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        5G時代,PA國產道阻且長

        瀏覽次數:1801 時間:2020-07-17 13:33:25 來源:粵訊科技
        這主要是因為 5G 傳輸的寬帶調制需要功率放大器提供更高效率和更嚴格線性度;此外,5G 網絡將采用相控陣列天線聚焦和操縱多個波束,這就對能夠在多個波束之間劃分傳輸任務的能力有了極高的要求。
         
        例如,對于一個 4×4 陣列的相控陣天線,其功率放大器的功率必須比放大當前蜂窩系統中使用的單波束全向信號所需的放大器功率低得多。
         
        值得一提的是,5G 網絡最初是在 Sub-6GHz 的頻率范圍內實現的。然而,5G 的真正商業前景會在包括 24 GHz,28 GHz 和 39GHz 頻段等毫米波(mmWave)波段上體現。換而言之,mmWave也將給 RF 設計帶來嚴峻的挑戰。
         
        因此,在密集部署環境中為各種設備提供服務的多輸入多輸出(MIMO)天線將需要具有高效率和嚴格線性度的功率放大器芯片。具有眾多 RF 前端的相控陣 MIMO 天線還需要更高集成度的功率放大器,進一步降低芯片的方案的成本。
         

        關于這種現狀,我們可以從包括 PA 模塊,PA 雙工器,開關功率放大器和雙工器(S-PAD),PA 模塊集成雙工器(PAMiD)和總無線電模塊(TRM)的 PA 設備上一覽無遺。

         

        PA 模塊已經成為集成的基石,因為它的存在進一步減少了 5G RF 前端的部件數量。5G 網絡具有更多頻段,并且要求 PA 模塊中提供更多的 RF 開關,濾波和功率放大元件。因此,隨著 5G 網絡的發展,PA 模塊的復雜性將不斷增加。
         
        在 4G 無線領域,將能覆蓋多個頻段和技術的元器件集成中一個 PA 模組中的壓力已經迫使許多小型供應商破產。到了 5G 時代,將更多元件封裝到 PA 模塊中的壓力可能會進一步增加。
         
        作為 5G PA 模塊的主要供應商,Qorvo 也正在迎接 5G 功率放大器帶來的挑戰。2016年,他們就與線性化軟件開發商 NanoSemi 建立了合作。希望借助 NanoSemi 基于機器學習的數字預失真(DPD)算法來增強 Qorvo 的 PA 模塊,確保功率放大器中的超寬帶線性化。
         
        多載波配置對為多頻段 5G 設計提供服務的功率放大器提出了嚴峻挑戰,而 NanoSemi 的數字補償技術可幫助功率放大器根據可用資源調整功率和容量要求。
        PA 的基礎技術
        與 4G 的另一個有價值的比較涉及功率放大器的基礎技術。 

        在 4G 時代,砷化鎵(GaAs)一直是功率放大器芯片制造的領先技術。這是因為 GaAs 可以輕松支持功率放大器所需的高電壓。在無線行業跨進了 Sub-6 GHz 通信之后,GaAs 器件同樣也還能占主導地位,但新型半導體解決方案正在爭奪 mmWave PA 制造中的一席之地。

         

        -----國內射頻芯片產業能否扛起大梁?-----

         
        目前,國內射頻芯片產業鏈已經基本成熟,從設計到晶圓代工,再到封測,已經形成完整的產業鏈。但國內廠商依然在起步階段,市場話語權有限。換句話說,以后通過提升設計能力,輔助調試工作來提升射頻性能,國內射頻產業還有很大的成長空間。
        隨著5G的到來,射頻器件的需求將大幅增加。分析機構預測,到2023年射頻前端市場規模有望突破352億美元,年復合增長率達到14%??焖僭鲩L的市場讓行業看到了機會,新的射頻公司在不斷地涌現出來,尤其是在國內,打造自主射頻供應鏈就成為很多廠商的追求,但縱觀現狀,似乎差距還是很明顯。
        射頻器件包括射頻開關和LNA,射頻PA,濾波器,天線Tuner和毫米波FEM等,其中濾波器占了射頻器件營業額的約50%,射頻PA占約30%,射頻開關和LNA占約10%,其他占約10%。上述數據表明,濾波器和PA是射頻器件的重頭戲,其中PA負責發射通道的信號放大,濾波器負責發射機接收信號的濾波。對于通信設備而言,沒有PA,信號覆蓋就會成為很大的問題;沒有濾波器的設備更是相當于一塊磚頭,通信設備上通常安裝30-40個濾波器就是為了避免干擾,讓設備實現正常通信。而這些產品都集中在日本廠商手中。
        無線通信系統框架示意圖
        根據申萬宏源的統計數據顯示,現在全球93%的PA供應集中在 Skyworks、Qorvo 和 Avago(Broadcomm)等幾家廠商手中。濾波器也被Murata、TDK、TAIYO YUDEN、Avago和Qorvo等廠商瓜分,其中Murata、TDK和TAIYO YUDEN瓜分了80%的SAW濾波器供應,而Qorvo和Broadcomm則統領了95%的SAW市場。
        國內在這兩個領域雖然也有廠商涉足,但因為這些器件的特性,讓一切沒那么簡單。以PA為例,射頻PA的主要技術指標是輸出功率與效率,如何提高輸出功率和效率是射頻功率放大器設計目標的核心。作為一個射頻芯片,PA不但對工藝有需求,同時其設計團隊的技術能力、經驗積累和專利支撐都非常重要,尤其是工程師的經驗和和Know-How,更是重中之重。再者,隨著5G的到來,PA需要滿足的性能參數眾多,因此不可避免需要研發時間的積累,對于后來入局者具有一定障礙。
        尤其是工藝方面,更是很多PA廠商,甚至是射頻廠商難以逾越的門檻。我們縱觀上面的射頻器件供應商,幾乎所有都是IDM廠商。擁有自己的晶圓廠是他們能夠領先市場的關鍵。目前,射頻器件(不含濾波器)涉及的主要工藝:GaAs, SOI, CMOS, SiGe。其中,GaAs的電子遷移速率比Si高5.7倍,非常適合用于長距離、長通信時間的高頻電路;SOI工藝的優勢在于可集成邏輯與控制功能,不需要額外的控制芯片;CMOS的優勢在于可以將射頻、基頻與存儲器等組件合而為一的高整合度,并同時降低組件成本;SiGe工藝幾乎能夠與硅半導體超大規模集成電路(VLSI)行業中的所有新工藝技術兼容,是未來的趨勢。
        據了解,射頻PA采用的工藝分別是GaAs,SOI,CMOS和SiGe。其中4G PA主要采用GaAs工藝;3G PA 采用GaAs或者CMOS,出貨大約各50%;2G PA主要是CMOS;5G手機PA采用GaAs工藝;NB-IoT PA采用CMOS和SOI是趨勢,現在還是GaAs為主,個別廠商采用SiGe。
        在射頻器件其他領域,射頻開關采用的工藝:SOI,GaAs。70%以上采用SOI工藝;LTE LNA采用的工藝:SOI,CMOS。
        未來濾波器方面,因為他們設計主要有三個難題:首先是應用環境復雜,濾波器如何避免溫漂問題;其次是頻段復雜后,濾波器需要在有限面積內應對更多的信號干擾;最后是共存濾波器如何讓不同類型信號和諧共存。特別是來到高頻款的SAW濾波器方面,那挑戰更是嚴峻。這同樣也是一個IDM主導的市場,對于國內的追隨者來說,任務更為艱巨。
        4G 到5G 的演進過程中,射頻器件的復雜度逐漸提升,產品在設計、工藝和材料等方面都將發生遞進式的變化。但國產射頻器件替代空間大,但困難也大。我們系統地看一下國產廠商在射頻器件領域的分布和表現。
        國內射頻公司晶圓代工主要廠家:
        GaAs工藝:臺灣穩懋,臺灣宏捷科,廈門三安集成
        SOI工藝:格羅方德,TowerJazz,中芯國際,華虹宏力
        CMOS工藝:臺積電,中芯國際,聯電
        SiGe工藝:格羅方德,TowerJazz
        國內射頻公司主要封測廠家:
        射頻PA封測廠:華天科技,長電科技
        射頻開關封測廠:嘉盛,日月新,通富微電
        目前市場上量產出貨的濾波器廠家都是IDM公司,自己設計,自己生產封測。
        濾波器分SAW濾波器和BAW濾波器:
        SAW濾波器國內廠商:55所,26所,好達
        BAW濾波器國內廠商:天津諾思
        廈門開元通信則是國內第一家Fabless濾波器設計公司,中芯國際代工,目前處在研發階段。
        國內4G PA主要廠家:
        唯捷創芯:4G PA出貨量是國內最大的,出貨覆蓋前幾大手機設計公司以及小米。
        絡達:被MTK收購,基于MTK平臺進行銷售,出貨量還不錯,4G PA認可度越來越高。
        展銳射頻產品線:基于展訊平臺銷售,出貨量一般。
        慧智微:依靠SOI架構創新,實現低成本。由于品牌影響力弱,出貨量一般,但長期看好。
        漢天下:采用低價策略,部分小客戶采用,出貨很少。
        飛驤科技:產品認可度不高,但客戶基礎還不錯,所以市場上有一些出貨。
        國內3G PA主要廠家:
        絡達:客戶基礎好,盡管價格偏高,還有一部分出貨。
        漢天下:通過CMOS工藝把PA成本做低,性能也不錯,市場上的3G PA主要供應商。
        飛驤科技:出貨量一般,主要出貨是印度的Reliance項目。
        展銳射頻產品線:出貨不多,主要出貨也是印度的Reliance項目。
        國內2G PA主要廠家:
        漢天下:依靠CMOS技術,2G PA占了市場大約70%份額。
        展銳射頻產品線:CMOS PA和GaAs PA一共占市場份額大約10%。
        飛驤科技:新的CMOS PA在2018年做進了一些客戶,已經量產出貨。
        國內WIFI PA/FEM主要廠家:
        立積電子:臺灣上市公司,2018年出貨量大約5000萬美金,逐步蠶食SKY的市場。
        康希電子:2014年成立,2018年開始推產品,有部分客戶開始導入,出貨量很少。
        展銳射頻產品線:2018年開始量產出貨,幾家大的網通客戶都已經導入,并做進華為。
        三伍微:2018年成立,專注于WIFI PA/FEM,產品處在研發階段。
        國內開關主要廠家:
        卓勝微:國內最大開關供應商,主要客戶是三星和小米,銷售額大約1億美金。
        展銳射頻產品線:也是三星供應商,只占很少份額。開關出貨總量一般。
        立積電子:2018年開關出貨量大約3000萬美金,有很好的利潤率。
        國內射頻芯片產業鏈已經基本成熟,從設計到晶圓代工,再到封測,已經形成完整的產業鏈。從國際競爭力來講,國內的射頻設計水平還處在中低端。以上PA和開關廠商,射頻芯片產品銷售額加起來大約5億美金,大陸射頻芯片廠商銷售額大約3億美金。全球PA和開關射頻產品需求金額大約60億美金??梢?,國內廠商依然在起步階段,市場話語權有限;濾波器方面,國內廠商銷售總額不到1億美金,全球市場需求在90億美金。
        換句話說,以后通過提升設計能力,輔助調試工作來提升射頻性能,國內射頻產業還有很大的成長空間。
        5G到來是機會,也可能會拉大國內射頻公司與國際射頻公司的差距。SKY與Qovor布局了濾波器,有自己的工廠,在射頻前端模組產品研發上走到了前面。國內射頻公司都還弱小,研發能力和資金都很有限,射頻前端模組提高了研發門檻。
        射頻器件的追趕與替代,要求國內廠商的研發人員有“坐冷板凳”的決心和毅力,也需要政府和投資機構給予企業更多的耐心。區別于處理器等芯片,射頻器件的突破點在新設計、新工藝和新材料,只有三者齊頭并進才能完成追趕甚至是超越。
        最后,希望國產射頻器件廠商借助5G和物聯網的大趨勢,不斷地提升自己,共同鑄就國產射頻器件產業的崛起。

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