電磁波的傳輸距離與發(fā)射功率成正比，射頻PA的性能直接決定了通信距離、信號質量和待機時間(或功耗)。Yole數(shù)據(jù)顯示，手機射頻前端中射頻PA的市場規(guī)模約為50億美元，占整個射頻前端的35%，僅次于濾波器，也是射頻前端價值最高的單芯片。

1.射頻功率放大器是射頻前端的核心器件，是決定無線通信質量的關鍵因素。

射頻模塊是無線通信設備的核心模塊。

無線通信主要是利用電磁波來實現(xiàn)多個設備之間的信息傳輸。射頻是可以輻射到空的電磁頻率，頻率范圍是300 kHz到300 GHz。射頻模塊是用于在兩個設備之間發(fā)送和/或接收無線電信號的電子設備，是無線通信設備發(fā)送和接收信號的核心模塊。

圖:手機射頻架構

圖:基站的射頻架構

射頻前端架構基本相似。

射頻前端包括接收通道和發(fā)射通道兩部分。一般來說，它由射頻開關、低噪聲放大器(LNA)、功率放大器(PA)、雙工器、射頻濾波器、天線調諧器等組成。

圖:手機射頻架構

發(fā)射通道和接收通道的工作原理

傳輸通道使用基帶信號(語音、視頻、數(shù)據(jù)或其他信息)對中頻正弦波信號進行調制，然后通過混頻器將中頻信號上移至所需的射頻傳輸頻率，通過功率放大器提高發(fā)射機的輸出功率，并驅動天線將調制后的載波信號轉換為可以自由傳播的電磁波空。

圖:發(fā)射通道和接收通道的架構

接收通道是發(fā)射通道的逆過程。天線將在相對較寬的頻率范圍內接收來自許多輻射源的電磁波。帶通濾波器將濾除不想要的接收信號。然后，低噪聲放大器將放大可能接收到的弱信號，并最小化進入接收信號的噪聲的影響?；祛l器將接收的RF信號下變頻到較低的頻率。中頻放大器將提升信號的功率水平，以便于解調和獲取信息。

射頻功率放大器是決定通信質量的關鍵設備。

功率放大器是一種放大器電路，可以向天線提供足夠的信號功率。其主要作用是將調制振蕩器電路產生的低功率(緩沖級、中間放大級和末級放大級)射頻信號放大后饋入天線進行輻射。它是無線通信設備射頻前端的核心部件。其性能直接決定了無線終端的通信距離、信號質量和待機時間(或功耗)，也是射頻前端功耗最大的器件。

射頻功率放大器廣泛應用于雷達、無線通信、導航、衛(wèi)星通信、電子對抗設備等系統(tǒng)，是現(xiàn)代無線通信的關鍵設備。

圖:手機射頻前端架構圖

PA也是射頻前端器件中價值較大的器件。

目前，手機仍然是射頻前端最大的終端應用市場。在所有射頻前端器件中，射頻PA的值僅次于濾波器，是射頻前端器件中值較大的器件。根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)，2017年手機射頻前端中射頻PA的市場規(guī)模約為50億美元，占整個射頻前端的34%，僅次于濾波器。

圖:手機射頻前端各組件價值占比(2017)

功放的核心是晶體管。

放大器電路一般由晶體管、偏置和穩(wěn)定電路、輸入和輸出匹配電路等組成。功率放大器的核心是利用三極管的電流控制功能或場效應管的電壓控制功能，將電源的功率轉換成隨輸入信號變化的電流，從而放大電流和電壓。

作為晶體管射頻放大器的核心器件，它用小信號控制DC電源，產生隨其變化的大功率信號，從而將電源的DC功率轉換成滿足輻射要求的功率信號。

就工程應用而言，提高PA性能的方法大多依賴于技術。以手機射頻PA為例。目前主流技術是第二代半導體材料砷化鎵。從第一代半導體材料發(fā)展而來的技術(如CMOS、SOI、SiGe技術)在無線通信技術的發(fā)展中遇到了瓶頸，很難通過設計來彌補技術的不足。因此，該技術是射頻功率放大器整體設計和生產的基礎。

圖:射頻功率放大器工作原理

射頻晶體管發(fā)展了多種材料工藝。

射頻半導體從第一代半導體到第三代半導體主要經歷了三個發(fā)展階段，其制造工藝結構也經歷了從基本的BJT和FET到更復雜的HBT、LDMOS和HEMT等的發(fā)展。

圖:射頻晶體管的制造過程

不同材料的性能和成本差別很大。

不同流程結構圖

BJT由電流控制，F(xiàn)ET由電壓控制。HBT具有功率密度高、相位噪聲低、線性度好的特點，GaAs HBT是目前手機射頻PA的主流技術。硅基LDMOS器件廣泛應用于基站的射頻PA中。HEMT是一種場效應晶體管。近年來，GaN HEMT因其良好的高頻特性引起了廣泛的關注。

不同的應用場景需要不同的PA性能指標。

根據(jù)應用場景分為大功率(基站等。)和低功耗(手機等。).基站PA的應用指標在于其高功率和高效率，而手機PA的應用指標在于其高線性度、低功耗和高效率。

表:射頻功率放大器性能指數(shù)和說明

不同應用場景下射頻功率放大器的競爭格局

基站射頻PA主要供應商有飛思卡爾、恩智浦、英飛凌等。2015年，恩智浦以約118億美元的價格收購飛思卡爾，隨后將恩智浦自有的射頻功率晶體管業(yè)務剝離給北京建光資本。這部分被剝離的業(yè)務后來成立為Ampleon。

手機用射頻PA的主要供應商有Skyworks、博通(Avago)、Qorvo等。

不同材質和工藝的PA行業(yè)分工略有不同。

常見的硅工藝集成電路和砷化鎵/氮化鎵化合物集成電路芯片的生產工藝類似，但與硅工藝不同，化合物半導體工藝由于外延工藝復雜，已經形成了獨立的外延產業(yè)。

外延是指半導體器件制造過程中使用的一種技術，在原芯片上生長新的晶體，制作新的半導體層，也稱為外延生長。

由于化合物晶圓和Si的性能有很大的差異，化合物晶圓制造中的設備和工藝也和硅有很大的不同，所以化合物半導體有自己獨立完整的產業(yè)鏈。

PA行業(yè)同時有兩種商業(yè)模式。

PA行業(yè)既有IDM(集成器件制造)模式，也有無廠模式。

IDM模式是指垂直整合廠商獨自完成IC設計、晶圓制造和封裝測試的所有環(huán)節(jié)。這種模式是集成電路產業(yè)發(fā)展初期最常見的模式，但由于對技術和資金實力要求較高，目前只有少數(shù)大型企業(yè)采用。歷史上比較成熟的廠商Skyworks、Qorvo、Broadcom都采用IDM模式。

在無廠模式下，IC設計、晶圓制造和封裝測試分別由專業(yè)化公司完成。該模式涉及的企業(yè)類型主要有芯片設計制造商、晶圓制造商和外包封裝測試企業(yè)。隨著技術的成熟和代工能力的上升，代工模式的比重也會增加。以手機射頻功放為例，中國臺灣地區(qū)的廠商已經是GaAs射頻技術非常成熟的代工廠。高通、卓勝偉等新人更傾向于無晶圓廠，專注于IC設計，制造、封測需要外部合作。

圖:射頻功放行業(yè)的兩種商業(yè)模式

二、從手機、基站到物聯(lián)網，萬物互聯(lián)時代射頻PA市場廣闊。

到2035年，5G將帶動12萬億美元的經濟活動。

HIS發(fā)布的《5G經濟:5G技術將如何幫助全球經濟》報告預測，5G技術未來將為全球經濟帶來12萬億美元的經濟增長，2020年至2035年5G技術帶來的全球GDP增長相當于一個印度的GDP。到2035年，5G價值鏈本身將同時創(chuàng)造3.5萬億美元的經濟產出和2200萬個就業(yè)崗位，其中中國的總產出為9840億美元，就業(yè)崗位為950萬個，位居世界第一。

5G應用場景

5G關鍵技術

5G新高頻帶

新的5G頻段主要分為6GHz以下和毫米波。6GHz以下的全球主流頻段主要有N1/N3/N8/N20/N28/N41/N77/n78/N79等。國內5G網絡的頻段主要是中國電信(3400MHz-3500MHz)和中國聯(lián)通(3500MHz-3600MHz)。除了n41頻段接近4G頻段，n78和n79頻段相對高于4G頻段。

圖:全球5G頻段

5G的帶寬更大

4G走向5G的另一個顯著變化是，手機必須支持更大的帶寬，增加帶寬是針對新5G頻段實現(xiàn)更高數(shù)據(jù)速率的關鍵。LTE頻段不高于3GHz，單載波帶寬只有20MHz。5G時代，F(xiàn)R1的信道/單載波帶寬高達100MHz，F(xiàn)R2高達400MHz。

中國電信和中國聯(lián)通的5G頻段n78帶寬為100MHz分別；中國移動n79頻段帶寬100MHz，n41頻段帶寬高達160MHz。

圖:4G和5G帶寬對比

圖:國內三大運營商5G頻段帶寬

智能手機市場規(guī)模大，5G會刺激更新?lián)Q代。

Yole數(shù)據(jù)顯示，2018年全球智能手機銷售額達到4220億美元(約合人民幣3萬億元)，基于14億的出貨量，智能手機平均售價達到301美元(約合人民幣2000元)。

愛立信數(shù)據(jù)顯示，2018年全球智能手機有50億部，預計到2024年全球智能手機存量將達到72億部。

2018年和2019年，全球智能手機出貨量同比下降。我們判斷主要原因是智能手機周期性創(chuàng)新乏力，性能過剩導致更新?lián)Q代周期延長，手機市場急需新動力。5G有望刺激消費者換機，為市場增長注入動力。

5G全網通手機至少要加3個主要頻段。

根據(jù)市場研究公司Strategy Analytics最近發(fā)布的最新報告，2020年第一季度全球對5G手機的需求大幅上升，其今年第一季度的出貨量超過了去年的1870萬部至2410萬部。

2018年12月，中國三大運營商獲得n41、n78、n79頻段；

工信部規(guī)定手機可以轉網，實現(xiàn)全網通功能。新的5G手機不僅要向后兼容2G、3G和4G，還要兼容所有5G頻段。

4G時代的1T2R，1路發(fā)射，2路接收。

一部典型的4G手機需要支持大約40個頻段，如B1、B3、B5、B8、B38、B41等。每個頻帶需要有一個傳輸通道和兩個接收通道。傳輸路徑需要濾波器、功率放大器、開關等。，而接收路徑需要開關、低噪聲放大器、濾波器等器件。

圖:4G時代1T2R示意圖

某些頻段的射頻前端可以共享。

在4G LTE頻段劃分中，射頻前端設備可以共享一些頻率相近或重疊的頻段。業(yè)界通常將4G頻段分為低頻(698~960Mhz)、中頻(1710~2200MHz)和高頻(2400~3800MHz)，對應的射頻前端器件可以形成低頻模塊、中頻模塊和高頻模塊。

圖:4G手機射頻架構

5G新頻段，SA模式需要2T4R

歸根結底，既然5G增加了新的頻段，那么支持新的頻段就需要增加匹配的射頻前端芯片。簡單來說，射頻發(fā)射路徑主要是PA和濾波器，接收路徑主要是LNA和濾波器，其他如射頻開關、RFIC、電阻、電容、電感等都與核心芯片匹配。

圖:5G手機射頻架構

RF PA獨立移動電話的使用大大增加。

增加一個頻段將增加兩個PA芯片的使用量，增加三個頻段將增加約六個PA芯片，4G多模多頻手機需要5-7個PA芯片，預測5G多模多頻手機PA芯片最多16個。

圖:3G、4G、5G手機的射頻前端器件大幅增加。

PA市場穩(wěn)步增長。

根據(jù)QYR電子研究的數(shù)據(jù)，2011-2018年，全球射頻功率放大器市場規(guī)模從25.33億美元增長到31.05億美元，年復合增長率為2.95%。預計到2023年，市場規(guī)模將達到35.71億美元。PA市場整體增速低于其他射頻前端芯片，主要是因為高端4G和5G PA市場將保持增長，但2G/3G PA市場將逐漸下滑。

手機射頻功放模塊市場有望突破100億美元

因為射頻前端模塊化是大勢所趨，而射頻PA是有源器件，是射頻前端最耗電的器件，決定了手機通信的質量，所以射頻PA廠商往往主導著PA模塊的市場。

根據(jù)Yole Development的統(tǒng)計和預測，2018年射頻前端市場規(guī)模將達到150億美元，年復合增長率為8%，預計到2025年將達到258億美元。其中，功放模塊市場規(guī)模預計為104億美元，接收模塊預計為29億美元，WiFi連接模塊預計為31億美元，天線模塊預計為13億美元，分立濾波器和雙工器預計為51億美元，分立射頻低噪聲放大器和普通開關預計為17億美元，天線調諧開關預計為12億美元。

理論上5G基站的覆蓋比4G基站低。

基站電磁波的自由空損耗可以從Friis傳輸方程得到，即電磁波波長與傳輸距離成正比，即電磁波頻率與傳輸距離成反比。理論上，在其他條件相同的情況下，頻率越高，基站的覆蓋范圍越小，即5G基站的覆蓋范圍理論上低于4G基站。

采用3D MIMO技術提高天線增益來改善下行覆蓋和下行用戶體驗，使下行覆蓋接近4G。但是考慮到終端(手機等)的電量限制。)，上行是擴大覆蓋的瓶頸。

GIV預測，2025年全球將有650萬個5G基站。

中國基站建設數(shù)量領先全球。

2019年，全國移動電話基站174萬個，總數(shù)841萬個，其中4G基站總數(shù)544萬個。中國的4G基站占全球4G基站的一半以上。

中國5G基站建設全球占比預計將延續(xù)4G格局。根據(jù)賽迪顧問的數(shù)據(jù)，到2020年底，全球5G商用網絡將從2019年的60個增加到170個，基站數(shù)量將從2019年的50萬個增加到150萬個，全球5G用戶數(shù)量預計將從1000多萬個增加到2.5億個，而中國將占全球5G基站建設的50%以上，占全球用戶的70%以上。

宏基站單站擴音的使用率有了很大的提高。

根據(jù)中國聯(lián)通5G基站設備技術白皮書，對于6GHz以下頻段，AAU設備主要包括64T64R、32T32R、16T16R三種。這三種設備的主要區(qū)別在于接收和發(fā)送通道的數(shù)量不同。與4G基站采用的4T4R方案相比，收發(fā)信道數(shù)量大大增加，每個收發(fā)信道對應一個射頻單元。與4G基站相比，5G宏基站單站射頻功率放大器的使用大大提高。

基站射頻市場有望在未來幾年翻倍。

由于基站建設的周期性，基站射頻市場也呈現(xiàn)出一定的周期性。根據(jù)賽迪顧問的數(shù)據(jù)，中國基站射頻市場規(guī)模預計將從2020年的不到50億元增長到2023年的110億元以上，整體市場份額將增長一倍以上，之后市場份額將逐年下降。

5G時代室內流量占80%。

5G技術將廣泛應用于智能家居、遠程醫(yī)療、遠程教育、工業(yè)制造和物聯(lián)網，包括千兆移動寬帶數(shù)據(jù)接入、3D視頻、高清視頻、云服務、增強現(xiàn)實(AR)、虛擬現(xiàn)實(VR)、工業(yè)制造自動化、應急救援、自動駕駛、現(xiàn)代物流等典型業(yè)務應用。其中高清視頻、AR、VR、遠程醫(yī)療、工業(yè)制造自動化、現(xiàn)代物流管理等。主要發(fā)生在建筑物的室內場景。

在2019中國無線電大會上，中國鐵塔通信技術研究院無線技術總監(jiān)鄒勇發(fā)表演講稱，相比4G時代的70%，5G時代室內流量占比80%，包括語音、ARVR等應用，對網絡時延提出了更高的要求。但是5G的頻段很高，傳輸損耗和穿透損耗都很大，從外到內很難通過。所以解決室內信號覆蓋是5G時代需要解決和發(fā)展的一個方向。

小型基站有望迎來發(fā)展機遇。

4T4R以上的室內數(shù)字分布基站有望部署。

據(jù)工信部通信技術委員會常務副主任魏樂平在2019中國光網研討會上透露，2021-2027年我國將建設數(shù)千萬個小型基站。

Wi-Fi網絡建立了分布式連接架構。

Wi-Fi稱為無線保真，是指無線局域網范疇內的“無線兼容性認證”，本質上是一種商業(yè)認證，是一種無線組網技術。Wi-Fi主要定位為小范圍、熱點覆蓋，工作在2.4GHz或5GHz兩個免執(zhí)照頻段。Wi-Fi標準由IEEE標準協(xié)會制定。

Wi-Fi網絡建立了分布式連接架構，使得Wi-Fi能夠承載絕大多數(shù)的無線流量，在房屋、樓宇、設備密集的室外區(qū)域等提供寬帶連接。

Wi-Fi已經成為當今世界無處不在的技術，為數(shù)十億設備提供連接，也是越來越多用戶接入互聯(lián)網的首選方式，并有逐漸取代有線接入的趨勢。

Wi-Fi技術在不斷發(fā)展，以滿足更多的需求。

隨著視頻會議、無線互動VR、移動教學等業(yè)務的應用越來越多，Wi-Fi接入終端也越來越多。物聯(lián)網的發(fā)展帶來了更多的移動終端接入無線網絡，即使是過去接入終端較少的家庭Wi-Fi網絡，也會隨著越來越多智能家居設備的接入而變得擁擠。因此，Wi-Fi網絡仍然需要不斷提高速度，同時需要考慮是否能夠接入更多的終端，以滿足不斷擴大的客戶端設備數(shù)量和不同應用的用戶體驗需求。

為了適應新的業(yè)務應用，減少與有線網絡帶寬的差距，每一代802.11標準都在大幅提高其速率。

Wi-Fi 6性能全面提升。

Wi-Fi 6是新一代802.11 ax標準的簡稱。其核心技術包括OFDMA頻分復用技術、DL/UL MU MIMO技術、高階調制技術(1024 QAM)、空分復用技術SR BSS著色機制、擴展覆蓋(er)等。支持2.4 GHz頻段，具有目標喚醒時間(TWT)功能。Wi-Fi 6連接數(shù)量翻倍，傳輸速率最高可達9.6Gbps，延遲低，功耗更低。2019年Q3正式啟動認證計劃。

802.11ax的設計初衷是適用于高密度無線接入和大容量無線業(yè)務，如室外大型公共場所、高密度場館、室內高密度無線辦公、電子教室等場景。據(jù)預測，到2020年，全球移動視頻流量將占移動數(shù)據(jù)流量的50%以上，80%以上的移動流量將由Wi-Fi承載。

Wi-Fi 6普及率持續(xù)提升。

IDC于3月4日發(fā)布的《2019年第三季度中國WLAN市場季度跟蹤報告》顯示，WLAN市場整體規(guī)模仍處于穩(wěn)定增長態(tài)勢，其中Wi-Fi 6從去年第三季度開始從部分主流廠商出現(xiàn)，第一款Wi-Fi 6產品去年第三季度的銷售規(guī)模為470萬美元。IDC預測，今年Wi-Fi 6將在無線市場大放異彩，僅在中國市場的規(guī)模就接近2億美元。IDC預測，到2023年國內Wi-Fi市場將超過12億美元，Wi-Fi 6將在未來幾年快速滲透。

中承科技為客戶提供世界領先的無線射頻測試、無線綜合測試儀、通信測試儀表、無線通信測量、WiFi6e測試儀、藍牙綜測儀等解決，幫助客戶提高產品質量、降低生產成本、提升綜合競爭力。