感到震惊和失望。根据许多专家的说法，速度只会增加20%。

为什么这些期望与现实会有很大的不同呢？简单说，这是因为5G的部署分两个阶段进行——目前，正在进行推广的只是低于6GHz的频段。它的工作频率通常为2.6GHz或略高，并且该频段的用户覆盖范围也会不断扩大，将为运营商带来新的商机，例如工业监控。针对第二阶段的部署，最早要到2023年左右才开始推广，这将大大提高数据速率，这要归功于转移到24GHz以上毫米波频谱中更宽的频带。

只有像Yole Développement的分析师一样，必须了解这两个阶段部署的细节，才有可能预测5G的出现将如何影响RF 器件的销售。Yole的专家认为，推出5G将对GaAs和GaN有利。用于移动电话的GaAs基功率放大器的产量将增加，因为新网络的引入将使得每部电话平均需要增加一个放大器。随着运营商部署5G基础设施，GaN HEMT的销售量也将增加，这些运营商将在未来几年内开始形成国家级的网络。

在韩国，英国，美国，日本和中国的城市中，已经在开始部署低于6GHz的5G网络。

Yole的功率与无线团队技术与市场分析师Antoine Bonnabel说：“该技术看起来很像LTE。”由于这种相似性，Bonnabel认为开发和实施这种形式的5G相对容易，只需要通过现有基站升级来包括这种新的通信技术即可。

在一些人口稠密的城市地区，运营商还通过引入小型蜂窝网络来提高覆盖范围。这已经在韩国出现了，三星已经部署了53,000个工作频率为3.5GHz的设备。运营商最初使用这些蜂窝网络来提供LTE覆盖，但随着时间的推移，它们将升级来运行5G网络。

美国也正在大量部署小型蜂窝网络。在2018年，Sprint增加了27,000个小型蜂窝网络，遍布9个城市。这些蜂窝网络的工作频率为2.5GHz。

这些小型蜂窝网络的输出小于常规基站的输出。它们不是输出240W，而是通常输出在40W至80W之间。“这也仍然是高功率的，” Bonnabel说。“可以达到数百米的距离。”

氮化镓与硅

多年来，网络运营商不得不在硅LDMOS和GaN之间进行选择，以便提供基站的放大功能。对于新兴的5G网络，基站需要以相对较高的效率提供高功率，而这正好是GaN能够满足的要求。根据Bonnabel的说法，对于所有使用常规技术构建的5G基站，由于频率高于2.6GHz，从而使得GaN成为唯一可行的选择。

图1. 如今，无线通信的两种最常见技术是硅LDMOS和GaN，后者在更高的频率上占据上风。摘自“5G对电信基础设施的影响 ”（5G Impact on Telecom Infrastructure）报告，Yole Développement，2019年。

随着运营商从一代通信技术转移到另一代通信技术，他们还独立地提升了自己的天线技术。一种创新是引入有源天线，此举允许波束成形和大规模MIMO。为了提供这些技术，每个天线都采用一个小的前端放大器，而不是所有天线元件共同使用一个前端放大器。以这种方式配置基站，可以大大降低每个天线元件的功率要求，从而为在5G网络中使用硅LDMOS开辟了大门。

但是，即使GaN在5G网络中因某些任务而面对来自硅LDMOS的竞争，该器件的出货量仍将快速增长。据Bonnabel称， GaN器件在基站市场的销售额，将从今年的3亿美元增长到2024年的7.5亿美元。

Bonnabel说，目前用于生产这些GaN HEMT的唯一衬底是SiC。但是，他指出，业界对于转向硅衬底的机会非常有兴趣，因为这会带来潜在的低成本，具有接近硅LDMOS的价格。

日本公司住友占据了SiC上GaN市场的最大份额，该公司以分立器件的形式出售其GaN放大器。Bonnabel表示：“（占据主导地位的）主要原因是他们是华为的独家供应商。”他认为住友的成功是当之无愧的，因为它拥有最好的技术，而且还在不断完善。为了适应不断增长的市场，住友正在提高其生产能力，此举将有助于其继续保持领先地位，包括Wolfspeed和Qorvo也只能是追赶。

多个国家/地区由于相关安全性问题的立法，否决了华为赢得全球5G部署合同的企图。

“由于这项禁令，中国在5G部署方面的投资超出了应有的规模，”Bonnabel说。“他们应该在三年的时间内进行的投资，实际上他们已经在一年内就完成了。”

华为在5G市场上与其他同行相比的一个优势是，它在制造和部署在低于6GHz频段内以相对较高的频率运行的设备方面，拥有丰富的专业知识。相比之下，当今美国和欧洲网络中的主要频率低于2.6GHz，这是诺基亚和爱立信主要的服务范围。

图2. 到2025年，GaN将成为传统基站和毫米波5G中的主导技术。但是，在大规模MIMO中，硅LDMOS有望取得成功。摘自“5G 对电信基础设施的影响 ” 报告，Yole Développement，2019年。

具有讽刺意味的是，直到最近，美国才允许使用更高的频率，例如3.5GHz和4.2GHz的频段。在发展中国家，立法者更愿意允许使用更高的频率，并且运营商正在将它们用于4G的部署。“他们之所以选择华为产品，是因为华为的比爱立信的便宜30％，”Bonnabel说。

5G智能手机

除了推出5G网络外，业界还推出了一些兼容的智能手机。除了个别几个例外，目前5G功能还仅限于6GHz以下的网络。

据在Yole的电源与无线部门工作的技术与市场分析师Cédric Malaquin称，到目前为止，5G智能手机的销售总额在500万至1000万美元之间，Malaquin的专长是研究RF设备和技术。此外Malaquin预计，即使到今年年底，5G手机的销量也不会超过5000万部，并且要等到2025年，它们才有可能占据30％的市场份额。“到时候的数量大约为6亿只。”

智能手机中采用 部分的形式为GaAs功率放大器。“功率和效率是其他任何技术都无法比拟的，尤其是CMOS，”Malaquin说。他预计，随着运营商对从设备到基站需要提供越来越多功率的要求来看，GaAs功率放大器将继续占据主导地位。

如果将时钟倒转几年回去，GaAs功率放大器的制造商，例如美国的四大厂家RFMD，Skyworks，TriQuint和Anadigics，仍在努力增加分立器件的销售。但是，目前情况已远非如此。战场需求已经改变，竞争围绕着前端模块的销售而展开，这些前端模块集成了GaAs功率放大器，滤波器和在频段之间进行切换的芯片。

在这个领域的竞争对手包括Skyworks，Murata和Qorvo（由RFMD和TriQuint合并而成的实体），它们正在利用其内部GaAs功率放大器的技术来制造前端模块。与之抗衡的是高通公司和博通公司，它们都通过利用台湾WIN半导体等GaAs代工厂的服务，来制造自己的GaAs功率放大器。

评估6GHz以下5G网络对GaAs功率放大器产量的影响，这并不是一件容易的事情。在某些国家，例如日本，他们已建立在高频下运行的4G网络，因此设计工程师可能会对4G和5G信号使用同一个放大器。但据Malaquin估计，这不一定会是规范。他计算出，平均而言，5G的引入将使得每部电话增加一个功率放大器。对于MOCVD工具，GaAs衬底，金属有机物源材料和表征设备的制造厂商来说，这是个好消息，他们显然都很欢迎类似的额外业务。

请注意，前端模块中的关键组件不是GaAs功率放大器，因为它的生产可以外包。Malaquin说：“更重要的是拥有合适的成本和合适的滤波器性能，”他认为，正是基于这项技术的卓越成就，才有了Skyworks，Qorvo，Broadcom，Murata和Qualcomm的成功。

毫米波网络... ...

5G推出的第二阶段，毫米波网络的引入，将需要基础设施方面的重大革命，而不仅仅是小的进化。在24GHz或更高的频率下，信号衰减要高得多，因此智能手机必须距离基站更近。从而此时需要有由小蜂窝组成的密集得多的网络。仅在体育馆等人群密集的地区部署，这种方法才显得有意义。

毫米波网络的试验正在进行中。在美国，人们对该技术有极大的兴趣，但据Bonnabel称，从事该领域工作的人们发现它比预期的更具挑战性。“目前，人们已经从毫米波后退了一步，他们对6GHz以下的频率越来越感兴趣了。”

Bonnabel相信，毫米波的市场将在2023年开始发展，而且从那时起，增长也将是比较适中的。“运营商在年度部署上能够花费的资金有限，因此毫米波小型蜂窝网络的资金将受到限制，并且不会大幅增长，”Bonnabel说。他预计，到2025年，小型蜂窝网络的市场销售将出现一个饱和。“我们预期这不是一个发展速度飞快的市场，可见的设备也就数以百万计而已。”

图3. 以39GHz相控阵基站和终端为目标的Qorvo 3 GHz的SiC上GaN MMIC前端模块的光学图像。

目前尚不清楚在这些小型蜂窝网络部署中将使用哪种技术。在今天的试验中，毫米波蜂窝网络使用的是GaN。“从长远来看，当每个小蜂窝网络中有大量天线时，您可能不会选择使用功率放大器，而尽可能能够利用CMOS本身，”Bonnabel是这样认为的。

…...以及智能手机

对于那些居住或者工作在正进行5G毫米波试验场地的人们来说，他们有机会通过购买极少数的兼容手机之一来体验这一革命性的网络。这些手机包括三星SG105G的一个版本，以及摩托罗拉提供的一种解决方案。将新增加的技术塞入手机中，从而使其能够在毫米波波段内工作远没有我们想的那么简单。实际上，摩托罗拉甚至都没有想要去尝试，反之，他们希望针对这个频谱域使用一个单独的单元，然后将其附加到在其Z系列手机之一上来进行工作（图4）。

图4. 提供毫米波连接的5G Moto Mod将5G调制解调器放在塑料封装中。使用磁铁和弹簧针，该部件可以和Motorola Z系列手机电话进行连接使用。

设计一个能够在这些频率下工作良好的手机，这是一个艰巨的任务。天线增益低，并且当前的CMOS功率放大器效率还很低下。“这将是你的电池寿命问题，”Malquin说。

拆解摩托罗拉毫米波单元表明，它采用的是硅基功率放大器。Malaquin说：“效率相当差。”他认为工程师之所以采用这种方法，是因为这是将产品推向市场的最快方法。

在接下来的几年中，其他技术可能会脱颖而出。“在6GHz以上，今天的HBT恐怕无法胜任，”Malaquin说。“但是对于pHEMT，情况就不同了，我们完全可以使用pHEMT设计来制作毫米波放大器。”另一个候选是硅上氮化镓，该技术的困扰之一是因为人们对其可靠性的担忧。

这进一步证明了5G革命性阶段的不确定性。第一阶段肯定不是这样的，那会是4G LTE的进化，这个进化将推动GaAs HBT和GaN HEMT的产量增加。因此，从短期来看，5G对于 行业肯定是有利的，而且展望未来，毫米波网络的推出可能会带来额外的销售。

图5. 5G的引入将对移动设备的RF前端架构产生影响。摘自“5G对手机射频前端模块和连接性的影响 ”（5G’s Impact on RF Front-End Module and Connectivity for Cell phones）报告，Yole Développement，2019年。