5G时代射频芯片究竟有多重要? |
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从 2020 到 2021 年将是 5G 大规模商用的时间。目前主流的 5G 芯片玩家,包括高通、海思、英特尔都是采用 4G LTE 外挂 5G-NR 模块的方式来做 5G 测试。预计到 2019 年会出现真正的 5G 手机商用。
频谱是 5G 的血液,5G 频段的确定意味着全国范围的大规模 5G 试验即将展开, 5G 赛道正式铺开。
中国电信和中国联通获得的 3.5GHz 频段是全球公认的 5G 热门频段,且韩国、日本、英国等多国运营商已确定采用该频段建设 5G,前期已基于 3.5G 频段进行了大量测试,所以不必担心产业链是否成熟的问题。
中国移动采用的 n41 频段属于 4G 重耕,n79 则是新增加的频段。美国的运营商 Sprint 也确定用 n41 频段部署 5G。
针对中国运营商,包括 n41、n77、n78、n79 在内的所有 5G 频段,目前完全覆盖的射频器件厂商并不多, Qorvo 就是其中一家。
在 12 月 6 日举行的中移动全球合作伙伴大会期间,笔者就跟 Qorvo 亚太区移动产品事业部高级战略市场经理陶镇(Lawrence Tao)进行了一段长达两小时的交流。陶镇认为:在 5G 时代,射频器件的重要程度可能大大超过 4G 时代。射频器件的重要程度将不亚于手机主芯片。
据了解,手机中 RF 器件的成本越来越高,一个 4G 全网通手机,前端 RF 套片的成本已达到 8-10 美元,含有 10 颗以上射频芯片,包括 2-3 颗 PA、2-4 颗开关、6-10 颗滤波器。未来随着 5G 到来,RF 套片的成本很可能会超过手机主芯片。而物联网的爆发,更是会对射频器件的需求推波助澜。
▲Qorvo 亚太区移动产品事业部高级战略市场经理陶镇
从 4G 到 5G,增加了哪些射频器件? 从 4G 到 5G,给普通消费者最大的感受变化就是速度一下子加快了,而通信速率的变化主要取决于带宽。相比 4G 单载波最高 20Mhz 的带宽,5G 带宽在 6Ghz 以内单载波最高可以做到 100Mhz,毫米波最高可以做到 400Mhz 带宽。
那么如何拓展带宽呢?其实 4G 理论的做法是 MIMO 多载波聚合的方式。比如 LTE 单载波是 20Mhz 的话,上行最多可以做到 3 载波聚合,也就等于 60Mhz 带宽。到了 5G 单载波就可以做到 100Mhz,5G 基站一般采用 64 TRX Massive MIMO 天线,5G 手机至少需要支持 4×4 的下行 MIMO,2×2 的上行 MIMO 天线,这意味着未来 5G 峰值速率至少将达到 2Gbps 以上。
由于 4×4 的天线阵列尺寸会大很多,因此射频模块化将会是 5G 射频器件的一个趋势。同时由于天线过多,需要支持 SRS 功能,在发射过程中选择不同的天线。为了支持更多的载波聚合,对于天线分工的需求会大大增加,同时需要用到大量的天线调谐技术。
从 4G 切换到 5G,由于增加的新频段并不多,5G 时代只增加了两个新频段:3.5Ghz\4.8Ghz,因此对于功率放大器或滤波器的新增需求并没有特别大。但是由于未来要实现 4G、5G 多模信号切换,以及解决信号共存和干扰问题,在系统架构上需要更多的天线分工器以及天线调谐功能。
陶镇预计 5G 终端成本最开始会比 4G 高很多,因为需要做 4×4 的 MIMO,射频器件至少会多出三个模块。在 LTE 时代,4×4 的 MIMO 是非强制性的。但是到了 5G 就变成强制性了,无论 N41、N77、N79 哪个频谱,都必须要做 4×4 的下行。另外以前 LTE 上行一般是一路,到了 5G 就要变成两路。
由于 5G 通信将面临前所未有的大带宽、非常高的功率放大器线性度,以及广泛的载波聚合驱动型频率的拥堵,导致 5G 射频器件相比 4G 前所未有的复杂。
为什么 5G 时代 BAW 比 SAW 更重要? 一方面主芯片厂商的增长率面临下滑,需要拓展新的市场。另一方面 5G 射频器件是非常大的蛋糕,仅从个数上射频器件会远超主芯片。
种种迹象都引起了手机主芯片厂商的警觉。实际上,近年来高通、联发科以及紫光展锐都先后通过收购拥有了自己的射频 PA 公司。比如高通与 TDK 联合建立 RF360,联发科收购络达,紫光展锐则有 RDA。
主芯片厂商通过捆绑销售的策略具有一定市场优势,不过在高端旗舰产品中,一线品牌仍更倾向于采用 Qorvo 独立 RF 厂商的射频器件。
2018 年 2 月,在西班牙巴塞罗那世界移动通信大会期间,中国移动发布“5G 终端先行者计划”。值得一提的是,这个先行者计划的参与企业,除了手机公司以及主芯片厂商外,就包括 Qorvo 等四家射频器件商。可以说这是中国移动作为运营商进行的官方认证,表示认可这四家公司成为 5G 射频器件的供应商。
陶镇表示,在目前全球射频器件公司中,Qorvo 和 Skyworks 两家占据了 90%的市场份额。在 sub6Ghz 频段以内的射频器件,Qorvo 都有覆盖,目前处于领先优势。
其实 Qorvo 这家公司的历史并不长,Qorvo 是基于 RFMD 与 TriQuint 两家传统射频半导体大厂的合并,在整个射频半导体业才诞生三年。除了手机射频之外,Qorvo 还有国防、太空相关的产品线。目前 Qorvo 的晶圆包括滤波器都是在美国的晶圆厂生产,后端封装测试则放到了中国。
截止到 2018 年 9 月 29 日,根据 Qorvo 财报显示,Qorvo 2019 财年第二季度收入为 8.84 亿美元,毛利率为 40%。其中针对旗舰智能手机的移动产品收入增长 37%,达到 6.67 亿美元。
据介绍,从 2G 到 4G,Qorvo 都有全线的产品布局。2017 年,Qorvo 开发了第一款基于 5G NR 新标准的射频前端模块。陶镇表示,Qorvo 在业内第一家正式推出 3.5Ghz 的射频前端,目前 Qorvo 已经为中国领先的智能手机厂商提供双频段 3.5Ghz 和 4.9GHz 5G 模块。同时为 28Ghz 的相控阵 5G 基站部署高功率放大器。
陶镇表示,目前 5G 覆盖的频段主要为三大块:第一个频段是 3.5Ghz,频段号为 n77/n78;第二个频段是 4.8Ghz,频段号为 N79;第三个频段为 2.5Ghz,频段号为 N41。
在 2018 年 11 月初温哥华的 GTI 研讨会上,Qorvo 就首次展示了支持 n41 频段的射频前端模块 QM75041 全频段 n41 滤波器 TQQ0041T,集成了功率放大器、滤波器、开光、耦合器等。这也是 Qorvo 首次展示适用于 n41 频段的射频解决方案。此外,Qorvo 还推出了单个支持 n41 频段的滤波器。
据透露,针对中国联通、中国电信等其他运营商在 n77、n78、n79 等频段的需求,Qorvo 则以 QM78201 为设计解决方案进行支持。
Qorvo 在 5G 领域积累了许多核心技术,从 LowDrift 和 NoDrift 滤波技术、天线调谐技术到 RF Fusion 和 RF Flex 射频前端解决方案,再到更加基础的 GaN 技术,Qorvo 提供了行业领先的核心架构、滤波器和开关产品。
目前 Qorvo 在 n41 模块方向具有研发和整合能力。虽然目前已经有不少射频器件厂商加入 5G 竞争,不过未来射频模块化需要考验集成能力。比如在低频阶段,主要涵盖 1~2 个 PA。中高端频段一般有两个 PA,几十个 SAW 滤波器。到了高频段,则需要用 BAW 滤波器来做,才能达到更好的性能。
这里的 SAW 和 BAW 都是声学滤波器,其中 SAW 叫做表面声波滤波器,BAW 则叫做薄膜声学谐振器。原理基本上跟 SAW 类似,不过由于声信号在介质内传输,所以体积可以做得更小。声学滤波器更多用在手机中,优势在于尺寸可以做到很小。还有一种陶瓷滤波器,尺寸不太可能放在手机里面。
BAW 的性能比 SAW 更好,同时也更省电,可以让 PA 工作在更高的电压,加工起来难度也更大,属于超精细加工。
目前一般针对低性能的市场采用 SAW,而高性能的市场则采用 BAW。Qorvo 的优势在于可以同时提供 BAW、SAW。这一点很重要,因为很多射频器件公司只能提供 SAW,无法满足高端市场的需求。相比竞争对手,Qorvo 在射频器件这一块产品线最全,不管是 BAW、SAW、SOI、开关都有,同时还具备模块化能力。
无论是 BAW 还是 SAW,都支持不了全频段的带宽,无论是 900 兆的 3.5GHz,或者是 600 兆的 4.8GHz。陶镇表示,Qorvo 也在不断的改进工艺,让未来 5G 在两个频段都可以做到。陶镇认为,现阶段,5G 商用的射频器件暂时都聚焦在 6GHz 以下,毫米波的产品市场启动没这么快。
点评:聚焦核心竞争力,哪类射频公司布局最完善? 相比竞争对手,Qorvo 的另一个优势在于掌握了 PA 的生产制造能力。优秀的生产工艺一直是 Qorvo 的强项,能提供的射频器件工艺极其广泛,从 CMOS、砷化镓、氮化镓、磷化铟(InP)到 SOI 工艺都有布局。
从技术上来看,目前主流的射频器件都以砷化镓(GaAs)为主,毫米波则要用到氮化镓(GaN)。凭借独有的高性能 HBT(HeterojuncTIon Bipolar Transistor,异质结双极晶体管)工艺,Qorvo 将 GaAs 的潜能挖掘到极致。由于砷化镓材质下 PA 输出能力足够大,因此砷化镓的天线阵列尺寸可以更高,效率要更高。除了 GaAs,Qorvo 也有 CMOS 工艺,不过主要用来做 2G 射频器件。据介绍,Qorvo 的晶圆制造工厂目前都在美国,在北京、山东德州都有封装测试厂。
总的来说,虽然目前包括高通、MTK、展锐在内的主芯片公司纷纷打包销售 PA,势必对独立第三方的射频 PA 公司造成影响。但目前一线手机品牌如苹果、三星、华米 OV 都仍然采用 Qorvo,Skyworks,Avago 的器件。可见射频器件的技术和制造门槛之高,并非新进入者能够轻易超越的。
在三家一线射频公司中,Qorvo 技术和市场最全面,PA 和滤波器都有所建树。Skyworks 则在滤波器方面略显单薄。Avago 相对来说,主要将心思放在高利润市场里,普通客户那里并没有太多收获。应该说 Qorvo 的布局最全面,未来将获得最多的机会。Qorvo 是 2014 年由 RFMD 与 TriQuint 合并而成。RFMD 和 TriQuint 都是 Apple,Samsung 的 PA 供应商。而 Skyworks 和 Avago 在各个环节也有相应的布局。
类似于 Qorvo 这样的公司,不仅自己研发,还可以自己生产、封装测试,主要芯片自产保证了容易控制成本。相对来说大陆本土射频企业仍然比较弱势,因为大多只有设计研发能力。
此外,随着 5G 时代来临,射频器件数量大增以及模块化趋势明显,特别是滤波器对于 BAW 的需求增加,谁拥有更充足的 BAW 产能,谁将在未来发展中获得优势地位。 |
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