射频前端市场容量增速平稳,射频前端器件模组化是最大的趋势

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射频器件是无线连接的核心基础。与半导体相关的射频器件是无线通讯设备的基础性零部件,是无线连接的核心基础。智能手机中有几个重要的集成电路,主要包括:基带(BB)、中频(IF)、射频(RF)三个部分。每个部分都可能有一个到数个集成电路。

射频前端按功能不同,分立器件可分为滤波器、双工器、功率放大器(PA)、低噪放(LNA)、射频开关、天线调谐、包络芯片等。其中功率放大器(PA)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。按照集成度不同射频前端模组可以分为低、中、高集成度模组。低度模组有 ASM、FEM,中度模组包括 Div FEM 、FEMiD 、PAiD、SMMB PA、MMMB PA、TX Module、RX Module,高度模组包括 PAMiD、LNA Div FEM 等。

各类器件工艺和功能介绍

射频前端模块是手机通信系统的核心组件,它是连接通信收发芯片和天线的必经通路。它的性能直接决定了移动终端可以支持的通信模式,以及接收信号强度、通话稳定性、发射功率等重要性能指标,直接影响终端用户体验

射频前端市场容量增速平稳

随着 5G 不断推行,智能终端的 RF 前端和 WiFi 市场预计将在 2023 年达到 352 亿美元,复合年增长率为 14%。其中 LTE 的演变显然是第一次增长浪潮,随后的增长,绝大部分市场机会将来自 5G 非独立(NSA)的建设期,对不同频段链接的需求意味着在 RF 前端架构和附加组件上会有全新的演进。

各个组件的增速不尽相同。滤波器作为 RF 前端行业最大市场,市场空间将从 2017 年的 80 亿美金增长到 2023 年的 225 亿美金,年化增长 18.81%。这一增长将主要来自高质量 BAW 滤波器的显着渗透率,这将是超高频率范围所需的由 5G NR 定义。还有一部分是用于与 Wi-Fi 共享分集天线的共存滤波器的增长。

LNA 的市场会从 17 年的 2.46 亿美金增长到 6.02 亿美金,年化增长约 16.09%。增长来自于分集模块的实施,以及手机功率放大器模块的集成。由于增加了采用 4x4 MIMO实现的新 RF 路径,将导致更多的射频开关的需求。天线调谐市场将会从 4.63 亿美金增长到 10 亿美金,年化增长约 13.69%。预计天线调谐器市场增长将通过 4X4 MIMO 技术渗透率实现。

PA 的市场容量变化不大,将会从 50 亿美金增长到 70 亿美金,年化增长约 7%。主要原因是高端 LTE PA 市场的增长,尤其是高端和超高频段,将弥补 2G / 3G 市场的萎缩,两者数量上相互抵消。

根据 Tech Insights 和 iFixit 的拆机报告,iPhone X(A1901)的射频器件组中,包括滤波器组、PA 模组、射频开关、射频收发器、Wi-Fi/BT/FM 模组等,其中基带芯片($14.5)+射频组件($21)的价值量已经达到($35.5)。其中 iPhone 8P 的射频器件价值量由$28.5进一步上升 24.56%。

根据 Tech Insights 拆机报告,其中 iPhone XS 中基带使用 Intel 的基带 XMM7480(PMB9948),Intel 的 2 个射频收发器 PMB5757,其射频前端分别采用到 Avago AFEM-8092 FEM,Skyworks SKY13768 FEM,Skyworks SKY85403 FEM 和一些Skyworks 设备。

以苹果 iPhone X 为例,博通(Broadcom)射频前端模块 AFEM-8072 位于 SIM 卡插槽下方的主印刷电路板(PCB)基板上,其配置取决于收发器芯片组。在 iPhone X 欧洲版中,射频前端采用两个独立的模块,多家供应商为:博通(Broadcom)、Qorvo、Skyworks和 TDK-Epcos。

观察每代 iPhone,其中射频前端价值量不断上升,2013-2018 年 iPhone 5 射频前端ASP 从 14.7 美元增长到 iPhone X 的 35.5 美元,年复合增长达 15.5%。在下一代通讯 5G时代下,我们判断未来的射频器件的价值量预计还会不断上涨,相关的可穿戴等设备也将开辟新的射频器件市场规模。

其中主要的供应商包括被 Avago 收购的 Broadcomm,以及 Skyworks 和 Qorvo。在 SAW 滤波器中,全球 80%的市场份额被 Murata、TDK、TAIYO YUDEN 所瓜分,而在 4G、5G 中应用的 BAW 滤波器则被 Avago(Broadcomm)和 Qorvo 占据 95%的市场空间,PA 全球 93%的市场集中在 Skyworks、Qorvo 和 Avago(Broadcomm)所瓜分,射频开关则进入打价格战的阶段。

现阶段的智能机中一般包括多个射频前端模组,以 iPhone XS MAX 为例,其中包括Avago 的 8092M high/mid PAD、Murata 的 500 4x4 MIMO DSM 和 Skyworks 的206-15 946368 1830 等多个型号的射频器件。未来随着滤波器、PA、射频开关价值量均在提升,5G 对于 MIMO 升级、频带拥挤、器件功耗的提升会对射频器件提出更高的要求,单机价值量还会持续上涨。

5G 对射频前端提出新需求

即将到来的 5G 不仅是移动通信技术的升级,更是面向全新业务、智能生活、智能生产的网络变革。简言之,其变革体现在前所未有的关键能力和应用场景。高速率:峰值速率超过 10Gbps,用户体验速率可达 100Mbps-1Gbps,可实现移动高清、VR/AR 等极致体验。低时延:网络时延 1ms(4G 网络时延 50ms),满足车联网、工业物联网、远程医疗等严苛要求。海量连接:100 万连接/平方公里的连接密度,实现千亿量级容量的连接。从通信的发展路径、建设规模来说,5G 对 4G 的关系将会互相协作,互相并存。

4G 到 5G 的性能特点变化

和 4G 相比,5G 是一个统一平台,功能比 4G 更强大。5G 将以原生方式支持所有频谱类型(许可、共享和免许可)和频段(低频段、中频段和高频段)、大量部署模型(从传统大型基站到热点),以及新的互联方式(比如端到端和多跳网)。5G 使用的频谱优于4G。从低于 1 GHz 的低频段到 1 GHz 至 6 GHz 的中频段,再到被称为毫米波的高频段,5G 还将充分利用各种可用频谱管理范式和频段中的每一个频谱。5G 的速度比 4G 更快。

5G 将在 4G 的基础上显著提速,达到 20 千兆/秒的峰值数据传输速率和超过 100 兆/秒的平均数据传输速率。5G 的网络容量比 4G 更大。5G 的流量容量和网络效率将提高 100 倍。5G 的延迟比 4G 更低。5G 的延迟将大幅下降,以提供更即时的实时访问:端到端延迟降低 10 倍至 1 毫秒。

4G 到 5G 的主要技术指标差异点

5G 使用案例可大致分为三类主要的互联服务:增强型移动宽带(eMBB)、大规模物联网(mMTC)和高可靠性、零时延应用(uRLCC)。

其中 eMBB 场景主要是速率的提升,未来 5G 标准要求单个 5G 基站至少能够支持20Gbps 的下行速率以及 10Gbps 的上行速率,主要应对 4K/8K 超高清视频、VR/AR 等大流量应用。新定义成 5G 的频段,还有一些即将要进行的 4G 频谱重耕,需要设备在支持4G 的基础上支持 5G NR 的新标准。支持 5G 的智能手机会包含更多的射频半导体器件。

mMTC 便是基于 5G 新标准的 IoT,有别于目前基于 4G 标准的 IoT,它将对海量用户提供支持并保障远超目前体量的数以亿计设备安全接入网络。高可靠性、低时延通信 uRLCC 要求 5G 的时延必须低于 1ms,才能应对 5G 物联网时代无人驾驶、智能工厂等新兴应用的需求。

5G 的三大场景(eMBB、mMTC 与 uRLCC)

5G 从增强型移动宽带(eMBB)、大规模物联网(mMTC)和高可靠性、零时延应用(uRLCC)多个角度的确令人印象深刻,但要它并非一项全新的技术。迈向 5G 之路需要依靠 4G 基础设施,而对 4G 技术的改进,例如载波聚合、小基站、大规模多路输入多路输出 (MIMO) 和波束形成将可满足我们对 5G 速度的需求。

(1)载波聚合带来各个器件需求大幅上涨

在 LTE-Advanced 中使用载波聚合(Carrier aggregation),以增加信号带宽,从而提高传输比特速率。为了满足 LTE-A 下行峰速 1 Gbps,上行峰速 500 Mbps 的要求,需要提供最大 100 MHz 的传输带宽,但由于这么大带宽的连续频谱的稀缺,LTE-A 提出了载波聚合的解决方案。载波聚合(Carrier Aggregation, CA)是将 2 个或更多的载波单元(Component Carrier, CC)聚合在一起以支持更大的传输带宽(最大为 100MHz)。每个 CC 的最大带宽为 20 MHz。

载波单元的数量提升带来更快的移动连接,但也增加了射频前端的设计难度。其中对于下行链路(Downlink),特别其灵敏度、谐波的影响、desense(灵敏度恶化)挑战,在上行链路中,CA 的灵敏度也是需要解决的难点,带内上行链路 CA 信号为移动设备设计者提供了许多挑战,因为它们可以具有更高的峰值,更大的信号带宽和新的 RB 配置。即使可以回退信号功率,也必须调整 PA 设计以实现非常高的线性度。同时必须考虑相邻信道泄漏(ACLR),不连续 RB 的互调产物,杂散辐射,噪声以及对接收灵敏度的影响。

我们判断,随着 5G 不断加速载波聚合的使用,从 2CC 到 5CC 意味着滤波器、开关、PA、LNA 需求量将同比例增长。

(2)大规模 MIMO 增加下行链路需求

MIMO 技术使用安装在源(发射器)和目标(接收器)上的多个天线来提高容量和效率。天线越多,数据流层越多。

使用载波聚合增加带宽是实现更高 4G 数据速率的首个最稳定的技术。在下行链路中实现更高 4G 数据速率的下一个选择是升级到 256QAM 下行链路调制。然后,在已聚合的一个或多个分量载波上增加用于覆盖 4X4 MIMO 的空间流数量。随着我们进入 5G 时代,上述两种方法的结合成为实现 1 Gbps 数据速率的最常见方法。

从 4x4 MIMO 端的发展角度来说,基站的发射端需要 4 个天线,对应到终端的接收端也需要 4 个天线,并且在下行链路要摈除互相干扰的信号需要进行隔离,对于下行链路中天线、调谐、开关、滤波器、LNA 等器件的需求将实现翻倍增长。由于下行链路仅与接收路径相连接,而 PA 仅用于上行链路,因此 PA 的需求不受影响。

(3)波束成形对器件制程工艺提出新需求

使用更大的天线阵列可提供额外的波束成形,从而克服在毫米波频率范围内遇到的更严峻的传播挑战。这些阵列可能具有数百个元件,但是由于波长短,因此极其紧凑。


波束控制 5G 端到端固定无线接入网络

例如,30GHz 的 64 元件天线阵列大小只有 40mmx40mm。大阵列提供非常集中的波束,这些波束可以在不到一微秒的时间内重定向。此外,大型相控阵还可以作为单个阵列或者作为多个独立的子阵列,指引独特的波束在同一频率资源上同时服务多个用户终端。


有源天线系统和波束控制 RFFE

从理论上来说,波束成形对于射频器件的总数量不太会产生比较大的影响,但是对于放大器所使用的技术将会更加亲赖于 SOI 技术,对制程产生新的要求。

射频器件集成度增加,推动行业高集中度

全球众多的 LTE 频段组合早已增加射频设计的复杂性。由于智能手机内部设计的局限性,加上手机电源与整体外形设计上的限制,射频前端需要精心设计才能够优化设备的整体性能并减少信号的干扰。新的无线网络需要更多的射频前端功能,包括高阶多输入多输出与大规模多输入多输出、智能天线系统以及复杂的滤波功能。

射频前端发射/接收链路和子链路的模组化

为满足日益增长的通信终端消费需求,射频前端复杂度越来越高,并出现模组化趋势。射频前端复杂度随支持的频带数量增加而提高,通常与天线数量和所支持数据流数量相关。多模多频网络制式、载波聚合技术、MIMO 技术、波束成形技术等不断应用,以及越来越拥挤的频谱资源,这些趋势正对终端射频前端构架、设计、制造提出了更大的挑战,因此射频前端厂商需要通过模组化快速响应行业创新需求。

由于下游客户集中在各个终端市场,其模组化的优势集中在小型化和高集成化的优势上,对于不同种类的智能机,不同的供应商根据客户需求作出相应的平衡。对于一般的器件厂商来说,OEM 厂商大多采用了分立器件的方式来制造射频前端,成熟的 PA、滤波器、双工器等分立器件能得到较大使用,但是其集中度也在不断增加。传统的分立器件在 PCB 板上集成的方式已无法满足系统需求,将多个射频前端芯片在单颗芯片内部集成的方法已经成为中高端市场的主流,高集成度方案有以下几大优势:1)简化设计;2)使射频前端产品小型化;3)降低能量损耗;4)提高系统性能;5)降低射频解决方案成本,并有利于客户快速推出新产品。

类似于 Qorvo、Skyworks、Broadcomm 等大厂不断将高端产品模组化(注: Murata,Skyworks,Avago,EPCOS,Qorvo 等供应商所推出的集成解决方案不断地加速主要射频前端组件,如过滤器,PA,双工器和交换机的集成和模块化。这些方案通过集成某些组件于同一封装来缩小射频前端的尺寸,对减少总体尺寸至关重要),对于中小分离器件厂商来说,降维打击会使市场竞争更加激励。在全球化的趋势下,射频前端器件模组化是最大的趋势。

市场竞争壁垒高,国产化替代任重道远

射频前端市场一直是欧美日厂商的竞争之地,其集中度非常高。例如其中在 SAW 滤波器中,全球 80%的市场份额被 Murata、TDK、TAIYO YUDEN 所瓜分,而在 4G、5G 中应用的 BAW 滤波器则被 Avago(Broadcomm)和 Qorvo 占据 95%的市场空间,PA 全球 93%的市场集中在 Skyworks、Qorvo 和 Avago(Broadcomm)所瓜分。行业的壁垒高主要体现在三个方面:1、实现工艺难度大;2、产业链形成的模组化具有排他性;3、核心基带厂商具有强话语权;

(1)实现工艺难度大

随着射频集成电路技术和系统结构的发展,很多分立器件已被替换。最为明显的就是接收机中分立的 LNA 和中频滤波器已经被集成到射频集成电路中。各射频模块将逐步被集成到标准 CMOS 集成电路中,但包括射频滤波器射频元件的集成不太容易做到。

BAW 的制作,SAW 器件只能做在类似于钽酸锂或铌酸锂这样特殊的单晶基底上。而BAW 器件可以做在可选的任意基底上,因而可以直接利用主流 IC 制造厂现有的工艺、设备和基底结构。制作 BAW 光刻在 0.8 微米的特征尺寸就足够。一个 BAW 器件所需的光刻步骤在 5 个到 10 个之间。BAW 中的缺陷密度也是次要问题。

最关键的工序是足够高品质的压电层淀积。尽管压电层是多晶的,但要求所有晶粒的 C轴方向完全一致,方向不一致的晶粒会严重降低压电耦合因子和品质因子。BAW 器件所用材料最流行的有氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)和锆钛酸铅(PZT)。

(2)模组化是大厂差异化方案

射频前端是一个相对完整的系统性功能,对于终端厂商来说,随着 5G 渐进,提供完整解决方案和服务能力的厂商能解放客户大量时间和精力。提供单一零组件会被完整的解决方案大厂遏制。龙头企业均已布局多个产品并提供完整模组解决方案,因此在高端市场的竞争将会比拼模组化的能力。

射频前端产业链模组化趋势

5G 将完全重新定义射频(RF)前端如何在网络和调制解调器之间进行交互。在低于 6GHz 的一侧,目前的前端领导者(Broadcom,Qorvo,Skyworks 和 Murata)已经开始适应这些变化。 Broadcom 通过将中高频段融合在一起,为 5G 超高频段的到来做好了准备。凭借其 FBAR BAW 滤波器技术,Broadcom 还拥有高频和超高频段的主要关键构建模块。 Skyworks 凭借其新发布的 Sky5TM 平台定位于 5G 超高频段市场,此外还在国内中低端市场处于领先地位。Qorvo 采用了类似的方法,Qorvo 的另一个优势在于其内部测试和包装能力,可以缩短反应时间并持续改进,他是第一个推出用于超高频段覆盖的前端模块的播放器。Murata 主要涵盖低频段,但非常适合不断增长的多样性模块市场。高通公司是新进入者,它带来了从调制解调器到天线的端到端解决方案。

(3)基带厂商话语权

基带芯片和射频前端的协同性要求非常高,基带芯片决定射频前端支持的模式和频数,对于整个射频器件均有影响,同时基带芯片的厂商非常集中,其中以高通为主导市场份额话语权较强,随着 5G 不断应用,各大核心厂商的基带芯片不断推出。例如高通已有骁龙 X50 5G 基带(28nm、5Gbps,目前已经出货),三星官宣了 Exynos5100 基带(10nm、6Gbps,2018 年底出),英特尔的基带(10nm、6Gbps,2019 年底出货);联发科 Helio M70 基带(7nm、5Gbps,2019 年上半年出货),华为(Balong 5000,出货时间未知)。

因此基带厂商例如 Qualcomm 会借用基带市场的优势捆绑销售射频模组,那么对于原有几家厂商的供应链体系会有损伤,基带厂商直接参与全行业的生产会是一个行业壁垒再次强化的显著特点。

射频前端产业链中,各大厂也在不断加大自身对于产业链纵深布局的加速,类似于Qualcomm 和 TDK 成立合资公司,RFMD 和 TriQuint 合并成立 Qorvo,Avago 收购Broadcomm 等事件,美系厂商已经在全产业链均有布局,日系厂商依旧保持跟随者的角色,国内厂商的产业之路还在追赶。

对于国内射频产业来说,高端市场短期进入门槛很高,产品质量与验证周期均长,在产业壁垒逐步堆高的前提下,只有先手从低端市场做起,依靠成本优势和资金优势占据一定的市场份额,积累起相对应的人才和技术,才有机会迅速向中高端产品延伸。5G 来临的时候,一部分模组厂商可以在技术进行迭代器件快速通过技术引进或者相关公司收购快速进去行业,通过资本整合把握好射频前端市场的模组化趋势,进入该行业;另一部分有资金优势的企业可以通过 Fabless+Foundry 的方式快速进入代工行业,国内的企业多数在于工艺改造和成本管控具有天然的优势,在实现工艺尚未难度加大的时间点快速进入,是国内企业的机会。 

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