一文看懂射频前端及全球格局

传感器技术2021-07-18 12:48:48

射频器件是无线连接的核心,凡是需要无线连接的地方必备射频器件。在物联网应用推动下,未来全球无线连接数量将成倍的增长。高通预计到 2020 年,全球实现无线连接的终端设备数量超过 250 亿个。

 

无线连接需求不止,射频器件行业机会不断。手机配臵的无线连接协议越来越多,直接驱动射频器件行业持续成长。


从早期的 2G 单一通信系统,到现在的2G、 3G、 4G、 Wifi、蓝牙、 NFC、 FM,手机需要支持 7 个以上无线通信系统,射频器件单机价值数倍于十年前的系统。

 

5G演进是循序渐进的过程,创新射频器件技术有望在 4.5/4.9G得到应用。 2G到 3G 的演进过程中,无线通信经历了 UMTS、 HSPA、 HSPA+三个阶段; 3G到 4G 的演进过程经历了 class 1-2、 class3-4、 class5 三个阶段。

 

我们认为向,5G 的演进过程同样是一个循序渐进的过程,会经历 4.5G/4.9G 等中间形态。


而在这些中间形态中(2018 年左右),就会有一些射频技术实现商业化应用。射频器件在消费电子及军工产业都有着至关重要的应用,产业资本及国家大基金的重视程度将与日俱增。在各方资本的助力下,国内射频器件行业将迎来新一轮行业大发展机遇。

 

PA 芯片领域:

 

PA 芯片行业迎来接口标准化及砷化镓晶圆代工向国内转移两大红利,国内 PA 厂商的产品研发及生产过程更加顺畅,预计在 5G 时代国产替代率将大幅提高。目前国内已经涌现出诸如汉天下、中普微、 RDA 等一批 PA优秀厂商。

 

滤波器领域:

 

到 2020 年,频段数量新增 50 个以上,理论上新增一个频段需要配置2 个滤波器,频段数量增长直接驱动滤波器数量大幅增长。

 

天线领域:

 

MIMO 多天线技术的应用,单个手机及基站配臵的天线数量成倍增长。 5G 最大的变化是引入高频率频段,天线的设计方案将由现有的单体天线改为阵列天线,新型磁性材料及 LTCC 集成技术将是 5G 天线的核心技术。


国内厂商在 4G 天线已经占据国际领先位臵,产品已进入苹果、三星等高端手机品牌。而在厘米波、毫米波通信领域,国内科研院所积累了丰富的技术经验,雷达及卫星通信的技术处于全球领先地位。我们看好在 5G 浪潮推动下,军用厘米波/毫米波技术向消费电子领域的转化逻辑。

 

什么是射频器件

 

射频器件是无线通讯设备的基础性零部件,在无线通讯中扮演着两个重要的角色,即在发射信号的过程中扮演着将二进制信号转换成高频率的无线电磁波信号;在接收信号的过程中将收到的电磁波信号转换成二进制数字信号。

 

无论何种通信协议,使用的通讯频率是高是低,配臵射频器件模块是系统必备的基础性零部件。无论是使用 13.56Mhz 的信号作为传输载体 NFC 系统;抑或是使用900/1800Mhz 信号作为传输载体的 GSM 通讯系统; 还是使用 24Ghz 和 77Ghz 电磁波信号作为传输载体的无人驾驶毫米波雷达,均需要配臵射频器件模块。


作为无线通讯不可缺少的基础一环,射频器件的技术革新是推动无线连接向前发展的核心引擎之一。在联网设备大规模增长的环境下,射频器件行业是未来成长最快且最确定的方向性资产。

 

未来的世界是一个无线连接一切的世界。根据 Gartner 预测,到 2020 年,联网设备将达到 250 亿部,实现全球平均每个人 3 个联网设备的规模。而据 Gartner 统计,在2015 年,全球消费行业仅仅只有 29 亿部联网设备;工业应用领域仅 7.36 亿部联网设备。在无线联网终端设备从 2015 年的 36 亿部增加至 250 亿部的大趋势下,射频器件的年产值将增加数倍。




图 1: 苹果 iPhone 6s SE 中的主要射频器件及芯片

 

射频前端的构成

 

射频前端模块由功率放大器(PA)、滤波器、双工器、射频开关、低噪声放大器、接收机/发射机等组成。


其中功率放大器负责发射通道的射频信号放大;滤波器负责发射及接收信号的滤波;双工器负责 FDD 系统的双工切换及接收/发送通道的射频信号滤波;射频开关负责接收、发射通道之间的切换;低噪声放大器主要用于接收通道中的小信号放大;接收机/发射机用于射频信号的变频、信道选择。



图2 移动通信终端各个射频器件之间的信号传输关系

 

以 iPhone 7 的配臵来看,手机配臵了 3 颗 PA 芯片(高、中、低频段), 2 颗滤波器组, 2 颗射频开关, 2 颗 PA、滤波器一体化模组。



表 1: 苹果 iPhone 7 的射频前端芯片主要供应商



图3  苹果手机射频前端模块的演进( 2010 年到 2015 年)

 

市场规模达 110 亿美金,行业保持双位数高速成长

 

2015 年,全球移动终端射频器件市场规模约有110 亿美金。根据高通半导体的预测,移动终端的射频前端模块在 2015-2020 年间的复合增速在 13%以上,到 2020 年市场规模将超过 180 亿美金。

 

射频前端模块市场增长强劲,一方面,2015年全球 4G终端出货量占比刚刚跃过50%,渗透率的提升保证了未来 2 年的成长动能。另一方面 4G 到 5G 的演进过程中,射频器件的复杂度逐渐提升,射频器件的单部手机价值量会得到提升。

 


图4移动终端射频器件市场规模(亿美金)

 

而随着终端支持的无线连接协议越来越多,从最初的 2G 网络到现在的 NFC、2G/3G/4G网络、 WiFi、蓝牙、 FM 等,通信终端的射频器件单机价值量增长了数倍。


展望未来,4G 的渗透率尚未饱和,渗透率提升将继续驱动射频器件单机价值量增长。另外 5G通讯为射频器件行业带来新的增长机遇,一方面射频模块需要处理的频段数量大幅增加,另一方面高频段信号处理难度增加,系统对滤波器性能的要求也大幅提高。

 

在早期的 GSM 手机中,射频器件的单部手机价值量不足 1 美金,而如今 4G 时代,苹果、三星的高端旗舰机型的射频器件单机价值量超过 12.75 美金,单机价值量在过去的十年间增长了数倍。

 

3G 终端转换为 4G 终端带来单机价值量翻倍以上增长。 根据美国射频器件巨头Triquent的预测, 进入 4G 时代, 单部手机射频器件价值从 3G 终端的 3.75 美金提升至 7.5 美金,支持全球漫游的终端设备 ASP 甚至达到了 12.75 美金。

 


图5  单部手机 RF器件价值量演变(美金)

 

图6  单台手机 RF器件价值量

 

5G 三大技术升级,射频器件迎来革新机会

 

5G 通信为了实现在通讯速率及容量上的升级, 在技术上主要有三大变化:一是使用了更多的通讯频段;二是使用量 MIMO 多天线技术;三是使用了载波聚合技术。

 

(1)通讯频段带来的机会

 

在 2012 年全球 3G 标准协会 3GPP 提出的 LTE R11 版本中,蜂窝通讯系统需要支持的频段增加到 41 个。根据射频器件巨头 skyworks 预测,到 2020 年, 5G 应用支持的频段数量将实现翻番,新增 50 个以上通信频段,全球 2G/3G/4G/5G 网络合计支持的频段将达到 91 个以上。

 

理论上,单个频段的射频信号处理需要 2 个滤波器。由于多个滤波器会集成在滤波器组中,手机配臵的滤波器器件与频段数量之间的关系并非简单线性比例关系。但频段增多之后,滤波器设计的难度及滤波器数量大幅增加是确定的趋势,相应的价值量和销售数量都会数倍于目前的滤波器。

 

就实际应用而言,国内市场销售的手机普遍支持五模十三频,即支持的频段数量为13 个。 而在之前,国内 2G 手机仅需要支持 4 个频段, 3G 手机至少支持 9 个频段,支持频段的数量在每一代通信系统升级过程中都有大幅提升。

 

美国 FCC(联邦通信委员会)在今年 7 月份划定了 5G 频段,是世界上第一个确定5G 高频段频谱的国家。美国 5G 通信频段包括3.85Ghz、 7Ghz、 27.5-28.35 Ghz、37-38.6 Ghz、 38.6-40 Ghz、 64-71 Ghz。


从美国划定的 5G 频段来看,新增频段集中在 3.8-7Ghz、 27-40Ghz、 64-71Ghz 的低、中、高三大频段,高频率频段对滤波器的性能要求更加苛刻,滤波器行业面临着一场从材料到制造工艺的全新技术革命。



表2  LTE 到 5G演进的主要技术参数

 


图 7 :无线频段数量的演变( 1999 年-2012 年)

 

(2)MIMO技术带来的射频天线机会

 

MIMO 技术指信号发射端和接收端采用多根发射天线和接收天线的通讯技术。 MIMO技术使得通讯的速率及容量成倍的增长,是 LTE 及未来 5G 的关键技术之一。 MIMO技术的应用普及为天线行业带来巨大增量市场,基站及终端天线迎来快速增长的行业性机会。

 

为提升通讯速率,预计到 2020 年, MIMO64x8 将成为标准配臵,即基站端采用 64根天线,移动终端采用 8根天线的配臵模式。目前市场上多数手机仅仅支持MIMO 2x2技术,如若采用 MIMO64x8 技术,基站天线的配臵数量需要增长 31 倍,手机天线数量需要增长 3 倍。

 

(3)载波聚合带来射频开关及滤波器机会

 

载波聚合技术将数个窄频段合成一个宽频段,实现传输速率的大幅提升。载波聚合技术的引进大大增加了对射频器件性能的要求以及射频系统的复杂度。


目前市场上的射频器件主要采用 2 载波的载波聚合。 2017 年,国内的三大电信运营商将正式启动三载波的聚合,而到 2018 年,四载波甚至五载波的载波聚合将出现在手机通讯应用中。例如载波聚合技术要求射频天线开关具有极高的线性度,以避免与其他设备发生干扰,对于滤波器及射频开关的性能要求将更加苛刻。

 

随着载波聚合的逐步普及,射频 MEMS 开关行业将迎来快速增长。目前机遇 SOI 工艺的射频开关正在接近技术极限,无法满足IIP3=90dbm 的要求。能够达到IIP3>90dbm 的射频性能目标的唯一一种开关是射频 MEMS 开关,因此射频 MEMS开关将在未来 5G 时代迎来确定性增长机会。

 


表3  各种射频开关对线性度的要求

 


表 4  载波聚合技术大幅提升通讯速率

 


图 8  载波聚合( CA) 技术在 2016 年进入快速渗透期

 

回顾 2G 到 4G 的通讯发展历程,每一代通讯技术的发展都不是一蹴而就的,而是由多个小的技术升级叠加形成的。


2G 时代,地面蜂窝通讯经历了 GSM、 GPRS、 EDGE三个小型技术升级;而在 3G 时代,地面通讯经历了 UMTS、 HSPA、 HSPA+三个小型技术升级。


我们判断在 4G 向 5G 的演进过程中,每 2 年就会出现一次小型技术升级。而每一代小型技术升级都会推动射频器件产品复杂度及单部手机价值量的提升。



图9  3G到 4G的发展历程中,每 2 年就会有小的技术升级

 

射频器件国产替代空间广阔

 

手机等终端的射频器件主要包括 PA 芯片、滤波器、射频开关、天线。天线是目前国产化率最高的细分领域,信维通信、硕贝德等在终端天线领域已经达到全球领先水平,产品已经进入苹果、微软等国际巨头供应链体系。

 

国产 PA 芯片在 2G、 3G、 WiFi、NFC 等通信系统中已经实现了大批量出货销售,而在 4G PA 芯片领域,国内厂商还处于客户认证及商业谈判阶段。射频滤波器及射频开关的国产化率相对较低,国内厂商的产品主要集中在军用无线通信系统中,在手机等消费电子产品中的应用较少。

 

我国是全球最大的手机生产基地,同时华为、 vivo、 oppo、小米、魅族、联想等国产品牌的手机销售量占全球的 30%以上。凭借庞大的终端市场需求,手机供应链向大陆转移是非常确定的产业趋势。事实上, 国内不少射频器件厂商已经进入了千元智能机市场,如天珑、西可、海派、 TCL 等厂商就已经开始采用中普微的 PA 芯片。

 

砷化镓晶圆代工兴起、接口趋于标准化两大红利助力 PA 芯片国产化。

 

在 2014 年之前,射频器件与基带芯片之间的接口各家厂商采用自家的独立接口,各不兼容。市场上一旦某种型号手机销量超出预期,由于没有可被替换的射频器件厂商可选, PA、射频开关、射频滤波器等射频器件是手机零部件中缺货最严重的零组件。

 

2014 年,联发科推出了“ Phase 2”整体方案,与Skyworks、 RFMD、 Murata 等厂商合作推出引脚相互兼容的射频 PA 产品。“ Phase 2”方案使得终端厂商替换 PA 器件的弹性大幅提高,即使出现单一供应商缺货时,其他厂商的产品可以实现快速替补。


引脚标准化为国内射频器件企业切入 4G 市场提供了机会,国内 PA 厂商 Vanchip 及Airoha 在 2015 年加入了联发科的公板认证,切入了联发科的低阶套片产品。


图 10  联发科定义的射频模块标准结构图( phase1 至 phase6)

 

而砷化镓 PA 芯片是目前市场主流,出货占比占 9 成以上。在 2G 时代, PA 芯片主要采用 CMOS 工艺,而进入 3G 时代,生产工艺转向电子迁移率更高、截止频率更高的砷化镓制程技术。

 

国内厂商在砷化镓晶圆制造领域已有不少投资项目,随着三安光电及海特高新的砷化镓产线投产,国内 PA 芯片厂商的研发及生产环境将得到大幅改善。

 


图 11 射频器件各细分方向工艺路线图( 2010-2018)


有了既定方向,国内厂商则需要立足 2G/3G 市场,向 4G 市场发起突围。

 

目前 4G 手机一般配置4 颗 PA 芯片,一些高端旗舰机型配置5 颗 PA 芯片,比如苹果 iPhone 7 即配臵了 5 颗 PA 芯片。国内芯片设计厂商抓住国内手机品牌崛起的机会成功切入了 PA 芯片厂商,涌现出了 RDA、汉天下、中普微电子、国民飞骧、 Vanchip等一批射频 PA 芯片厂商。目前国内 PA 芯片厂商的主力销售产品集中为 2G/3G PA芯片,在 4G PA 芯片领域市场占比较小。

 

PA 芯片是决定发射信号质量的重要器件,其线性度及转化效率决定了通话质量。国内射频龙头企业 RDA 在 2015 年 12 月实现了 4G PA 芯片的客户批量验证,标志着国内厂商在 4G 产品上实现了突破。



表 5: 国内主要 PA 厂商

 


图 12:  PA 芯片市场格局

 

saw/baw滤波器国产替代兴起

 

Saw、 baw 滤波器的性能(插入损耗低、Q 值高)远远由于 PCB 电路滤波器、 BST滤波器及 MEMS 滤波器,是目前手机应用的主流滤波器。

 


图 13:saw 滤波器与 MEMS、 BST、 PCB 滤波器的技术指标对比

 

Saw 滤波器与 baw 滤波器处理的频段各有差异,saw 滤波器主要面向 2.1Ghz 以下的应用为主, baw 滤波器主要面向 2.1Ghz 以上的频段为主。



图14、saw 滤波器与 baw 滤波器应用范围

 


表六、Saw 滤波器与 baw 滤波器对比

 

滤波器是射频前端模块增长最快的细分方向,高通预测射频滤波器市场将由现在的50 亿美金的市场规模增长至 2020 年的 130 亿美金。面对快速增长的滤波器市场机遇,高通与日本滤波器巨头 TDK 在今年年初组建了合资公司 RF 360 公司,预计投资超过 30 亿美金。

 

另据 Mobile Experts 预测,到 2020 年滤波器市场将由 2015 年的 50 亿美金增长至2020 年的 120 亿美金。 Mobile Experts 的预测与高通基本一致,射频滤波器是业界普遍认可的高成长细分行业。



图 15  射频前端各个细分方向市场空间预测(十亿美金)

 

将打破日本滤波器的垄断


全球来看, saw 滤波器的主要供应商是 TDK-EPCOS 及 Murata,两者合计占有 60-70%市场份额; baw 滤波器的主要供应商是 Avago 及 Qorvo(Triquint),两者占有 90%以上市场份额。

 

例如, iPhone 7 配置了 2 个大的滤波器组及 2 个滤波器,其中 TDK 供应了 2 颗滤波器组及一颗滤波器,而 Murata 供应了 1 颗滤波器



图16、SAW 滤波器市场格局



图 17  baw 滤波器市场格局

 


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在 saw 滤波器领域,国内主要厂商包括以中电 26 所、中电德清华莹为代表的科研院所、无锡好达电子等厂商。国内厂商整体实力较薄弱,科研院所的产品主要面向军用通信终端设备。无锡好达电子的 saw 滤波器产品在手机中实现了销售,客户包括中兴、宇龙、金立、三星、蓝宝、富士康、魅族等。

 


表7  saw 滤波器国内厂商情况