搭上5G顺风车 纯CMOS新工艺大展身手

2019-09-16 21:24 来源:未知

射频功率放大器主要用于将收发器输出的射频信号放大,是射频前端器件中的重要组成部分,也直接影响到设备的通信质量、信号接收能力、电池续航能力等重要指标。以手机市场为例,根据市场研究机构Strategy Analytics的调查报告指出,2013年全球手机射频前端的市场规模约为270亿美元,至2018年,预计这一数据有望扩大至450亿美元以上,其原因主要是由于市场对基带、功率放大器以及相关射频前端元件需求量的快速增长。特别是伴随着无线通信技术进入到4G,甚至5G阶段,高速增长的数据流量使得调制解调的难度不断上升,为了支持高速LTE载波聚合、传送分集以及多重输入多重输出的应用需求,使得功率放大器、分集接收模块、天线调谐器等具有相当强劲的增长态势。

手机芯片的天花板很高,

整合型方案大行其道

大陆公司骨头都抢不到

最近两年,RF射频行业整合化的趋势越来越明显。随着4G LTE通信市场的快速成长,载波聚合、多频段、繁多的射频器件,以及严格的系统指标等为产品设计带来了严峻的挑战,加上消费电子特别是可穿戴设备市场对于价格的敏感度,都促使集成度更高、性能更好的产品方案成为了现今行业开发的大势所趋,围绕这一目标,近期业内企业之间的整合与并购活动日益频繁。

一张图感受下当前中国核心集成电路的国产芯片占有率,从下图可以看到只有唯数不多的几个核心集成电路领域中国有些许的占有率,其中工业应用的MCU占据2%;移动通信终端的应用处理器和通信处理器分别占18%和22%,NPU占15%;半导体存储器NOR Flash和图像处理均占5%;高清电视显示处理器占据5%。其他的基本占有率都是0%,满屏的0%昭示着国产芯片占有率极低!

2015年初,射频行业的两家领导厂商RFMD和TriQuint宣布完成对等合并行为,并以全新名称“Qorvo”亮相业界,象征着两家公司携手并肩,共同开启新的航程,以整合型解决方案带往全球市场。RFMD在PA功率放大器和开关、TriQuint在滤波器和整合方案的开发上各具优势,新公司将集两家所长,把原来适用于单个频段的器件延伸到可以覆盖一个宽频段的范围之内;同时,滤波器跟功率放大器的整合也可以更好地帮助客户节省频段、做到最小的尺寸,以适应市场多频多模的发展需求。

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Qorvo亚太区高级总监熊挺表示,Qorvo未来的发展目标是要在RF领域做大、做强,公司计划先以顶尖技术投入到国防/航天领域,然后再引入到高性能的通信基础设施产品中,通过以上两个市场的技术积累,最终将成熟的技术方推向移动设备市场,借助这样一个循环链条,Qorvo既可以保证技术的延续性,也可保证产品的稳定性。另外,小基站市场的成长也尤为可期,熊挺介绍道:“今年小基站的出货量明显增长,相信未来几年的增长会更加显着,在这一领域,以体声波和温度补偿声表面波滤波器为代表的高级滤波器、GaN/GaAs放大器等都有大量的用武之地。”

中国核心集成电路的国产芯片占有率 据WINO数据表示,自2009年到2013年手机销售额迎来了爆炸式增长,手机销售额年复合增长率高达56%,这期间主要是功能机向智能机切换,3G/4G的渗透率急速上升。而2013年以后到2017年随着4G手机需求的大增,4G的渗透率达到70%以上,这期间的手机销售额年复合增长率在13%左右,处于快速增长的阶段。2017年以后到2020年4G手机步入成熟期,平均售价提高的情况下,全球智能手机销售额年复合增长率3%左右,处于平稳增长的状态。 2014年全球智能手机品牌出货量还是三星和苹果占据主要领军位置,但这几年国产品牌华为、小米、OPPO渐渐了分得了一杯羹。尤其是华为和OPPO增长飞速,2014年华为出货量仅占5.67%,到2017年已经占到10.4%;OPPO更是由2014年的1.08%增加到了7.59%。 杨清华教授补充到“虽然说智能手机的技术门槛还是这么高,但是在芯片层面离我们依然很遥远。从千元机和旗舰机上各类芯片价值来看,目前各类手机PCBA主板上最贵的器件就是主芯片,存储器和射频前端器件。其中射频前段器件主要包括射频功放、低噪放、开关和滤波器等。但在某些旗舰手机上射频旗舰的价格甚至会超过存储器、主芯片的价格。

而在5月,Avago与博通公司宣布双方达成一项最终协议——Avago将以总价高达370亿美元的现金与股票价值收购博通,这项交易使得Avago成为一家拥有强大有线与无线通信产品组合的业界“巨人”,也对目前这一市场的格局带来一定的冲击。

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有专业人士分析道,对于Avago来说,最大的好处就在于取得了博通的无线芯片产品组合,博通是Wi-Fi、蓝牙与NFC领域的领导厂商之一,同时还主导着SoC架构的开发。借助此次的企业联合,使得Avago有望为其客户以及涉及物联网领域的厂商提供包括通信、射频、功率放大器与薄膜体声波谐振器/低噪声PA滤波器等在内的整合型产品组合(即将RF、PA以及其它非基带通信产品集成于单一封装内),从而在日益激烈的市场竞争中获得更高的市场占有率。

手机各类芯片价值占比图

再从全球手机基带厂商出货量来看,2017年高通出货量高达8.23亿,占全球33.2%的比重;联发科出货量6.94亿,占据28%;展锐出货量6.7亿,占27%左右;而这三家主要是4G的基带产量占大部分。留给其他厂商的出货量只有2.92亿美元,市占率仅11.8%。其中Rreescale,TI,Broadcom,Marvell,NVIDIA,STE等先后退出市场。这反映出一个很可怕的现状:美国公司在吃肉,台湾公司在喝汤,大陆公司骨头都快啃不着了。”

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射频前端类产品渐渐登上历史性舞台

所有无线通信都需要手机终端中的WI-FI、GPS、Bluetooth等,射频前端芯片包括射频开关、射频低噪声放大器、射频功率放大器、双工器、射频滤波器等芯片。射频开关用于实现射频信号接收与发射的切换、不同频段间的切换;射频低噪声放大器用于实现接收通道的射频信号放大;射频功率放大器用于实现发射通道的射频信号放大;射频滤波器用于保留特定频段内的信号,而将特定频段外的信号滤除;双工器用于将发射和接收信号的隔离,保证接收和发射在共用同一天线的情况下能正常工作。

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智能手机通信系统结构示意图

近年来,随着移动终端功能的逐渐完善,手机、平板电脑等移动终端的出货量持续上升。射频前端的频段数目和价值也在急剧增加,在过去的十年间,通信行业经历了从2G(GSM/CDMA/Edge)到3G(WCDMA/CDMA2000/TD-SCDMA),再到4G(FDD-LTE/TD-LTE)两次重大产业升级。2G手机频段数是4,总价值是$0.8;3G手机是6,总价值$3.25;4G千元机频段数是8-20,总价值$8-10;4G旗舰机频段数在17-30左右,总价值$16-20;到了5G 手机达到50的频段数,总价值达$25-40。

根据Yole development数据得出,射频前端各个组件市场情况,可以总结为以下三点:滤波器市场显著增加,功放和低噪放稳定增长,射频开关类产品需求多样化发展。在射频前端市场中最大的业务模块是滤波器,从2016年到2022年滤波器的年复合增占率21%,将从52亿美元增长至163亿美元,这主要的市场驱动力来自于新型天线对额外滤波的需求以及载波聚合对更多的体声波滤波器的需求;功放和低噪放的年复合增占率1%,从38亿美元增长至41亿美元,高端LTE功放市场的增长将被2G和3G市场的萎缩所平衡,由于新型天线的出现和增长,低噪放市场将稳步前行;射频开关的年复合增占率12%,从10亿美元增长至20亿美元,其市场驱动力来自于天线开关业务的增长;天线调谐器年复合增占率40%,从0.36亿美元增长至2.72亿美元,市场驱动力来自调谐功能被添加到主天线和分集天线中。

杨清华教授谈到:“我们都知道滤波器是实现频段过滤的专用器件,它可以使信号中特定的频率成分通过,而极大地衰减或抑制其它频率成分;目前手机是该系统产品的最大应用市场。”在手机等无线通信领域,由于设备尺寸较小、功率较低,目前主要有2种类型的滤波器在使用,分别为声表面波滤波器和体声波滤波器,顾名思义,SAW滤波器是通过声波表面传播,BAW滤波器是通过声波体内垂直传播。目前国内没有规模量产的声表面波和体声波滤波器厂家,而国外产品的进口替代潜力大,市场规模大、利润空间高。

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声表面波滤波器和体声波滤波器

声表面波滤波器和体声波滤波器的区别是什么?

SAW滤波器:在2G、3G时代占据滤波器市场的主导地位;但SAW滤波器性能不足,在滤波频率高于2GHz时,不能满足苛刻频段的要求。

BAW滤波器:本身具有性能优势,而且BAW滤波器的尺寸还随频率升高而缩小,在高于2GHz时成本很低,这使它适合要求非常苛刻的4G、4G+应用(包括载波聚合,VoLTE)及未来应用更高频率的5G应用。

滤波器产品市场需求急剧变大,手机频段碎片化、载波聚合等频谱复杂化的发展导致了对滤波器数量要求剧增,据IDC公布2016年全球智能手机总销量近15亿部,到2020年将达20亿部,年复合增长率达到7.2%。滤波器数量随手机支持频段的增加而同步增加;2012年全球3G标准协会提出的LTE-R11版本中,蜂窝通讯系统需要支持的频段增加到41个。到2020年全球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。

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