高频、高功率射频器件的市场发展趋势

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氮化镓(GaN)技术已经在影响高性能的射频市场，但MACOM公司认为这只是开始。该公司所处地位独特，致力于向用户提供采用包括GaAs、InP、SiGe、SiPh、GaN和CMOS在内的大多数工艺技术制造的产品。

氮化镓本身有两种主要类型，一种是作为很高功率应用理想之选的GaN on SiC，一种是能够增大晶圆直径、批量时驱动成本下降的硅基氮化镓(GaN on Si)，后者能充分利用CMOS提供的传统规模经济效应。MACOM公司希望氮化镓能够涉足所有的射频功能和应用。

作为射频和微波应用中的一种宽带隙半导体技术，硅基氮化镓具有高功率密度、高效率和高散热属性，因此正成为主流商业应用的重要选择。硅基氮化镓可以提供8倍的GaAs原始功率密度和4倍的LDMOS原始功率密度，效率范围从中档的40%到70%。

氮化镓的市场潜力是非常巨大的，这种工艺技术最终有望主导高性能的射频与微波市场。氮化镓的性能优势包括5倍于现有产品的带宽和2倍于现有产品的效率。

另外，氮化镓能够满足所有模拟功能和应用的要求。

GaN on Sic和硅基氮化镓的比较

事实上在物理层，SiC材料的生成速度要比硅慢200倍到300倍。这样，生产基板的成本将正比于生产时间。基于这个理由，GaN on SiC对主流商业应用来说仍然过于昂贵。不过它比较适用于军事、国防以及要求相对高功率的潜在高端通信领域中的特殊应用。

硅基氮化镓在能够降低成本的同时仍能受益于高功率密度和效率。另外，硅基氮化镓能顺应硅的发展路线图——有望最终适应裸片上与之一起存在的大量CMOS。

硅基氮化镓技术将受到电源转换应用的驱动，而这类应用所需的产品数量要比射频和微波大好几个量级。

MACOM公司总裁John Croteau认为，“确切地说，服务于电源转换市场的单个8英寸硅片工厂在几周时间内就能提供整个射频和微波行业使用一整年的产量。”

第二页：主流商业应用的发展道路

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第四页：X波段内核芯片

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主流商业应用的发展道路

随着氮化镓从一种小众、昂贵的工艺逐渐发展成一种大批量的商用化工艺，我们必须完整地认识氮化镓的技术优势，并在硅基板上清晰地展示出来；另外，必须建立一条可扩展、稳定的供应链。硅基氮化镓已经在功率密度和效率方面展示了它的一些技术优势，能够轻松打败GaAs和LDMOS。在高端射频和微波市场中，功率密度和效率是关键的考虑因素，因此大家对硅基氮化镓非常感兴趣。

建立一条稳定可靠的供应链涉及制造链中的两个关键步骤：首先是需要以高性价比和可扩展的方式供应氮化镓晶圆；其次，需要通过大批量硅代工厂加工这些晶圆。

为此，MACOM公司最近宣布与IQE达成了一份协议。IQE是一家领先的GaAs供应商，承诺为成本敏感的大批量应用提供高性价比、大批量的氮化镓材料。IQE在扩展生产氮化镓材料方面拥有丰富的运作经验、很强的能力和完善的资本结构。MACOM还向这个行业提供唯一安全的双源氮化镓供应链。

就跟GaAs一样，John Croteau预料针对小批量应用的氮化镓供应链方面存在着分歧。对成本敏感的应用将采用8英寸的硅基氮化镓路线。与此同时，资本金不多的代工厂将通过特殊的氮化镓工艺服务于多样化的小批量应用。

“目前高达50%的氮化镓收入归功于政府项目，而非商业生产。就像GaAs从小众技术变成大批量市场的中流砥柱那样，如今的氮化镓也在走相同的路线。”John Croteau指出。

“到成熟期，我们相信硅基氮化镓将受益于低于目前最大批量GaAs技术成本3倍和低于目前GaN on SiC技术成本100倍的硅片成本结构。”

MACOM承诺致力于推进GaN

MACOM拥有50件氮化镓器件/材料方面的专利和200件美国及国外专利。该公司将自己定位于推动硅基氮化镓最终使用8英寸晶圆实现批量生产。借助硅片行业的规模数量——比GaAs手机市场还要大两个数量级，MACOM预料不久就能将氮化镓推广到对成本敏感的应用。

对于一个完整的产品实现，支持最终市场应用的各种封装选项也是影响性能和成本的重要因素。最近，MACOM公司推出了针对大功率器件的表贴塑料封装。塑料封装的大功率氮化镓器件可以让设计师采用传统的表贴制造技术，并有效地减小系统尺寸和重量。这样，采用塑料封装的氮化镓器件将有利于系统制造成本的下降，并有利于提高与大批量塑料封装有关的测试效率。塑料封装氮化镓器件的推出向系统设计师提供了很大的灵活性，无需增加通常与晶体管封装有关的体积或重量就能实现高达90W的功率电平。

第三页：RFIC/MMIC推动射频和微波器件进一步整合

第四页：X波段内核芯片

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RFIC/MMIC推动射频和微波器件进一步整合

射频和微波领域的一个关键趋势是整合，移动行业不断增长的需求是其主要推手。GaAs这种技难、价高的技术向更高集成度的演进绝非坦途。眼下，GaAs用于构建高性能的MMIC，但硅或更重要的CMOS在持续缩小与GaAs的差距。其中，SOI(绝缘体上硅，同样是一种CMOS工艺)起着重要作用。SOI的一种特殊衍生物是由Peregrine Semiconductor推出的UltraCMOS技术(将硅做在蓝宝石基底上)，UltraCMOS既享有标准CMOS工艺的好处，同时又具有满足甚至超越GaAs工艺的性能优势。

通常，MMIC设计技术，如Lange耦合，只被III-V族技术采用。因为硅在更高频率的损耗特性，使用这些无源技术对硅进行处理一直都是挑战。

UltraCMOS是种可扩展、低功耗的蓝宝石SOI技术，具有优异的射频和微波特性。在微波频率，蓝宝石基底比标准的氧化铝微波基底的损耗要低得多。

因此，UltraCMOS技术使设计人员能够使用MMIC技术，MMIC需要低损耗基底来有效工作；UltraCMOS能以更小的寄生实现RFIC/MMIC(射频集成电路/单片微波集成电路)。 MMIC设计技术支持将无源器件集成到单个基芯，且不引入噪声。

UltraCMOS的一个关键优势是在实现MMIC的设计规则时不会影响微波性能；且在同时，还提供了增加控制逻辑和多波段调谐的能力。另外，眼下，该技术能够覆盖从直流到微波这一很宽的频率范围。特别是下探到直流的能力，是支持新类型电路的关键。

在单一基芯上整合了射频、微波、模拟和数字电路，将导向由Peregrine创生的概念——智能集成(Intelligent Integration)。此外，这种集成覆盖从直流到微波整个频谱，目前上探到约10GHz。

高性能RF一直由III-V族材料主导，通常都是限定为一种特定功能，很少或根本没有整合例如ESD、电压稳压器、DC跟踪...等“辅助”功能的能力。

UltraCMOS是改变这种状况的一个途径，它支持以低成本CMOS工艺的所有优点将高性能的RF和微波元件高度集成在一起。

第四页：X波段内核芯片

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从DC到X波段

为说明这点，Peregrine Semiconductor将其产品线扩展至DC和X波段频率，它推出了两款集成产品——一款True DC开关和一款X波段内核芯片。

基于该公司的UltraCMOS技术，这两款产品都在单一芯片上整合了射频、数字和模拟器件。传统上，整合一直是给海量市场带来成本效益，但Peregrine使用智能集成也为高性能市场贡献了性能优势。Peregrine的集成产品具有诸如可配置、灵活、可靠、可重复利用、易于使用、更小外形和更高性能等优势。

图1：基于UltraCMOS的True DC开关覆盖了0Hz到8000MHz这一很宽的频率范围。

在频谱的低端，Peregrine声称这是业界第一款也是唯一一款实现真正直流性能的射频集成开关。在0Hz到8000MHz这一很宽的频率范围内，这款UltraCMOS True DC开关(PE42020)有效地工作在以前无法企及的频谱域。这一频率扩展对诸如测试和测量等依赖准确性和精确性的市场极为重要。

这款True DC SPDT(单刀双掷)开关可处理高功率(30dBm@0Hz和36dBm@8GHz)，且在DC到8000MHz这一频率范围，都具有出色的射频性能和线性度。另外，它可开关：+10V至-10V直流和交流峰值电压、80mA电流的信号，为业界第一款此类产品。

在单一芯片上，True DC开关集成了多种功能：高性能的开关(RF)；直流跟踪(模拟)；控制逻辑和阻抗控制——50Ω吸收或开放式反射(数字)。

True DC开关的另一独特优势是其高效率的开关时间。虽然低频操作通常要求缓慢的开关时间，这款True DC开关采用先进的电路清除了这种依赖性，从而得到10μs的开关时间和15μs的建立时间，这对测试和测量应用来说，至关重要。

PE42020具有63dBm的高线性(IIP3)性能，以及端口到端口间37dB@6GHz的高隔离能力。它支持标准的+1.8V和+3.3V控制逻辑，工作温度范围为-40到+85℃。这款True DC开关还支持1000V HBM ESD抗静电规范，其外形为紧凑的20引脚、4×4mm的QFN塑封。

True DC开关的目标应用是在测试和测量市场替代易出问题的机械式继电器和MEMS开关。　　

X波段内核芯片

图2：采用MMIC设计技术的第一款集成的X波段、CMOS内核芯片。

在频谱的高端，Peregrine称它采用MMIC设计技术，提供了业界首款集成的X波段、CMOS内核芯片，它以极小功耗实现了高精确的信号控制。借助此X波段内核芯片，Peregrine将标准CMOS设计与无源MMIC电路结合起来，在微波频率开辟了真正的智能集成路径。

这种高性能、X波段内核芯片在单一基芯上集成了以下组件：一个七位数字移相器；一个七位数字步进衰减器；高隔离信号路径切换；真正兼容CMOS的紧凑数字串行接口控制。

频谱的X波段用于许多现代卫星和雷达系统，包括合成孔径雷达(SAR)和相控阵雷达。应用包括气象监测、空中交通管制、国防跟踪和地球观测。 Peregrine的集成芯片显著缩小了器件体积，为上述这些要求能被嵌入进窄小物理空间的系统提供了明显的体积优势。此外，UltraCMOS技术还提供了这些关键应用所要求的高可靠性。

这款X波段内核芯片提供的良好分辨率和控制精度是雷达应用的关键。在9~10.1GHz，该芯片可处理+18dBm的最大功率，以 0.25dB的步进覆盖31.75dB的衰减范围。移相器提供358度的相范围，分辨率为7度。在整个覆盖频率和工作温度，它都保持高的衰减性能和相位精度，并展现出低功耗特性。

本文来自《电子工程专辑》2015年12月《微波及射频》特刊，拒绝转载。