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5G產業鏈之射頻前端芯片國產化機會深度分析

來源:華泰證券 2019-10-22 09:18中投投資咨詢網 A-A+

  受益 5G 商用,射頻前端芯片未來可期

  射頻前端芯片主要組成部分及功能介紹

  射頻前端芯片主要應用于智能手機等移動智能終端,其技術創新推動了移動通信技術的發 展,是現代通信技術的基礎。射頻前端模塊(RFFEM:Radio Frequency Front End Module)是手機通信系統的核心組件,RFFEM 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、通話穩定性、發射功率等重要性能指標,直接影響終端用戶 的通信質量。

  射頻前端模組介于天線部分與收發組件之間。手機射頻前端主要包括功率放大器(Power Amplifier)、天線開關(Antenna Switch)、濾波器(Filter)/雙工器(Duplexer)、低噪聲 放大器(LNA)等器件,再加上基帶芯片組成了手機射頻系統。射頻開關用于實現射頻信 號接收與發射的切換、不同頻段間的切換;射頻低噪聲放大器用于實現接收通道的射頻信 號放大;射頻功率放大器用于實現發射通道的射頻信號放大;射頻濾波器用于保留特定頻 段內的信號,而將特定頻段外的信號濾除;雙工器用于將發射和接收信號的隔離,保證接 收和發射在共用同一天線的情況下能正常工作。

  按照信號傳輸路徑來看,分為發射通路和接收通路。其中發射通路的器件主要包括功率放 大器、濾波器及天線開關等。接收通路的器件主要包括低噪聲放大器、濾波器、射頻開關 及天線開關等。

  目前,我國 5G 商用進程已完成頻譜分配,開啟預商用序幕。頻譜分配是 5G 商用進程中 的關鍵節點,18 年 12 月初,國內三大運營商正式獲得全國范圍 5G 中頻段試驗頻率使用 許可,其中中國移動獲 2515MHz-2675MHz、4800MHz-4900MHz 頻段的 5G 試驗頻率資 源;中國聯通獲 3500MHz-3600MHz 共 100MHz 帶寬的 5G 試驗頻率資源。中國電信獲 3400MHz-3500MHz 共 100MHz 帶寬資源。我們認為本次全國范圍內 5G 頻段頻譜使用許 可的發放,為運營商開展 5G 系統組網試驗奠定了基礎,開啟了我國 5G 預商用序幕。

  5G 除了推動傳統移動頻段<2.7GHz 的使用,也會推動 C-Band (3.3-4.9GHz) 和毫米波 Ka-Bands (24-40GHz)的廣泛使用。5G 通信及物聯網的發展為射頻器件行業帶來新的增 長機遇,同時也為射頻器件設計企業提出新的挑戰:射頻前端器件需要支持的頻段數量大 幅增加;高頻段信號處理難度增加,系統對射頻器件的性能要求大幅提高;載波聚合及 MIMO 技術應用逐步普及要求各射頻器件進行相應的技術更新。

  圖 2 展示了 5G 時代大規模 MIMO 天線陣列中收發機的典型架構。該圖演示了一種數字/ 模擬波束形成的混合方法,是目前商業化的代表實例。這些表明 5G 時代對射頻前端芯片 的數量和性能提出了更高要求。天線數量的增加,將帶動射頻開關、PA、濾波器等射頻前 端芯片需求的增加。

  5G 時代帶寬、時延、同步等性能全面提升。ITU 為 5G 定義了三類典型應用場景:增強 移動寬帶(eMBB)、海量物聯網業務(mMTC)和超高可靠性超低時延業務(URLLC)。三大應用場景對 5G 網絡的性能提出了更高、更全面的要求。根據《中國電信 5G 技術白 皮書》,未來 5G 網絡的移動數據流量相對于 4G 網絡將增長 500~1000 倍,典型用戶數據 速率可提升 10~100 倍,峰值傳輸速率可達 10Gbit/s 或更高,端到端時延縮短了 5~10 倍, 網絡綜合能效提升了 1000 倍。

  受益 5G 頻段增加,射頻前端芯片市場增長空間大

  射頻前端芯片市場規模主要受移動終端需求的驅動。近年來,受益于移動互聯網的快速發 展,隨著移動終端功能的逐漸完善,手機、平板電腦等移動終端的出貨量保持穩定。根據 Gartner 統計,包含手機、平板電腦、超級本等在內的移動終端的出貨量從 2012 年的 22 億臺增長至 2018 年的 23 億臺,預計未來保持穩定。

  在基于移動智能終端實現這些需求的過程中,移動數據的數據傳輸量和傳輸速度大幅提升, 并將持續快速增長。根據 Yole Development 的研究,2016 年全球每月流量為 960 億 GB, 其中智能手機流量占比為 13%;預計到 2021 年,全球每月流量將達到 2,780 億 GB,其 中智能手機流量占比亦大幅提高到 33%。

  移動數據傳輸量和傳輸速度的不斷提高主要依賴于移動通訊技術的變革,及其配套的射頻 前端芯片的性能的不斷提高。在過去的十年間,通信行業經歷了從 2G(GSM/CDMA/Edge)

  到 3G( WCDMA/CDMA2000/TD-SCDMA),再到 4G(FDD-LTE/TD-LTE)兩次重大產 業升級。在 4G 普及的過程中,全網通等功能在高端智能手機中得到廣泛應用,體現了智 能手機兼容不同通信制式的能力,也成為了檢驗智能手機通信性能競爭力的核心指標之一。

  為了提高智能手機對不同通信制式兼容的能力,4G 方案的射頻前端芯片數量相比 2G 方 案和 3G 方案有了明顯的增長,單個智能手機中射頻前端芯片的整體價值也不斷提高。根 據 Yole Development 的統計,2G 制式智能手機中射頻前端芯片的價值為 0.9 美元,3G 制式智能手機中大幅上升到 3.4 美元,支持區域性 4G 制式的智能手機中射頻前端芯片的 價值已經達到 6.15 美元,高端 LTE 智能手機中為 15.30 美元,是 2G 制式智能手機中射 頻前端芯片的 17 倍。因此,在 4G 制式智能手機不斷滲透的背景下,射頻前端芯片行業 的市場規模將持續快速增長。

  5G 為射頻前端產業提供更大的市場機會。隨著終端支持的無線連接協議越來越多,從最 初的 2G 網絡到現在的 NFC、2G/3G/4G 網絡、WiFi、藍牙、FM 等,通信終端的射頻器 件單機價值量增長了數倍。展望未來,4G 的滲透率尚未飽和,滲透率提升將繼續驅動射 頻器件單機價值量增長。另外 5G 通訊為射頻器件行業帶來新的增長機遇,一方面射頻模 塊需要處理的頻段數量大幅增加,另一方面 sub-6G、毫米波等頻段信號處理難度增加, 系統對濾波器性能的要求也大幅提高。

  根據法國 Yole Development 報告預測,移動設備以及 WiFi 連接部分整體射頻前端市場規 模將從 2017 年 150 億美元增長到 2023 年 350 億美元,年復合增長率達到 14%。其中作 為射頻前端最大市場的濾波器從 2017-2023 年將增長 3 倍左右,復合增長率達到 19%。

  現階段,全球射頻前端芯片市場主要被歐美傳統大廠占據,國內移動智能終端廠商也多向 其采購射頻前端芯片產品。根據 2015 年 5 月國務院發布的《中國制造 2025》, “到 2020 年,40%的核心基礎零部件、關鍵基礎材料實現自主保障”,“到 2025 年,70%的核心基 礎零部件、關鍵基礎材料實現自主保障”,提出中國的芯片自給率要不斷提升。在這一過程 中,射頻前端芯片行業因產品廣泛應用于移動智能終端,行業戰略地位將逐步提升,國內 的射頻前端芯片設計廠商亦迎來發展機會,在全球市場的占有率有望大幅提升。

  高頻和集成化為射頻前端芯片技術發展趨勢

  Yole預計全球移動設備和WiFi的射頻前端芯片市場將在2023年達到350億美元,較2017 年增長 133%,2018 年至 2023 年的 CAGR 為 14%;其中濾波器市場有望由 80 億美金增 至 225 億美金,6 年內的 CAGR 為 19%;PA(功率放大器)市場有望由 50 億美金增至 70 億美金,6 年內的 CAGR 為 7%;LNA(低噪聲放大器)有望由 2.46 億美金增至 6.02 億美金,6 年內的 CAGR 為 16%;Antenna tuners(天線協調器)有望由 4.63 億美金增 至 10 億美金,6 年內的 CAGR 為 15%;Switches(開關)有望由 10 億美金增至 30 億美 金,6 年內的 CAGR 為 15%;新增的 mmW FEM(毫米波前端)市場有望在 2023 年達 到 4.23 億美元。

  常用射頻芯片用半導體材料有 Si、SOI、SiGe、GaAs、InP、GaN 等。兩個非常重要的 參數直接決定了器件特性。首先是電子遷移率,電子遷移率的大小,直接決定了該半導體 材料是否適用于更高頻波段。因此我們可以看到 GaAs、InP、SiGe 等被廣泛的應用于 3G、 4G、5G 的 PA 和 LNA。其次是半導體材料的擊穿場強,直接決定了器件工作時候的功率 密度。因此 GaN HEMT(高電子遷移率晶體管)被廣泛的應用于 4G、5G 通訊基站。

  另外制造成本及是否易于實現系統集成也是一種半導體器件是否適合制作射頻前端芯片 的重要考慮因素。既能滿足高頻需求,制造成本有優勢,并且易于實現模組集成的半導體 器件是未來射頻前端芯片發展的趨勢。因此 SOI、SiGe 等材料在射頻前端芯片領域的應 用越來越廣泛,既能實現芯片的高頻特性,又與 Si 的 CMOS 工藝兼容是其最大優勢。

  基于智能手機輕薄化、高屏占比的 ID 設計趨勢,同時為了滿足日益豐富的功能,手機內 部 PCB 板上留給射頻前端功能區的空間處于持續減少的趨勢中,根據 IHS 數據,三星 Galaxy S8+的射頻前端器件密度已經接近 48%,較 S7Edge 提升超過 6pct,而射頻前端 占整個 PCB 的面積僅超過 8.2%,較 S7 Edge 下降約 2pct。

  按照集成度,手機終端設備射頻前端模組可以分為高、中、低集成度模組。高集成度產品 主要有 PAMiD 和 LNA DivFEM,主要用于中高端手機;中度集成產品主要有 FEMiD、PAiD、 SMMB PA 及 MMMB PA 等。蘋果、三星、華為等高端智能手機大量使用模組。舉例來看, IPhoneX 中采用了 Qorvo 的 PAMiD,Avago 的 PAMiD,以及 Epcos 的 FEMiD。PAMiD 屬于高集成度產品,主要集成了多模多頻的 PA、RF 開關以及濾波器等,FEMiD 屬于中 度集成產品,主要集成了開關和濾波器等。

  根據 Yole 報告,iPhone X 高頻 LTE 射頻前端模組采用 Broadcom 的 AFEM-8072。iPhone X 中使用 6~7 個射頻前端模組實現高中低頻全覆蓋,模組化程度前所未有,iPhone X A1865&A1902 中的 Broadcom AFEM-8072 PAMiD(功放集成雙工器)作為中高頻發射 模組,集成了 18 個 BAW 濾波器、 4 功率放大器、 3 個 SOI 開關等近 30 顆芯片;Skyworks SKY78140 PAMiD 作為低頻發射模組,集成了多個雙工器、2 個 SOI 開關、2 個功率放大 器等。集成化程度的提升有利于整合能力強的國際巨頭。

 
 
關鍵詞:射頻前端芯片 射頻器件
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