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千亿红利降至,5G时代PA的发展机遇探析

功率放大器(PA)是手机和基站最关键的器件之一,它直接决定了手机、基站无线通信的距离、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……

相比4G时代的“1发射2接收”,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。可见,5G将带动移动终端、基站及IOT设备射频PA的稳健增长。

为何5A PA数量大增?

业内人士指出,4G手机内PA数量平均5-7个,5G手机至少十多个,以20 亿部通讯终端、单价1-1.5 美金计算,市场将是千亿元级别。跟4G相比,5G PA数量为何有如此大的增长?

Qorvo应用工程师总监Jeffrey Yang表示,从基站PA的层面来看,首先,Massive-MIMO是5G基站区别于4G基站的核心技术之一,目前主流运营商布网采用的mMIMO的通道数为32T或64T,远高于4G基站的通道数;其次,5G频段位于更高的频段,基站在相同输出功率下,覆盖面积更小,需要建设更多的基站来提供足够的网络覆盖。

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Qorvo应用工程师总监Jeffrey Yang

而从手机端PA层面来看,5G相对于4G,额外增加了sub-6G及毫米波频段,比如3.3-3.6GHz、4.8-4.9GHz、28GHz和39GHz,这些频段在手机端都需要增加额外的PA来覆盖。

广州慧智微电子有限公司(以下简称“慧智微”)技术市场总监彭洋洋同样表示,与4G相比,5G PA数量增长主要来自两个方面:一是终端需要增加射频前端的数量,以增加对新频段(n77/78/79)的支持;二是5G应用需要上行MIMO(多输入多输出),增加射频PA的使用数量。

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广州慧智微电子有限公司技术市场总监彭洋洋

5G PA必须同时满足三大需求

因5G支持频段数量的增加以及MIMO技术的应用,5G手机和基站PA的设计挑战也远远大于4G,尤其是MIMO导致的整机功耗问题。

Qorvo Jeffrey Yang表示,在基站侧,5G基站由于为了提高数据吞吐量而采用了mMIMO技术,从而导致射频接收发通道数剧增,设备商在整机功耗、尺寸、散热、成本方面的面临的挑战比4G时代更为严峻,PA作为基站RRU的耗电大户之一更是被重点关注。

据悉,Qorvo顺应时代要求,推出了一系列基于GaN-on-SiC工艺的GaN PA, 包括QPD0005、QPD0210、QPD0305、QPD0405等型号,这一系列PA具备高效率、低热阻的特性,已大规模应用于业界主流设备商的5G基站设备内。

慧智微彭洋洋告诉《国际电子商情》分析师,相比于4G,5G手机PA主要挑战来自于体积、成本和性能:(1)5G PA数量增加,需要单个PA的面积更小;(2)5G PA数量的增加,需要单个PA的成本更低;(3)5G频率更高、带宽更大、功率更高,需要单个PA有更好的性能。他强调说,对于5G手机而言,更大的挑战来自于以上三个需求需要同时满足,这在当前PA设计中几乎是不可能完成的任务。

基于对射频前端的复杂需求的满足,慧智微提出“可重构方案”来实现射频前端。特色在于,在射频PA设计中,仅使用一套硬件,搭配软件调谐,就可以完成多个频段的覆盖。慧智微的5G射频前端方案,采用一套硬件,同时支持分别工作于3.5GHz、4.9GHz的n78、n79两个频段。

因采取一套硬件,满足了5G手机对PA提出的“面积、成本”挑战。同时,由于采用软件调谐进行性能优化,可解决5G PA对性能的高需求。

据了解,慧智微的最大优势在于其“可重构方案”,慧智微自2011年成立时,开始此方案产品化的研究,经过3年核心技术的开发,自2014年来,实现了系列“可重构方案”4G多频多模射频前端芯片的量产。如S303:世界首款量产可重构射频功放芯片;S318:国内首款量产Phase2 5模射频前端芯片;S5643/2916及-51系列:最具性价比优势4G射频前端芯片。

截至目前,慧智微可重构4G射频芯片出货达近亿颗,在全球可重构射频前端出货中排名第一。

前面已经提到,PA是最耗电、效率最低的器件,有统计指出约一半的基站功耗来自PA。功耗问题成为设计原厂最难应对的“拦路虎”。

Jeffrey Yang认为,无线通讯基站是通过射频信号来进行网络覆盖的,射频功率越大,覆盖的范围就越大,而基站射频信号都是经PA放大发射出去,所以PA作为基站最耗电的器件这种说法并不为过。

提高PA效率不是一个单纯的电路设计问题,而是一个系统性的问题,工程师们几十年以来一直在不断的运用各种技术来提高PA的效率,手段主要包括合理选择信号的调制方式、电路架构、线性化技术及半导体材料等等,可以看到PA整机效率已经由2G时代的10%左右提高到了5G时代的>40%。

彭洋洋认为,PA功耗大的原因在于,相比基带、射频收发机工作在小信号,PA需要工作在大信号状态,完成近1W或几W量级的功率输出。由于PA的功率转换效率通常在30-50%,PA的电源耗电也会达到数W量级。在5G手机中,由于需要支持更高的功率等级,达到更好的网络覆盖和网络体验,预计在5G手机中,PA功耗会进一步加大。

市场竞争格局分析

在终端市场,全球PA绝大部分市场份额被Skyworks、Qorvo、Broadcom、Murata占据,四家厂商合计占比达97%,其中前三家合计占比达到92%。

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从三家厂商的财报数据来看,它们在移动通信射频前端市场的毛利率均高于40%,最高可达50%,净利率约30%,具有极强的盈利能力。

值得注意的是,Qorvo、Skyworks和Broadcom都完成了PA、Switch、Duplexer、Filter射频前端全产品线布局,且在射频PA代工模式上,Skyworks、Qorvo和Broadcom均采用IDM模式(部分由稳懋代工)。目前国内厂商在这方面尚存在短板,晶圆代工厂主要有三安光电、海特高新和台湾稳懋等。PA封测厂主要是华天科技和长电科技。

国内PA设计公司主要有中科汉天下、唯捷创芯、紫光展锐、慧智微、飞骧科技、中普微(韦尔股份控股)等。

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尽管PA设计参与者不多,但是面对5G红利市场,竞争依然存在,如何应对友商的竞争?Qorvo Jeffrey Yang坦言,“低成本、高效率、高集成”是业界一贯的诉求,5G时代也是一样。Qorvo立足于自有GaN工艺(高效,供应链稳定),不断提升提升产品集成度(高集成PA module)、降低成本来(6英寸GaN Wafer)应对竞争。

5G时代,手机厂商进一步集中,为了获取主序市场核心客户的主要份额,国内射频前端公司需要突破“性能、成本、专利”三个关口。彭洋洋表示,慧智微采用创新的技术方案,提升射频前端性能,突破性能关;采用硬件复用的技术从根本上降低成本,在量不大时,仍有成本优势;采用架构创新,获得基础专利,规避原有专利。慧智微期待用突破性的技术,解决“性能、成本、专利”这三个摆在国内射频前端公司面前的三大关口,实现主序市场核心客户的主要份额。

GaAs与GaN工艺大比拼

在制造工艺及材料方面,射频PA主要采用GaAs、RF-SOI、RF CMOS和SiGe。其中基站PA将采用高频性能更好的GaN材料,终端PA预计仍会采用性价比更高的GaAs材料。

Jeffrey Yang表示,预计一段时间GaAs还是手机PA的主流,RF CMOS工艺工作频段和性能上还不够成熟,目前GaN工艺的供电电压为28V和48V,还不能应用于手机这种场景,从成本上来看也还没有达到手机所能接受的范围。

据悉,3G/4G手机PA中,功率输出部分目前主要采用GaAs工艺。2G PA中已经有厂商通过RF CMOS来实现。GaN工艺在手机中应用的主要挑战在于,手机中无法提供GaN需求的高供电电压。

对于“GaN比GaAs更适用宏基站PA,而GaAs更适用微基站”的说法,Jeffrey Yang认为,目前业界2W以下的场景主要是GaAs PA,2W以上的场景由LDMOS PA和GaN PA占据。GaAs工艺比较适合平均功率2W以下的微基站,而GaN工艺的“高效率、高带宽、高功率密度、低热阻”的特性,适合用于宏基站大功率输出场景,并成为新一代宏基站PA的不二之选。

谈及5G宏、微基站工艺选择的差异性,Jeffrey Yang表示,这是由工艺自身特点所决定的,微基站输出功率小、供电电压低、数量大、成本低,GaAs工艺很好的契合了这个应用场景需求。他预计,这种宏基站用GaN、微基站用GaAs的情况2-3年内不会发生大的改变。

5G红利期降至,参与者竞技赛开启

全球手机PA市场几乎被Qorvo、Skyworks、新博通、村田等厂商占据,PA基站市场主要被NXP、Ampleon等厂商占据。随着5G到来,该格局可能会发生一些改变。

“除了手机市场,Qorvo在基站市场也占据了很大的份额。随着5G市场的到来,甚至未来6G市场,国内外厂商对射频前端的研发和设计会越来越重视,或许未来会有一些新面孔出现在PA市场,但PA技术相对来说门槛越高,技术攻克以及市场储备需要一定的条件和时间积累,所以,短期之内,格局并不会有很大的改变。”Jeffrey Yang表示。

有人指出,未来,Fabless设计厂商通过和代工合作伙伴的合作可能挑战当前竞争格局。对此,Jeffrey Yang认为,的确有一些同时拥有设计和制造能力的IDM公司由于半导体芯片工艺更新换代和维护的成本及压力太大,一些IDM厂商已纷纷放弃Foundry的运营,转向Fabless模式或介于两者之间的Fablite模式,即“轻晶圆”模式。但是模拟IC由于其设计过程和性能与工艺关系密切,还是有较多IDM公司保留自己的生产线,Qorvo也是其中之一。

更有业者认为,5G射频前端将给SiP系统级封装带来巨大的市场收益,因此PA“模块化”设计的趋势显著。

Jeffrey Yang分析了其中的原因:“首先,从2G到5G,手机和基站需要支持的频段越来越多, 通道数越来越多,但手机和基站的尺寸基本相对固定,因此对器件集成度的要求越来越高;其次,有能力的公司也极力推动集成化,建立更高的技术堡垒的同时可将利润最大化。”

整体而言,PA厂商将在5G时代迎来新一波红利期。目前,以Skyworks、Qorvo、Broadcom、Murata为代表的国际大厂依然会占据市场的主导地位,尤其是技术挑战更大的5G应用(手机+基站),国际大厂具有明显的技术和市场的“先发”优势。而国内PA产品近几年也进展神速。华为自行设计GaAs PA、慧智微的“可重构”设计,给了国内 PA 厂商一剂强心针。同时,因5G带动的IOT等市场即将爆发,也将带给国内 PA 厂商更多填补国外产品空缺的机会。

本文为《国际电子商情》2019年10月刊杂志文章。


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王琼芳
国际电子商情主分析师。
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