一、射頻芯片市場

根據 Yole Development 的統計，2G 制式智能手機中射頻前端芯片的價值為0.9 美元，3G 制式智能手機中大幅上升到3.4 美元，支持區域性4G 制式的智能手機中射頻前端芯片的價值已經達到6.15美元，高端LTE 智能手機達到12-15 美元，是2G 制式智能手機中射頻前端芯片的17 倍。預計到2023 年手機射頻（RF）前端模塊和組件將達到350 億美元，17-23 年復合年增長率為14%。

各種手機射頻前端組件的增速不一，如天線調諧器（Antenna tuners）

的復合年增長率為40%，濾波器（Filters）的復合年增長率為21%，射頻開關（Switches）的復合年增長率為12%，而射頻功率放大器和低噪聲放大器（PAs & LNAs）的復合年增長率僅為1%。

4G多模多頻手機所需的PA芯片增至5-7顆，StrategyAnalytics預測稱5G時代手機內的PA或多達16顆之多。就工藝材料來說，目前砷化鎵PA是主流，CMOS PA由于參數性能的影響，只用于低端市場。4G特別是例如高通等LTE cat16，4x20MHZ的載波聚合技術，對PA線性度高Q值得要求，會進一步依賴砷化鎵PA。同時，據Qorvo預測，隨著5G的普及， 8GHz以下砷化鎵PA仍是主流，但8GHz以上氮化鎵有望在手機市場成為主力。隨著無線通訊協議的復雜化及射頻前端芯片設計的不斷演進， PA設計廠商往往將開關或雙工器等功能與功率放大電路集成在一個芯片封裝中，形成多種功能組合。根據實際情況，TxM（PA+Switch）、PAD（PA+ Duplexer）、 MMPA（多模多頻PA）等多種復合功能的PA芯片類型。

二、什么是RF功率放大器

功率放大器是把輸入信號放大并向負載提供足夠大的功率的放大器。射頻功率放大器（RF PA）是發射系統中的主要部分，其重要性不言而喻。在發射機的前級電路中，調制振蕩電路所產生的射頻信號功率很小，需要經過一系列的放大（緩沖級、中間放大級、末級功率放大級）獲得足夠的射頻功率以后，才能饋送到天線上輻射出去。為了獲得足夠大的射頻輸出功率，必須采用射頻功率放大器。在調制器產生射頻信號后，射頻已調信號就由RF PA將它放大到足夠功率，經匹配網絡，再由天線發射出去。

放大器的功能，即將輸入的內容加以放大并輸出。輸入和輸出的內容，我們稱之為“信號”，往往表示為電壓或功率。射頻功率放大器的主要技術指標是輸出功率與效率，如何提高輸出功率和效率，是射頻功率放大器設計目標的核心。通常在射頻功率放大器中，可以用LC諧振回路選出基頻或某次諧波，實現不失真放大。除此之外，輸出中的諧波分量還應該盡可能地小，以避免對其他頻道產生干擾。

根據工作狀態的不同，功率放大器可分為：線性功率放大器和開關型功率方法器。

線性功率放大器的工作頻率很高，但相對頻帶較窄，射頻功率放大器一般都采用選頻網絡作為負載回路。線性射頻功率放大器可以按照電流導通角的不同，分為甲（A）、乙（B）、丙（C）三類工作狀態。甲類放大器電流的導通角為360°，適用于小信號低功率放大，乙類放大器電流的導通角等于180°，丙類放大器電流的導通角則小于180°。乙類和丙類都適用于大功率工作狀態，丙類工作狀態的輸出功率和效率是三種工作狀態中最高的。射頻功率放大器大多工作于丙類，但丙類放大器的電流波形失真太大，只能用于采用調諧回路作為負載諧振功率放大。由于調諧回路具有濾波能力，回路電流與電壓仍然接近于正弦波形，失真很小。

開關型功率放大器（Switching Mode PA，SMPA），使電子器件工作于開關狀態，常見的有丁（D）類放大器和戊（E）類放大器，丁類放大器的效率高于丙類放大器。SMPA將有源晶體管驅動為開關模式，晶體管的工作狀態要么是開，要么是關，其電壓和電流的時域波形不存在交疊現象，所以是直流功耗為零，理想的效率能達到100%。

總體來講，傳統線性功率放大器具有較高的增益和線性度但效率低，而開關型功率放大器具有很高的效率和高輸出功率，但線性度差。

三、功率放大器的工藝

目前功率放大器的主流工藝依然是GaAs工藝。另外，GaAs HBT，砷化鎵異質結雙極晶體管。其中HBT（heterojunction bipolar transistor，異質結雙極晶體管）是一種由砷化鎵（GaAs）層和鋁鎵砷（AlGaAs）層構成的雙極晶體管。

CMOS工藝雖然已經比較成熟，但Si CMOS功率放大器的應用并不廣泛。成本方面，CMOS工藝的硅晶圓雖然比較便宜，但CMOS功放版圖面積比較大，再加上CMOS PA復雜的設計所投入的研發成本較高，使得CMOS功放整體的成本優勢并不那么明顯。性能方面，CMOS功率放大器在線性度，輸出功率，效率等方面的性能較差，再加上CMOS工藝固有的缺點：膝點電壓較高、擊穿電壓較低、CMOS工藝基片襯底的電阻率較低。

四、功率放大器發展趨勢

英國研究公司Technavio 稱，全球功率放大器市場主要有三個四發展趨勢：晶圓尺寸增大；初創企業采用CMOS 技術；國防領域的高速放大器需求逐漸增大：利用InGaP 工藝，實現功率放大器的低功耗和高效率。

晶圓尺寸變大。半導體行業見證了過去40 年晶圓尺寸的變化，砷化鎵（GaAs）晶圓尺寸從50mm 增大到150mm，制造成本降低了20%～25%。目前，業界制造功率放大器通常采用150mm晶圓。預測150mm 晶圓還將繼續使用，因為***的穩懋半導體公司等制造商還在大力投資升級和新建150mm 工廠。業內正在開發200mm 晶圓技術，預計2018 年底能夠試生產。斯坦福大學研究人員正在研究降低200mm GaAs 晶圓的價格，使其可以以較低的價格與硅晶圓爭奪市場。同時這也對掩膜版檢測設備登晶圓制造設備提出需求。

初創公司采用CMOS技術。一些初創企業，如Acco Semiconductor ， 正越來越多的采用CMOS 技術。Acco Semiconductor 抓住移動手機和物聯網產品對射頻功率放大器巨大需求的機會，已經投資350 億美元擴展其基于CMOS 的射頻功率放大器業務。目前絕大多數功率放大器采用鍺硅（SiGe）或GaAs 技術，而非CMOS。但根據報告可知，基于CMOS 工藝有助于實現低成本、高性能的功率放大器。

國防領域需要高速放大器。軍事領域需要更高效的利用頻譜，更多的使用移動設備來通信。因此，Technavio 公司稱，軍事領域要求高速功率放大器。美國國防先期研究計劃局（DARPA）在太赫茲電子項目中已取得進展，即美國諾·格公司開發了出固態功率放大器和行波管放大器，這是僅有的兩款太赫茲頻率產品。太赫茲頻段的功率放大器可用于許多領域，包括高分辨率安全成像、高數據速率通信、防撞雷達、遠距離危險化學品和爆炸物探測系統等，這些設備的高速率運行要求必須使用高速放大器。

利用InGaP 工藝，實現功率放大器的低功耗和高效率。InGaP 特別適合要求相當高功率輸出的高頻應用。InGaP 工藝的改進讓產量得到了提高，并帶來了更高程度的集成，使芯片可以集成更多功能。這樣既簡化了系統設計，降低了原材料成本，也節省了板空間。有些InGaP PA 也采用包含了CMOS 控制電路的多芯片封裝。如今，在接收端集成了PA 和低噪音放大器（LNA）并結合了RF 開關的前端WLAN 模塊已經可以采用精簡型封裝。例如，ANADIGICS 公司提出的InGaP-Plus 工藝可以在同一個InGaP 芯片上集成雙極晶體管和場效應晶體管。這一技術正被用于尺寸和PAE（功率增加效率）有所改進的新型CDMA 和WCDMA 功率放大器。

五、功率放大器的主要指標

工作頻率范圍。一般來講，是指放大器的線性工作頻率范圍。如果頻率從DC 開始，則認為放大器是直流放大器。

增益。工作增益是衡量放大器放大能力的主要指標。增益的定義是放大器輸出端口傳送到負載的功率與信號源實際傳送到放大器輸入端口的功率之比。增益平坦度，是指在一定溫度下，整個工作頻帶范圍內放大器增益的變化范圍，也是放大器的一個主要指標。

輸出功率和1dB 壓縮點（P1dB）。當輸入功率超過一定量值后，晶體管的增益開始下降，最終結果是輸出功率達到飽和。當放大器的增益偏離常數或比其他小信號增益低1dB 時，這個點就是大名鼎鼎的1dB壓縮點（P1dB）。

效率。由于功放是功率元件，需要消耗供電電流。因此功放的效率對于整個系統的效率來講極為重要。功率效率是功放的射頻輸出功率與供給晶體管的直流功率之比。

交調失真。交調失真是指具有不同頻率的兩個或者更多的輸入信號通過功率放大器而產生的混合分量。這是由于功放的非線性特質造成的。

三階交調截止點（IP3）。IP3 也是功放非線性的重要指標。當輸出功率一定時，三階交調截止點輸出功率越大，功放的線性度就越好。

動態范圍。功放的動態范圍一般是指最小可檢測信號到線性工作區最大輸入功率之間的差值。自然，這個值肯定是越大越好。

諧波失真。當輸入信號增加到一定程度后，功放會由于工作到了非線性區產生一系列諧波。對于大功率放大器系統中，一般需要用濾波器將諧波降到60dBc 以下。

輸入/輸出駐波比。表明功放和整個系統的匹配程度。輸入、輸出比變壞會導致系統的增益起伏和群時延變壞。但是高駐波比的功放是比較難以設計的，一般的系統中，都會需要要求功放的輸入駐波比低于2：1。