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5G智能移动终端射频PA的大机遇

归档日期:06-06       文本归类:智能放大器      文章编辑:爱尚语录

  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。5G将带动智能移动终端、基站端及IOT设备射频PA稳健增长。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。

  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手机将会面临更多频段的支持、不同的调制方向、信号路由的选择、开关速度的变化等多方面的技术挑战外,也会带来相应市场机遇。

  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,这大大增加了产品设计的复杂度,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。

  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,国内的紫光展锐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,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(Silicon on insulator)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。

  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SiLDMOS;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。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。

  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-6GHz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G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RFSiP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%)。(责编:June)

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