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2021年电子5G射频行业研究报告
来源:行研资本 | 作者:网络 | 发布时间: 2021-10-09 | 496 次浏览 | 分享到:
射频是半导体集成电路中模拟 IC 的重要组成。半导体分为分立器件与集成电路。按处理 信号的特点,集成电路分为模拟 IC 与数字 IC,数字 IC 用于处理数字信号(例如 CPU、逻辑 电路),模拟 IC 用于收集现实世界中的信号(包括光、声音、温度、湿度、压力、电流、浓度 等),并进行包括放大、过滤等处理,可按照处理信号的类型继续划分为电源 IC、信号链、射 频等。而射频器件主要包括功率放大器、射频开关、低噪声放大器。此外,射频前端中的滤波 器是无源器件(被动元器件),半导体属于有源器件。

射频前端为手机无线通信模块重要部分。手机的无线通信模块包含四部分,即天线、射频 前端(RFFE,Radio Frequency Front-end)、射频收发(RF Transceiver)、及基带(BB,Base Band), 共同组成接收通路/下行链路(即 Receive,Rx)和发射通路/上行链路(即 Transmit,Tx)。简 单来说,基带信号是指需要的处理信号,如麦克风接收到的音频,但其频率较低,不适合距离 传输(一是天线长度与波长成正比、二是低频段频谱资源有限),因此需要把低频的基带信号 加载到更高频的电磁波上,即用射频电流作为载波。以上过程被称作基带的调制(反向过程为 解调),而射频前端则是对射频信号进行过滤和放大。

1 5G 时代,射频前端迎来确定性增长机会

1.1 射频前端为手机无线通信模块重要部分

射频是半导体集成电路中模拟 IC 的重要组成。半导体分为分立器件与集成电路。按处理 信号的特点,集成电路分为模拟 IC 与数字 IC,数字 IC 用于处理数字信号(例如 CPU、逻辑 电路),模拟 IC 用于收集现实世界中的信号(包括光、声音、温度、湿度、压力、电流、浓度 等),并进行包括放大、过滤等处理,可按照处理信号的类型继续划分为电源 IC、信号链、射 频等。而射频器件主要包括功率放大器、射频开关、低噪声放大器。此外,射频前端中的滤波 器是无源器件(被动元器件),半导体属于有源器件。

射频前端为手机无线通信模块重要部分。手机的无线通信模块包含四部分,即天线、射频 前端(RFFE,Radio Frequency Front-end)、射频收发(RF Transceiver)、及基带(BB,Base Band), 共同组成接收通路/下行链路(即 Receive,Rx)和发射通路/上行链路(即 Transmit,Tx)。简 单来说,基带信号是指需要的处理信号,如麦克风接收到的音频,但其频率较低,不适合距离 传输(一是天线长度与波长成正比、二是低频段频谱资源有限),因此需要把低频的基带信号 加载到更高频的电磁波上,即用射频电流作为载波。以上过程被称作基带的调制(反向过程为 解调),而射频前端则是对射频信号进行过滤和放大。

射频前端通过 PA、滤波器进行信号的过滤与放大。射频前端主要器件包括:功率放大器 (PA,Power Amplifier)、滤波器(Filter)、开关(Switch)、低噪音放大器(LNA,Low Noise Amplifier)、调谐器(Tuner)、双/多工器(Du/Multiplexer)。

(1)PA:一般位于上行链路,用于增大信号功率,为有源器件。由于无线传输过程存在链路 衰减,因此发射端信号的功率要足够大才能保证远距离传输,而 PA正是通过向电源获取能量、 来放大信号的输出功率。其主要工艺技术包括低频段的 Si-CMOS 和高频段的 GaAs/GaN。

(2)滤波器:对特定频率的以外的频率进行滤除,为无源器件。滤波器由电阻、电感和电容 的组合,其中电感阻止高频信号、允许低频信号通过,电容恰恰相反。滤波器有四种模式,低 通滤波器(滤除高频信号)、高通滤波器(滤除低频信号),或者两者结合形成的带通滤波器、 带阻滤波器。其主要工艺技术包括 SAW, TC-SAW, BAW-FBAR, BAW-SMR。

(3)其他:开关用于实现射频收发通道的切换;LNA 位于接受通路上,抑制噪音并放大天线 接收到的微弱信号;双工器由接收端滤波器和发射端滤波器组成,用于实现射频收发通道的隔 离。

PA、滤波器价值量占比达 34%、54%。手机主要成本包括显示器(约 20%)、相机(约 10%)、及主板,其中主板主要包括三大芯片,即主芯片(约 15%)、储存芯片(约 10%)、射 频前端(约 8%)。射频前端中,PA 和滤波器为价值量最高的两大器件,价值量占比分别为 34%、 54%。

1.2 通信际代更迭带来的新频段解锁,是射频前端增长的核心驱 动力

5G 通过拓宽带宽、增加通路数量提高数据传输速度,而新增频段需要配套的射频前端器 件。从 2G 到 5G 的通信际代更迭最显著的变化在于数据传输速度的提升。而根据香农定律, 提高数据传输速度的主要手段包括:(1)提高带宽 BW(注:带宽指调制载波占据的频率范围, 即频率上限与下限的差,以 Hz 为单位);(2)增加接收/发射通道的数目 m;(3)提高信噪比 SNR(即 S/(N+1),其中 S 为信号功率(W),N 为噪音功率(W))。具体到 5G 时代则是:

(1)方法一:通过解锁广阔的高频段资源(即新增的 5G 频段),使得最大带宽由 4G 的 20MHz 增加到 5G 的 100MHz;→对射频前端的影响:5G 手机除需向下兼容 2/3/4G/频段外, 还需要增加相应的射频器件与 5G 新增频段匹配。

(2)方法二:通过增加通道数量,以更高效地利用频谱资源→对射频前端的影响:相较 于 4G 频段的 1T2R(少量 1T4R),5G 频段将实行(NSA 标准下)1T4R/(SA 标准下)2T4R。

1.2.1 5G 提速的两大方法:解锁高频资源以拓宽带宽、增加通路数量以提高传输效率

对更快传输速度的追求推动通讯时代更迭,2020 年正式解锁 5G。1G 诞生于 90 年代,以 摩托罗拉推出的大哥大为标志。2G 始于 20 世纪初,以摩托罗拉和诺基亚为代表的功能机开始 出现。3G 时代以 2008 年 iPhone 3G 的推出为开端,随后支持移动多媒体技术的智能手机席卷 全球。4G 时代开始于 2013 年,更快的传输速度使得数字经济成为可能,移动互联网开始从消 费领域向生产领域渗透(如视频直播、移动购物等)。5G 于 2020 年开启,更高速度使得通信 场景由移动互联网转向物联网。

5G 时代三大应用场景:eMBB、mMTC、uRLLC。 3GPP 对 5G 三大应用场景的定义为 eMBB(应用于 3D/超高清视频等的增强型移动宽带,即移动互联网场景)、mMTC(应用于智 能家居、智慧城市的海量机器类通信,即物联网场景)和 uRLLC(应用于无人驾驶、移动医 疗、工业自动化等的超高可靠低延时通信,即物联网场景)。

5G 时代提高传输速度的方法一:通过解锁广阔的高频段资源,获得更大带宽。

2G-4G 主要使用 600MHz-3GHz 频段,5G 拓展至 Sub-6GHz 和毫米波段。电磁波是由电 场与磁场在空间中以波的形式移动的电磁场,在真空中以光速传播,按频率高低分为光波和无 线电波(频率范围在 300KHz~300GHz)。其中,无线电波被广泛用于广播、移动通讯、气象、 卫星通信、导航定位等无线通讯领域。为保证不同领域使用的频谱资源不相互干扰,国际电信 联盟(ITU)颁布了国际无线电规则,对无线频段进行统一的规划。目前,低频段资源(600MHz3GHz)大部分已被 1G-4G 占用。而 5G 通过技术进步,将频谱资源拓宽至 Sub 6GHz 频段(即 FR1 段)和毫米波段(即 FR2 段)。

高频段解锁后,最大带宽由 4G 的 20MHz 增加到 5G 的 100MHz。5G 解锁的两个频段 中,FR1 频段共 6GHz 带宽可用(注:600MHz-3GHz 大部分已被 1G-4G 占用), FR2 频段共 249GHz 宽带可用(注:毫米波段频率范围 3-300GHz,剔除两个无法用于通讯领域的特殊频段, 氧气吸收段 57-64GHz、水蒸气吸收段 164-200GHz)。而更广阔的频谱资源,意味着更大带宽, 与 4G 单载波最大 20MHz 的带宽相比(通过载波聚合(CA,Carrier Aggregation)可达到 40/60MHz),5G 最大带宽提升至 100MHz。

5G 时代提高传输速度的方法二:通过增加通道数量,提高利用效率

终端设备在 5G 频段采用 1T4R(NSA 下)/2T4R(SA 下),而 4G 频段仅为 1T2R。MIMO (Multi-input Multi-output)技术, 即发射端和接收端都有多个天线,各自独立发送/接收信号, 其提高传输速率的方法有三种:(1)空间复用(spatial multiplexing),不同天线发射不同信息, 可以简单的理解为铺设高架桥,能够再不增加带宽的条件下,成倍地提升传输速率;(2)空间 多样(spatial diversity),不同天线发送同样的信息,因此即使一个通路的电磁波受到干扰,其 他通路仍能够接收信息,从而减少了信号同时衰减的可能性、也就提高了信号质量,理论上 1T2R 最多可实现 3dB 增益;(3)波束赋形(beamforming),借由多根天线产生一个具有指向 性的波束,将能量集中在欲传输的方向,以增加信号质量。对于终端设备而言,5G 频段将不 再采用 4G 频段默认的 1T2R(少量 1T4R),而是实行 1T4R(NSA 标准下)、2T4R(SA 标准 下)。(注:1T4R 指终端设别包含 1 路上行链路+4 路下行链路)。

1.2.2 5G 新增频段,需要增加相应的射频前端器件与之配套

因需要向下兼容旧频段,通信际代更迭意味着覆盖频段数提升。简单来说,一台 5G 手机 如要保证在全球范围内、各运营商网络下皆可使用,需要通过多模多频实现无线通讯频段的全 面覆盖,包括(1)纵向维度:向下兼容 2/3/4G 频段,(2)横向维度:兼容全球各国运营商不 同频段。我们以 iPhone 为例,可以看到当通讯时代由 3G 向 4G 演进时,手机支持频段数由 3G 时代约 10 个频段,大幅提升至 4G 时代约 40 个频段。

4G 时代高端机型覆盖频段数近 40 个,入门级手机覆盖频段数超过 10 个。一般中低端手 机为区域性版本,支持频段数较少。我们以 2016 下半年发售不同型号手机为例,小米红米 4A 支持频段数不到 20 个,远小于同期 iPhone7 的近 40 个。此外我们统计了 4G 时代常用的频段 数,其中 4G 频段 25 个、3G 频段 10 个、2G 频段 4 个。

5G 时代开拓 FR1/FR2 资源,目前 n77/n78 频段采用最为广泛。5G 的 FR1FR2 段频谱资 源分别在 WRC-15WRC-19(世界无线电通信大会 15 年/19 年)上进行了划分。(1)FR1 段资 源:从 2016 年开始,全球主要国家/区域纷纷开始划分 5G 频谱,其中 600/700MHz 频段在欧 美部分国家使用,而 n77(3.3-4.2GHz)/n78(3.3-3.8GHz)是目前 5G NR 应用最广泛的频谱, n79(4.4-5-GHz)主要由中日俄推行。(2)FR2 段资源:WRC-19 就 IMT-2020(5G)的毫米波频谱划分达成一致,将在 24.25-27.5GHz、37-43.5GHz、45.5-47GHz、47.2-48.2 和 66-71GHz 频 段进行划分。

中国移动获得 n41/n79 频段,中国电信、中国联通使用 n78 频段。我国三大运营商频谱划 分方案于 2018 年底正式落地,根据方案,中国移动获得 2.6GHz(n41)与 4.9GHz(n79)频 段、共 260MHz 带宽,中国电信/中国电新获得 3.5GHz 频段(n78)、分别 100MHz 带宽。中国 其中 n78/n79 为新增频段,2575-2635MHz(属于 n41)频段为中国移动对 TD-LTE(4G)频段 的重耕频段。

5G 手机普遍支持 5 个以上 5G 频段,最多可支持 17 个 5G 频段。我们统计了目前主流的 初代 5G 手机,发现除都支持 n41/n78/n79 三个频段外,n1/n3/n77 也覆盖较多,OPPO 高端机 Find X2 pro 甚至支持 10 个 5G 频段。此外,根据移动相关建议,5G 手机至少需要新增 n78/n79 两个频段,推荐增加 n1/n3/n41 三个频段。而根据最新的 3GPP 第 17 版 ,在 5G NR 标准下 FR1 频段共计 56 个频段,目前全球范围内 n78/n79 使用最为广泛。

5G 新增频段,需要增加射频前端器件与之配套。目前主流的 4G 射频前端架构,多采用 TRX(接收通路+发射通路)+DRX(分集接收)实现 1T2R 模式,且 TRX 和 DRX 通路都由集 成模块实现。简单说就是按照频率高低,将各频段集成入六到八个模组中,即 GSM/LB/MB/HB PAMID 模组和 GSM/LB/MB/HB Diversity FEM 模组。而 5G 时代,则至少需要新增 n78/n79 两 个频段对应的通路,在 NSA 标准下是 1T4R,在 SA 标准下是 2T4R。

1.3 预计 2024 年射频前端 273 亿美元空间,20-24 年 CAGR 16%

根据我们预测 2024 年射频前端市场空间达 273 亿美元,20-24 年 CAGR 达到 16%。上一 轮射频前端市场起步起始于 4G 时代,全网通需求使得覆盖频段数大幅增加,常用频段数由 3G 时代约 10 个频段提升至 4G 时代约 40 个频段,大幅拉动射频前端增长,市场价值 2012-2019 年 CAGR 高达 15%。2020 年 5G 时代正式开启,我们预计 2024 年射频前端市场空间将达到 273 亿美元, 2020-2024 年 CAGR 达 16%,其中增量主要来自 5G 新增频段,为 113 亿美元。

2 集成度提升叠加技术升级,持续推动射频前端创新

而回溯 2G 到 4G 的通信技术迭代史,我们可以清晰地看到射频前端厂商两条并行不悖的 发展路径:一是覆盖频段数带来的集成化需求,推动了射频厂商或通过外延并购、或通过自行 研发获得全产品线布局,二是通过技术革新、保证在新际代仍能提供高性能产品。

2.1 趋势一:集成化需求推动全产品线布局

从 3G 时代开始,出于节省 PCB 面积、降低手机厂商研发难度的考虑,射频前端逐渐由 分立器件走向模组。该时期以日本厂商主导的无源器件集成化产品 FEMiD(Front-end Module with integrated Duplexers)为主流(主要集成滤波器、开关),而欧美厂商继续钻研有源器件 PA 产品,两者泾渭分明。但 4G 时代的到来,OEMs 厂商产生了对 PA 和 FEMiD 进一步集成的需 要,即 PAMiD(PA Module integrated Duplexer)模组,推动了有源厂商与无源厂商的并购融合, 拥有 PA、滤波器及开关全产品线的四大射频前端巨头 Qorvo、Skyworks、Broadcom(Avago)、 Murata 也由此诞生。

2.1.1 覆盖频段数持续增加下的必然需求:集成度提升

覆盖频段数不断增加,使得手机厂商产生集成化需求。我们认为,无线通讯技术演进过程 中手机厂商需求的变化是 RFFE 从分立器件走向集成化的主要原因。(1)频段数不断增长、但 PCB 空间有限:在支持频段较少、RFFE 器件较少时,PCB 预留给射频前端的空间足够,即使 采用分立器件也绰绰有余。但从 3G 时代开始,手机厂商纷纷推出多频多模机型,因此有限 PCB 面积促使 RFFE 的设计走向集成化。(2)降低手机厂商研发难度、以缩短新品开发周期:PA 作 为有源器件,其热耗会对无源器件滤波器的工作效率/线性度产生影响,因此将 PA 与滤波器集 合的难度较高。而集合化方案则将该技术环节从手机厂商转移到了 RFFE 供货商,降低了手机 厂商研发过程中对 PA 进行输出匹配的难度,因此可缩短手机厂商新品开发周期。

因射频前端各器件采用异质材料,集成模组采取 SiP 形式。不同于多数半导体行业通过缩 短制程来提高性能,射频前端器件性能的提高依赖于技术革新,例如 PA 在低频段使用第一代 半导体 Si+CMOS 工艺,高频段使用第二代半导体 GaAs+HBT 工艺,而无源器件滤波器则包 括 SAW、BAW 技术。因此射频前端发展的一个重要方向即是在单个芯片上集成进行异质集成(heterogeneous integration),即使用 SiP 封装技术,在单个芯片上放入 PA、滤波器、开关等。

从 3G 时代的 FEMiD 模组,到 4G 时代的 PAMiD 模组。(1)3G 时代:该时期手机厂商 对集成化的需求还较低,主流的 RFFE 常以 PA+FEMiD 的形式出现(注:FEMiD 主要集合滤 波器、开关)。由于日本厂商在滤波器领域深耕多年,因此 FEMiD 的集成主要由日本厂商 Murata、 TDK 等推动。(2)4G 时代:频段数的大幅增加使得集成化需求再度提升,而 PA 与其他器件 的输出匹配则是集成化的瓶颈。因此本轮的集成化以掌握 PA 核心技术的欧美厂商 Skyworks、 Qorvo、Avago 等为主导,他们将 MMMB PA(即支持多模多频的单个 PA 器件)与 FEMiD 集 合于一块 PAMiD 模组中,并按照频率高低划分为 GSM/LB/MB/HB PAMiD,逐步定下了目前 主流手机的集成化形式,即仅用三四块 PAMiD 芯片即可覆盖全频段。

拆机比较:以三星 Galaxy 系列为例,看从 FEMiD 到 PAMiD 的变迁。以三星 Galaxy S4 与 Galaxy 10+为例:3G 时代的三星 Galaxy S4 包括一枚 Skyworks 提供的 MMMB PA 芯片以及 Murata 提供的 FEMiD。而同系列的 4G 产品 Galaxy 10+集成化程度则更高,由一块 Avago 提 供的 MB/HB PAMiD 和一块 Murata 提供的 LB PAMiD 芯片构成。

5G-sub6 时代,或延续 4G 以来 GSM/LB/MB/HB/5G PAMiD 的集成模式。从目前已发售 的 5G 手机看(以小米 米 10、三星 galaxy S20 为例),射频前端仍然延续了 4G 以来的集合方 式,即 2G-4G 频段根据频段高低划分为三四块 GSM/LB/MB/HB PAMiD,而新增加的 5G 频段 则单独用一到三块 PAMiD 解决。

2.1.2 面对高度集中的客户群,射频前端厂商提供精简版、全网通两套集成化方案

4G 时代见证了中端手机厂商的崛起。每一代新技术都为后进者提供了超越的机会,4G 时 代则见证了中国中端 OMEs 的崛起:华为+小米+OPPO+VIVO 的合计市占率由 2015 的 18%提 升至 40%,同时其他中小份额的厂商市占率则由 2015 的 35%压缩至 2019 年的 22%。

面对高度集中的中端、高端客户群,RFFE 厂商推出两套针对性系列产品。当下游用户集 中度提高后,满足特定用户的定制化产品变得不再昂贵,因此包括 Skyworks、Qorvo 在内的 RFFE 厂商都先后推出高端+中端两个并行的系列产品。如 Skyworks 推出 Sky5 LiTE 系列和 Sky5 Ultra 系列,分别满足中端用户的低成本需求和高端用户的全网通需求;相比高端线产品, 中端线产品覆盖频段数较少、主要是满足区域性的无线通信需求。以中端线产品 MB/HB PAMiD SKY5™-8095 为例,其覆盖高频/中频共计 8 个频段;而对应的高端线产品 MB/HB LPAMiD SKY5™-8265 则覆盖 11 个频段。类似的,Qorvo 也推出了 RF Flex 和 RF Fusion 分别 满足中端用户、高端用户需求。

2.1.3 从泾渭分明到并购融合:集成化催生的并购潮

3G 时代的分立与 4G 时代的融合。3G 时代,日本厂商主导无源器件集成化产品 FEMiD, 欧美厂商继续钻研有源器件 PA 产品,两者泾渭分明。但 4G 时代的到来,打破了有源厂商和 无源厂商的分界线,PA 与 FEMiD 进一步集成的需求,推动了有源厂商与无源厂商的并购融 合,拥有 PA、滤波器及开关全产品线的四大 RFFE 巨头也由此诞生:

新 Murata=旧 Murata(专注 SAW 滤波器)+ Renesas PA 业务+Peregrine 的 CMOS PA。 日本公司 Murata 凭借高 Q 值、低损耗的 SAW 滤波器成为无源器件领域的领头羊。而从 4G 时 代开始,Murata 先后于 2012 年收购 Renesas 的 PA 业务、2014 年收购 Peregrine 的 CMOS PA 业务,由此蜕变为集滤波器、PA、开关于一身的全产业链射频厂商。

新 Skyworks=旧 Skyworks(PA 传统厂商)+与松下的合资公司(SAW 滤波器)。在 3G 时代,Skyworks 相较于其他欧美厂商 Avogo、RFMD 竞争力还较弱;但从 2012 年进入苹果供 应商名单、并于 2013 年推出集成产品 Skyone 后,公司开始进入第一梯队。2014 年,公司与 松下合资成立 Skyworks Filter Solution,并于 2016 年完成对其的收购,由此补上了欠缺的滤波 器一环。

新 Broadcom(Avago)=由 Avago 蜕变而来(掌握 PA,同时手握利器 BAW-FARB 滤波器)。 Avago 脱胎于原 HP 的半导体部门,1999 年 HP 公司分拆出安捷伦公司,2005 年安捷伦公司将 其 I/O solutions 部门分拆出售,也即是现在 Avago。不过与其他全产链公司不同,Avago 目前 的产品线 PA 及 BAW-FARB 均不是并购而来。

新 Qorvo=RFMD(专注 GaAs/GaN PA)+TriQuint(BAW-SMR 滤波器)。RFMD 专注于 GaAs PA 产品,同时具备 GaN 生产能力;其曾经与 Nokia 深度绑定,但随着 Nokia 的陨落痛 失一大块市场。TriQuint 除拥有 GaAs/GaN 生产能力外,还拥有 BAW-SMR 滤波器技术。因此 2014 年两者互补融合产生的 Qorvo 在 4G 时代继续大放异彩。

经过 4G 时代的整合,目前四大巨头均完成全产品线布局。通过 4G 时代的融合并购,目 前四大巨头均拥有能够生产 PAMiD 芯片的主要器件生产线。比较而言,在滤波器领域,Murata、 Skyworks 长于低频段适用的 SAW/TC-SAW 滤波器,而 Broadcom、Qorvo 则选择了 BAW 滤波 器路线;在 PA 领域,目前主流厂商都已具备生产高频段适用的 GaAs PA。

2.2 趋势二:高频趋势势不可挡,新技术应运而生

高频资源的不断解锁,需要 RFFE 不断推出新技术以保证性能。其中,我们重点关注射频 前端的两大“兵家必争之地”,有源器件 PA 和无源器件滤波器:

技术一:PA 的性能提升主要通过新材料于新工艺的结合,而非缩短制程。存储芯片、处 理器等数字芯片的发展规律大致遵从摩尔定律,即每 18 个月芯片的性能提高一倍(即更多的 晶体管使其更快),但射频前端作为模拟芯片,其特征尺寸的缩小并不能带来性能的提升和成 本的下降:(1)击穿电压随尺寸缩小降低,而对于 PA 而言,需要高工作电压才能提供高输出 功率。(2)模拟电路的整体尺寸并不随着特征尺寸缩小而等比例缩小(如电感),因此先进制 程下,单位芯片成本不降反升。观察过去几代通技术更迭,我们可以看到 PA 的主流发展路径 为(1)终端:从 Si CMOS 到 GaAs HBT/GaAs HEMT;(2)基站:从 Si LDMOS 到 GaN HEMT。

技术二:高频段下,滤波器由 SAW 技术迁移至 BAW 技术。与 PA 面临的挑战类似,滤 波器也同样需要在高更频段、更大带宽下保持高性能。在 2G 时代,SAW 滤波器为主流技术, 以 Murata 为业界标准;而从 3G 时代开始,日本厂商的不断钻研工艺的匠人精神,并未能在 高频段取得良好的性能(包括低插入损耗、高Q 值等),而以 Qorvo 和 Broadcom 为代表的欧 美厂商则通过高频段仍能保持高性能的 BAW 滤波器一举登上舞台。

2.2.1 PA:高频时代,GaAs/GaN 继续领跑

PA 的主要设计难点:效率与线性的平衡。PA 通过电源获取能量来增加输出信号的功率, 即在输出信号的波形与输入信号一致的情况下,增大输出信号的振幅。其主要技术指标包括:(1)输出功率,即需要达到多少输出功率,以保证传输距离;(2)效率,即输出功率与电源 提供功率之比,用来衡量在同样的输出功率下耗电的多少;(3)线性度,即输出功率与输入功 率之比,非线性失真会产生新的频率分量,对发射的信号造成干扰。而效率与线性度之间存在 难以调和的矛盾,因此效率与线性度的平衡是 PA 设计时主要需要考虑的问题:(1)高效率需 要高功率输出:效率与输出功率成正比,在最大输出功率时达到最高效率(50%-60%);(2) 高功率输出下无法保证线性度:输入功率在一定范围内时,功率放大器的输出功率与输入功率 呈线性关系,但当输入功率升高到一定数值时,输出功率不再继续增加,即趋向于饱和输出功 率。

高频段的解锁,推动饱和电子速度更高的 GaAs/GaN 登上舞台。通讯时代从 2G 向 5G 演 进的过程中,PA 设计难度的增加主要来自于:在更高的工作频率下,如何保持高性能(主要 指线性度、效率、输出功率等)。与目前半导业主流材料 Si 相比(占市场的 95%左右),(1) 第二、三代半导体材料 GaAs、GaN 更适用于高频率工作环境:半导体工作频率与其饱和电子 迁移速度正相关,因此 GaAs、GaN 材料更适宜高频率工作环境。(2)GaN 与 GaAs 相比,更 适宜高功率输出:GaN 作为宽禁带材料(即带隙高达 3.4eV),其击穿电压更高,因此更适宜 作为高功率输出材料。

5G 时代 sub-6GHz 段:终端继续采用 GaAs,基站从 Si LDMOS 转向 GaN。材料的物理 特性决定了其在不同工作环境下的性能表现。考虑输出功率和工作频率两个方面,我们可以看 到 PA 的材料+技术呈现以下趋势:(1)终端(手机端):在 2G 时代,价格低廉的 Si CMOS 为主要工艺;而从 3G 开始,GaAs HBT 既已成为主流材料。与 GaN 相比,GaAs 的最高功率 水平不超过 5W,因此更适合终端设备(手机端的功率范围约为为 27.5 至 28 dBm,即 0.4 至 0.5 W)。(2)基站:从 4G 时代开始,GaN 逐步开始商用;而 5G 时代,GaN 将逐步取代 Si LDMOS 已成为业内共识。

5G 时代毫米波段:终端 GaAs、GaN、lnP 多种方案并行。目前对于终端在毫米波段的选 材业内仍存在争议,IDM 大厂存在 GaAs HEMT、lnP HBT、GaN 几种并行研究方案。与 GaAs相比,GaN 的具备更高的功率密度及更高的截止频率,可有效减少收发通道数及芯片尺寸,有 希望成为终端设别的解决方案。如 Qorvo 已推出集合了 PALNA开关的 GaN 模组 QPF4006, 适用于 39GHz 的 5G 基站和终端;其发送通道提供 23dB 的小信号增益和 2W 的饱和输出功 率,4.5mm×4.0mm 的封裝尺寸可以滿足相位阵列应用的紧密点阵间距要求。

出于成本的考虑,GaN 器件多以 SiC/Si 作为衬底。因以同质材料作为衬底的成本较高, 因此 GaN 多使用异质衬底,包括:GaN-on-sapphire(为 LED 的主要技术)、GaN-on-SiC、GaNon-silicon,其中后两者为射频前端备选方案。而 GaN-on-SiC 的导热系数是 GaN-on-Si 的三倍, 从而使器件可以在更高的电压和更高的功率密度下运行,因此目前业界大多商用的 GaN 射频 器件采用此工艺。

2.2.2 滤波器:5G 时代,BAW 滤波器表现更优

滤波器主要技术指标:品质因数 Q 值和插入损耗。滤波器通过电容、电感、电阻的组合, 对频段进行特定筛选,其中信号没有显著衰减的频率范围成为通带(passband),信号显著衰减 的区域为阻带(stopband),衰减 3dB 的位置(即功率衰减 50%左右)对应的频率称为截至频 率(cutoff frequency)。用来衡量滤波器性能的主要指标有(1)插入损耗衡量信号衰减程度:插入损耗(Insertion Loss)指由于滤波器的引入对电路中原有信号带来的衰耗,用 10lg(Po/Pi)计 算(Po 为输出功率、Pi 为输入功率),以 dB 为单位,因此插入损耗越低、耗电量越少。(2) Q 值衡量选择性:Q 值(Quality factor,品质因数)为滤波器的中心频率与-3dB 带宽的比值, 用来描述滤波器对相邻频率的分辨能力,Q 值越低,滤波器的带宽越宽,Q 值越高,滤波器的 带宽越窄、“选择性”越强。

声学滤波器在“电→声→电”的转换过程中,对频率进行筛选。当对晶体施加一个电压时, 晶体将发生机械形变,将电能转化成机械能;反之,当晶体受到机械压缩或拉伸时,晶体结构 的反面形成电荷,使电流流入端子和/或在端子间形成电压。而声学滤波器,正是在电→声→ 电转换过程中,对频率进行筛选。而声波在固体中传播有两种途径,一是声体波(即以纵波或 横波形式在固体内部传递),二是声表面波,分别对应 BAW(体声波滤波器)和 SAW(Surface acoustic wave,表面声波滤波器)。

目前主流声学滤波器包括 SAW 和 BAW。(1)SAW 滤波器:其由压电衬底(piezoelectric substrate)和两侧覆盖的叉指换能器(IDT)组成。前者主要以石英、钽酸锂(LiTaO3) 或铌酸锂 (LiNbO3) 等为材料;后者为梳状金属层,用来以实现电到声、声到电的转换。当声波沿弹性 材料表面传播时,其振幅随深入表面深度指数衰减。(2)BAW 滤波器:以石英晶体做成压电 基板(piezolayer),上下均带有金属电极(Electric port)。石英顶部和底部的金属片会激发声波, 该声波会在贴片和晶体之间来回反弹,声波在压电薄膜里震荡形成驻波(standing wave)。按照 声能的捕获方式及散热方式的不同,BAW 滤波器又可分为 SMR(固体装配型体声波滤波器) 和 FBAR(薄膜体声波滤波器)。

1GHz 以下频段 SAW 具备成本优势,1 到 6GHz 频段 BAW 性能更优。(1)SAW 滤波器 具备成本优势,但高频性能不佳、对温度变化敏感:由于 SAW 滤波器在晶圆上组装,因此可 以低成本大批量生产。但其工作原理决定了频率越高、IDT 间距越小,这使得其在 1GHz 以上 频段表现不佳,最高仅能支持 2.5GHz 频段。此外 SAW 滤波器性能还会随着温度升高变差, 对此 Murata 在 IDT 上增加了保护涂层了(即 TC(temperature compensated)-SAW 滤波器),其 性能和价格均介于 BAW 和 SAW 之间。(2)BAW 高频性能更加,对温度变化不敏感:BAW 滤波器造价更高,但由于其声能密度都非常高,且更能有效地捕获声波,因此其具有更低的插 入损耗、在高频段表现更为出色;此外其还具有尺寸更小、对温度较不敏感的优势。目前体声 波最高可以处理的频率高达 6 GHz。

两款 BAW 滤波器相比,SMR 散热性优于 FBAR,适宜高频段所需的大功率输出。随着 工作频率的升高,信号衰减也将增大,因此滤波器需要支持大功率射频信号以保证远距离传输,所以散热性在高频段极为重要。而 FARB 与 SMR 的基本差别之一就在于其导热通路:SMR 中 有一条导热通路通向衬底,并通过衬底散热;而在 FARB 中,由于其每面都有气隙,因此导热 通路较弱。因此每瓦发射功率下,SMR 升高 20°C,而 FBAR 升高 70°C。

4G 时代,滤波器中 BAW 价值量占比达 40%-50%。据统计,平均每部 4G 手机的 SAW、 TC-SAW、BAW 滤波器数量分别约为 30+/10/20 个。整体上 BAW 滤波器用量较少,但由于其 价格较高,因此在 4G 手机中 BAW 的价值量占近一半;以一部区域型和全网通手机为例,其 单机滤波器价值分别为 4/7.25 美元,其中 BAW 滤波器价值量占比达 40%-50%。图 55、单机滤波器数量(个/台) 图 56、单机滤波器价值

5G Sub6 的高频滤、大带宽对性能提出更高挑战,BAW 滤波器仍为首选。5G 的 sub-6 频 段与 4G 频段相比,拥有更大的带宽、更高的频率,同时 n79 频段与 5GHz 的 WIFI 段紧邻, 中间只相隔 150MHz,因此滤波器需要在高带宽与高邻带抑制间做出平衡,而目前 5G sub6 频 段首选仍然是 BAW 滤波器仍是的首选。

5G 毫米波段技术路线暂无定论,包括 LTCC、XBAR 等技术仍在研发中。FBAR 和 SMR 技术目前适用的范围主要仍是 6GHz 以下,毫米波段因更高频滤(24GHz-52GHz)、更大带宽 (可达 1GHz 以上 vs 5G sub6 的 100MHz),对滤波器的性能提出了更高要求,目前暂无确定 性技术路线。目前潜在的毫米波技术包括(1)TDK 公司于 2019/11 首次推出的可用于 28 GHz 频段的 LTCC 滤波器产品,(2)Resonant 公司于 2018 年 10 月首次推出 XBAR 滤波器,根据 ISN 仿真表明,其在 28 GHz 上存在商用潜力,2019 年 10 月 Murata 公司已与 Resonant 签署了 XBAR 技术的多年商业协议。

3 四巨头瓜分 80%市场,存在差异化产品布局、不同频段竞争

3.1 四大巨头瓜分 80%以上市场,各家产品线布局存在差异

3.1.1 巨头成长之路,殊途同归

4G 时代产生的集成化需求使得目前主流厂商都进行了全产品线布局,但四大巨头的发展 路径并不相同,可谓殊途同归:

Murata:典型日企,匠心工艺打造 SAW 滤波器的业界标杆。Murata 靠无源器件滤波器 和电感起家,2005 年之后通过多起收购拓展其产品线,并于 2012/2014 年分别收购 Renesas 和 Peregrine 的 PA 产品线,不过目前公司核心盈利产品仍是其无源器件。与其他三家巨头不同的 是,Murata 为典型的日企,依靠匠心工艺与与同业的先进技术竞争。如在宽频带、高频段时 代,Avago/Qorvo 另辟蹊径推出 BAW 滤波器,但 Murata 仍选择攻研 SAW 滤波器,因此在 SAW 滤波器领域,Murata 仍凭借高工艺、低成本使得无人与其匹敌。

Skyworks:PA 技术积累深厚,3G 时代通过与苹果合作一举登上一线舞台。Skyworks 于 2002 年由专做二极管的 Alpha 与 Conexant 的无线通信部门合并而成,而 Conexant 则拆分自加 州靠军工产品(主要是航天飞机)起家的 Rockwell 公司的半导体部门,因此其 PA 技术实则是 继承了 Rockwell 在军工领域的深厚积累。不过在 3G 时代以前,Skyworks 主要靠低价供货给 份额较小的手机厂商存活,不温不火;而从 3G 时代开始,因打入苹果供应链才开始崭露头角, 一举成为一线射频厂商。时至今日,Skyworks 仍是对苹果依赖度最高的射频厂商,2019 财年 苹果对公司营业收入贡献占比 Skyworks 51% > Qorvo 32% > Avago 20%。

Qorvo:RFMD 与 TriQuint 强强联手实现互补,抓住 4G 时代集成化需求。Qorvo 由当时 射频前端市场排名第二的 RFMD 与第三的 TriQuint 平等合并而成,由于两家公司产品侧重不 同,通过合并 Qorvo 实现了产品的互补。(1)RFMD 的 GaAs 为传统强项:RFMD 成立之初便 专注于无线通信市场,靠与 Nokia 深度合作曾荣登 GaAs 器件市场第一。虽然在 3G 时代随着 Nokia 的陨落,其在 GaAs 器件的市场份额由迅速由 2008 年的 20%下降到 2011 年的 12.4%, 不过其在 4G 时代通过于 TriQuint 的互补联合稳住了第一梯队的位置。(2)TriQuint 拥有 BAWSMR 技术:TriQuint 除拥有三五族化合物生产能力外,其还在 2005 年通过收购 TFR Technologies 获得了 BAW 滤波器技术,这使得 Qorvo 成为目前 BAW 滤波器领域的双雄之一。

Broadcom(Avago):十年磨一剑,FBAR 技术成为其独门绝技。Avago 脱胎于原 HP 的 半导体部门,1999 年 HP 公司分拆出安捷伦公司,2005 年安捷伦公司将其 I/O solutions 部门分 拆出售,也即是现在 Avago。而其独家的 FARB 技术起源于安捷伦时期,公司经过 10 年研究 成功于 1999 年研发出应用于美国 PCS1900MHz 频段 FBAR 滤波器,并于 2001 年开始量产, 此后市占率一直在 50%以上。

3.1.2 整体实力相当,但产品布局存在差异

四大巨头整体实力相当,但滤波器布局差异使得模组定位有所不同。(1)整体上,四大巨 头实力相当,市占率均在 20%-24%;剩下市场由主打滤波器的日本厂商 TDK、Taiyo Yuden, 以及从基带端切入的新晋者 Qualcomm 瓜分。(2)从产品线看,4G 时代定下的 PAMiD 路线, 使得四大厂商纷纷布局各类产品线,但在滤波器技术路线上存在较大差异:老牌滤波器厂商 Murata 在 SAW 滤波器仍具备绝对优势,市占率在 50%以上。新切入滤波器市场的 Avago 和 Qorvo 分别通过 FARB/SMR 新技术在 BAW 滤波器领域取得领先优势,市占率分别达到 56%/38%。而 Skyworks 由于滤波器的布局晚于 Qorvo/broadcom 十年以上,因此在滤波器上稍 显不足。目前虽然已具备 SAW/TC-SAW 滤波器具备自主生产能力,但部分产品仍是外包给 Taiyo Yuden 生产。此外,LNA 和开关市场中 Qorvo 与 Skyworks 具有较大优势,市占率分别 为 35%/23%,而国内厂商卓胜微 LNA 与开关市占率也达到 8%。

因产品布局存在差异,Skyworks/Murata 主要竞争低频段、Avago/Qorvo 竞争高频段产 品。我们统计了历代 iPhone 和 Galaxy S 系列产品,可以看到 Murata/Skyworks 主要提供 GSM/LB PAMiD,Qorvo/Avago 主要提供 MB/HB PAMiD。而所竞争频段的不同,归根还是各家产品布 局存在差异:(1)低频段:Murata 主攻 SAW 滤波器,Skyworks 通过收购与松下合资成立的子 公司获得 SAW/TC-SAW 技术、并将 BAW 需求外包,因此这两家厂商主攻技术要求较低、成 本管控要求较高的低频段 GSM/LB 赛道。(2)中高频段:Qorvo/Avago 因在滤波器领域突破性 地开发了 BAW 滤波器,因此在 MB/HB 优势显著。

3.2 四大巨头收入分析

Broadcom/Qorvo/Skyworks 射频器件的年收入均超过 20 亿美元。我们对三家欧美射频厂 商近年的收入进行了统计,其手机端的射频器件的营业收入均在 20 亿美元以上。其中, Skyworks 和 Qorvo 以手机的射频前端器件为主业,收入占比在 70%以上,其他收入主要是 IoT 相关的射频器件。而品类广泛的半导体厂商 Broadcom 的射频器件业务仅为其一个部门,因此 占比较少,2019 占收入的 9.7%。

Murata 与 Taiyo Yuden 收入结构相似,均涉及通讯领域,包含滤波器、电容器等产品。 从产品类型看,Murata 和 Taiyo Yuden 均以模组化产品(主要是滤波器)和其他器件(主要是 电容)为主业,Murata2021 财年模组化产品收入 4841 亿日元(约合 44 亿美元),占总收入的 30%,其他器件收入 11435 亿日元(约合 104 亿美元),占总收入的 70%。从产品应用领域看, Murata 总收入中约 50%来自通讯领域,2021 财年收入约 8049 亿日元(约合 73 亿美元)。

4 国产替代:道阻且长,行则将至

4.1 国内厂商涌现,从单一产品向模组化演进

国内厂商从单一产品向模组化产品演进,在布局、性能上仍存在提升空间。从海外厂商的 发展路径看,主流厂商一般是先在单一器件(PA 或滤波器)做到行业龙头水平,然后通过并 购顺势完成从分立器件向模组化产品的转型。而从发展路径看,国内厂商也是从单一产品逐步 向模组化产品演进,主要包括三类厂商。(1)PA 厂商:从 2/3G 频段切入,逐步向 5G 渗透, 包括昂瑞微、唯捷创芯(联发科收购)、飞骧科技、迪瑞科(展讯收购)等,其中昂瑞微在 2G/3G 上全球市占率分别达 75%/65%。此外,我们看到 PA 厂商已在模组化上走在前列,推出 FEMPAMiDPAMiF 等模组,但射频模组产品仍较为初级,以昂瑞微为例,公司推出的 5G PAMid 使用的频段为 4G 重耕频段,并没有涉及高频段的 5G PAMid 技术。(2)滤波器厂商:包括与麦捷科技(出货国内手机一线厂商,与中电 26 所深度合作)、信维通信(与中电 55 所 在 SAW 上深度合作)、无锡好达、诺思等。(3)其他器件:如射频龙头卓胜微,平台型公司韦 尔股份、艾为电子,从 LNA射频开关切入,并向其他器件、模组拓展。

4.2 国产替代,把握 PA、滤波器技术突破及模组化布局

4.2.1 卓胜微

国内射频开关/LNA 龙头,向集成化模组拓展。公司主要生产基于 12 寸 65nm RF SOI 工 艺的射频开关和基于 SiGe、CMOS 工艺的 LNA,2020 年分别实现营业收入 21.91/2.7 亿元、 实现毛利 10.56/1.44 亿元。目前,公司生产的射频开关及 LNA 均可满足 5G 中的 sub-6GHz 频段应用需求,已实现安卓阵营 TOP 公司全覆盖。同时公司还与高通达成合作意向,射频开关已 通过高通的小批量试产验证,正式进入量产。此外,为顺应集成化趋势,公司开始推出相关模 组成品,包括 DiFEM(分集接收模组产品)、LFEM(LNA/滤波器集成模组)、LNA bank(多 频多模 LNA 集成模组)。

4.2.2 韦尔股份

平台型公司,从开关、LNA 切入。公司以主营业务 CIS 为核心,同时致力于 TDDI、模 拟、射频等,致力于打造平台型企业。近年来,公司不断投资丰富公司自研产品类型,通过投 资无锡中普微及上海韦玏,公司加大了在射频领域的产品研发投入,在 RFSwitch、Tuner、 LTELNA、GPSLNA 产品领域研发出了具有市场竞争优势的成果。

4.2.3 三安光电

发力第三代半导体,为 PA、滤波器厂商提供代工。三安光电为 LED 外延片及芯片生产 龙头,其 LED 业务全球市占率 20%、国内市占率 29%。2020 年实现营业收入 85 亿元,净利润 10 亿元。其全资子公司三安集成立于 2014 年,主要提供化合物半导体晶圆代工服务,工 艺能力涵盖微波射频、电力电子、光通讯和滤波器四个领域的产品,目前已取得了国内重要 客户的合格供应商认证,2020 全年实现销售收入 9.74 亿元,同比增长 305%;其中 GaN 射 频产品重要客户已实现批量生产,产能正逐步爬坡;此外,其滤波器产品生产线正在持续扩 充及备货中,2020 年实现出货。

4.2.4 艾为电子

深耕音频功放、电源管理芯片,拓展开发射频前端芯片。公司在数模混合信号、模拟和射 频芯片领域深耕多年,从音频功放芯片和电源管理芯片产品出发,陆续拓展开发射频前端芯片 和马达驱动芯片等产品。2020 年,公司实现收入 14.3 亿元,毛利 4.6 亿元;其中射频前端 1.01 亿元,毛利 0.18 亿元。

5 风险提示

(1)5G 手机出货量低于预期:我们预计 3/4G 频段对应的市场空间维持在 140 亿美元上 下,而 5G 频段对应的市场空间在 2024 年将增长至百亿以上。若受疫情、缺芯影响,5G 手机 出货量或低于预期。

(2)国内厂商技术进步慢于预期:射频前端集成化是大趋势下,而国内厂商多从 LNA、 开关等环节切入,若要实现模组出货,仍需在滤波器、PA 产品上实现突破。


“Kinghelm”商标由金航标公司原始注册,金航标是GPS天线北斗天线研发生产直销厂家,在北斗GPS导航定位行业非常高的知名度和美誉度,研发生产产品广泛应用于bds卫星导航定位无线通信等领域。主要产品包括:RJ45-RJ45网络,网络接口连接器、射频连接器转接线、同轴线缆连接器、type-c连接器、hdmi接口type-c接口、排针排母、SMA、fpc、FFC天线连接器、天线信号传输防水接头、hdmi接口、usb连接器、端子端子线、端子板接线端子、接线端子排、射频rfid标签、定位导航天线、通讯天线天线连接线、胶棒天线吸盘天线、433天线4G天线,GPS模块天线等。广泛应用于航天航空、通信、军工、仪器仪表和安防、医疗等行业。


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