射频芯片基础知识科普
2020-11-29
14:00:05
来源: 半导体行业观察
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光大证券——刘凯
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无线通信系统中，一般包含有天线、射频前端、射频收发模块以及基带信号处理器四个部分。随着5G时代的，天线以及射频前端的需求量及价值均快速上升，射频前端是将数字信号向无线射频信号转化的基础部件，也是无线通信系统的核心组件。
按照功能，可将射频前端分为发射端Tx以及接收端Rx。
按照器件不同，射频前端可分为功率放大器PA（发射端射频信号放大）、滤波器filter（发射、接受端信号滤波）、低噪声放大器LNA（接收端信号放大，降低噪声）、开关switch（不同通道切换）、双工器duplexer（信号选择，实现滤波匹配）、调谐器tuner（天线信号通道阻抗匹配）等。
滤波器（Filter），是射频前端中最重要的分立器件，使信号中特定频率成分通过而极大衰减其他频率成分，从而提高信号的抗干扰性及信噪比。目前在手机射频市场中主要采用声学滤波技术。
根据制造工艺的不同，市面上的声学滤波器可分为声表面波滤波器（Surface Acoustic Wave，SAW）和体声波滤波器（Bulk Acoustic Wave，BAW）两大类。其中SAW滤波器制作工艺简单，性价比高，主要应用于GHz以下的低频滤波，而BAW滤波器插损低，性能优秀，可以适用于高频滤波，但工艺复杂，价格较高。
由于工艺复杂度、技术以及成本的限制，目前通信标准下更多射频前端采用SAW滤波器。但随着5G渗透率的提升，BAW滤波器优异的性能和对高频的支持将使其成为手机射频前端的主流器件。
三类常用滤波器（LTCC、SAW、BAW）的工作频率范围
双工器（Diplexer），又称天线共用器，由两组不同频率的带阻滤波器组成。利用高通、低通或带通滤波器的分频功能，使得同一天线或传输线可对两条信号路径进行使用，从而实现同一天线对两种多种不同频率信号的接收和发送。
功率放大器（PA，Power Amplifier）是射频前端的核心部件，利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。
PA主要用于发射链路，通过把发射通道的微弱射频信号放大，使信号成功获得足够高的功率，从而实现更高通信质量、更强电池续航能力、更远通信距离。PA的性能可以直接决定通信信号的稳定性和强弱。
随着半导体材料的不断发展，功率放大器也经历了CMOS、GaAs、GaN三大技术路线。第一代半导体材料是CMOS，技术成熟且产能稳定。第二代半导体材料主要使用GaAs或SiGe，有较高的击穿电压，可用于高功率、高频器件应用。第三代半导体材料GaN在性能上显著强亍GaAs，但成本较高。目前移动端民用市场主要采用GaAs 作为功放，而GaN在部分基站端应用率先实现替代。未来GaN将成为高射频、大功耗应用的主要方案。
低噪声放大器（LNA，Low Noise Amplifier）是噪声系数很小的放大器，功能是把天线接收到的微弱射频信号放大，并尽量减少噪声的引入，LNA能够能有效提高接收机的接收灵敏度， 进而提高收发机的传输距离。因此低噪声放大器的设计是否良好， 关系到整个通信系统的通信质量。
射频开关（Switch）的通过将多路射频信号中的任一路或几路控制逻辑连通，实现不同信号路径的切换，包括接收与发射的切换、不同频段间的切换等，以达到共用天线、共用通道，节省终端产品成本的目的。射频开关主要包括移动通信传导开关、WiFi开关、天线调谐开关等。
天线调谐器（Tuner）是位于连接发射系统与天线的一种阻抗匹配网络，用以实现信号的接收、滤波、放大、增益控制等功能，使得天线在所有应用频率上辐射功率最大。
5G/Sub-6通信标准下，手机端中4x4下行链路MIMO要求每根天线能够高效地支持更宽的频率范围，相应对射频天线tuner的需求数量也会增加，以提高相应频段的辐射效率。
Envelop Tracker (ET)，即包络追踪器，用于提高承载高峰均功率比信号的功放效率，实现自适应功率放大输出。与平均功率跟踪技术相比，包络追踪技术能够让功放的供电电压随输入信号的包络变化，改善射频功率放大器的能效。
RF Reveiver，即射频接收机。射频接收机中，射频信号经天线接收后，通过滤波器、LNA、模数转换器ADC等对信号进行变频解调，最后形成进入基带的基带信号。射频接收机主要分超外差接收机、零中频接收机和近零中频接收机三种。
在过去多年的发展中，射频前端材料也经历了多代的发展。
过去十年来，射频前端市场规模一直维持稳定高速增长，2019年市场规模达到170亿美元，相比2011年的63亿美元增长269%。预计到2025年射频前端市场规模可达250亿美元。
而在射频前端市场集中程度较高，基本为头部四大厂商垄断，2019年所占份额分别为博通（美国，29%）、思佳讯（美国， 28%）、村田（日本， 22%）和科沃（美国， 18%），其他厂商占比仅为约3%。
其中滤波器市场（53%）：
SAW滤波器由村田主导，BAW技术基本为博通和Qorvo所垄断；
功率放大器市场（33%）：
美国三大厂商占据93%的市场份额；
开关及其他组件（10%）：
思佳讯、Qorvo主导其他射频器件市场。
2019年，滤波器全球销售额为95.2亿美元，其中SAW为53.3亿美元，BAW为41.9亿美元，占比从15年的30%提升至19年的41%，未来随着5G渗透率提升有望持续增加。
2019年，滤波器在中国市场的销售额为26.1亿美元，其中SAW为14.6美元，BAW为11.5亿美元。国内滤波器市场由于自给缺口大，且处于4G-5G切换末期，故市场规模出现负增长，相比15年减少2.4亿美元。未来随着国产化率的提升以及5G移动+基站端渗透增加，有望快速反弹。
滤波器行业属于技术、资本密集型，对于设计经验以及专利布局要求极高。手机射频端随着21世纪以来专利竞争以及激烈并购，逐渐形成了以日系、美系厂商分别垄断SAW、BAW市场格局。
Broadcom、Murata凭借多年技术积累以及专利布局作为第一阵营瓜分高端市场；Skyworks、Qorvo、TDK、TaiyoYuden等凭借综合技术以及配套模组作为第二阵营占据中端市场；韩台陆厂作为第三阵营目前以低端市场为主，并努力向中高端市场渗透。
SAW：
以村田、TDK和太阳诱电为首的日系厂商长期深耕SAW市场，其中村田全球SAW份额占比达到47%，并持续推出TC-SAW和IHP-SAW等产品以适应5G需求；
BAW：
博通Avago凭借强劲的技术实力和专利布局垄断87%的BAW滤波市场，思佳讯和Qorvo紧随其后凭借模组化配套生产位居第二梯队。
国内厂商仅有少部分中低端SAW布局，BAW滤波器目前仅有天津诺思等小部分量产。
2019年，全球PA市场规模为56亿美元，预计到2023将将增长至70亿美元。
由于射频器件对设计经验及工艺的要求较高，且PA为结构最复杂的前端核心器件，目前全球市场基本上由美国三大射频巨头所垄断。其中Skyworks占43%，Qorvo占25%，Broadcom占25%，其余厂商份额占比不足10%。
由于5G带来的天线以及滤波器组件的增加，终端内部空间减少，为PA多频段设计带来挑战。模组化趋势为体积减少以及设计流程简化做出贡献，预计2025年PA类模组规模将达到104亿美元，成为射频前端最大细分市场。（详见后续系列报告：射频前端的模组化趋势）
在2G-4G频段，由于CMOS工艺成熟且易于集成，在终端中被广泛使用。但在高频频段，GaAs性价比以及功率特性突出，二代材料成为PA、天线等器件的材料首选；在基站端，由于GaN高频特性较好，三代半导体材料被广泛使用在基站侧，未来发展空间广阔。
随着4G技术普及以及5G标准的推进，智能终端中需要支持频段数量大幅度上升，需要更多开关提升对更多频段信号的接收能力。2011年以来，射频开关switch市场快速增长，2019年市场规模达到19亿美元，并随着5G大规模商用将迎来快速增长，预计2023年市场规模将达到35.6亿美元。
射频开关市场龙头厂商为Skyworks（思佳讯）以及村田，均为综合性射频器件及设计方案提供商，模组化实力强劲。国内射频开关及LNA组件领导者为卓胜微，目前已经开始国产前端模组化布局。
LNA一般用于接收端放大天线信号，并具有抑制噪声的优势。低噪声放大器目前更多作为模组化组件，与射频开关等简单组件集成在LFEM、WIFI FEM以及LNA Bank等模组当中，2019年市场规模达到14.9亿美元，2023年有望达到17.9亿美元（按分立器件计算）
目前国内厂商以卓胜微、紫光展锐在LNA领域结合自身平台以及模组化集成优势，在LNA出货量方面领先行业，但与国际先进厂商差距较大。
射频前端产业由分立器件厂商、模组厂、整机品牌以及平台设计服务商组成。其中上游分立器件头部厂商综合性生产销售能力较强，得以更早进行模组化布局，形成先发优势。
全球射频前端市场集中度较高，前四大厂商Skyworks、Qorvo、Broadcom和Murata占据90%以上的市场份额，并不断通过整合并购，业务综合多样化扩张；
在PA及LNA等功率放大器领域，思佳讯占有接近一半市场，但正被Qorvo迎头赶上；在滤波器方向上，村田独占SAW滤波器47%的市场份额，而博通则寡占87%的滤波器市场。
四大射频巨头中，思佳讯与Qorvo营收主要来自前端模组，产品类型中，而博通及村田业务则涉及各类IC、软件、被动元件和封装等，业务规模庞大，营收均超过百亿美元。
Skyworks：受惠中国市场，大力发展5G、物联网
Skyworks成立于1962 年，总部位于美国马塞诸塞州，致力于开发用于射频和移动通信系统的半导体器件。受益于完善的产品结构、在 IoT及 WiFi 领域的拓展和在苹果手机中的广泛应用，同时也是多家国内手机品牌射频器件供应商，中国区收入占比仅次于美国地区（2019年占比22%）。公司2019财年实现营收33.77亿美元，归母净利润8.60亿美元。
Skyworks 在 SAW 滤波器、射频功率放大器、射频开关等产品上都有完善的产品覆盖，并有较强的芯片集成模组能力。2019年占据全球射频PA 43%的市场份额和射频开关23%的市场份额。
为迎接5G时代带来的挑战，Skyworks打造Sky5® 平台，通过高度集成的发射/接收端解决方案和分集接收模组(DRx)简化了5G架构的开发难度，未来在IoT以及5G市场布局有望加速。
Sky5® Ultra集成解决方案采用DSBG封装减小尺寸，提升TC-SAW和BAW在目标频段的性能，具备领先的传输和接收能力，在为终端带来可靠的网络连接传输同时优化手机电池寿命。Sky5® LiTE前端解决方案面向大众市场，支持高达100 MHz的5G新无线电（NR）波形带宽，可适配所有领先芯片提供商接口。
Qorvo：射频通信“新”军，并购推动业务快速扩张
Qorvo由TriQuint Semiconductor 和RF Micro Devices（RFMD）于2015 年合并成立，总部位于美国北卡罗莱纳州，专注于射频通信及国防产品的生产，合并后拥有天线、PA、滤波器和射频开关的全业务布局。2019年公司实现营收32.29亿美元，归母净利润3.34亿美元。
Qorvo成立后，公司不断进行并购扩大产品线，业务布局基本覆盖射频前端全产业链。其中BAW技术发展迅速，占据全球滤波器8%的市场份额，仅次于Broadcom 。公司在全球射频开关和LNA器市占率高达35%，射频PA市占率也到了达25%。
Qorvo凭借技术优势和模组化布局长期在射频产品领域提供商中占据领导地位。公司通过收购获得GaN、GaAs以及SOI技术应用与天线以及射频PA器件中，并继续收购Cavendish等RF MEMS工艺厂商进一步升级其射频前端器件的生产工艺，通过模组化集成形成全业务先进布局。
公司在2020Q1完成了对 Custom MMIC 和 Decawave 的收购，进一步布局低功耗IoT以及UWB技术，结合此前物联网相关技术的收购，在物联网、5G领域形成更多影响力。
Broadcom：第五大半导体厂商，射频业务实力强劲
Broadcom Limited，2016年由Avago以370亿美元收购博通公司后更名，目前双总部分别位于美国和新加坡，主营业务为半导体业务以及软件业务。2019年实现营收225.97亿美元，归母净利润34.6亿美元，为全球第五大半导体企业，射频业务占比约30%。
Broadcom 提供无线嵌入式解决方案和射频组件产品，包括全套的射频前端产品。公司在射频前端领域的布局较久，在滤波器（BAW）以及前端模组方面的实力雄厚，独占全球 BAW 滤波器市场87%的市场份额。
博通-安华高通过对多家半导体、通信企业的并购布局，不断扩宽业务范围、加深技术护城河。目前公司战略发展方向逐渐向软件调整，但半导体及射频业务仍然广受全球用户认可，贡献超过30%以上的公司营收。
Murata：日系老牌电子器件龙头，专利布局多样全面
Murata（村田）成立于1944年，总部位于日本京都，主要产品为先进电子元器件及多功能通讯模组、功率IC的设计和制造。2014 年 8 月收购 Peregrine 半导体公司，拓展射频前端业务。2019年实现营收141.91亿美元，归母净利润16.93亿美元，其中海外营收占比超过90%，是日本最大的电子元器件制造商。
村田是全球领先的电子元器件提供商，其被动元件、连接器技术及MEMS工艺实力雄厚。在射频方面，公司提供包括滤波器以及射频开关等器件及模组化产品，占据全球 SAW 滤波器市场47%的市场份额。
知识产权以及专利布局是村田重要的发展战略，公司注重新产品和技术的独立开发，在射频产品领域尤其是SAW技术上具有难以超越的优势。2018年，公司在日本拥有8121项专利申请，在全球拥有12474项专利申请，申请数量全球排名29。
公司依托全面专利布局以及优秀的供应链管理能力，向全球各地客户提供各类电子元器件，占据较高市场份额。其中陶瓷电容市占率达到40%，SAW滤波器全球占比50%，电磁屏蔽件EMI全球占比35%。通信连接器模组份额为55%以上，市场份额均为全球第一。
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