中國功率放大器行業(yè)類別及功率放大器行業(yè)市場(chǎng)發(fā)展分析[圖]

    手機(jī)中的功率放大器是將小信號(hào)轉(zhuǎn)換成大功率信號(hào)的裝臵，用于驅(qū)動(dòng)特定負(fù)載的天線等。功率放大器于其工作頻率范圍、效率等要求達(dá)的不同會(huì)有不同類型的設(shè)計(jì)。

功率放大器的工作

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功率放大器參數(shù)及作用

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    功率放大器有各種類型，但最常用的是ClassC、ClassB、ClassAB以及CalssA，針對(duì)特殊的設(shè)計(jì)還可以具有開關(guān)模式。為了提高PA的效率和越來越高的通信要求，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展出了Class-E，Class-F、Class-J、Class-G以及Doherty型的濾波器設(shè)計(jì)。

功率放大器的分類

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    5G對(duì)于RFFE中的PA數(shù)量和形式都有非常大的影響。5G制式下的PA要求功率和效率都要求更高，同時(shí)帶寬增加。MIMO的使用帶來了上行鏈路的增加，2x2MIMO上行鏈路的要求下，PA的用量至少會(huì)增加一倍。

2G向5G演變過程中相關(guān)參數(shù)變化

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    在設(shè)計(jì)上，LTE制式下高端型手機(jī)中多采用的包絡(luò)追蹤（ET）技術(shù)來配合PA降低功耗。包絡(luò)追蹤技術(shù)通過追蹤射頻信號(hào)包絡(luò)，即檢測(cè)輸出信號(hào)能量，來不停適配PA的電源，從而優(yōu)化PA效率。但是包絡(luò)追蹤目前的技術(shù)只能支持到60MHz帶寬，在5G載波聚合應(yīng)用后帶寬可以100MHz，此時(shí)包絡(luò)追蹤技術(shù)無法滿足帶寬要求。因此PA需要工作在平均功率跟蹤（APT）固定電壓模式下，來支持寬帶的5G傳輸，同時(shí)PA的效率會(huì)下降。

包絡(luò)追蹤ET技術(shù)

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    5G增加的新波形，例如CP-OFDM和其他信道進(jìn)行載波聚合后，會(huì)有更高峰值平均功率比（PAR），所以在5GPA中需要實(shí)現(xiàn)更大的回退（backoff）。工作在回退模式意味著必須降低PA的最大輸出功率，以便使整個(gè)信號(hào)在PA傳遞曲線的線性區(qū)域范圍內(nèi)。這樣做會(huì)給PA的線性度和效率的折中帶來更大的困難。

PA中的回退技術(shù)

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    5GRFFE還可能需要支持LTE中與5GFR1重合的頻率，對(duì)LTE向下兼容?？紤]到電池壽命，手機(jī)制造商希望盡可能使用ET來保證PA效率，這意味著使用ET進(jìn)行LTE傳輸和采用60MHz帶寬的5G信號(hào)。因此，PA在ET模式下工作時(shí)必須提供高飽和效率，在APT模式下則必須具有高線性效率。在寬帶APT模式和相對(duì)窄帶的ET模式下PA的的工作模式，給RFFE供應(yīng)商帶來很大挑戰(zhàn)。此外，在ET和APT模式之間切換需要復(fù)雜的電源管理。

    毫米波波段的5GNR標(biāo)準(zhǔn)對(duì)天線模塊有低成本要求，包括帶波束成形的相控陣收發(fā)器，天線陣列和電源管理IC的共同繼承。由于典型的片上毫米波CMOS功率放大器（PA）的有損襯底，可能會(huì)導(dǎo)致功率效率較低，還會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的熱問題，使得手機(jī)的電池壽命縮短。因此也需要引入了供電調(diào)制（SM）技術(shù)，例如包絡(luò)跟蹤（ET）和平均功率跟蹤（APT），而不是直接電池連接電源，以提高PA效率。

    手機(jī)里面PA的數(shù)量隨著2G、3G、4G、5G前向兼容而增加，以PA模組為例，4G多模多頻手機(jī)所需的PA芯片增至5-7顆，而在5G時(shí)代StrategyAnalytics預(yù)測(cè)稱手機(jī)內(nèi)的PA或多達(dá)16顆之多。PA直接決定了手機(jī)無線通信的距離、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。

    根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，功率放大器市場(chǎng)預(yù)計(jì)將從2018年的214億美元增長到2023年的306億美元，復(fù)合年增長率達(dá)到7.4%。消費(fèi)類電子產(chǎn)品的日益普及和LTE、5G技術(shù)的會(huì)持續(xù)推動(dòng)功率放大器市場(chǎng)的增長。功率放大器市場(chǎng)的擴(kuò)大也會(huì)使得材料供應(yīng)商、處理器、制造商等收益。

2015-2023年P(guān)A市場(chǎng)在全球范圍內(nèi)及預(yù)測(cè)

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    2G時(shí)代手機(jī)單機(jī)PA芯片成本僅0.3美元/部，3G手機(jī)則提升至約1.25美元/部，而4G時(shí)代則增至2美元～3.25美元/部，高端手機(jī)成本甚至更高，僅iPhone6射頻部分就使用了6顆PA芯片。根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)5G單機(jī)需16顆PA，這意味著5G時(shí)PA在手機(jī)成本中所占比例將成倍增長。

    根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，5G將推動(dòng)RF功率放大器（PA）市場(chǎng)的增長。經(jīng)過過去三年的市場(chǎng)低迷，功率放大器將由于5G手機(jī)和其他蜂窩用戶設(shè)備的需求而增加。PA模組是集成和簡化RF設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。由于新的sub-6GHz波段的加入，上行鏈路載波聚合以及上行鏈路MIMO技術(shù)的應(yīng)用Skyworks、Qorvo、Broadcom、Murata等主要廠商會(huì)承受很大的設(shè)計(jì)、研發(fā)、以及供貨壓力。5G帶來的PA模塊復(fù)雜度的提升，會(huì)加入諸如濾波器、開關(guān)等模塊，隨著市場(chǎng)的增長，這種復(fù)雜PA模塊不會(huì)僅僅存在于旗艦高端智能設(shè)備應(yīng)用中，還將會(huì)逐漸向中低端設(shè)備中滲透。在這樣的壓力下，預(yù)計(jì)全球的PA供應(yīng)商會(huì)進(jìn)一步增加研發(fā)預(yù)算以滿足OEM廠商的需求。

全球PA市場(chǎng)份額統(tǒng)計(jì)

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    高通對(duì)手機(jī)5G射頻前端模組進(jìn)行供貨，最新的QTM525毫米波天線模組集成了天線和射頻前端模塊。新模組在原有的n257（26.5-29.5GHz）頻段，n260（37-40GHz）和n261（27.5-28.35GHz）頻段的基礎(chǔ)上增加了頻段n258（24.25-27.5GHz）對(duì)北美、歐洲和澳大利亞進(jìn)行支持。同時(shí)高通公司還推出了全球首個(gè)5G100MHz包絡(luò)追蹤解決方案QET6100，一系列集成的5G/4G功率放大器（PA）和分集模塊，以及QAT35555G自適應(yīng)天線調(diào)諧解決方案。

    QET6100將包絡(luò)跟蹤技術(shù)擴(kuò)展到100MHz帶寬的上行鏈路以及5GNR所需的256-QAM調(diào)制技術(shù)上，這在以前被認(rèn)為是無法實(shí)現(xiàn)的。與平均功率跟蹤技術(shù)APT相比功率效率加倍，可以延長電池壽命

    Qorvo的PA在5G基站應(yīng)用上可以進(jìn)行供貨，在手機(jī)設(shè)備中目前只提供3G、4G以及LTE制式下的PA。Murata公司也推出了毫米波射頻天線模組，可以支持基站之間的5G通信。Skyworks目前提供的手機(jī)應(yīng)用的PA產(chǎn)品可以針對(duì)GSM/GPRS/EDGE應(yīng)用，LTE、TD-SCDMA、CDMA、WCDMA、以及手機(jī)藍(lán)牙等。

    功率放大器的需求增加，帶動(dòng)了對(duì)“砷化鎵/氮化鎵”化合物半導(dǎo)體的需求。3G、4G時(shí)代，移動(dòng)終端PA主要是砷化鎵器件，根據(jù)Technavio數(shù)據(jù)，2021年砷化鎵器件市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)630億元人民幣。5G通信時(shí)代，氮化鎵因擁有小體積、大功率特性，有望成為最適合PA的材料。根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)2020年GaN射頻市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到41億人民幣。在PA領(lǐng)域，國內(nèi)設(shè)計(jì)公司有近20家，主要包括漢天下、唯捷創(chuàng)芯、紫光展銳等；晶圓代工廠商主要有三安光電、海特高新等。

    相關(guān)報(bào)告：智研咨詢發(fā)布的《2019-2025年中國射頻功率放大器行業(yè)市場(chǎng)分析預(yù)測(cè)及投資方向研究報(bào)告》