“小型化、高效率、大带宽”，「优镓科技」研发 5G 基站端氮化镓射频功放芯片

图 | Unsplash@ Macau Photo Agency

5G基站的建设采取大规模多天线技术（Massive MIMO）并要求高频宽带高效率，由此功放芯片等元器件性能的提升面临更大的挑战。

近期，36氪了解到一家专注高性能射频氮化镓 (GaN) 功率放大器芯片的 IC 设计公司——优镓科技（北京）有限公司（以下简称「优镓科技」），公司创立于2019年10月，属于比较典型的由学校知识成果转化而来的项目，创始团队成员均来自于清华大学电子工程系，目前刚完成第一代样片的设计和流片，正处于测试、送样阶段。

「优镓科技」曾于2019年10月获得了过千万元天使轮融资，由英诺天使领投，常见投资、腾飞资本、清华DNA基金跟投。

针对 5G 基站建设提出的新要求，GaN 相比于其他方案的优势主要体现在以下方面：1）小型化，GaN 在功率密度上的优势使得芯片体积大量缩小，对于整机系统的尺寸有巨大改进；2）高效率、高频率，GaN 可以工作在更高的频率，提供更宽的信号带宽，同时实现更低的系统能耗，据公司介绍，5G 基站 AAU 实测中 PA（射频功放芯片）能耗开销占比可达44%，GaN 方案将在很大程度上降低基站能耗。

图 | 优镓科技

在 GaN 功放芯片的设计方面，难点主要在于如何

产品优势方面，黄飞介绍，公司一方面优势在于做的是国内自主可控、完全自主研发的功放产品，另一方面核心团队在宽带 Doherty 功放电路架构有十几年经验，样片初测结果显示，和国外主流的头部器件厂商相比，第一代产品性能指标已经达到同一水准。下一步「优镓科技」将通过不断迭代使得产品在性能指标上更具有优势，达到设备商对于产品性能的需求。

尽管成立时间不长，公司核心团队已经进行了十多年功率放大器的研究设计，未成立公司前，团队就与华为、中兴、大唐等设备制造商有过紧密合作，部分核心关键技术已批量应用，据黄飞介绍，由于客户多集中于运营商以及头部通信设备商，目前的研发主要针对客户的需求提供比较直接的解决方案。

生产模式上，「优镓科技」采取 fabless 轻资产模式，专注芯片电路设计与销售，将生产、测试以及封装等环节外包。除了基础设备投资上的权衡，另一部分还考虑到公司的灵活性，“5G建设早期这个阶段，从运营商到设备商各个性能点还在不断变化，这种模式能够面向市场灵活快速地响应各方的新需求 ”。

未来量产方面，公司告诉36氪，有两个核心的关键点，一是在已有的 fabless 生产模式上，如何保证产品发挥出最佳的性能，这对设计方法以及工艺的熟悉度要求比较高，公司的团队在这一点上已经有了突出的技术实力和准备；另一方面公司还在推进量产阶段产品一致性的控制，团队正加大投入并准备扩充相关人才的储备。

基站应用中， LDMOS 方案仍为目前主流方案。「优镓科技」认为，在未来几年内，由于价格以及稳定性的考虑，LDMOS 仍将占有一定比例的市场份额，然而随着 GaN 方案性能优势的突出，价格的下探，性价比提高，GaN 将会逐步替代 LDMOS 方案。

传统的基站功率放大器领域由飞思卡尔（Freescale）、恩智浦（NXP）、英飞凌（Infineon）垄断，集中提供 LDMOS 方案。黄飞认为国内 GaN 功放芯片的初创公司更多的机会在于丰富产业链，一方面为设备商提供差异化产品，另一方面也降低了设备商供应链的风险，避免采购过于集中。

目前国内外设计和生产基站射频PA的厂商（包括IDM、Foundry和Fabless）并不多。有代表性的 IDM 包括Qorvo、英飞凌、NXP、Cree、日本住友、ADI、MACOM，以及我国的苏州能讯，有代表性的Foundry有稳懋、GCS、三安光电、海特高新、欧洲的 UMS 以及被中国益丰电子收购的OMMIC。

产品竞争策略方面，据黄飞介绍，一方面产品的性能指标较多，「优镓科技」在宽带以及线性度上的优势比较明显，但差异性可能更多体现在产品设计的思路上：公司侧重基于 GaN 材料设计芯片模组的解决方案 ，虽然如今市面上使用更多还是 LDMOS 和低集成度 GaN 器件方案，但是公司认为厂商们还有更多的小型化需求，待模组方案达到落地标准，市场一定会被打开。

团队成员方面，公司核心团队均来自清华大学电子工程系，CEO黄飞拥有该系本硕博背景，首席科学家陈文华教授系清华电子工程系长聘教授，长期专注于高效射频功放与线性化技术研究。

根据 Yole 的预测，GaN 射频器件市场预计到2024年成长至20亿美元，6年 CAGR 达到21%。主要的市场增长来自无线通信基础设施和军工。5G的普及将推动 GaN 在无线通信的市场达到7.5亿美元。在长远规划上，黄飞表示公司比较关注技术本身所擅长的一些应用场景，如小基站、WiFi6 的企业网以及卫星通讯地面设备等相关场景。

公司目前有融资需求，新一轮融资主要用来完成团队进一步扩充和加大产品研发投入。

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线性功率放大器的线性指标

在放大器线性度的评估中使用下面三个指标来度量。每个指标评估放大器性能的不同方面，每个指标都有给定的目的。这些指标是：

•误差矢量幅度（EVM），

•邻道功率（ACP），

•谐波失真（HD）。

这些线性度量指标通常是独立的，这意味着在一个度量中具有非常好的性能并不能必然保证其他度量也是好的。例如尤其是ACP和EVM：ACP可以很好，但是EVM可能非常差。

EVM：度量带内信号的精度

任何信号调制器的目标是提供与所需信号相量相同的输出信号相量（复包络εeθ）。来自输出信号相量与理想相量之间的任何差异称为输出误差矢量（ output error vector）。EVM的原理如图4-10所示。

图4-10

图4-10 误差矢量（EVM）是实际和理想信号相量之间的相量差。 单位：％是最常见的，但有时使用dB。

与任何矢量一样，此误差矢量也具有幅度和相位。只要幅度很小，那么误差矢量的相位也就不那么重要了。无论误差矢量的相位如何，准确的输出都将具有小的EVM，因此标准委员会仅对此EVM指标做出指定限制。

EVM测量信号调制的质量，表明信号相量接近应该的位置。这是带内（信道内）信号精度的度量。 EVM严格来说是一个时域测量。仅通过查看信号PSD（既功率谱密度）无法确定EVM是否良好。通过一个例子可以很容易地解释这一点。众所周知，信号PSD（既功率谱密度）仅由符号速率和所使用的滤波来定义。实际上，QPSK或256 QAM的PSD是相同的，只要它们具有相同的符号时间并且使用相同的基带I和Q滤波器。如果信号实际上是16 QAM而它应该是64 QAM，则EVM将是巨大的，即使对信号频谱测量中没有可辨别出来的差异。

EVM可以通过两种方式定义：一种是仅在符号时间聚焦于信号相量，而另外一种是作为整个调制波形的精度。这两个EVM计算可以按照顺序进行讨论：当仅需要信号采样时间（TS）的精度时，实际报告的EVM值是在连续状态的定义数量（L）上的平均的和归一化的幅度值。EVM指标是一种均方根（rms）平均，归一化为理想的预期信号：

这里我们将x（kTs）定义为理想的信号状态（星座点），而x ^（kTs）则是实现的实际调制信号。这两个值通常在每个符号采样一次，时间为kTS。通常，这种平均的结果以百分比形式报告，因为EVM计算被归一化为理想的预期信号。 EVM性能的常见要求约为5-15％。

在一些应用中，期望不仅在符号时间（星座点）处评估EVM，而且在信号波形的所有采样点xn处评估EVM。这导致（4.2）的“连续”波形版本，即：

这里我们将xn定义为用于第n个波形样本的理想波形值，并且x ^ n是实现的实际波形值。

ACP：带外信号精度

对于具有变化包络的信号，与发射机输出功率相比，输出包络中的失真导致信号PSD在低至中等功率水平下就会展宽，这种现象有时也被称为频谱再生（spectral regrowth），图4-11显示了一个例子。并非所有系统对此效果都同样敏感，因此具体情况差异很大。

图4-11

图4-11 相邻信道功率（ACP）是由功率放大器的非线性引起的信号功率的不希望的扩展：（a）当插入非线性放大器时产生ACP; （b）ACP的测量代表另一个类似的射频无线电将经历的频谱。

谐波：宽带波形的精度

谐波来自载波波形的失真，只要功率放大器完全具有任何非线性时，就需要傅里叶变换（Fourier transform）。图4-12显示了两个谐波含量非常不同的信号。在图4-12（a）中，谐波含量很低，只有二次谐波功率可以在这个规模上测量。图4-12（b）中的情况非常不同，其中放大器工作时具有足够的非线性（非常靠近PSAT既饱和功率点），因此可以很容易地测量到高达十阶的谐波。这两种测量的基频输出功率几乎相同。

图4-12

图4-12 两个放大器的谐波性能对比：（a）效率低的线性放大器; （b）具有高效率的强非线性放大器。

如前面的文章所讲述的那样，任何具有固有能量效率的放大器都需要非线性操作。当需要有效的放大器时，晶体管输出端口总会出现大量的谐波。然而，根据线性放大器的定义，发射机设计需要在它们到达最终发射机天线输出之前抑制这些谐波。

IV曲线模型（负载线，load line）

当输出信号大于输入信号时，存在放大器增益。输出信号电压由晶体管输出电流流过负载电阻RL产生。晶体管的关键性能参数是其传导（gm，transconductance ），输电流随输入电压的变化而变化：gm = dI / dV。由此，我们得到gm * RL表示的器件增益，这是一个斜率增益（slope gain）。

一种非常有用的图形技术可以将这些概念联系起来，并帮助理解电路中实际发生的情况，这是晶体管特性曲线和负载线（load line）的叠加。一个例子如图4-13所示。通过记住如果输出处于电源电压，则没有电流通过负载，就容易理解负载线的端点。如果输出为0 V，则通过负载电阻的电流为VSUPPLY / RL。当负载线（load line ）穿过特性曲线，它们之间的交点就是电路的有效工作点。

图4-13

图4-13 负载线覆盖在晶体管特性曲线上; 交叉点是有效的工作点。

器件跨导gm对于AB类偏置的功放而言不是恒定的，特别是对于双极器件（bipolar devices）尤其如此。对于C类偏置，情况更糟，其中gm为零，直到输入信号超过负偏置值，然后通过快速变化进行直到显著的器件电流流动。这与说明如图4-13中的曲线中的特征曲线的间距对于控制参数中的相等步长所表现出来的不均匀特性是相同的原理。

本头条号后面会陆续讲解介绍动态电源射频发射机的的基本结构以及工作行为和原理，敬请关注。

（完）

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