射频功放芯片行业研究

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射频前端定义

射频前端是基站/移动终端的核心部件之一,主要用于实现通信信号的合路、过滤、消除干扰、放大等。

射频前端定义

射频前端是基站/移动终端的核心部件之一,用于实现通信信号的合路、过滤、消除干扰、放大等,其主要器件包括滤波器(Filter),功率放大器(PA),低噪声放大器(LNA)、开关(Switch)及双工器(Duplexer):

(1)滤波器:负责将接收通道的射频信号滤波。滤波器允许符合特定频率的信号通过,抑制其他频率的信号,可解决通信系统中不同频率信号互相干扰问题;

(2)功率放大器:负责将发射通道的射频信号放大;

(3)低噪声放大器:负责将接收通道的微弱射频信号放大;

(4)开关:用于接收、发射通道之间的切换;

(5)双工器:由两组不同频率的带阻滤波器组成,负责将发射和接收的信号隔离,保证射频接收和发射信号功能可同时正常工作。

射频前端有两大功能:

(1)在信号发射过程中,将二进制信号转换成高频率的无线电磁波信号;

(2)在信号接收过程中,将电磁波信号转换成二进制数字信号。射频前端的信号传输路径分为发射通道和接收通道,其中,发射通道路径为“基带芯片-射频收发模块-开关-PA-滤波器/双工器-开关-天线-信号”;接收通道路径为“信号-天线-开关-滤波器/双工器-LNA-开关-射频收发模块-基带芯片”。

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工作原理:

(1)发射状态时,开关的接收通道关闭,发射通道打开,LNA处于关闭状态,信号经过PA放大,再通过滤波器除杂波,经由天线发射出去;

(2)接收状态时,开关的接收通道打开,发射通道关闭,PA关闭,从天线接收到的信号经过滤波器后传递给LNA放大,最后传递至射频发收器。

 

射频功率放大器定义

 

输出功率与效率为射频功率放大器核心技术指标,提高输出功率和效率是射频功率放大器重要设计目标。每一次通信技术的升级对射频功率放大器的性能提出更高要求。

 

射频功率放大器定义

射频功率放大器是射频前端模组的重要器件,负责将发射通道的射频信号放大。射频发收器中调制振荡电路所产生的射频信号功率较小,需经过一系列的放大(缓冲放大器、可控放大器、末级放大器)获得足够的射频功率后,传输至天线上。射频功率放大器主要应用于手机终端、通信基站、物联网设备、军事气象雷达等领域。本篇报告主要研究射频功率放大器在手机及基站中的应用。

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射频功率放大器分类

 

Si材料射频功率放大器主要应用于2G、3G时代低频领域,而在5G时代,Si材料功率放大器将逐渐被GaAs及GaN功率放大器替代。

 

射频功率放大器分类

不同射频功率放大器存在半导体材料与晶体管制造工艺结构的差异。射频半导体材料由第一代发展至第三代,而晶体管制造工艺结构由基础的BJT、FEF向更复杂的HBT、LDMOS和HEMT发展。

 

第一代半导体材料:包括Si和Ge,采用的晶体管制造工艺为BJT。全球Si材料存储量丰富,且具有耐高温、稳定性高、成本低等优势。但Si材料电子迁移率低,导致Si BJT仅能在低频环境下工作,仅在不超过3.5GHz的频率范围内有效。

 

第二代半导体材料:包括GaAs和InP等化合物,具有高饱和电子速度和高电子迁移率特性,因此基于这些材料的射频功率放大器可在高频波段上工作,且具有抗辐射性、低噪声、高线性度性能。跟随第二代半导体材料发展的晶体管制造工艺包括MESFET、HEMT、PHEMT和HBT。第二代半导体材料制造的功率放大器功率不能满足宏基站的需求。

第三代半导体材料:包括SiC、GaN等化合物,具有更高的电子迁移率。GaN制造的射频功率放大器可具有高功率、高增益、高效率、高工作频率等优势,且拥有较好的散热性、耐高温、抗辐射。第三代半导体晶体管的制造工艺主要为HEMT。

不同射频功率放大器应用场景

当前,常见的射频功率放大器包括Si LDMOS射频功率放大器、GaAs MESFET功率放大器及GaN HEMT射频功率放大器。

Si材料射频功率放大器主要应用于2G、3G时代低频领域,而在5G时代,Si材料功率放大器将逐渐被GaAs及GaN功率放大器替代。在微基站及移动终端领域,GaAs满足5G通信高频率需求且具备高性价比的优势,因此短期内微基站及移动终端领域仍主要运用GaAs功率放大器。GaAs功率放大器虽能满足高频通信的需求,但其输出功率远低于GaN功率放大器。宏基站信号覆盖面广,对射频器件功率要求高,因此在宏基站领域,采用GaN材料的功率放大器是未来的发展趋势

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产业链分析

 

中国射频产业起步较晚,尚未出现具备射频器件生产全流程工艺的企业,更多采用“Fabless+Foundry+封测厂”的垂直整合模式分工协作。

 

射频功率放大器行业产业链

射频功率放大器中游主要参与者为射频功率放大器制造相关厂商。射频功率放大器设计及制作工艺复杂,国际上射频器件巨头厂商均采用IDM模式,具备从设计、制造及封测全流程工艺。中国射频产业起步较晚,尚未出现具备射频器件生产全流程工艺的企业,更多采用“Fabless+Foundry+封测厂”的垂直整合模式分工协作。射频功率放大器上游参与者包括EDA软件、衬底材料及封测材料供应商,分别为设计、制造及封测工艺提供关键的软件及材料。EDA软件是Fabless设计厂商的核心软件,贯穿整个设计流程。Foundry晶圆代工厂及封测厂商向上游企业采购核心材料。下游厂商包括手机终端、通信基站、物联网设备、军事气象雷达等,本篇报告主要研究射频功率放大器在手机及基站中的应用。

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产业链上游

相比传统的手工设计,EDA设计优势明显,可大幅减少电子电路设计师的工作量,极大提高设计效率、缩短设计周期及节省设计成本。

EDA软件市场

EDA软件市场规模

EDA软件是芯片设计过程中最重要的电路软件设计工具,EDA软件可大幅减少电子电路设计师的工作量,极大提高设计效率、缩短设计周期及节省设计成本。EDA软件行业为典型的“小而精”行业。据在华为有10年战略规划总工经验的专家分析,中国EDA软件市场规模年复合增长率在20%左右。2019年中国EDA软件市场规模已攀升至40亿元人民币,其中本土EDA软件企业合计销售额不到4亿元人民币,在市场的市占率不足10%。

EDA软件市场竞争格局

EDA软件市场集中度高,美国EDA软件企业基本垄断全球EDA软件市场。美国Synopsys、Cadence及Mentors三大EDA厂商拥产品线完整,在部分领域拥有绝对的优势,Synopsys、Cadence及Mentors营收均超过10亿美元,合计约占全球80%的市场份额,为全球第一梯队EDA软件企业。美国ANSYS、SILVACO和中国华大九天等企业拥有特定领域全流程产品,在局部领域技术领先,位列第二梯队。第二梯队的EDA软件企业收入规模在2千万美元至2亿美元之间,合计约占全球15%的市场。剩下的5%市场由第三梯队的50多家EDA供应商瓜分。第三梯队EDA软件企业仅能提供少量设计工具,产品线不完整,且收入规模较小低于两千万美元。

中国EDA软件受制于人的局面亟待改变

中国射频器件设计厂商多进口美国EDA软件,进口EDA软件价格更高,增加射频器件设计厂商的经济成本。EDA软件费用按客户端(公司被授权使用EDA软件的电脑)数量计算,客户需求不同,产生的费用不同。以华为为例,每年购买美国EDA软件的费用在400万美元左右,单个客户端每年使用权费在300-400美元,华为在EDA软件上的合计年支出在500万美元左右。而本土EDA软件价位较低,使用权费仅在1,000元人民币每年左右,不到美国EDA软件的一半。此外,由于中美关系反复,美国有可能停止对中国出口EDA软件。当前,美国已停止向华为海思提供EDA软件,一定程度上限制华为海思的研发进度。其他射频器件设计厂商亦可能面临无EDA软件可用的尴尬局面。

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GaAs是当前主流射频功率放大器的衬底,性能明显高于硅基,在移动终端及微基站领域应用广泛。

衬底市场

射频功率放大器的主要原材料为衬底,常见的衬底包括Si、GaAs及GaN。中国半导体材料产业薄弱,核心材料均依赖进口。

(1)硅片电子迁移率较低,导致硅片生产的功率放大器仅能在低频环境下工作。硅片在射频功率放大器领域的市场逐渐被GaAs及GaN取代。2018年全球半导体硅片行业销售额前五名企业及市场份额分别为:日本信越化学(28%),日本SUMCO(25%),中国台湾环球晶圆(14%),德国Siltronic(13%),韩国SK Siltron(9%),前五名的全球市场市占率接近90%,市场集中度高。目前中国硅片生产商主要有上海新昇、中环股份、金瑞泓等企业。上海新昇12英寸硅片产品已经通过华力微和中芯国际的认证,处于中国领先地位。中环股份于2019年2月进行试生产8英寸硅片,12英寸硅片生产线在2019年下半年进行设备安装调试。

(2)GaAs是当前主流射频功率放大器的衬底,性能明显高于硅基,在移动终端及微基站领域应用广泛。在功率要求更高的宏基站及军事领域,则需用到GaN。GaN虽然性能优于GaAs,但成本昂贵,短期内无法替代GaAs在移动终端及微基站领域的地位。2英寸GaN单晶售价高达2万元,是同面积硅材料的数十倍。因此,在商业方案中,晶圆代工厂通常采用硅基GaN外延片或碳化硅GaN外延片(在Si上或SiC上外延生长GaN),可大幅降低GaN的采用成本,满足主流市场的应用需求。

中国GaAs及GaN产业均处于起步阶段,可提供相应的衬底及外延片的企业较少,尚未出现可量产市场认可度较高GaAs与GaN衬底及外延片的企业,中国本土GaAs与GaN衬底及外延片的产能严重不足,迫使中国射频制造厂商需进口GaAs与GaN衬底及外延片。进口半导体材料价格通常高于本土半导体材料的30%,射频器件制造厂商进口半导体进口材料将增加厂商的生产成本。射频器件上游企业综合实力薄弱,一定程度抑制射频器件行业的发展。

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产业链下游

5G通信技术采用毫米波段等高频段的通信频段解决频谱拥挤问题,对基站及手机领域的功率放大器的最高工作频率和带宽提出更高要求

下游应用市场

5G基站加速建设带来智能手机换机潮

2019年市场处于4G向5G的过度阶段,2020年中国开始大规模建设5G基站,预计在2024年完成5G基站的基础建设,预计总共建设260万架宏基站及300万架微基站。

2020年是5G手机大规模出货的第一年,智能手机市场将会迎来换机潮,5G移动终端市场将快速增长。预计2024年中国5G智能手机出货量达2.8亿部,在智能手机领域的渗透率上升至60%,较2019年上升59个百分点。5G基站的加速建设及智能手机的换机潮将加大市场对射频功率放大器的需求。

5G智能手机及通信基站对射频功率放大器性能提出更高要求

现代通信技术经历从1G到4G的发展,5G技术也即将大规模商用。每一代通信技术采用不同频谱,导致频谱资源逐渐稀缺。5G通信技术采用毫米波段等高频段的通信频段解决频谱拥挤问题,对基站及手机领域的功率放大器的最高工作频率和带宽提出更高要求。

5G频谱分为FR1及FR2,FR1通常指Sub-6Ghz,对应的频谱范围为450MHz-6,000Mhz,主要应用于移动通信领域。FR2通常指毫米波频段,对应的频谱范围为24,250MHz-52,600MHz,应用于雷达及军事等通信领域。中国移动获得160M的2.6G频谱和100M的4.9G无线频谱,电信和联通分别获得的100M的3.5G频谱。因此5G时代,手机射频功率放大器需在2.6Ghz及以上频率工作。当前,中国本土企业生产的射频功率放大器最高工作频率为2.1Ghz,2.6Ghz及毫米波高频段功率放大器仍需依赖进口。

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5G基站加速建设,对基站射频功率放大器需求上升,而GaN射频器件在宏基站领域的渗透率将逐步提高,导致射频器件成本上升。

5G基站加速建设,基站射频功率放大器迎来量价齐升

基站射频功率放大器需求上升

据在头部基站设备厂商担任战略规划总监的专家分析,电磁波具有频率越高,波长越短的特点。5G使用更高的频率导致信号覆盖面积大幅缩小,信号覆盖同一个区域,通信设备商需建设5G基站的数量超过需建设4G基站的数量。专家分析,5G基站建设总数为560万架,其中包括260万架宏基站及300万架微基站。宏基站信号覆盖面积较大,共有6个扇区,每个扇区采用64通道天线方案,因此单个宏基站需要376副天线,每副天线射频前端模组中需要一个射频功率放大器。微基站信号覆盖面积较小,仅用一个扇区,因此仅需64副天线与64个射频功率放大器。5G建设周期为2020年至2024年,因此未来5年,5G基站建设对射频功率放大器总需求为11.7亿个。

基站射频功率放大器价格上升

5G信号频率高,穿透性差,因此需采用高功率、高频率的射频功率放大器。微基站信号覆盖面积较小,采用GaAs基底的射频功率放大器则可满足基本需求。而宏基站信号覆盖面积广,需使用更高输出功率的射频功率放大器扩大信号覆盖面积,因此需采用更高功率的GaN射频功率放大器。GaN单晶市场价格在2万元左右,较GaAs贵30%,因此GaN基底射频功率放大器售价远高于GaAs基底射频功率放大器。5G时代,基站射频功率放大器需求量及价格均有望上涨。

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射频功率

中国射频功率放大器行业市场规模

随着5G通信技术的升级,中国迎来换机潮,手机出货量将缓慢上升,对射频功率放大器的需求逐渐释放。

中国射频功率放大器在中国手机终端领域的市场规模

射频功率放大器下游应用诸多,本篇报告仅测算射频功率放大器在中国手机及基站领域的市场规模。根据中国信息通信研究院统计,2017年中国手机出货量为4.6亿部,较2016年同比下降15.2%。2019年,中国手机出货量下降至3.9亿部。随着5G通信技术的升级,中国迎来换机潮,手机出货量将缓慢上升。2020年手机出货量受疫情影响增长缓慢,预计2020年手机出货量小幅回暖。2024年手机出货量预计上升至4.7亿部。2014年至2018年,4G手机的渗透率迅速提升,2018年4G手机渗透率高达95.1%。2019年为5G手机商用的首年,但由于5G信号并未普及,因此渗透率仅为5%左右。到2024年,5G手机基本普及,5G手机的渗透率上升至60%。根据数量与单价,可测算出2024年射频功率放大器在中国手机领域的市场规模高达27.2亿美元。

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射频功率放大器在基站领域的市场规模更具周期性。通信技术的升级,会迎来基站建设的加速期,对射频功率放大器的需求上升。

中国射频功率放大器在基站领域的市场规模

射频功率放大器在基站领域的市场规模更具周期性。通信技术升级,基站建设将迎来加速期。4G基站的建设周期在2014-2019年,其中2014-2016年是4G基站建设的高峰期,无线设备厂商对射频功率放大器的需求上升明显,随后4G基站建设速度放缓,无线设备厂商对射频功率放大器需求减弱,射频功率放大器市场规模收缩。5G基站建设的高峰期在2020年-2022年。

2020年,三大运营商全年原计划建设55万架基站,其中中国电信及中国联通共同建设30万架,中国移动建设25万架。因疫情影响,2020年第一季度5G基站建设进度不及预期,除火神山、雷神山等医疗单位所需的5G基站建设进程相对稳定,其他地区5G基站建设因基础建设施工人员大多未复工而暂缓。在工信部2020年2月22日召开的关于加快推进5G发展、做好信息通信业复工复产工作电视电话会议上,三大运营商领导均表态将全力保障5G发展不受疫情影响,并加速建设进度。预计在复工后,三大运营商响应政府号召,加速建设5G基站,预计2020年5G基站的建设数量上升至80万架左右,超出原定计划。2023-2024年5G基站建设逐步放缓,中国射频功率放大器在基站领域的市场规模下滑,预计从2022年的216亿元下降至2024年的89.1亿元。

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