摘要:电信通讯技术发展到 5G 世代,频率升高,频宽增加已经是个趋势,这促使射频重要性不断提升,且单颗射频芯片的价格也持续增加。根据 Skyworks 资料显示,4G 高阶旗舰机型每颗射频价格为 28 美元,5G 旗舰机型则增加至 40 美元。

5G射频前端发展有这3大趋势,射频氮化镓正走向主流-芯智讯

电信通讯技术发展到 5G 世代,频率升高,频宽增加已经是个趋势,这促使射频重要性不断提升,且单颗射频芯片的价格也持续增加。根据 Skyworks 资料显示,4G 高阶旗舰机型每颗射频价格为 28 美元,5G 旗舰机型则增加至 40 美元。

另一方面,5G 基地台采用 Massive MIMO 技术,同时也需要大量小型基地台做补强,使得基地台数量和单颗基地台射频呈现双升。

根据 Yole 预估,2018 年~2025 年全球射频前端的市场规模将由 150 亿美元成长至 258 亿美元,年复合成长率高达 8%,其中,涨幅最大的部份是射频前端 Tuner 零件,市场规模将从 2018 年的 5 亿美元上升到 2025 年的 12 亿美元,年复合成长率达 13%。

全球射频前端市场集中度高,主要由日美大厂垄断,前四大厂商占据全球 85% 的市占率,分别为 Skyworks 的 24%、Qorvo 的 21%、Avago(博通) 的 20%,及村田的 20%。

在 5G 初期发展阶段,中、日、韩、欧选择 Sub 6GHz 方案,美国则是从 mmWave(毫米波) 转向 Sub 6GHz 方案。因为 mmWave 技术尚未成熟,零组件成本高,即使高通推出的下一代 5G 解决方案能够兼容,但是技术尚不成熟通讯质量不够稳定,另一方面毫米波基础建设成本高,若无法完全覆盖,则无法达到 5G 理想境界,这是世界各国暂先发展 Sub 6GHz 的主因之一。

射频趋势一:模块化

首先就是模块化。射频前端模块化是产业发展趋势,苹果等一线旗舰机型使用大量模块化射频零组件。射频前端各类零件独立制作相对容易,一旦要整合成单一芯片,厂商就要具备强大的射频设计能力。

而射频模块化将带来不少优势,如解决多频段带来的射频复杂性挑战,提供全球载波聚合模块化平台,缩小 RF 元件体积,加速手机产品上市时间等。
特别的是,mmWave 模块化是采取 AiP 模块方案,使射频前端模块整合天线及射频前端功能。AiP 是利用封装材料与工艺将天线与芯片整合封装,实现系统级无线功能的技术,具备缩短路径损耗、性价比高、符合小型化趋势等优点。从 AiP 产业链结构来看,主要的模块设计方案厂商是高通、三星,主要制造和封测厂商则有台积电、日月光等。

目前模块化在高阶旗舰机种较常见,中、低阶手机大多独立制作,只有少部份零件有做整合,不过随着成本下滑,射频模块化也会开始向中、低阶手机渗透。

射频趋势二:PA 材料改采氮化镓 (GaN)

第二个趋势则是 PA 材料改采氮化镓 (GaN)。目前射频 PA 材料可以分为 CMOS、GaAs、GaN。以 CMOS 制成的 PA 早于 2000 年就已经出现,在 2G 时代进入手机市场,目前大多数电子产品中的零件都是基于硅的标准 CMOS 工艺制作,技术成熟且产能稳定,但已无法因应现今通讯传输需求。

而 GaAs 材料可适用于超高速、超高频电子零组件,比硅零件更适合应用在高 功率的场合。目前行动通讯 3G/4G 主要采用 GaAs 材料制作 PA,与第三代半导体材料 GaN 相比,GaAs 技术成熟稳定可靠,仍是民用商业市场主流。

但做为第三代半导体原料 GaN 则能实现更高的电压,减少损耗,可提升效率,进一步缩减芯片尺寸,现阶段最大劣势只是成本过高。因此在军用,及大型基地台 GaN 已经是主流。随着技术演进加速,未来 GaN 将有机会渗透至手机市场,成为高射频、大功耗应用的主流方案。

射频趋势三:滤波器将从金属腔体朝陶瓷介质转变

第三个趋势则是滤波器将从金属腔体朝陶瓷介质转变。基地站的滤波器在 2G、3G 和 4G 时代的主流由金属腔体滤波器为主。金属腔体滤波器由金属整体切割而成,因此结构牢固,但缺点就是体积大,损耗高。

但进入 5G 世代为因应越来越复杂的无线干扰环境,金属腔体已受到限制,而陶瓷介质滤波器应运而生。陶瓷材料损耗更低、介电常数更高、频率温度系数和热膨胀系数更小,所以可以承受更高功率。就结果而论,陶瓷介质滤波器体积小,损耗小,现阶段最大缺点就是成本高。但随着新建 5G 基地台数量增加,3G/4G 基地台数量趋于饱和,金属腔体滤波器比重将减少,陶瓷介质滤波器渗透可望加速。

随着 2G 到 5G,频段数量大幅增加,技术的演变带给 PA 和滤波器产业全新的挑战。为了适应 5G 的需求,射频前端朝模块化迈进,而目前具备这技术实力的仍以日、美大厂 Skyworks、Qorvo、Avago、村田等为主,这个趋势短期时间内难以改变。而环绕在这些大厂的相关企业则是可望在这波 5G 射频发展浪潮中先行受惠。

文稿来源:钜亨网,江泰杰