射頻功率放大器需求有望多點開花

樊志遠(yuǎn) 張純 魯洋洋

關(guān)鍵詞：PA;基站;5G;細(xì)分行業(yè)龍頭

1 綜述?

功率放大器（PA）是一部手機關(guān)鍵的器件之一，它直接決定了手機無線通信的距離、信號質(zhì)量，甚至待機時間，是整個射頻系統(tǒng)中除基帶外最重要的部分。手機里面PA的數(shù)量隨著2G、3G、4G、5G逐漸增加。以PA模組為例，4G多模多頻手機所需的PA芯片為5～7顆，預(yù)測5G手機內(nèi)的PA芯片將達(dá)到16顆之多，價值量超過7.5美元。5G智能終端射頻前端SIP將是大勢所趨，MEMS預(yù)測，到2023年，用于蜂窩和連接的射頻前端SiP市場將分別占SiP市場總量的82%和18%。按蜂窩通信標(biāo)準(zhǔn)，支持5G（sub-6GHz和毫米波）的前端模組將占到2023年RF SiP市場總量的28%。高端智能手機將貢獻(xiàn)射頻前端模組SiP組裝市場的43%，其次是低端智能手機（35%）和奢華智能手機（13%）。

4G基站采用4T4R方案，按照3個扇區(qū)計算，對應(yīng)的射頻PA需求量為12個。預(yù)計未來64T64R將成為5G基站主流方案，對應(yīng)的PA需求量則高達(dá)192個，PA數(shù)量將大幅增長。5G基站GaN射頻PA將成為主流技術(shù)，逐漸侵占LDMOS的市場，GaAs器件份額變化不大。GaN能較好地適用于大規(guī)模MIMO。預(yù)計到2022年，4G/5G基礎(chǔ)設(shè)施用RF半導(dǎo)體的市場規(guī)模將達(dá)到16億美元，其中，MIMO PA年復(fù)合增長率將達(dá)到135%，射頻前端模塊的年復(fù)合增長率將達(dá)到119%。

我們認(rèn)為，隨著5G進程的加快，5G基站、智能移動終端及IOT終端射頻PA將迎來發(fā)展良機，使用量大幅增加，看好細(xì)分行業(yè)龍頭，推薦：CREE、Skyworks、穩(wěn)懋、三安光電、環(huán)旭電子，建議關(guān)注：海特高新（海威華芯）、旋極信息（擬收購安譜隆）。

2 5G智能移動終端，射頻PA的大機遇

2.1射頻功率放大器（PA）——射頻器件皇冠上的明珠

射頻功率放大器（PA）作為射頻前端發(fā)射通路的主要器件，主要是為了將調(diào)制振蕩電路所產(chǎn)生的小功率射頻信號放大，獲得足夠大的射頻輸出功率，才能饋送到天線上輻射出去，通常用于實現(xiàn)發(fā)射通道的射頻信號放大。

射頻前端模塊是移動終端通信系統(tǒng)的核心組件，對它的理解可以從兩方面考慮：一是必要性，它是連接通信收發(fā)器（transceiver）和天線的必經(jīng)之路;二是重要性，它的性能直接決定了移動終端可以支持的通信模式，以及接收信號強度、通話穩(wěn)定性、發(fā)射功率等重要性能指標(biāo)，直接影響終端用戶體驗。

射頻前端芯片包括功率放大器（PA）、天線開關(guān)（Switch）、濾波器（Filter）、雙工器（Duplexer和Diplexer）和低噪聲放大器（LNA）等，它們在多模/多頻終端中發(fā)揮著核心作用。

手機和WiFi連接的射頻前端市場預(yù)計在2023年達(dá)到352億美元，復(fù)合年增長率為14%（圖1）。

射頻前端產(chǎn)業(yè)中最大的市場為濾波器，將從2017年的80億美元增長到2023年225億美元，復(fù)合年增長率高達(dá)19%。該增長主要來自于BAW濾波器的滲透率顯著增加，典型應(yīng)用如5G NR定義的超高頻段和WiFi分集天線共享。

功率放大器市場增長相對穩(wěn)健，復(fù)合年增長率為7%，將從2017年的50億美元增長到2023年的70億美元（圖2）。高端LTE功率放大器市場的增長，尤其是高頻和超高頻，將彌補2G/3G市場的萎縮。

砷化鎵器件應(yīng)用于消費電子射頻功放，是3G/4G通訊應(yīng)用的主力，物聯(lián)網(wǎng)將是其未來應(yīng)用的藍(lán)海;氮化鎵器件則以高性能特點廣泛應(yīng)用于基站、雷達(dá)、電子戰(zhàn)等軍工領(lǐng)域，利潤率高且戰(zhàn)略位置顯著，由于更加適用于5G，氮化鎵有望在5G市場迎來爆發(fā)。

2.2 5G推動手機射頻PA量價齊升?

射頻前端與智能終端一同進化，4G時代，智能手機一般采取1發(fā)射2接收架構(gòu)。由于5G新增了頻段（n41 2.6GHz，n77 3.5GHz和n79 4.8GHz），因此5G手機的射頻前端將有新的變化，同時考慮到5G手機將繼續(xù)兼容4G、3G、2G標(biāo)準(zhǔn)，因此5G手機射頻前端將異常復(fù)雜。預(yù)測5G時代，智能手機將采用2發(fā)射4接收方案。

圖1 2017—2023 年射頻前端模組市場資料來源：MEMS、國金證券研究所，下同。

圖2 2017—2023 年射頻前端PA 市場規(guī)模

Qorvo指出，5G將給天線數(shù)量、射頻前端模塊價值量帶來翻倍增長。以5G手機為例，單部手機的射頻半導(dǎo)體用量達(dá)到25美元，相比4G手機近乎翻倍增長。其中濾波器從40個增加至70個，頻帶從15個增加至30個，接收機發(fā)射機濾波器從30個增加至75個，射頻開關(guān)從10個增加至30個，載波聚合從5個增加至200個。

5G手機功率放大器（PA）用量翻倍增長。PA是一部手機的關(guān)鍵器件之一，它直接決定了手機無線通信的距離、信號質(zhì)量，甚至待機時間，是整個射頻系統(tǒng)中除基帶外最重要的部分。手機里面PA的數(shù)量隨著2G、3G、4G、5G逐漸增加。以PA模組為例，4G多模多頻手機所需的PA芯片為5～7顆，預(yù)測5G手機內(nèi)的PA芯片將達(dá)到16顆之多（圖3）。

5G手機功率放大器（PA）單機價值量有望達(dá)到7.5美元：同時，PA的單價也有顯著提高，2G手機用PA平均單價為0.3美金，3G手機用PA上升到1.25美金，而全模4G手機PA的消耗則高達(dá)3.25美金，預(yù)計5G手機PA價值量達(dá)到7.5美元以上（圖4）。

載波聚合與Massivie MIMO對PA的要求大幅增加。一般情況下，2G只需非常簡單的發(fā)射模塊，3G需要有3G的功率放大器，4G要求更多濾波器和雙工器載波器，載波聚合則需要有與前端配合的多工器，上行載波器的功率放大器又必須重新設(shè)計來滿足線性化的要求。

5G無線通信前端將用到幾十個甚至上百個通道，要求網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或者器件供應(yīng)商能夠提供全集成化的解決方案，這大大增加產(chǎn)品設(shè)計的復(fù)雜度，無論對器件解決方案還是設(shè)備解決方案提供商都提出了很大技術(shù)挑戰(zhàn)。

3 5G基站PA數(shù)倍增長，GaN大有可為?

3.1 5G基站射頻PA需求大幅增長?

3.1.1 5G基站PA數(shù)量有望增長16倍

4G基站采用4T4R方案，按照3個扇區(qū)，對應(yīng)的PA需求量為12個，5G基站，預(yù)計64T64R將成為主流方案，對應(yīng)的PA需求量高達(dá)192個，PA數(shù)量將大幅增長。

3.1.2 5G基站射頻PA有望量價齊升

目前基站用功率放大器主要為基于硅的橫向擴散金屬氧化物半導(dǎo)體LDMOS技術(shù)，不過LDMOS技術(shù)僅適用于低頻段，在高頻應(yīng)用領(lǐng)域存在局限性。對于5G基站PA的一些要求可能包括3～6GHz和24～40GHz的運行頻率，RF功率在0.2～30W之間，我們研判5G基站GaN射頻PA將逐漸成為主導(dǎo)技術(shù)，而GaN價格高于LDMOS和GaAs。

3.1.3 GaN具有優(yōu)異的高功率密度和高頻特性

圖3 5G 手機單機使用PA 數(shù)量預(yù)測來源：Strategy Analytics、國金證券研究所，下同。

圖4 5G 手機單機使用PA 價值量預(yù)測

提高功率放大器RF功率最簡單的方式就是增加電壓，這讓氮化鎵晶體管技術(shù)極具吸引力。如果我們對比不同半導(dǎo)體工藝技術(shù)，就會發(fā)現(xiàn)功率通常會如何隨著高工作電壓IC技術(shù)而提高。硅鍺（SiGe）技術(shù)采用相對較低的工作電壓（2～3V），但其集成優(yōu)勢非常有吸引力。GaAs擁有微波頻率和5～7V的工作電壓，多年來一直廣泛應(yīng)用于功率放大器。硅基LDMOS技術(shù)的工作電壓為28V，已經(jīng)在電信領(lǐng)域使用了許多年，但其主要在4GHz以下頻率發(fā)揮作用，因此在寬帶應(yīng)用中的使用并不廣泛。新興GaN技術(shù)的工作電壓為28～50V，優(yōu)勢在于更高功率密度及更高截止頻率（Cutoff Frequency，輸出訊號功率超出或低于傳導(dǎo)頻率時輸出訊號功率的頻率），擁有低損耗、高熱傳導(dǎo)基板，開啟了一系列全新的可能應(yīng)用，尤其在5G多輸入輸出（Massive MIMO）應(yīng)用中，可實現(xiàn)高整合性解決方案。

3.2 GaN射頻PA有望成為5G基站主流技術(shù)?

預(yù)測未來大部分6GHz以下宏網(wǎng)絡(luò)單元應(yīng)用都將采用GaN器件，小基站GaAs優(yōu)勢更明顯。就電信市場而言，得益于5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的日益臨近，將從2019年開始為GaN器件帶來巨大的市場機遇。相比現(xiàn)有的硅LDMOS（橫向雙擴散金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)）和GaAs（砷化鎵）解決方案，GaN器件能夠提供下一代高頻電信網(wǎng)絡(luò)所需要的功率和效能。而且，GaN的寬帶性能也是實現(xiàn)多頻帶載波聚合等重要新技術(shù)的關(guān)鍵因素之一。GaN HEMT（高電子遷移率場效晶體管）已經(jīng)成為未來宏基站功率放大器的候選技術(shù)。由于LDMOS無法再支持更高的頻率，GaAs也不再是高功率應(yīng)用的最優(yōu)方案，預(yù)計未來大部分6GHz以下宏網(wǎng)絡(luò)單元應(yīng)用都將采用GaN器件。5G網(wǎng)絡(luò)采用的頻段更高，穿透力與覆蓋范圍將比4G更差，因此小基站（small cell）將在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中扮演重要角色。不過，由于小基站不需要如此高的功率，GaAs等現(xiàn)有技術(shù)仍有其優(yōu)勢。與此同時，由于更高的頻率降低了每個基站的覆蓋率，因此需要應(yīng)用更多的晶體管，預(yù)計市場出貨量增長速度將加快。

預(yù)計到2025年，GaN將主導(dǎo)RF功率器件市場，搶占基于硅LDMOS技術(shù)的基站PA市場。根據(jù)yole的數(shù)據(jù)，2014年基站RF功率器件市場規(guī)模為11億美元，其中GaN占比11%，而橫向雙擴散金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)（LDMOS）占比88%。2017年，GaN市場份額預(yù)估增長到了25%，并且預(yù)計將繼續(xù)保持增長。預(yù)計到2025年GaN將主導(dǎo)RF功率器件市場，搶占基于硅LDMOS技術(shù)的基站PA市場。

GaN芯片每年在功率密度和封裝方面都會取得飛躍，能比較好地適用于大規(guī)模MIMO技術(shù)。當(dāng)前的基站技術(shù)涉及具有多達(dá)8個天線的MIMO配置，以通過簡單的波束形成算法來控制信號，但是大規(guī)模MIMO可能需要利用數(shù)百個天線來實現(xiàn)5G所需要的數(shù)據(jù)速率和頻譜效率。 大規(guī)模MIMO中使用的耗電量大的有源電子掃描陣列（AESA），需要單獨的PA來驅(qū)動每個天線元件，這將帶來顯著的尺寸、重量、功率密度和成本（SWaP-C）挑戰(zhàn)。這將始終涉及能夠滿足64個元件和超出MIMO陣列的功率、線性、熱管理和尺寸要求，且在每個發(fā)射/接收（T/R）模塊上偏差最小的射頻PA。

MIMO PA年復(fù)合增長率將達(dá)到135%。預(yù)計2022年，4G/ 5G基礎(chǔ)設(shè)施用RF半導(dǎo)體的市場規(guī)模將達(dá)到16億美元，其中，MIMO PA年復(fù)合增長率將達(dá)到135%，射頻前端模塊的年復(fù)合增長率將達(dá)到119%。

預(yù)計未來5～10年，GaN將成為3W及以上RF功率應(yīng)用的主流技術(shù)。根據(jù)Yole預(yù)測，2017年，全球GaN射頻市場規(guī)模約為3.84億美元，在3W以上（不含手機PA）的RF射頻市場的滲透率超過20%。GaN在基站、雷達(dá)和航空應(yīng)用中，正逐步取代LDMOS。隨著數(shù)據(jù)通信、更高運行頻率和帶寬的要求日益增長，GaN在基站和無線回程中的應(yīng)用持續(xù)攀升。在未來的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，針對載波聚合和大規(guī)模輸入輸出（MIMO）等新技術(shù)，GaN將憑借其高效率和高寬帶性能，相比現(xiàn)有的LDMOS處于更有利的位置。未來5～10年，預(yù)計GaN將逐步取代LDMOS，并逐漸成為3W及以上RF功率應(yīng)用的主流技術(shù)。而GaAs將憑借其得到市場驗證的可靠性和性價比，將確保其穩(wěn)定的市場份額。LDMOS的市場份額則會逐步下降，預(yù)測期內(nèi)將降至整體市場規(guī)模的15%左右。

到2023 年，GaN RF器件市場規(guī)模達(dá)到13億美元，約占3W以上的RF功率市場的45%（圖5）。截至2018年底，整個RF GaN市場規(guī)模接近4.85億美元。未來大多數(shù)低于6GHz的宏網(wǎng)絡(luò)單元實施將使用GaN器件，無線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用占比將進一步提高至近43%（圖6）。

4 看好細(xì)分行業(yè)龍頭?

圖5 2023 年全球GaN 市場規(guī)模預(yù)測來源：yole、國金證券研究所，下同。

圖6 GaN 在通信領(lǐng)域占比不斷提升

當(dāng)前射頻前端市場產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)非常成熟，歐美IDM大廠技術(shù)領(lǐng)先，規(guī)模優(yōu)勢明顯。5G將重新定義射頻前端如何在網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器之間“交互”。實際上，新的射頻頻段，6GHz以下頻段（Sub-6 GHz）和毫米波，對該行業(yè)產(chǎn)生了巨大挑戰(zhàn)，并有機會破壞市場競爭格局。除6 GHz以下頻段，毫米波頻段將完全“破壞”射頻前端產(chǎn)業(yè)，代表一種完全不同的技術(shù)思維，可以為高速傳輸數(shù)據(jù)創(chuàng)造新的途徑。雖然Qualcomm是明確的毫米波技術(shù)新進入者，但還有英特爾（Intel）、三星（Samsung）、海思（HiSilicon）、聯(lián)發(fā)科（Mediatek）等企業(yè)也在探索這一新商機。

產(chǎn)業(yè)鏈重點受益公司：一是基站射頻PA，如Qorvo、CREE、穩(wěn)懋、旋極信息（擬收購安譜?。?、三安光電、海特高新（海威華芯）等;二是移動終端及IOT射頻PA：Skyworks、Qorvo、高通、臺灣穩(wěn)懋、三安光電、環(huán)旭電子、卓勝微電子、信維通信。

我們認(rèn)為，隨著5G進程的加快，5G基站、智能移動終端及IOT終端射頻PA將迎來發(fā)展良機，使用量大幅增加，看好細(xì)分行業(yè)龍頭，推薦：CREE 、Skyworks、穩(wěn)懋、三安光電、環(huán)旭電子，建議關(guān)注：海特高新（海威華芯）、旋極信息（擬收購安譜?。?h3>5 風(fēng)險提示

智能手機及基站射頻PA被國際巨頭壟斷，技術(shù)難度較大，國內(nèi)進展緩慢，合格率較低，成本居高不下，射頻PA需要持續(xù)性投入。