5G时代的射频器件革命


1 射频器件是无线连接的核心基础

1.1 射频器件是二级制数字信号与电磁波信号之间的转换器

射频器件是无线通讯设备的基础性零部件,在无线通讯中扮演着两个重要的角色,即在发射信号的过程中扮演着将二进制信号转换成高频率的无线电磁波信号;在接收信号的过程中将收到的电磁波信号转换成二进制数字信号。

无论何种通信协议,使用的通讯频率是高是低,配置射频器件模块是系统必备的基础性零部件。无论是使用13.56Mhz的信号作为传输载体NFC系统;抑或是使用900/1800Mhz信号作为传输载体的GSM通讯系统;还是使用24Ghz和77Ghz电磁波信号作为传输载体的无人驾驶毫米波雷达,均需要配置射频器件模块。作为无线通讯不可缺少的基础一环,射频器件的技术革新是推动无线连接向前发展的核心引擎之一。在联网设备大规模增长的环境下,射频器件行业是未来成长最快且最确定的方向性资产。

未来的世界是一个无线连接一切的世界。根据Gartner预测,到2020年,联网设备将达到250亿部,实现全球平均每个人3个联网设备的规模。而据Gartner统计,在2015年,全球消费行业仅仅只有29亿部联网设备;工业应用领域仅7.36亿部联网设备。在无线联网终端设备从2015年的36亿部增加至250亿部的大趋势下,射频器件的年产值将增加数倍。

1.2 市场规模达110亿美金,行业保持双位数高速成长

2015年,全球移动终端射频器件市场规模约有110亿美金。根据高通半导体的预测,移动终端的射频前端模块在2015-2020年间的复合增速在13%以上,到2020年市场规模将超过180亿美金。

射频前端模块市场增长强劲,一方面,2015年全球4G终端出货量占比刚刚跃过50%,渗透率的提升保证了未来2年的成长动能。另一方面4G到5G的演进过程中,射频器件的复杂度逐渐提升,射频器件的单部手机价值量会得到提升。

2 无线连接需求不止,射频器件行业机会不断

随着终端支持的无线连接协议越来越多,从最初的2G网络到现在的NFC、2G/3G/4G网络、WiFi、蓝牙、FM等,通信终端的射频器件单机价值量增长了数倍。展望未来,4G的渗透率尚未饱和,渗透率提升将继续驱动射频器件单机价值量增长。另外5G通讯为射频器件行业带来新的增长机遇,一方面射频模块需要处理的频段数量大幅增加,另一方面高频段信号处理难度增加,系统对滤波器性能的要求也大幅提高。

2.1 LTE终端设备渗透率提升,推升射频器件单机价值提升

在早期的GSM手机中,射频器件的单部手机价值量不足1美金,而如今4G时代,苹果、三星的高端旗舰机型的射频器件单机价值量超过12.75美金,单机价值量在过去的十年间增长了数倍。

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图表1:单部手机RF器件价值量演变(美金)

3G终端转换为4G终端带来单机价值量翻倍以上增长。根据美国射频器件巨头Triquent的预测,进入4G时代,单部手机射频器件价值从3G终端的3.75美金提升至7.5美金,支持全球漫游的终端设备ASP甚至达到了12.75美金。

2.2 全球LTE终端渗透率约为50-60%之间

4G终端渗透尚未饱和,根据台湾砷化镓代工巨头win semiconductor及美国Qorvo的数据预测,全球4G通讯终端设备渗透率在2015年达到54%,预计在2019年将达到74.5%。

2.3 5G三大技术升级,射频器件迎来革新机会

5G通信为了实现在通讯速率及容量上的升级,在技术上主要有三大变化:一是使用了更多的通讯频段;二是使用量MIMO多天线技术;三是使用了载波聚合技术。

2.3.1到2020年新增50个以上频段,带动射频滤波器机会

在2012年全球3G标准协会3GPP提出的LTE R11版本中,蜂窝通讯系统需要支持的频段增加到41个。根据射频器件巨头skyworks预测,到2020年,5G应用支持的频段数量将实现翻番,新增50个以上通信频段,全球2G/3G/4G/5G网络合计支持的频段将达到91个以上。

理论上,单个频段的射频信号处理需要2个滤波器。由于多个滤波器会集成在滤波器组中,手机配置的滤波器器件与频段数量之间的关系并非简单线性比例关系。但频段增多之后,滤波器设计的难度及滤波器数量大幅增加是确定的趋势,相应的价值量和销售数量都会数倍于目前的滤波器。

就实际应用而言,国内市场销售的手机普遍支持五模十三频,即支持的频段数量为13个。而在之前,国内2G手机仅需要支持4个频段,3G手机至少支持9个频段,支持频段的数量在每一代通信系统升级过程中都有大幅提升。

美国FCC(联邦通信委员会)在今年7月份划定了5G频段,是世界上第一个确定5G高频段频谱的国家。美国5G通信频段包括3.85Ghz、7Ghz、27.5-28.35 Ghz、37-38.6 Ghz、38.6-40 Ghz、64-71 Ghz。从美国划定的5G频段来看,新增频段集中在3.8-7Ghz、27-40Ghz、64-71Ghz的低、中、高三大频段,高频率频段对滤波器的性能要求更加苛刻,滤波器行业面临着一场从材料到制造工艺的全新技术革命。

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图表2:LTE到5G演进的主要技术参数

2.3.2 MIMO技术带来射频天线机会

MIMO技术指信号发射端和接收端采用多根发射天线和接收天线的通讯技术。MIMO技术使得通讯的速率及容量成倍的增长,是LTE及未来5G的关键技术之一。MIMO技术的应用普及为天线行业带来巨大增量市场,基站及终端天线迎来快速增长的行业性机会。

为提升通讯速率,预计到2020年,MIMO64x8将成为标准配置,即基站端采用64根天线,移动终端采用8根天线的配置模式。目前市场上多数手机仅仅支持MIMO2x2技术,如若采用MIMO64x8技术,基站天线的配置数量需要增长31倍,手机天线数量需要增长3倍。

2.3.3 载波聚合带来射频开关及滤波器机会

载波聚合技术将数个窄频段合成一个宽频段,实现传输速率的大幅提升。载波聚合技术的引进大大增加了对射频器件性能的要求以及射频系统的复杂度。

目前市场上的射频器件主要采用2载波的载波聚合。2017年,国内的三大电信运营商将正式启动三载波的聚合,而到2018年,四载波甚至五载波的载波聚合将出现在手机通讯应用中。例如载波聚合技术要求射频天线开关具有极高的线性度,以避免与其他设备发生干扰,对于滤波器及射频开关的性能要求将更加苛刻。

随着载波聚合的逐步普及,射频MEMS开关行业将迎来快速增长。目前基于SOI工艺的射频开关正在接近技术极限,无法满足IIP3=90dbm的要求。能够达到IIP3>90dbm的射频性能目标的唯一一种开关是射频MEMS开关,因此射频MEMS开关将在未来5G时代迎来确定性增长机会。

2.4 创新射频技术有望在4.5G/4.9G中率先实现应用

回顾2G到4G的通讯发展历程,每一代通讯技术的发展都不是一蹴而就的,而是由多个小的技术升级叠加形成的。2G时代,地面蜂窝通讯经历了GSM、GPRS、EDGE三个小型技术升级;而在3G时代,地面通讯经历了UMTS、HSPA、HSPA+三个小型技术升级。我们判断在4G向5G的演进过程中,每2年就会出现一次小型技术升级。而每一代小型技术升级都会推动射频器件产品复杂度及单部手机价值量的提升。

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图表3:3G到4G的发展历程中,每2年就会有小的技术升级

3射频器件国产替代空间广阔

手机等终端的射频器件主要包括PA芯片、滤波器、射频开关、天线。天线是目前国产化率最高的细分领域,信维通信、硕贝德等在终端天线领域已经达到全球领先水平,产品已经进入苹果、微软等国际巨头供应链体系。国产PA芯片在2G、3G、WiFi、NFC等通信系统中已经实现了大批量出货销售,而在4G Pa芯片领域,国内厂商还处于客户认证及商业谈判阶段。射频滤波器及射频开关的国产化率相对较低,国内厂商的产品主要集中在军用无线通信系统中,在手机等消费电子产品中的应用较少。

我国是全球最大的手机生产基地,同时华为、vivo、oppo、小米、魅族、联想等国产品牌的手机销售量占全球的30%以上。凭借庞大的终端市场需求,手机供应链向大陆转移是非常确定的产业趋势。事实上,国内不少射频器件厂商已经进入了千元智能机市场,如天珑、西可、海派、TCL等厂商就已经开始采用中普微的PA芯片。

3.1砷化镓晶圆代工兴起、接口趋于标准化两大红利助力PA芯片国产化

3.1.1接口趋于标准化

在2014年之前,射频器件与基带芯片之间的接口各家厂商采用自家的独立接口,各不兼容。市场上一旦某种型号手机销量超出预期,由于没有可被替换的射频器件厂商可选,PA、射频开关、射频滤波器等射频器件是手机零部件中缺货最严重的零组件。

2014年,联发科推出了“Phase 2”整体方案,与Skyworks、RFMD、Murata等厂商合作推出引脚相互兼容的射频PA产品。“Phase 2”方案使得终端厂商替换PA器件的弹性大幅提高,即使出现单一供应商缺货时,其他厂商的产品可以实现快速替补。

引脚标准化为国内射频器件企业切入4G市场提供了机会,国内PA厂商Vanchip及Airoha在2015年加入了联发科的公板认证,切入了联发科的低阶套片产品。

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图表4:联发科定义的射频模块标准结构图(phase1至phase6)

3.1.2砷化镓成为主流生产工艺

砷化镓PA芯片是目前市场主流,出货占比占9成以上。在2G时代,PA芯片主要采用CMOS工艺,而进入3G时代,生产工艺转向电子迁移率更高、截止频率更高的砷化镓制程技术。

国内厂商在砷化镓晶圆制造领域已有不少投资项目,随着三安光电及海特高新的砷化镓产线投产,国内PA芯片厂商的研发及生产环境将得到大幅改善。

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图表5:射频器件各细分方向工艺路线图(2010-2018)

3.1.3国内厂商立足2G/3G市场,向4G市场发起突围

目前4G手机一般配置4颗PA芯片,一些高端旗舰机型配置5颗PA芯片,比如苹果iPhone 7即配置了5颗PA芯片。国内芯片设计厂商抓住国内手机品牌崛起的机会成功切入了PA芯片厂商,涌现出了RDA、汉天下、中普微电子、国民飞骧、Vanchip等一批射频PA芯片厂商。目前国内PA芯片厂商的主力销售产品集中为2G/3G PA芯片,在4G PA芯片领域市场占比较小。

PA芯片是决定发射信号质量的重要器件,其线性度及转化效率决定了通话质量。国内射频龙头企业RDA在2015年12月实现了4G PA芯片的客户批量验证,标志着国内厂商在4G产品上实现了突破。

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图表6:国内主要PA厂商

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图表7:PA芯片市场格局

3.2 saw/baw滤波器国产替代兴起

3.2.1saw、baw滤波器是手机应用中的主流滤波器

Saw、baw滤波器的性能(插入损耗低、Q值高)远远由于PCB电路滤波器、BST滤波器及MEMS滤波器,是目前手机应用的主流滤波器。

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图表8:saw滤波器与MEMS、BST、PCB滤波器的技术指标对比

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图表9: Saw滤波器与baw滤波器对比

Saw滤波器与baw滤波器处理的频段各有差异,saw滤波器主要面向2.1Ghz以下的应用为主,baw滤波器主要面向2.1Ghz以上的频段为主。

3.2.2射频滤波器是前端模块中增长最快的细分方向

滤波器是射频前端模块增长最快的细分方向,高通预测射频滤波器市场将由现在的50亿美金的市场规模增长至2020年的130亿美金。面对快速增长的滤波器市场机遇,高通与日本滤波器巨头TDK在今年年初组建了合资公司RF 360公司,预计投资超过30亿美金。

另据Mobile Experts预测,到2020年滤波器市场将由2015年的50亿美金增长至2020年的120亿美金。Mobile Experts的预测与高通基本一致,射频滤波器是业界普遍认可的高成长细分行业。

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图表10:射频前端各个细分方向市场空间预测(十亿美金)

3.2.3国外厂商垄断绝大部分市场,国产滤波器已在手机上实现应用

全球来看,saw滤波器的主要供应商是TDK-EPCOS及Murata,两者合计占有60-70%市场份额;baw滤波器的主要供应商是Avago及Qorvo(Triquint),两者占有90%以上市场份额。

例如,iPhone 7配置了2个大的滤波器组及2个滤波器,其中TDK供应了2颗滤波器组及一颗滤波器,而Murata供应了1颗滤波器。

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图表11:SAW滤波器市场格局

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图表12:baw滤波器市场格局

在saw滤波器领域,国内主要厂商包括以中电26所、中电德清华莹为代表的科研院所、无锡好达电子等厂商。国内厂商整体实力较薄弱,科研院所的产品主要面向军用通信终端设备。无锡好达电子的saw滤波器产品在手机中实现了销售,客户包括中兴、宇龙、金立、三星、蓝宝、富士康、魅族等。


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