樊志遠(yuǎn) 張純 魯洋洋

關(guān)鍵詞：PA;基站;5G;細(xì)分行業(yè)龍頭

1 綜述?

功率放大器（PA）是一部手機(jī)關(guān)鍵的器件之一，它直接決定了手機(jī)無(wú)線通信的距離、信號(hào)質(zhì)量，甚至待機(jī)時(shí)間，是整個(gè)射頻系統(tǒng)中除基帶外最重要的部分。手機(jī)里面PA的數(shù)量隨著2G、3G、4G、5G逐漸增加。以PA模組為例，4G多模多頻手機(jī)所需的PA芯片為5～7顆，預(yù)測(cè)5G手機(jī)內(nèi)的PA芯片將達(dá)到16顆之多，價(jià)值量超過(guò)7.5美元。5G智能終端射頻前端SIP將是大勢(shì)所趨，MEMS預(yù)測(cè)，到2023年，用于蜂窩和連接的射頻前端SiP市場(chǎng)將分別占SiP市場(chǎng)總量的82%和18%。按蜂窩通信標(biāo)準(zhǔn)，支持5G（sub-6GHz和毫米波）的前端模組將占到2023年RF SiP市場(chǎng)總量的28%。高端智能手機(jī)將貢獻(xiàn)射頻前端模組SiP組裝市場(chǎng)的43%，其次是低端智能手機(jī)（35%）和奢華智能手機(jī)（13%）。

4G基站采用4T4R方案，按照3個(gè)扇區(qū)計(jì)算，對(duì)應(yīng)的射頻PA需求量為12個(gè)。預(yù)計(jì)未來(lái)64T64R將成為5G基站主流方案，對(duì)應(yīng)的PA需求量則高達(dá)192個(gè)，PA數(shù)量將大幅增長(zhǎng)。5G基站GaN射頻PA將成為主流技術(shù)，逐漸侵占LDMOS的市場(chǎng)，GaAs器件份額變化不大。GaN能較好地適用于大規(guī)模MIMO。預(yù)計(jì)到2022年，4G/5G基礎(chǔ)設(shè)施用RF半導(dǎo)體的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到16億美元，其中，MIMO PA年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到135%，射頻前端模塊的年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到119%。

我們認(rèn)為，隨著5G進(jìn)程的加快，5G基站、智能移動(dòng)終端及IOT終端射頻PA將迎來(lái)發(fā)展良機(jī)，使用量大幅增加，看好細(xì)分行業(yè)龍頭，推薦：CREE、Skyworks、穩(wěn)懋、三安光電、環(huán)旭電子，建議關(guān)注：海特高新（海威華芯）、旋極信息（擬收購(gòu)安譜?。?。

2 5G智能移動(dòng)終端，射頻PA的大機(jī)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(fā)射通路的主要器件，主要是為了將調(diào)制振蕩電路所產(chǎn)生的小功率射頻信號(hào)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(shí)現(xiàn)發(fā)射通道的射頻信號(hào)放大。

射頻前端模塊是移動(dòng)終端通信系統(tǒng)的核心組件，對(duì)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(fā)器（transceiver）和天線的必經(jīng)之路;二是重要性，它的性能直接決定了移動(dòng)終端可以支持的通信模式，以及接收信號(hào)強(qiáng)度、通話穩(wěn)定性、發(fā)射功率等重要性能指標(biāo)，直接影響終端用戶體驗(yàn)。

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

手機(jī)和WiFi連接的射頻前端市場(chǎng)預(yù)計(jì)在2023年達(dá)到352億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為14%（圖1）。

射頻前端產(chǎn)業(yè)中最大的市場(chǎng)為濾波器，將從2017年的80億美元增長(zhǎng)到2023年225億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率高達(dá)19%。該增長(zhǎng)主要來(lái)自于BAW濾波器的滲透率顯著增加，典型應(yīng)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(chǎng)增長(zhǎng)相對(duì)穩(wěn)健，復(fù)合年增長(zhǎng)率為7%，將從2017年的50億美元增長(zhǎng)到2023年的70億美元（圖2）。高端LTE功率放大器市場(chǎng)的增長(zhǎng)，尤其是高頻和超高頻，將彌補(bǔ)2G/3G市場(chǎng)的萎縮。

砷化鎵器件應(yīng)用于消費(fèi)電子射頻功放，是3G/4G通訊應(yīng)用的主力，物聯(lián)網(wǎng)將是其未來(lái)應(yīng)用的藍(lán)海;氮化鎵器件則以高性能特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于基站、雷達(dá)、電子戰(zhàn)等軍工領(lǐng)域，利潤(rùn)率高且戰(zhàn)略位置顯著，由于更加適用于5G，氮化鎵有望在5G市場(chǎng)迎來(lái)爆發(fā)。

2.2 5G推動(dòng)手機(jī)射頻PA量?jī)r(jià)齊升?

射頻前端與智能終端一同進(jìn)化，4G時(shí)代，智能手機(jī)一般采取1發(fā)射2接收架構(gòu)。由于5G新增了頻段（n41 2.6GHz，n77 3.5GHz和n79 4.8GHz），因此5G手機(jī)的射頻前端將有新的變化，同時(shí)考慮到5G手機(jī)將繼續(xù)兼容4G、3G、2G標(biāo)準(zhǔn)，因此5G手機(jī)射頻前端將異常復(fù)雜。預(yù)測(cè)5G時(shí)代，智能手機(jī)將采用2發(fā)射4接收方案。

圖1 2017—2023 年射頻前端模組市場(chǎng)資料來(lái)源：MEMS、國(guó)金證券研究所，下同。

圖2 2017—2023 年射頻前端PA 市場(chǎng)規(guī)模

Qorvo指出，5G將給天線數(shù)量、射頻前端模塊價(jià)值量帶來(lái)翻倍增長(zhǎng)。以5G手機(jī)為例，單部手機(jī)的射頻半導(dǎo)體用量達(dá)到25美元，相比4G手機(jī)近乎翻倍增長(zhǎng)。其中濾波器從40個(gè)增加至70個(gè)，頻帶從15個(gè)增加至30個(gè)，接收機(jī)發(fā)射機(jī)濾波器從30個(gè)增加至75個(gè)，射頻開關(guān)從10個(gè)增加至30個(gè)，載波聚合從5個(gè)增加至200個(gè)。

5G手機(jī)功率放大器（PA）用量翻倍增長(zhǎng)。PA是一部手機(jī)的關(guān)鍵器件之一，它直接決定了手機(jī)無(wú)線通信的距離、信號(hào)質(zhì)量，甚至待機(jī)時(shí)間，是整個(gè)射頻系統(tǒng)中除基帶外最重要的部分。手機(jī)里面PA的數(shù)量隨著2G、3G、4G、5G逐漸增加。以PA模組為例，4G多模多頻手機(jī)所需的PA芯片為5～7顆，預(yù)測(cè)5G手機(jī)內(nèi)的PA芯片將達(dá)到16顆之多（圖3）。

5G手機(jī)功率放大器（PA）單機(jī)價(jià)值量有望達(dá)到7.5美元：同時(shí)，PA的單價(jià)也有顯著提高，2G手機(jī)用PA平均單價(jià)為0.3美金，3G手機(jī)用PA上升到1.25美金，而全模4G手機(jī)PA的消耗則高達(dá)3.25美金，預(yù)計(jì)5G手機(jī)PA價(jià)值量達(dá)到7.5美元以上（圖4）。

載波聚合與Massivie MIMO對(duì)PA的要求大幅增加。一般情況下，2G只需非常簡(jiǎn)單的發(fā)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(shè)計(jì)來(lái)滿足線性化的要求。

5G無(wú)線通信前端將用到幾十個(gè)甚至上百個(gè)通道，要求網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或者器件供應(yīng)商能夠提供全集成化的解決方案，這大大增加產(chǎn)品設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，無(wú)論對(duì)器件解決方案還是設(shè)備解決方案提供商都提出了很大技術(shù)挑戰(zhàn)。

3 5G基站PA數(shù)倍增長(zhǎng)，GaN大有可為?

3.1 5G基站射頻PA需求大幅增長(zhǎng)?

3.1.1 5G基站PA數(shù)量有望增長(zhǎng)16倍

4G基站采用4T4R方案，按照3個(gè)扇區(qū)，對(duì)應(yīng)的PA需求量為12個(gè)，5G基站，預(yù)計(jì)64T64R將成為主流方案，對(duì)應(yīng)的PA需求量高達(dá)192個(gè)，PA數(shù)量將大幅增長(zhǎng)。

3.1.2 5G基站射頻PA有望量?jī)r(jià)齊升

目前基站用功率放大器主要為基于硅的橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體LDMOS技術(shù)，不過(guò)LDMOS技術(shù)僅適用于低頻段，在高頻應(yīng)用領(lǐng)域存在局限性。對(duì)于5G基站PA的一些要求可能包括3～6GHz和24～40GHz的運(yùn)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(dǎo)技術(shù)，而GaN價(jià)格高于LDMOS和GaAs。

3.1.3 GaN具有優(yōu)異的高功率密度和高頻特性

圖3 5G 手機(jī)單機(jī)使用PA 數(shù)量預(yù)測(cè)來(lái)源：Strategy Analytics、國(guó)金證券研究所，下同。

圖4 5G 手機(jī)單機(jī)使用PA 價(jià)值量預(yù)測(cè)

提高功率放大器RF功率最簡(jiǎn)單的方式就是增加電壓，這讓氮化鎵晶體管技術(shù)極具吸引力。如果我們對(duì)比不同半導(dǎo)體工藝技術(shù)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)功率通常會(huì)如何隨著高工作電壓IC技術(shù)而提高。硅鍺（SiGe）技術(shù)采用相對(duì)較低的工作電壓（2～3V），但其集成優(yōu)勢(shì)非常有吸引力。GaAs擁有微波頻率和5～7V的工作電壓，多年來(lái)一直廣泛應(yīng)用于功率放大器。硅基LDMOS技術(shù)的工作電壓為28V，已經(jīng)在電信領(lǐng)域使用了許多年，但其主要在4GHz以下頻率發(fā)揮作用，因此在寬帶應(yīng)用中的使用并不廣泛。新興GaN技術(shù)的工作電壓為28～50V，優(yōu)勢(shì)在于更高功率密度及更高截止頻率（Cutoff Frequency，輸出訊號(hào)功率超出或低于傳導(dǎo)頻率時(shí)輸出訊號(hào)功率的頻率），擁有低損耗、高熱傳導(dǎo)基板，開啟了一系列全新的可能應(yīng)用，尤其在5G多輸入輸出（Massive MIMO）應(yīng)用中，可實(shí)現(xiàn)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(shù)?

預(yù)測(cè)未來(lái)大部分6GHz以下宏網(wǎng)絡(luò)單元應(yīng)用都將采用GaN器件，小基站GaAs優(yōu)勢(shì)更明顯。就電信市場(chǎng)而言，得益于5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的日益臨近，將從2019年開始為GaN器件帶來(lái)巨大的市場(chǎng)機(jī)遇。相比現(xiàn)有的硅LDMOS（橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)）和GaAs（砷化鎵）解決方案，GaN器件能夠提供下一代高頻電信網(wǎng)絡(luò)所需要的功率和效能。而且，GaN的寬帶性能也是實(shí)現(xiàn)多頻帶載波聚合等重要新技術(shù)的關(guān)鍵因素之一。GaN HEMT（高電子遷移率場(chǎng)效晶體管）已經(jīng)成為未來(lái)宏基站功率放大器的候選技術(shù)。由于LDMOS無(wú)法再支持更高的頻率，GaAs也不再是高功率應(yīng)用的最優(yōu)方案，預(yù)計(jì)未來(lái)大部分6GHz以下宏網(wǎng)絡(luò)單元應(yīng)用都將采用GaN器件。5G網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)建設(shè)中扮演重要角色。不過(guò)，由于小基站不需要如此高的功率，GaAs等現(xiàn)有技術(shù)仍有其優(yōu)勢(shì)。與此同時(shí)，由于更高的頻率降低了每個(gè)基站的覆蓋率，因此需要應(yīng)用更多的晶體管，預(yù)計(jì)市場(chǎng)出貨量增長(zhǎng)速度將加快。

預(yù)計(jì)到2025年，GaN將主導(dǎo)RF功率器件市場(chǎng)，搶占基于硅LDMOS技術(shù)的基站PA市場(chǎng)。根據(jù)yole的數(shù)據(jù)，2014年基站RF功率器件市場(chǎng)規(guī)模為11億美元，其中GaN占比11%，而橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)（LDMOS）占比88%。2017年，GaN市場(chǎng)份額預(yù)估增長(zhǎng)到了25%，并且預(yù)計(jì)將繼續(xù)保持增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)到2025年GaN將主導(dǎo)RF功率器件市場(chǎng)，搶占基于硅LDMOS技術(shù)的基站PA市場(chǎng)。

GaN芯片每年在功率密度和封裝方面都會(huì)取得飛躍，能比較好地適用于大規(guī)模MIMO技術(shù)。當(dāng)前的基站技術(shù)涉及具有多達(dá)8個(gè)天線的MIMO配置，以通過(guò)簡(jiǎn)單的波束形成算法來(lái)控制信號(hào)，但是大規(guī)模MIMO可能需要利用數(shù)百個(gè)天線來(lái)實(shí)現(xiàn)5G所需要的數(shù)據(jù)速率和頻譜效率。 大規(guī)模MIMO中使用的耗電量大的有源電子掃描陣列（AESA），需要單獨(dú)的PA來(lái)驅(qū)動(dòng)每個(gè)天線元件，這將帶來(lái)顯著的尺寸、重量、功率密度和成本（SWaP-C）挑戰(zhàn)。這將始終涉及能夠滿足64個(gè)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(gè)發(fā)射/接收（T/R）模塊上偏差最小的射頻PA。

MIMO PA年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到135%。預(yù)計(jì)2022年，4G/ 5G基礎(chǔ)設(shè)施用RF半導(dǎo)體的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到16億美元，其中，MIMO PA年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到135%，射頻前端模塊的年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到119%。

預(yù)計(jì)未來(lái)5～10年，GaN將成為3W及以上RF功率應(yīng)用的主流技術(shù)。根據(jù)Yole預(yù)測(cè)，2017年，全球GaN射頻市場(chǎng)規(guī)模約為3.84億美元，在3W以上（不含手機(jī)PA）的RF射頻市場(chǎng)的滲透率超過(guò)20%。GaN在基站、雷達(dá)和航空應(yīng)用中，正逐步取代LDMOS。隨著數(shù)據(jù)通信、更高運(yùn)行頻率和帶寬的要求日益增長(zhǎng)，GaN在基站和無(wú)線回程中的應(yīng)用持續(xù)攀升。在未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，針對(duì)載波聚合和大規(guī)模輸入輸出（MIMO）等新技術(shù)，GaN將憑借其高效率和高寬帶性能，相比現(xiàn)有的LDMOS處于更有利的位置。未來(lái)5～10年，預(yù)計(jì)GaN將逐步取代LDMOS，并逐漸成為3W及以上RF功率應(yīng)用的主流技術(shù)。而GaAs將憑借其得到市場(chǎng)驗(yàn)證的可靠性和性價(jià)比，將確保其穩(wěn)定的市場(chǎng)份額。LDMOS的市場(chǎng)份額則會(huì)逐步下降，預(yù)測(cè)期內(nèi)將降至整體市場(chǎng)規(guī)模的15%左右。

到2023 年，GaN RF器件市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到13億美元，約占3W以上的RF功率市場(chǎng)的45%（圖5）。截至2018年底，整個(gè)RF GaN市場(chǎng)規(guī)模接近4.85億美元。未來(lái)大多數(shù)低于6GHz的宏網(wǎng)絡(luò)單元實(shí)施將使用GaN器件，無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用占比將進(jìn)一步提高至近43%（圖6）。

4 看好細(xì)分行業(yè)龍頭?

圖5 2023 年全球GaN 市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)來(lái)源：yole、國(guó)金證券研究所，下同。

圖6 GaN 在通信領(lǐng)域占比不斷提升

當(dāng)前射頻前端市場(chǎng)產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)非常成熟，歐美IDM大廠技術(shù)領(lǐng)先，規(guī)模優(yōu)勢(shì)明顯。5G將重新定義射頻前端如何在網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器之間“交互”。實(shí)際上，新的射頻頻段，6GHz以下頻段（Sub-6 GHz）和毫米波，對(duì)該行業(yè)產(chǎn)生了巨大挑戰(zhàn)，并有機(jī)會(huì)破壞市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局。除6 GHz以下頻段，毫米波頻段將完全“破壞”射頻前端產(chǎn)業(yè)，代表一種完全不同的技術(shù)思維，可以為高速傳輸數(shù)據(jù)創(chuàng)造新的途徑。雖然Qualcomm是明確的毫米波技術(shù)新進(jìn)入者，但還有英特爾（Intel）、三星（Samsung）、海思（HiSilicon）、聯(lián)發(fā)科（Mediatek）等企業(yè)也在探索這一新商機(jī)。

產(chǎn)業(yè)鏈重點(diǎn)受益公司：一是基站射頻PA，如Qorvo、CREE、穩(wěn)懋、旋極信息（擬收購(gòu)安譜?。?、三安光電、海特高新（海威華芯）等;二是移動(dòng)終端及IOT射頻PA：Skyworks、Qorvo、高通、臺(tái)灣穩(wěn)懋、三安光電、環(huán)旭電子、卓勝微電子、信維通信。

我們認(rèn)為，隨著5G進(jìn)程的加快，5G基站、智能移動(dòng)終端及IOT終端射頻PA將迎來(lái)發(fā)展良機(jī)，使用量大幅增加，看好細(xì)分行業(yè)龍頭，推薦：CREE 、Skyworks、穩(wěn)懋、三安光電、環(huán)旭電子，建議關(guān)注：海特高新（海威華芯）、旋極信息（擬收購(gòu)安譜?。?h3>5 風(fēng)險(xiǎn)提示

智能手機(jī)及基站射頻PA被國(guó)際巨頭壟斷，技術(shù)難度較大，國(guó)內(nèi)進(jìn)展緩慢，合格率較低，成本居高不下，射頻PA需要持續(xù)性投入。