5G时代的射频功率放大器研究报告.docx
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5G时代的射频功率放大器研究报告
5G时代的射频功率放大器研究报告
5G时代,射频功率放大器需求有望多点开花
投资建议
⏹行业策略:
射频功率放大器(PA)作为射频前端发射通路的主要器件,通常用于实现发射通道的射频信号放大。
5G将带动智能移动终端、基站端及IOT设备射频PA稳健增长,智能移动终端射频PA市场规模将从2017年的50亿美元增长到2023年的70亿美元,复合年增长率为7%,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。
GaAs器件是消费电子3G/4G应用的主力军,5G时代仍将延续,此外,物联网将是其未来应用的蓝海。
GaN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,在5G时代需求将迎来爆发式增长。
5G时代,射频功率放大器需求有望多点开花,建议买入行业龙头。
推荐组合:
我们认为,随着5G进程的加快,5G基站、智能移动终端及IOT终端射频PA将迎来发展良机,使用量大幅增加,看好细分行业龙头,推荐:
CREE、Skyworks、稳懋、三安光电、环旭电子,建议关注:
海特高新(海威华芯)、旋极信息(拟收购安谱隆)。
行业观点
⏹5G推动手机射频PA量价齐升:
4G时代,智能手机一般采取1发射2接收架构,预测5G时代,智能手机将采用2发射4接收方案,未来有望演进为8接收方案。
功率放大器(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,价值量超过7.5美元。
5G智能终端射频前端SIP将是大势所趋,高通已发布5G第二代射频前端模组,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RFSiP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%)。
⏹5G基站,PA数倍增长,GaN大有可为:
4G基站采用4T4R方案,按照三个扇区,对应的射频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。
目前基站用功率放大器主要为LDMOS技术,但是LDMOS技术适用于低频段,在高频应用领域存在局限性。
我们研判5G基站GaN射频PA将成为主流技术,逐渐侵占LDMOS的市场,GaAs器件份额变化不大。
GaN能较好的适用于大规模MIMO,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,MIMOPA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%。
⏹5G时代,窄带物联网设备射频前端迎来发展新机遇:
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),NB-IoT虽然有要求和LTE相同的上行功率(powerclass3),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-IoTPA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。
风险提示
⏹智能手机及基站射频PA被国际巨头垄断,技术难度较大,国内进展缓慢,合格率较低,成本居高不下,射频PA需要持续性投入。
内容目录
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
n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。
n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。
n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。
n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。
图表1:
手机射频前端架构及功能图表2:
射频前端组件随终端复杂性的提升而增加
⏹
来源:
射频百花潭、国金证券研究所来源:
射频百花潭、国金证券研究所
n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%。
n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5GNR定义的超高频段和WiFi分集天线共享。
n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。
n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。
图表3:
2017~2023年射频前端模组市场图表4:
2017~2023年射频前端PA市场规模
⏹
来源:
MEMS、国金证券研究所来源:
MEMS、国金证券研究所
1.25G推动手机射频PA量价齐升
n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(n412.6GHz,n773.5GHz和n794.8GHz),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。
n
预测5G时代,智能手机将采用2发射4接收方案。
图表5:
5G智能手机射频前端框图(2发4接收)
来源:
射频百花潭、国金证券研究所
n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:
n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;
n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%);
n信号路由的选择:
选择4Ganchor+5G数据连接,还是直接走5G,这会带来不同的挑战。
n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。
n
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。
图表6:
5G给手持设备带来的挑战
来源:
Qorvo、国金证券研究所
nQorvo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。
n5G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。
n5G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。
n载波聚合与MassivieMIMO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。
n5G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。
图表7:
5G手机单机使用PA数量预测(颗)图表8:
5G手机单机使用PA价值量预测(美元)
⏹
来源:
StrategyAnalytics、国金证券研究所来源:
StrategyAnalytics、国金证券研究所
1.3GaAs射频器件仍将主导手机市场
n5G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RFCMOS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,RFCMOS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(Silicononinsulator)工艺,射频收发机大多数也已采用RFCMOS制程,从而满足不断提高的集成度需求。
n5G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SiLDMOS;在微基站中,未来一段时间内仍然以GaAsPA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,GaNPA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,GaNPA短期内也无法撼动GaAsPA的统治地位。
n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StrategyAnalytics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。
图表9:
全球GaAs射频器件产业链图表10:
2016年全球GaAs产业器件竞争格局
⏹
来源:
材料深一度、国金证券研究所来源:
StrategyAnalytics、国金证券研究所
n
2017年GaAs晶圆代工市场,台湾稳懋(WinSemi)独占全球72.7%的市场份额,是全球第一大GaAs晶圆代工厂。
图表11:
2017年全球GaAs代工市场竞争格局
来源:
STRATEGYANALYRICS、国金证券研究所
1.45G设备射频前端模组化趋势明显,SIP大有可为
n5G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-6GHz和毫米波(mm-wave))给产业界带来了巨大挑战。
nLTE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。
图表12:
射频(RF)器件封装技术
来源:
MEMS、国金证券研究所
n在低频频段,所包含的600MHz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5GNR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。
n
5G手机需要4X4MIMO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。
图表13:
2018年手机射频前端结构发展趋势
来源:
MEMS、国金证券研究所
nRF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。
n预测2023年,PAMiDSiP组装预计将占RFSiP市场总营收的39%。
2018年,晶圆级封装大约占RFSiP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)、RxDM(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)、MMMBPA(多模、多频带功率放大器)和毫米波前端模组。
nMEMS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RFSiP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%)。
n高通发布5G手机射频前端模组化方案。
n2019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™X555G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5G100MHz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QAT35555G自适应天线调谐解决方案。
高通QET6100将包络追踪技术扩展到5GNR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。
图表14:
高通第二代5G移动终端射频前端方案图表15:
高通5G新空口自适应天线调谐解决方案
⏹
来源:
Qualcomm中国、国金证券研究所来源:
Qualcomm中国、国金证券研究所
nQualcomm的全新先进射频前端功率放大器和分集模组包括:
n功率放大器模组,搭配QET6100支持100MHz5G包络追踪。
QPM6585、
QPM5677和QPM5679分别支持n41、n77/78和n79频段。
n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。
n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。
n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)。
n
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QAT3555SignalBoost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。
图表16:
高通5G包络追踪解决方案
来源:
Qualcomm中国、国金证券研究所
2、5G基站,PA数倍增长,GaN大有可为
2.15G基站,射频PA需求大幅增长
n5G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。
n5G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。
nGaN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(2V至3V),但其集成优势非常有吸引力。
GaAs拥有微波频率和5V至7V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4GHz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28V至50V,优势在于更高功率密度及更高截止频率(CutoffFrequency,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(MassiveMIMO)应用中,可实现高整合性解决方案。
n
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。
图表17:
GaN射频器件的加工工艺
来源:
材料深一度、国金证券研究所
n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。
n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。
n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。
n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。
n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。
n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。
n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。
n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。
n
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。
图表18:
主要半导体材料的关键性能
来源:
材料深一度、国金证券研究所
nGaN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(SiLDMOS,LateralDouble-diffusedMetal-oxideSemiconductor)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SiLDMOS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
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