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5G时代,射频功率放大器需求有望多点开花

52RD.com 2019年4月9日 国金电子研究            参与:4人 我来说两句
  1、5G智能移动终端,射频PA的大机遇
  
  1.1射频功率放大器(PA)-射频器件皇冠上的明珠
  
  射频功率放大器(PA)作为射频前端发射通路的主要器件,主要是为了将调制振荡电路所产生的小功率的射频信号放大,获得足够大的射频输出功率,才能馈送到天线上辐射出去,通常用于实现发射通道的射频信号放大。
  
  手机射频前端:一旦连上移动网络,任何一台智能手机都能轻松刷朋友圈、看高清视频、下载图片、在线购物,这完全是射频前端进化的功劳,手机每一个网络制式(2G/3G/4G/WiFi/GPS),都需要自己的射频前端模块,充当手机与外界通话的桥梁—手机功能越多,它的价值越大。
  
  射频前端模块是移动终端通信系统的核心组件,对它的理解可以从两方面考虑:一是必要性,它是连接通信收发器(transceiver)和天线的必经之路;二是重要性,它的性能直接决定了移动终端可以支持的通信模式,以及接收信号强度、通话稳定性、发射功率等重要性能指标,直接影响终端用户体验。
  
  射频前端芯片包括功率放大器(PA),天线开关(Switch)、滤波器(Filter)、双工器(Duplexer和Diplexer)和低噪声放大器(LNA)等,在多模/多频终端中发挥着核心作用。
  
  手机和WiFi连接的射频前端市场预计将在2023年达到352亿美元,复合年增长率为14%。
  
  射频前端产业中最大的市场为滤波器,将从2017年的80亿美元增长到2023年225亿美元,复合年增长率高达19%。该增长主要来自于BAW滤波器的渗透率显著增加,典型应用如5G NR定义的超高频段和WiFi分集天线共享。
  
  功率放大器市场增长相对稳健,复合年增长率为7%,将从2017年的50亿美元增长到2023年的70亿美元。高端LTE功率放大器市场的增长,尤其是高频和超高频,将弥补2G/3G市场的萎缩。
  
  砷化镓器件应用于消费电子射频功放,是 3G/4G 通讯应用的主力,物联网将是其未来应用的蓝海;氮化镓器件则以高性能特点目前广泛应用于基站、雷达、电子战等军工领域,利润率高且战略位置显著,由于更加适用于 5G,氮化镓有望在 5G 市场迎来爆发。
  
  1.2 5G推动手机射频PA量价齐升
  
  射频前端与智能终端一同进化,4G时代,智能手机一般采取1发射2接收架构。由于5G新增了频段(n41 2.6GHz,n77 3.5GHz和n79 4.8GHz),因此5G手机的射频前端将有新的变化,同时考虑到5G手机将继续兼容4G、3G 、2G标准,因此5G手机射频前端将异常复杂。
  
  预测5G时代,智能手机将采用2发射4接收方案。
  
  无论是在基站端还是设备终端,5G给供应商带来的挑战都首先体现在射频方面,因为这是设备“上”网的关键出入口,即将到来的5G手机将会面临多方面的挑战:
  
  更多频段的支持:因为从大家熟悉的b41变成n41、n77和n78,这就需要对更多频段的支持;
  
  不同的调制方向:因为5G专注于高速连接,所以在调制方面会有新的变化,对功耗方面也有更多的要求。比如在4G时代,大家比较关注ACPR。但到了5G时代,则更需要专注于EVM(一般小于1.5%);
  
  信号路由的选择:选择4G anchor+5G数据连接,还是直接走5G,这会带来不同的挑战。
  
  开关速度的变化:这方面虽然没有太多的变化,但SRS也会带来新的挑战。
  
  其他如n77/n78/n79等新频段的引入,也会对射频前端形态产生影响,推动前端模组改变,满足新频段和新调谐方式等的要求。
  
  Qorvo指出,5G将给天线数量、射频前端模块价值量带来翻倍增长。以5G手机为例,单部手机的射频半导体用量达到25美金,相比4G手机近乎翻倍增长。其中滤波器从40个增加至70个,频带从15个增加至30个,接收机发射机滤波器从30个增加至75个,射频开关从10个增加至30个,载波聚合从5个增加至200个。
  
  5G手机功率放大器(PA)用量翻倍增长:PA是一部手机最关键的器件之一,它直接决定了手机无线通信的距离、信号质量,甚至待机时间,是整个射频系统中除基带外最重要的部分。手机里面PA的数量随着2G、3G、4G、5G逐渐增加。以PA模组为例,4G多模多频手机所需的PA芯片为5-7颗,预测5G手机内的PA芯片将达到16颗之多。
  
  5G手机功率放大器(PA)单机价值量有望达到7.5美元:同时,PA的单价也有显著提高,2G手机用PA平均单价为0.3美金,3G手机用PA上升到1.25美金,而全模4G手机PA的消耗则高达3.25美金,预计5G手机PA价值量达到7.5美元以上。
  
  载波聚合与Massivie MIMO对PA的要求大幅增加。“一般情况下,2G只需非常简单的发射模块,3G需要有3G的功率放大器,4G要求更多滤波器和双工器载波器,载波聚合则需要有与前端配合的多工器,上行载波器的功率放大器又必须重新设计来满足线性化的要求。
  
  5G无线通信前端将用到几十甚至上百个通道,要求网络设备或者器件供应商能够提供全集成化的解决方案,这大大增加产品设计的复杂度,无论对器件解决方案还是设备解决方案提供商都提出了很大技术挑战。
  
  1.3 GaAs射频器件仍将主导手机市场
  
  5G时代,GaAs材料适用于移动终端。GaAs材料的电子迁移率是Si的6倍,具有直接带隙,故其器件相对Si器件具有高频、高速的性能,被公认为是很合适的通信用半导体材料。在手机无线通信应用中,目前射频功率放大器绝大部分采用GaAs材料。在GSM通信中,国内的锐迪科和汉天下等芯片设计企业曾凭借RF CMOS制程的高集成度和低成本的优势,打破了采用国际龙头厂商采用传统的GaAs制程完全主导射频功放的格局。但是到了4G时代,由于Si材料存在高频损耗、噪声大和低输出功率密度等缺点,RF CMOS已经不能满足要求,手机射频功放重新回到GaAs制程完全主导的时代。与射频功放器件依赖于GaAs材料不同,90%的射频开关已经从传统的GaAs工艺转向了SOI(Silicon on insulator)工艺,射频收发机大多数也已采用RF CMOS制程,从而满足不断提高的集成度需求。
  
  5G时代,GaN材料适用于基站端。在宏基站应用中,GaN材料凭借高频、高输出功率的优势,正在逐渐取代Si LDMOS;在微基站中,未来一段时间内仍然以GaAs PA件为主,因其目前具备经市场验证的可靠性和高性价比的优势,但随着器件成本的降低和技术的提高,GaN PA有望在微基站应用在分得一杯羹;在移动终端中,因高成本和高供电电压,GaN PA短期内也无法撼动GaAs PA的统治地位。
  
  全球GaAs射频器件被国际巨头垄断。全球GaAs射频器件市场以IDM模式为主,主要厂商有美国Skyworks、Qorvo、Broadcom,日本村田等。据Strategy Analytics统计,2016年全球GaAs射频器件市场规模为81.9亿美元,同比增长0.9%。2016年,Skyworks、Qorvo和Broadcom在全球射频器件市场的占有率分别为30.67%、27.97%和7.39%,三家合计占有全球66%的份额,Skyworks和Qorvo更是处于全球遥遥领先的位置。
  
  2017年GaAs晶圆代工市场,台湾稳懋(Win Semi)独占全球72.7%的市场份额,是全球第一大GaAs晶圆代工厂。
  
  1.4 5G设备射频前端模组化趋势明显,SIP大有可为
  
  5G将重新定义射频(RF)前端在网络和调制解调器之间的交互。新的RF频段(如3GPP在R15中所定义的sub-6 GHz和毫米波(mm-wave))给产业界带来了巨大挑战。
  
  LTE的发展,尤其是载波聚合技术的应用,导致当今智能手机中的复杂架构。同时,RF电路板和可用天线空间减少带来的密集化趋势,使越来越多的手持设备OEM厂商采用功率放大器模块并应用新技术,如LTE和WiFi之间的天线共享。
  
  在低频频段,所包含的600 MHz频段将为低频段天线设计和天线调谐器带来新的挑战。随着新的超高频率(N77、N78、N79)无线电频段发布,5G将带来更高的复杂性。具有双连接的频段重新分配(早期频段包括N41、N71、N28和N66,未来还有更多),也将增加对前端的限制。毫米波频谱中的5G NR无法提供5G关键USP的多千兆位速度,因此需要在前端模组中具有更高密度,以实现新频段集成。
  
  5G手机需要4X4 MIMO应用,这将在手机中增加大量RF流。结合载波聚合要求,将导致更复杂的天线调谐器和多路复用器。
  
  RF系统级封装(SiP)市场可分为一级和二级SiP封装:各种RF器件的一级封装,如芯片/晶圆级滤波器、开关和放大器(包括RDL、RSV和/或凸点步骤);在表面贴装(SMT)阶段进行的二级SiP封装,其中各种器件与无源器件一起组装在SiP基板上。2018年,射频前端模组SiP市场(包括一级和二级封装)总规模为33亿美元,预计2018~2023年期间的复合年均增长率(CAGR)将达到11.3%,市场规模到2023年将增长至53亿美元。
  
  预测2023年,PAMiD SiP组装预计将占RF SiP市场总营收的39%。2018年,晶圆级封装大约占RF SiP组装市场总量的9%。移动领域各种射频前端模组的SiP市场,包括:PAMiD(带集成双工器的功率放大器模块)、PAM(功率放大器模块)、Rx DM(接收分集模块)、ASM(开关复用器、天线开关模块)、天线耦合器(多路复用器)、LMM(低噪声放大器-多路复用器模块)、MMMB PA(多模、多频带功率放大器)和毫米波前端模组。
  
  MEMS预测,到2023年,用于蜂窝和连接的射频前端SiP市场将分别占SiP市场总量的82%和18%。按蜂窝通信标准,支持5G(sub-6GHz和毫米波)的前端模组将占到2023年RF SiP市场总量的28%。高端智能手机将贡献射频前端模组SiP组装市场的43%,其次是低端智能手机(35%)和奢华智能手机(13%)。
  
  高通发布5G手机射频前端模组化方案。
  
  2019年2月,高通宣布推出面向5G多模移动终端的第二代射频前端(RFFE)解决方案。全新推出的产品是一套完整的,可与全新Qualcomm® 骁龙™ X55 5G调制解调器搭配使用的射频解决方案,为支持6GHz以下频段和毫米波频段的高性能5G移动终端提供从调制解调器到天线的完整系统。支持更纤薄、更高效的5G多模移动终端。高通同时还发布了全球首款宣布的5G 100MHz包络追踪解决方案QET6100、集成式5G/4G功率放大器(PA)和分集模组系列,以及QAT3555 5G自适应天线调谐解决方案。高通QET6100将包络追踪技术扩展到5G NR上行所需的100MHz带宽和256-QAM调制,这在之前被认为是无法实现的。该解决方案与其他平均功率追踪技术相比,可将功效提升一倍,以更长的电池续航时间支持传输数据更快的终端,还可显著改善网络运营商非常关注的网络覆盖与网络容量。
  
  Qualcomm的全新先进射频前端功率放大器和分集模组包括:
  
  功率放大器模组,搭配QET6100支持100MHz 5G包络追踪。QPM6585、QPM5677和QPM5679分别支持n41、n77/78和n79频段。
  
  中/高频段5G/4G功率放大器模组QPM5670,包括集成式低噪声放大器(LNA)、射频开关、滤波器和5G六工器。
  
  低频段5G/4G功率放大器模组QPM5621,包括集成式低噪声放大器、切换开关和滤波器,支持低频段/低频段载波聚合和双连接。
  
  分集模组系列QDM58xx,包括集成式5G/4G低噪声放大器、射频开关和滤波器,支持6GHz以下频段接收分集和多输入多输出(MIMO)。
  
  为帮助OEM厂商应对日益增多的天线和频段给移动终端设计带来的挑战,Qualcomm还推出了QAT3555 Signal Boost自适应天线调谐器,将自适应天线调谐技术扩展到6GHz以下的5G频段;与上一代产品相比,其封装高度降低了25%,插入损耗显著减少。
  
  2、5G基站,PA数倍增长,GaN大有可为
  
  2.1 5G基站,射频PA需求大幅增长
  
  5G基站PA数量有望增长16倍。4G基站采用4T4R方案,按照三个扇区,对应的PA需求量为12个,5G基站,预计64T64R将成为主流方案,对应的PA需求量高达192个,PA数量将大幅增长。
  
  5G基站射频PA有望量价齐升。目前基站用功率放大器主要为基于硅的横向扩散金属氧化物半导体LDMOS技术,不过LDMOS技术仅适用于低频段,在高频应用领域存在局限性。对于5G基站PA的一些要求可能包括3~6GHz和24GHz~40GHz的运行频率,RF功率在0.2W~30W之间,我们研判5G基站GaN射频PA将逐渐成为主导技术,而GaN价格高于LDMOS和GaAs。
  
  GaN具有优异的高功率密度和高频特性。提高功率放大器RF功率的最简单的方式就是增加电压,这让氮化镓晶体管技术极具吸引力。如果我们对比不同半导体工艺技术,就会发现功率通常会如何随着高工作电压IC技术而提高。硅锗(SiGe)技术采用相对较低的工作电压(2 V至3 V),但其集成优势非常有吸引力。GaAs拥有微波频率和5 V至7 V的工作电压,多年来一直广泛应用于功率放大器。硅基LDMOS技术的工作电压为28V,已经在电信领域使用了许多年,但其主要在4 GHz以下频率发挥作用,因此在宽带应用中的使用并不广泛。新兴GaN技术的工作电压为28 V至50 V,优势在于更高功率密度及更高截止频率(Cutoff Frequency,输出讯号功率超出或低于传导频率时输出讯号功率的频率),拥有低损耗、高热传导基板,开启了一系列全新的可能应用,尤其在5G多输入输出(Massive MIMO)应用中,可实现高整合性解决方案。
  
  典型的GaN射频器件的加工工艺,主要包括如下环节:外延生长-器件隔离-欧姆接触(制作源极、漏极)-氮化物钝化-栅极制作-场板制作-衬底减薄-衬底通孔等环节。
  
  外延生长:采用金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)方式在SiC或Si衬底上外延GaN材料。
  
  器件隔离:采用离子注入或者制作台阶(去除掉沟道层)的方式来实现器件隔离。射频器件之间的隔离是制作射频电路的基本要求。
  
  欧姆接触:形成欧姆接触是指制作源极和漏极的电极。对GaN材料而言,制造欧姆接触需要在很高的温度下完成。
  
  氮化物钝化:在源极和漏极制作完成后,GaN半导体材料需要经过钝化过程来消除悬挂键等界面态。GaN的钝化过程通常采用SiN(氮化硅)来实现。
  
  栅极制作:在SiN钝化层上开口,然后沉积栅极金属。至此,基本的场效应晶体管的结构就成型了。
  
  场板制作:栅极制作完成后,继续沉积额外的几层金属和氮化物,来制作场板、互连和电容,此外,也可以保护器件免受外部环境影响。
  
  衬底减薄:衬底厚度减薄至100μm左右,然后对减薄后的衬底背部进行金属化。
  
  衬底通孔:通孔是指在衬底上表面和下表面之间刻蚀出的短通道,用于降低器件和接地(底部金属化层)之间的电感。
  
  GaN材料已成为基站PA的有力候选技术。GaN 是极稳定的化合物,具有强的原子键、高的热导率、在Ⅲ-Ⅴ族化合物中电离度是最高的、化学稳定性好,使得GaN 器件比Si 和GaAs 有更强抗辐照能力,同时GaN又是高熔点材料,热传导率高,GaN功率器件通常采用热传导率更优的SiC做衬底,因此GaN 功率器件具有较高的结温,能在高温环境下工作。GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)凭借其固有的高击穿电压、高功率密度、大带宽和高效率,已成为基站PA的有力候选技术。
  
  GaN射频器件更能有效满足5G的高功率、高通信频段和高效率等要求。相较于基于Si的横向扩散金属氧化物半导体(Si LDMOS,Lateral Double-diffused Metal-oxide Semiconductor)和GaAs,在基站端GaN射频器件更能有效满足5G的高功率、高通信频段和高效率等要求。目前针对3G和LTE基站市场的功率放大器主要有Si LDMOS和GaAs两种,但LDMOS 功率放大器的带宽会随着频率的增加而大幅减少,仅在不超过约3.5GHz的频率范围内有效,而GaAs功率放大器虽然能满足高频通信的需求,但其输出功率比GaN器件逊色很多。在5G高集成的Massive MIMO应用中,它可实现高集成化的解决方案,如模块化射频前端器件。在毫米波应用上,GaN的高功率密度特性在实现相同覆盖条件及用户追踪功能下,可有效减少收发通道数及整体方案的尺寸。实现性能成本的最优化组合。随着5G时代的到来,小基站及Massive MIMO的飞速发展,会对集成度要求越来越高,GaN自有的先天优势会加速功率器件集成化的进程。5G会带动GaN这一产业的飞速发展。然而,在移动终端领域GaN射频器件尚未开始规模应用,原因在于较高的生产成本和供电电压。GaN将在高功率,高频率射频市场发挥重要作用。
  
  2.2 GaN射频PA有望成为5G基站主流技术
  
  预测未来大部分6GHz以下宏网络单元应用都将采用GaN器件,小基站GaAs优势更明显。就电信市场而言,得益于5G网络应用的日益临近,将从2019年开始为GaN器件带来巨大的市场机遇。相比现有的硅LDMOS(横向双扩散金属氧化物半导体技术)和GaAs(砷化镓)解决方案,GaN器件能够提供下一代高频电信网络所需要的功率和效能。而且,GaN的宽带性能也是实现多频带载波聚合等重要新技术的关键因素之一。GaN HEMT(高电子迁移率场效晶体管)已经成为未来宏基站功率放大器的候选技术。由于LDMOS无法再支持更高的频率,GaAs也不再是高功率应用的最优方案,预计未来大部分6GHz以下宏网络单元应用都将采用GaN器件。5G网络采用的频段更高,穿透力与覆盖范围将比4G更差,因此小基站(small cell)将在5G网络建设中扮演很重要的角色。不过,由于小基站不需要如此高的功率,GaAs等现有技术仍有其优势。与此同时,由于更高的频率降低了每个基站的覆盖率,因此需要应用更多的晶体管,预计市场出货量增长速度将加快。
  
  预计到2025年GaN将主导RF功率器件市场,抢占基于硅LDMOS技术的基站PA市场。根据yole的数据,2014年基站RF功率器件市场规模为11亿美元,其中GaN占比11%,而横向双扩散金属氧化物半导体技术(LDMOS)占比88%。2017年,GaN市场份额预估增长到了25%,并且预计将继续保持增长。预计到2025年GaN将主导RF功率器件市场,抢占基于硅LDMOS技术的基站PA市场。
  
  对于既定功率水平,GaN具有体积小的优势。有了更小的器件,则可以减小器件电容,从而使得较高带宽系统的设计变得更加轻松。
  
  氮化镓基MIMO天线功耗可降低40%。下图展示的是锗化硅和氮化镓的毫米波5G基站MIMO天线方案,左侧展示的是锗化硅基MIMO天线,它有1024个元件,裸片面积是4096平方毫米,辐射功率是65dbm,与之形成鲜明对比的,是右侧氮化镓基MIMO天线,尽管价格较高,但功耗降低了40%,裸片面积减少94%。
  
  GaN适用于大规模MIMO
  
  GaN芯片每年在功率密度和封装方面都会取得飞跃,能比较好的适用于大规模MIMO技术。当前的基站技术涉及具有多达8个天线的MIMO配置,以通过简单的波束形成算法来控制信号,但是大规模MIMO可能需要利用数百个天线来实现5G所需要的数据速率和频谱效率。 大规模MIMO中使用的耗电量大的有源电子扫描阵列(AESA),需要单独的PA来驱动每个天线元件,这将带来显著的尺寸、重量、功率密度和成本(SWaP-C)挑战。这将始终涉及能够满足64个元件和超出MIMO阵列的功率、线性、热管理和尺寸要求,且在每个发射/接收(T/R)模块上偏差最小的射频PA。
  
  MIMO PA年复合增长率将达到135%。预计2022年,4G/ 5G基础设施用RF半导体的市场规模将达到16亿美元,其中,MIMO PA年复合增长率将达到135%,射频前端模块的年复合增长率将达到119%。
  
  预计未来5~10年, GaN将成为3W 及以上RF功率应用的主流技术。根据Yole预测,2017年,全球GaN射频市场规模约为3.84亿美元,在3W以上(不含手机PA)的RF射频市场的渗透率超过20%。GaN在基站、雷达和航空应用中,正逐步取代LDMOS。随着数据通讯、更高运行频率和带宽的要求日益增长,GaN在基站和无线回程中的应用持续攀升。在未来的网络设计中,针对载波聚合和大规模输入输出(MIMO)等新技术,GaN将凭借其高效率和高宽带性能,相比现有的LDMOS处于更有利的位置。未来5~10年内,预计GaN将逐步取代LDMOS,并逐渐成为3W 及以上RF功率应用的主流技术。而GaAs将凭借其得到市场验证的可靠性和性价比,将确保其稳定的市场份额。LDMOS的市场份额则会逐步下降,预测期内将降至整体市场规模的15%左右。
  
  到2023 年,GaN RF 器件市场规模达到13 亿美元,约占3W以上的RF 功率市场的45%。截止2018年底,整个RF GaN市场规模接近4.85亿美元。未来大多数低于6GHz 的宏网络单元实施将使用GaN 器件,无线基础设施应用占比将进一步提高至近43%。
  
  2.3 RF GaN市场的发展方向
  
  GaN技术主要以IDM为主。经过数十年的发展,GaN技术在全球各大洲已经普及。市场领先的厂商主要包括Sumitomo Electric、Wolfspeed(Cree科锐旗下)、Qorvo,以及美国、欧洲和亚洲的许多其它厂商。化合物半导体市场和传统的硅基半导体产业不同。相比传统硅工艺,GaN技术的外延工艺要重要的多,会影响其作用区域的品质,对器件的可靠性产生巨大影响。这也是为什么目前市场领先的厂商都具备很强的外延工艺能力,并且为了维护技术秘密,都倾向于将这些工艺放在自己内部生产。
  
  GaN-on-SiC更具有优势。尽管如此,Fabless设计厂商通过和代工合作伙伴的合作,发展速度也很快。凭借与代工厂紧密的合作关系以及销售渠道,NXP和Ampleon等领先厂商或将改变市场竞争格局。同时,目前市场上还存在两种技术的竞争:GaN-on-SiC(碳化硅上氮化镓)和GaN-on-silicon(硅上氮化镓)。它们采用了不同材料的衬底,但是具有相似的特性。理论上,GaN-on-SiC具有更好的性能,而且目前大多数厂商都采用了该技术方案。不过,M/A-COM等厂商则在极力推动GaN-on-Silicon技术的广泛应用。未来谁将主导还言之过早,目前来看,GaN-on-silicon仍是GaN-on-SiC解决方案的有力挑战者。
  
  2.4 全球GaN射频器件产业链竞争格局
  
  境外GaN射频器件产业链重点公司及产品进展
  
  GaN 微波射频器件产品推出速度明显加快。目前微波射频领域虽然备受关注,但是由于技术水平较高,专利壁垒过大,因此这个领域的公司相比较电力电子领域和光电子领域并不算很多,但多数都具有较强的科研实力和市场运作能力。GaN 微波射频器件的商业化供应发展迅速。据材料深一度对Mouser 数据统计分析显示,截至2018年4月,共有4家厂商推出了150个品类的GaN HEMT, 占整个射频晶体管供应品类的9.9%,较1月增长了0.6%。
  
  Qorvo产品工作频率范围最大,Skyworks产品工作频率较小。Qorvo、CREE、MACOM 73%的产品输出功率集中在10W~100W之间,最大功率达到1500W(工作频率在1.0-1.1GHz, 由Qorvo生产),采用的技术主要是GaN/SiC GaN路线。此外,部分企业提供GaN射频模组产品,目前有4家企业对外提供GaN射频放大器的销售,其中Qorvo产品工作频率范围最大,最大工作频率可达到31GHz。Skyworks产品工作频率较小,主要集中在0.05-1.218GHz之间。
  
  Qorvo 射频放大器的产品类别最多。在我国工信部公布的2个5G工作频段(3.3-3.6GHz、4.8-5GHz,)内,Qorvo 公司推出的射频放大器的产品类别最多,最高功率分别高达 100W和 80W(1月份Qorvo在4.8-5GHz的产品最高功率为60W),ADI在4.8-5GHz的产品最高功率提高到50W(之前产品的最高功率不到40W), 其他产品的功率大部分在50W 以下。
  
  大陆GaN射频器件产业链重点公司及产品进展:欧美国家出于对我国技术发展速度的担忧及遏制我国新材料技术的发展想法,在第三代半导体材料方面,对我国进行几乎全面技术封锁和材料封锁。在此情况下,我国科研机构和企业单位立足自主创新,目前在GaN微波射频领域已取得显著成效,在军事国防领域和民用通信领域两个领域进行突破,打造了中电科13所、中电科55所、中兴通信、大唐移动等重点企业以及中国移动、中国联通等大客户。
  
  苏州能讯推出了频率高达6GHz、工作电压48V、设计功率从10W-320W的射频功率晶体管。在移动通信方面,苏州能讯已经可以提供适合LTE、4G、5G等移动通信应用的高效率和高增益的射频功放管,工作频率涵盖1.8-3.8GHz,工作电压48V,设计功率从130W-390W,平均功率为16W-55W。
  
  3、5G时代,窄带物联网设备射频前端迎来发展新机遇
  
  伴随着5G大幕拉开,特别是对于智能手机来说,新的应用和新需求,刺激着射频前端市场涌现出很多新名词,比如,MIMO,HPUE,NSA,SA,PAMiD等等。射频前端需要更高整合度,从而支持更加复杂的频段和通信标准。
  
  IOT设备射频前端要求更低功耗,更长待机时间和更低的成本。在手机市场追求更快更强的同时,有另外一个市场就是窄带物联网 (Cat-M /NB-IoT),它在另外一个维度满足市场需求,比如更低功耗,更长待机时间和更低的成本。新的Cat-M和NB-IoT网络中,对于终端的要求在发生变化,应用于该设备的射频前端器件也有新的发展要求。新的射频前端需要在支持超宽带工作,并且保证低成本的情况下,满足更大范围的工作电压和工作温度,同时达到3GPP规定的射频性能标准。
  
  NB-IoT主要应用场景:
  
  智能安全;
  
  智能基础设施:智能路灯,智能井盖,智能充电,智能停车;
  
  智能表计;
  
  智能监控。
  
  在有些领域,出现了迅速的增长:
  
  电动自行车监控和管理
  
  智能烟雾传感器
  
  智能表计(水表/气表/电表)
  
  另外,目前有一些基于NB-IoT的新的应用,也引起市场极大的兴趣。
  
  智能停车服务:集成了云服务大数据平台,现场交通和停车位信息搜集,通过手机的电子支付,能实现方便的无人值守停车。
  
  智能穿戴市场:得益于低功耗,NB-IoT终端能够实现超长待机。通过运营商的广域网连接,定位数据和健康数据能自动上传到企业云的个人帐号中,摆脱了传统局域网或者需要连接手机同步数据的束缚。这一点非常适合给老人和小孩的无人看护或者出门定位服务。管理员通过划定电子安全区域,智能穿戴设备出了安全区后,报警信息会自动传到云端和管理员。
  
  NB-IoT PA需要低成本和低功耗
  
  基于蜂窝网的万物互联是一项有前景的新技术,从射频前端供应商的角度,我们看到了一些新的市场需求。新的垂直市场。在已有的蜂窝网需求的基础上,新的低成本和低功耗的解决方案,将会用到新的市场应用当中。
  
  多种连接标准会同时共存。产品形态会表现为从简单的低功耗和单频段无线单元,一直到复杂的LTE和5G New Radio的全球蜂窝网解决方案。多样的应用场景和需求。复杂多样的最终用户市场还有应用,会带来需求和产品的多样化,其中包括室内的应用和户外的一些极端温度和高可靠性要求的场景。
  
  NB-IoT的PA要求低成本和高效。NB-IoT虽然有要求和LTE相同的上行功率(power class3),但是信号的峰均比较低。另外,NB-IoT采用半双工方式工作,避免使用FDD双工器,PA后端的插入损耗小。 这些因素可以让NB-IoT的PA更加偏向于非线性的设计,同时采用更小的Die设计,从而达到节省成本和提高效率的目的。
  
  对于NB-IoT PA来讲,超宽带、低电压、极端温度和低成本是重点要考虑的方向。
  
  超宽带:以低频为例,NB-IoT PA需要工作在663MHz~915MHz,可用带宽是252MHz。
  
  低电压:需要支持1.8V到4.3V工作电压,以便满足不同的电池环境需求。
  
  高效率:具备不同的功率模式,从而优化不同功率和电压下面的效率。同时在headroom设计方面,考虑到Cat-M/NB的最高输出功率需求。
  
  极端温度:满足-30/-40~+85 degree C工作温度范围。
  
  小尺寸:典型的NB模块大小为26.5mm x 22.5mm x 2.3mm。这个大约相当于一张名片的七分之一。射频前端的尺寸会是很重要的考虑因素。
  
  低成本:NB 模块会逐步取代市场上的2G模块,销售价格日趋向2G模块靠拢。射频前端的价格竞争和成本考量无法避免。
  
  4、5G渐行渐近,国际巨头纷纷布局射频产业
  
  当前射频前端市场产业链已经非常成熟,欧美IDM大厂技术领先,规模优势明显。例如其中在SAW滤波器中,全球80%的市场份额被Murata、TDK、TAIYO YUDEN所瓜分,而在4G、5G中应用的BAW滤波器则被Avago(Broadcomm)和Qorvo占据95%的市场空间,PA全球93%的市场集中在Skyworks、Qorvo和Avago(Broadcomm)手中。
  
  高通领先布局5G,竞争者纷纷跟进。随着5G手机和无线基础设施技术的成熟,相关应用将会出现。这需要一定的时间,许多厂商已经在为自己的“市场蛋糕”做好了准备。新的商业模式将会浮现:例如一些电信运营商正在部署pre-5G网络(自己的标准),作为光纤替代品应用于住宅宽带。高通(Qualcomm)在5G布局快人一步,已推出多款5G产品,其它厂商也都在探索之中。此外,英特尔(Intel)、三星(Samsung),以及领先的RF CMOS/SOI代工厂(GLOBALFOUNDRIES、TOWERJAZZ、台联电、台积电等)都在布局5G射频产业。
  
  博通(Broadcom)、Skyworks在高频优势明显。在6 GHz以下频段方面,目前的射频前端领导者,如博通(Broadcom)、Qorvo、Skyworks、村田(Murata),已经开始适应这些变化。Broadcom通过将中高频融合在一起,为5G超高频段的到来做好了准备。凭借其FBAR体声波(BAW)滤波器技术,Broadcom还掌握了高频和超高频的主要关键模块。Skyworks定位于5G超高频市场,新推出了Sky5平台。这些先进的无线引擎包括高度集成的高性能发送/接收前端方案,以及分集接收(DRx)模块。此外,凭借其SkyOne LiTE平台,Skyworks已在高端市场获得了一些设计大奖;在低端市场方面,赢得中国OEM厂商(华为、OPPO、vivo、小米)的青睐。
  
  Qorvo组合拳产品多元化。采用类似的方法,分别通过RF Fusion和RF Flex平台提供涵盖高端和低端市场的广泛产品组合。Qorvo的另一个优势在于其内部测试和封装能力,可以缩短响应时间并持续改进。值得注意的是,Qorvo是第一家推出用于超高频段覆盖的射频前端模组厂商。Murata主要涉足低频段,但非常适合不断增长的多样化射频模组市场。高通(Qualcomm)是新进入者,带来了从调制解调器到天线的端到端解决方案。此外,对TDK Epcos滤波技术的战略投资已经初见成效。
  
  毫米波有机会破坏竞争格局。5G将重新定义射频前端如何在网络和调制解调器之间“交互”。实际上,新的射频频段,6 GHz以下频段(Sub-6 GHz)和毫米波,对该行业产生了巨大挑战,并有机会破坏市场竞争格局。除了6 GHz以下频段之外,毫米波频段将完全“破坏”射频前端产业,代表一种完全不同的技术思维,可以为高速传输数据创造新的途径。虽然Qualcomm是明确的毫米波技术新进入者,但还有英特尔(Intel)、三星(Samsung)、海思(HiSilicon)、联发科(Mediatek)等企业也在探索这一新商机!52RD.com  微博关注:http://weibo.com/52rd  微信关注:admin_52RD
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