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射频功率放大器国内合格率较低,智能手机、基站射频PA发展趋势分析[图]

2019-04-28 14:01:00

    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。

    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。

    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。

    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。

    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。

2017~2023年射频前端PA市场规模

数据来源:公开资料整理

    5G手机功率放大器用量翻倍增长: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。

    与载波聚合与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。

    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。

5G手机单机使用PA数量预测(颗)

数据来源:公开资料整理

5G手机单机使用PA价值量预测

数据来源:公开资料整理

    5G时代,GaAs材料适用于移动终端。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。据调查数据统计,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年全球GaAs代工市场竞争格局

数据来源:公开资料整理

    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。

    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,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PA有望成为5G基站主流技术。预测未来大部分6GHz用以下宏网络单元应用都将采用GaN器件,小基站器件,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。GaNHEMT(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(smallcell)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年年GaN将主导RF功率器件市场,抢占基于硅LDMOS技术的基站技术的基站PA市场,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。

    到2023年,GaNRF器件市场规模达到13亿美元,约占3W以上的RF的功率市场的45%。截止2018年底,整个RFGaN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%。

2015-2023年全球GaN市场规模及预测

数据来源:公开资料整理

    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。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、TAIYOYUDEN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。

    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RFCMOS/SOI代工厂(GLOBALFOUNDRIES、TOWERJAZZ、台联电、台积电等)都在布局5G射频产业。

    相关报告:智研咨询发布的《2019-2025年中国射频元器件行业市场需求预测及投资前景评估报告

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