射頻功率放大器需求有望多點開花

樊志遠 張純 魯洋洋

關鍵詞：PA;基站;5G;細分行業龍頭

1 綜述?

功率放大器（PA）是一部手機關鍵的器件之一，它直接決定了手機無線通信的距離、信號質量，甚至待機時間，是整個射頻系統中除基帶外最重要的部分。手機里面PA的數量隨著2G、3G、4G、5G逐漸增加。以PA模組為例，4G多模多頻手機所需的PA芯片為5～7顆，預測5G手機內的PA芯片將達到16顆之多，價值量超過7.5美元。5G智能終端射頻前端SIP將是大勢所趨，MEMS預測，到2023年，用于蜂窩和連接的射頻前端SiP市場將分別占SiP市場總量的82%和18%。按蜂窩通信標準，支持5G（sub-6GHz和毫米波）的前端模組將占到2023年RF SiP市場總量的28%。高端智能手機將貢獻射頻前端模組SiP組裝市場的43%，其次是低端智能手機（35%）和奢華智能手機（13%）。

4G基站采用4T4R方案，按照3個扇區計算，對應的射頻PA需求量為12個。預計未來64T64R將成為5G基站主流方案，對應的PA需求量則高達192個，PA數量將大幅增長。5G基站GaN射頻PA將成為主流技術，逐漸侵占LDMOS的市場，GaAs器件份額變化不大。GaN能較好地適用于大規模MIMO。預計到2022年，4G/5G基礎設施用RF半導體的市場規模將達到16億美元，其中，MIMO PA年復合增長率將達到135%，射頻前端模塊的年復合增長率將達到119%。

我們認為，隨著5G進程的加快，5G基站、智能移動終端及IOT終端射頻PA將迎來發展良機，使用量大幅增加，看好細分行業龍頭，推薦：CREE、Skyworks、穩懋、三安光電、環旭電子，建議關注：海特高新（海威華芯）、旋極信息（擬收購安譜隆）。

2 5G智能移動終端，射頻PA的大機遇

2.1射頻功率放大器（PA）——射頻器件皇冠上的明珠

射頻功率放大器（PA）作為射頻前端發射通路的主要器件，主要是為了將調制振蕩電路所產生的小功率射頻信號放大，獲得足夠大的射頻輸出功率，才能饋送到天線上輻射出去，通常用于實現發射通道的射頻信號放大。

射頻前端模塊是移動終端通信系統的核心組件，對它的理解可以從兩方面考慮：一是必要性，它是連接通信收發器（transceiver）和天線的必經之路;二是重要性，它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，直接影響終端用戶體驗。

射頻前端芯片包括功率放大器（PA）、天線開關（Switch）、濾波器（Filter）、雙工器（Duplexer和Diplexer）和低噪聲放大器（LNA）等，它們在多模/多頻終端中發揮著核心作用。

手機和WiFi連接的射頻前端市場預計在2023年達到352億美元，復合年增長率為14%（圖1）。

射頻前端產業中最大的市場為濾波器，將從2017年的80億美元增長到2023年225億美元，復合年增長率高達19%。該增長主要來自于BAW濾波器的滲透率顯著增加，典型應用如5G NR定義的超高頻段和WiFi分集天線共享。

功率放大器市場增長相對穩健，復合年增長率為7%，將從2017年的50億美元增長到2023年的70億美元（圖2）。高端LTE功率放大器市場的增長，尤其是高頻和超高頻，將彌補2G/3G市場的萎縮。

砷化鎵器件應用于消費電子射頻功放，是3G/4G通訊應用的主力，物聯網將是其未來應用的藍海;氮化鎵器件則以高性能特點廣泛應用于基站、雷達、電子戰等軍工領域，利潤率高且戰略位置顯著，由于更加適用于5G，氮化鎵有望在5G市場迎來爆發。

2.2 5G推動手機射頻PA量價齊升?

射頻前端與智能終端一同進化，4G時代，智能手機一般采取1發射2接收架構。由于5G新增了頻段（n41 2.6GHz，n77 3.5GHz和n79 4.8GHz），因此5G手機的射頻前端將有新的變化，同時考慮到5G手機將繼續兼容4G、3G、2G標準，因此5G手機射頻前端將異常復雜。預測5G時代，智能手機將采用2發射4接收方案。

圖1 2017—2023 年射頻前端模組市場資料來源：MEMS、國金證券研究所，下同。

圖2 2017—2023 年射頻前端PA 市場規模

Qorvo指出，5G將給天線數量、射頻前端模塊價值量帶來翻倍增長。以5G手機為例，單部手機的射頻半導體用量達到25美元，相比4G手機近乎翻倍增長。其中濾波器從40個增加至70個，頻帶從15個增加至30個，接收機發射機濾波器從30個增加至75個，射頻開關從10個增加至30個，載波聚合從5個增加至200個。

5G手機功率放大器（PA）用量翻倍增長。PA是一部手機的關鍵器件之一，它直接決定了手機無線通信的距離、信號質量，甚至待機時間，是整個射頻系統中除基帶外最重要的部分。手機里面PA的數量隨著2G、3G、4G、5G逐漸增加。以PA模組為例，4G多模多頻手機所需的PA芯片為5～7顆，預測5G手機內的PA芯片將達到16顆之多（圖3）。

5G手機功率放大器（PA）單機價值量有望達到7.5美元：同時，PA的單價也有顯著提高，2G手機用PA平均單價為0.3美金，3G手機用PA上升到1.25美金，而全模4G手機PA的消耗則高達3.25美金，預計5G手機PA價值量達到7.5美元以上（圖4）。

載波聚合與Massivie MIMO對PA的要求大幅增加。一般情況下，2G只需非常簡單的發射模塊，3G需要有3G的功率放大器，4G要求更多濾波器和雙工器載波器，載波聚合則需要有與前端配合的多工器，上行載波器的功率放大器又必須重新設計來滿足線性化的要求。

5G無線通信前端將用到幾十個甚至上百個通道，要求網絡設備或者器件供應商能夠提供全集成化的解決方案，這大大增加產品設計的復雜度，無論對器件解決方案還是設備解決方案提供商都提出了很大技術挑戰。

3 5G基站PA數倍增長，GaN大有可為?

3.1 5G基站射頻PA需求大幅增長?

3.1.1 5G基站PA數量有望增長16倍

4G基站采用4T4R方案，按照3個扇區，對應的PA需求量為12個，5G基站，預計64T64R將成為主流方案，對應的PA需求量高達192個，PA數量將大幅增長。

3.1.2 5G基站射頻PA有望量價齊升

目前基站用功率放大器主要為基于硅的橫向擴散金屬氧化物半導體LDMOS技術，不過LDMOS技術僅適用于低頻段，在高頻應用領域存在局限性。對于5G基站PA的一些要求可能包括3～6GHz和24～40GHz的運行頻率，RF功率在0.2～30W之間，我們研判5G基站GaN射頻PA將逐漸成為主導技術，而GaN價格高于LDMOS和GaAs。

3.1.3 GaN具有優異的高功率密度和高頻特性

圖3 5G 手機單機使用PA 數量預測來源：Strategy Analytics、國金證券研究所，下同。

圖4 5G 手機單機使用PA 價值量預測

提高功率放大器RF功率最簡單的方式就是增加電壓，這讓氮化鎵晶體管技術極具吸引力。如果我們對比不同半導體工藝技術，就會發現功率通常會如何隨著高工作電壓IC技術而提高。硅鍺（SiGe）技術采用相對較低的工作電壓（2～3V），但其集成優勢非常有吸引力。GaAs擁有微波頻率和5～7V的工作電壓，多年來一直廣泛應用于功率放大器。硅基LDMOS技術的工作電壓為28V，已經在電信領域使用了許多年，但其主要在4GHz以下頻率發揮作用，因此在寬帶應用中的使用并不廣泛。新興GaN技術的工作電壓為28～50V，優勢在于更高功率密度及更高截止頻率（Cutoff Frequency，輸出訊號功率超出或低于傳導頻率時輸出訊號功率的頻率），擁有低損耗、高熱傳導基板，開啟了一系列全新的可能應用，尤其在5G多輸入輸出（Massive MIMO）應用中，可實現高整合性解決方案。

3.2 GaN射頻PA有望成為5G基站主流技術?

預測未來大部分6GHz以下宏網絡單元應用都將采用GaN器件，小基站GaAs優勢更明顯。就電信市場而言，得益于5G網絡應用的日益臨近，將從2019年開始為GaN器件帶來巨大的市場機遇。相比現有的硅LDMOS（橫向雙擴散金屬氧化物半導體技術）和GaAs（砷化鎵）解決方案，GaN器件能夠提供下一代高頻電信網絡所需要的功率和效能。而且，GaN的寬帶性能也是實現多頻帶載波聚合等重要新技術的關鍵因素之一。GaN HEMT（高電子遷移率場效晶體管）已經成為未來宏基站功率放大器的候選技術。由于LDMOS無法再支持更高的頻率，GaAs也不再是高功率應用的最優方案，預計未來大部分6GHz以下宏網絡單元應用都將采用GaN器件。5G網絡采用的頻段更高，穿透力與覆蓋范圍將比4G更差，因此小基站（small cell）將在5G網絡建設中扮演重要角色。不過，由于小基站不需要如此高的功率，GaAs等現有技術仍有其優勢。與此同時，由于更高的頻率降低了每個基站的覆蓋率，因此需要應用更多的晶體管，預計市場出貨量增長速度將加快。

預計到2025年，GaN將主導RF功率器件市場，搶占基于硅LDMOS技術的基站PA市場。根據yole的數據，2014年基站RF功率器件市場規模為11億美元，其中GaN占比11%，而橫向雙擴散金屬氧化物半導體技術（LDMOS）占比88%。2017年，GaN市場份額預估增長到了25%，并且預計將繼續保持增長。預計到2025年GaN將主導RF功率器件市場，搶占基于硅LDMOS技術的基站PA市場。

GaN芯片每年在功率密度和封裝方面都會取得飛躍，能比較好地適用于大規模MIMO技術。當前的基站技術涉及具有多達8個天線的MIMO配置，以通過簡單的波束形成算法來控制信號，但是大規模MIMO可能需要利用數百個天線來實現5G所需要的數據速率和頻譜效率。 大規模MIMO中使用的耗電量大的有源電子掃描陣列（AESA），需要單獨的PA來驅動每個天線元件，這將帶來顯著的尺寸、重量、功率密度和成本（SWaP-C）挑戰。這將始終涉及能夠滿足64個元件和超出MIMO陣列的功率、線性、熱管理和尺寸要求，且在每個發射/接收（T/R）模塊上偏差最小的射頻PA。

MIMO PA年復合增長率將達到135%。預計2022年，4G/ 5G基礎設施用RF半導體的市場規模將達到16億美元，其中，MIMO PA年復合增長率將達到135%，射頻前端模塊的年復合增長率將達到119%。

預計未來5～10年，GaN將成為3W及以上RF功率應用的主流技術。根據Yole預測，2017年，全球GaN射頻市場規模約為3.84億美元，在3W以上（不含手機PA）的RF射頻市場的滲透率超過20%。GaN在基站、雷達和航空應用中，正逐步取代LDMOS。隨著數據通信、更高運行頻率和帶寬的要求日益增長，GaN在基站和無線回程中的應用持續攀升。在未來的網絡設計中，針對載波聚合和大規模輸入輸出（MIMO）等新技術，GaN將憑借其高效率和高寬帶性能，相比現有的LDMOS處于更有利的位置。未來5～10年，預計GaN將逐步取代LDMOS，并逐漸成為3W及以上RF功率應用的主流技術。而GaAs將憑借其得到市場驗證的可靠性和性價比，將確保其穩定的市場份額。LDMOS的市場份額則會逐步下降，預測期內將降至整體市場規模的15%左右。

到2023 年，GaN RF器件市場規模達到13億美元，約占3W以上的RF功率市場的45%（圖5）。截至2018年底，整個RF GaN市場規模接近4.85億美元。未來大多數低于6GHz的宏網絡單元實施將使用GaN器件，無線基礎設施應用占比將進一步提高至近43%（圖6）。

4 看好細分行業龍頭?

圖5 2023 年全球GaN 市場規模預測來源：yole、國金證券研究所，下同。

圖6 GaN 在通信領域占比不斷提升

當前射頻前端市場產業鏈已經非常成熟，歐美IDM大廠技術領先，規模優勢明顯。5G將重新定義射頻前端如何在網絡和調制解調器之間“交互”。實際上，新的射頻頻段，6GHz以下頻段（Sub-6 GHz）和毫米波，對該行業產生了巨大挑戰，并有機會破壞市場競爭格局。除6 GHz以下頻段，毫米波頻段將完全“破壞”射頻前端產業，代表一種完全不同的技術思維，可以為高速傳輸數據創造新的途徑。雖然Qualcomm是明確的毫米波技術新進入者，但還有英特爾（Intel）、三星（Samsung）、海思（HiSilicon）、聯發科（Mediatek）等企業也在探索這一新商機。

產業鏈重點受益公司：一是基站射頻PA，如Qorvo、CREE、穩懋、旋極信息（擬收購安譜隆）、三安光電、海特高新（海威華芯）等;二是移動終端及IOT射頻PA：Skyworks、Qorvo、高通、臺灣穩懋、三安光電、環旭電子、卓勝微電子、信維通信。

我們認為，隨著5G進程的加快，5G基站、智能移動終端及IOT終端射頻PA將迎來發展良機，使用量大幅增加，看好細分行業龍頭，推薦：CREE 、Skyworks、穩懋、三安光電、環旭電子，建議關注：海特高新（海威華芯）、旋極信息（擬收購安譜隆）。

5 風險提示

智能手機及基站射頻PA被國際巨頭壟斷，技術難度較大，國內進展緩慢，合格率較低，成本居高不下，射頻PA需要持續性投入。