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射頻功率放大器產業鏈及機遇解讀!
文章作者:admin 上傳更新:2019-07-15 17:57

隨著 5G 進程的加快,5G 基站、智能移動終端及 IoT終端射頻功率放大器(PA)使用量大幅增加,將迎來發展良機。智能移動終端射頻 PA 市場規模將從 2017 年的50 億美元增長到 2023 年的 70 億美元,復合年增長率為 7%,高端 LTE 功率放大器市場的增長,尤其是高頻和超高頻,將彌補 2G/3G 市場的萎縮。

本文將為大家分享一篇報告有關5G時代,射頻功率放大器產業鏈上的投資機會。該報告中給出一些分析建議,供參考。

 

5G推動手機射頻 PA 量價齊升: 4G 時代,智能手機一般采取 1 發射 2 接收架構,預測 5G 時代,智能手機將采用 2 發射 4 接收方案,未來有望演進為8 接收方案。功率放大器(PA)是一部手機最關鍵的器件之一,它直接決定了手機無線通信的距離、信號質量,甚至待機時間,是整個射頻系統中除基帶外最重要的部分。手機里面 PA 的數量隨著 2G、3G、4G、5G 逐漸增加。

5G 基站,PA 數倍增長,GaN 大有可為:4G 基站采用 4T4R 方案,按照三個扇區,對應的射頻 PA需求量為 12 個,5G 基站,預計 64T64R 將成為主流方案,對應的 PA需求量高達 192 個,PA數量將大幅增長。目前基站用功率放大器主要為 LDMOS 技術,但是 LDMOS 技術適用于低頻段,在高頻應用領域存在局限性。

5G 基站 GaN 射頻 PA 將成為主流技術,逐漸侵占LDMOS 的市場,GaAs 器件份額變化不大。GaN 能較好的適用于大規模MIMO,預計 2022 年,4G/ 5G 基礎設施用 RF 半導體的市場規模將達到 16億美元,其中,MIMO PA年復合增長率將達到 135%,射頻前端模塊的年復合增長率將達到 119%。

一、5G智能移動終端,射頻PA的大機遇

1. 射頻器件皇冠上的明珠

射頻功率放大器(PA)作為射頻前端發射通路的主要器件,主要是為了將調制振蕩電路所產生的小功率的射頻信號放大,獲得足夠大的射頻輸出功率,才能饋送到天線上輻射出去,通常用于實現發射通道的射頻信號放大。

手機射頻前端:一旦連上移動網絡,任何一臺智能手機都能輕松刷朋友圈、看高清視頻、下載圖片、在線購物,這完全是射頻前端進化的功勞,手機每一個網絡制式(2G/3G/4G/WiFi/GPS),都需要自己的射頻前端模塊,充當手機與外界通話的橋梁—手機功能越多,它的價值越大。

 

射頻前端模塊是移動終端通信系統的核心組件,對它的理解可以從兩方面考慮:一是必要性,它是連接通信收發器(transceiver)和天線的必經之路;二是重要性,它的性能直接決定了移動終端可以支持的通信模式,以及接收信號強度、通話穩定性、發射功率等重要性能指標,直接影響終端用戶體驗。

 

射頻前端芯片包括功率放大器(PA),天線開關(Switch)、濾波器(Filter)、雙工器(Duplexer 和 Diplexer)和低噪聲放大器(LNA)等,在多模/多頻終端中發揮著核心作用。

射頻前端產業中最大的市場為濾波器,將從 2017 年的 80 億美元增長到2023 年 225 億美元,復合年增長率高達 19%。該增長主要來自于 BAW 濾波器的滲透率顯著增加,典型應用如 5G NR 定義的超高頻段和 WiFi 分集天線共享。

 

功率放大器市場增長相對穩健,復合年增長率為 7%,將從 2017 年的 50億美元增長到 2023 年的 70 億美元。高端 LTE 功率放大器市場的增長,尤其是高頻和超高頻,將彌補 2G/3G 市場的萎縮。

 

2. 5G推動手機射頻 PA 量價齊升

射頻前端與智能終端一同進化,4G 時代,智能手機一般采取 1 發射 2 接收架構。由于 5G 新增了頻段(n41 2.6GHz,n77 3.5GHz 和 n79 4.8GHz),因此 5G 手機的射頻前端將有新的變化,同時考慮到 5G 手機將繼續兼容4G、3G 、2G 標準,因此 5G 手機射頻前端將異常復雜。

預測 5G 時代,智能手機將采用 2 發射 4 接收方案。

 

無論是在基站端還是設備終端,5G 給供應商帶來的挑戰都首先體現在射頻方面,因為這是設備“上”網的關鍵出入口,即將到來的 5G 手機將會面臨多方面的挑戰:

更多頻段的支持:因為從大家熟悉的 b41 變成 n41、n77 和 n78,這就需要對更多頻段的支持;

不同的調制方向:因為 5G 專注于高速連接,所以在調制方面會有新的變化,對功耗方面也有更多的要求。比如在 4G 時代,大家比較關注 ACPR。但到了 5G 時代,則更需要專注于 EVM(一般小于 1.5%);

信號路由的選擇:選擇 4G anchor+5G 數據連接,還是直接走 5G,這會帶來不同的挑戰。

開關速度的變化:這方面雖然沒有太多的變化,但 SRS 也會帶來新的挑戰。

其他如 n77/n78/n79 等新頻段的引入,也會對射頻前端形態產生影響,推動前端模組改變,滿足新頻段和新調諧方式等的要求。

 

5G 手機功率放大器(PA)用量翻倍增長:PA 是一部手機最關鍵的器件之一,它直接決定了手機無線通信的距離、信號質量,甚至待機時間,是整個射頻系統中除基帶外最重要的部分。手機里面 PA 的數量隨著 2G、3G、4G、5G 逐漸增加。以 PA 模組為例,4G 多模多頻手機所需的 PA 芯片為5-7 顆,預測 5G 手機內的 PA 芯片將達到 16 顆之多。

 

5G 手機功率放大器(PA)單機價值量有望達到 7.5 美元:同時,PA 的單價也有顯著提高,2G 手機用 PA 平均單價為 0.3 美金,3G 手機用 PA 上升到 1.25 美金,而全模 4G 手機 PA 的消耗則高達 3.25 美金,預計 5G 手機PA 價值量達到 7.5 美元以上。

 

3. GaAs 射頻器件仍將主導手機市場

5G 時代,GaAs 材料適用于移動終端。GaAs 材料的電子遷移率是 Si 的 6倍,具有直接帶隙,故其器件相對 Si 器件具有高頻、高速的性能,被公認為是很合適的通信用半導體材料。在手機無線通信應用中,目前射頻功率放大器絕大部分采用 GaAs 材料。在 GSM 通信中,國內的銳迪科和漢天下等芯片設計企業曾憑借 RF CMOS 制程的高集成度和低成本的優勢,打破了采用國際龍頭廠商采用傳統的 GaAs 制程完全主導射頻功放的格局。

但是到了 4G 時代,由于 Si 材料存在高頻損耗、噪聲大和低輸出功率密度等缺點,RF CMOS 已經不能滿足要求,手機射頻功放重新回到 GaAs 制程完全主導的時代。與射頻功放器件依賴于 GaAs 材料不同,90%的射頻開關已經從傳統的 GaAs 工藝轉向了 SOI(Silicon on insulator)工藝,射頻收發機大多數也已采用 RF CMOS 制程,從而滿足不斷提高的集成度需求。

 

5G 時代,GaN 材料適用于基站端。在宏基站應用中,GaN 材料憑借高頻、高輸出功率的優勢,正在逐漸取代 Si LDMOS;在微基站中,未來一段時間內仍然以 GaAs PA 件為主,因其目前具備經市場驗證的可靠性和高性價比的優勢,但隨著器件成本的降低和技術的提高,GaN PA 有望在微基站應用在分得一杯羹;在移動終端中,因高成本和高供電電壓,GaN PA 短期內也無法撼動 GaAs PA 的統治地位。

二、5G基站,PA數倍增長,GaN 大有可為

1. 5G基站,射頻 PA 需求大幅增長

5G 基站 PA數量有望增長16倍。4G 基站采用 4T4R 方案,按照三個扇區,對應的 PA 需求量為 12 個,5G 基站,預計 64T64R 將成為主流方案,對應的 PA 需求量高達 192 個,PA 數量將大幅增長。

5G 基站射頻 PA 有望量價齊升。目前基站用功率放大器主要為基于硅的橫向擴散金屬氧化物半導體 LDMOS 技術,不過 LDMOS 技術僅適用于低頻段,在高頻應用領域存在局限性。對于 5G 基站 PA 的一些要求可能包括3~6GHz 和 24GHz~40GHz 的運行頻率,RF 功率在 0.2W~30W 之間,5G 基站 GaN 射頻 PA 將逐漸成為主導技術,而 GaN 價格高于LDMOS 和 GaAs。

GaN 具有優異的高功率密度和高頻特性。提高功率放大器 RF 功率的最簡單的方式就是增加電壓,這讓氮化鎵晶體管技術極具吸引力。如果我們對比不同半導體工藝技術,就會發現功率通常會如何隨著高工作電壓 IC 技術而提高。

典型的 GaN 射頻器件的加工工藝,主要包括如下環節:外延生長-器件隔離-歐姆接觸(制作源極、漏極)-氮化物鈍化-柵極制作-場板制作-襯底減薄-襯底通孔等環節。

 

GaN射頻器件的加工工藝

2. GaN射頻 PA 有望成為 5G基站主流技術

預測未來大部分 6GHz 以下宏網絡單元應用都將采用 GaN 器件,小基站 GaAs 優勢更明顯。就電信市場而言,得益于 5G 網絡應用的日益臨近,將從 2019 年開始為 GaN 器件帶來巨大的市場機遇。相比現有的硅 LDMOS(橫向雙擴散金屬氧化物半導體技術)和 GaAs(砷化鎵)解決方案,GaN 器件能夠提供下一代高頻電信網絡所需要的功率和效能。而且,GaN 的寬帶性能也是實現多頻帶載波聚合等重要新技術的關鍵因素之一。GaN HEMT(高電子遷移率場效晶體管)已經成為未來宏基站功率放大器的候選技術。

由于 LDMOS 無法再支持更高的頻率,GaAs 也不再是高功率應用的最優方案,預計未來大部分6GHz 以下宏網絡單元應用都將采用 GaN 器件。5G 網絡采用的頻段更高,穿透力與覆蓋范圍將比 4G 更差,因此小基站(small cell)將在 5G 網絡建設中扮演很重要的角色。不過,由于小基站不需要如此高的功率,GaAs 等現有技術仍有其優勢。與此同時,由于更高的頻率降低了每個基站的覆蓋率,因此需要應用更多的晶體管,預計市場出貨量增長速度將加快。

3. 全球 GaN射頻器件產業鏈競爭格局

GaN 微波射頻器件產品推出速度明顯加快。目前微波射頻領域雖然備受關注,但是由于技術水平較高,專利壁壘過大,因此這個領域的公司相比較電力電子領域和光電子領域并不算很多,但多數都具有較強的科研實力和市場運作能力。GaN 微波射頻器件的商業化供應發展迅速。據材料深一度對 Mouser 數據統計分析顯示,截至 2018 年 4 月,共有 4 家廠商推出了150 個品類的 GaN HEMT, 占整個射頻晶體管供應品類的 9.9%,較 1 月增長了 0.6%。

Qorvo 產品工作頻率范圍最大,Skyworks 產品工作頻率較小Qorvo、CREE、MACOM 73%的產品輸出功率集中在 10W~100W 之間,最大功率達到 1500W(工作頻率在 1.0-1.1GHz, 由 Qorvo 生產),采用的技術主要是 GaN/SiC GaN 路線。此外,部分企業提供 GaN 射頻模組產品,目前有 4家企業對外提供 GaN 射頻放大器的銷售,其中 Qorvo 產品工作頻率范圍最大,最大工作頻率可達到 31GHz。Skyworks 產品工作頻率較小,主要集中在 0.05-1.218GHz 之間。

Qorvo 射頻放大器的產品類別最多。在我國工信部公布的 2 個 5G 工作頻段(3.3-3.6GHz、4.8-5GHz,)內,Qorvo 公司推出的射頻放大器的產品類別最多,最高功率分別高達 100W 和 80W(1 月份 Qorvo 在 4.8-5GHz 的產品最高功率為 60W),ADI 在 4.8-5GHz 的產品最高功率提高到 50W(之前產品的最高功率不到 40W), 其他產品的功率大部分在 50W 以下。

 

國外GaN射頻器件產業鏈重點企業

最后,報告列舉了一些射頻功率放大器產業鏈的重點受益公司

基站射頻 PA:Qorvo、CREE、穩懋、旋極信息(擬收購安譜隆)、三安光電、海特高新(海威華芯);

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