5G 時代，GaN射頻功率放大器的新機遇

▌行業(yè)分析：射頻功率放大器（PA）作為射頻前端發(fā)射通路的主要器件，通常用于實現(xiàn)發(fā)射通道的射頻信號放大。5G將帶動智能移動終端、基站端及IOT設(shè)備射頻PA穩(wěn)健增長，智能移動終端射頻PA市場規(guī)模將從2017年的50億美元增長到2023年的70億美元，復(fù)合年增長率為7%，高端LTE功率放大器市場的增長，尤其是高頻和超高頻，將彌補2G/3G市場的萎縮。GaAs器件是消費電子3G/4G應(yīng)用的主力軍，5G時代仍將延續(xù)，此外，物聯(lián)網(wǎng)將是其未來應(yīng)用的藍海。GaN器件則以高性能特點目前廣泛應(yīng)用于基站、雷達、電子戰(zhàn)等軍工領(lǐng)域，在5G時代需求將迎來爆發(fā)式增長。5G時代，射頻功率放大器需求有望多點開花，建議買入行業(yè)龍頭。

▌5G推動手機射頻PA量價齊升：4G時代，智能手機一般采取1發(fā)射2接收架構(gòu)，預(yù)測5G時代，智能手機將采用2發(fā)射4接收方案，未來有望演進為8接收方案。功率放大器（PA）是一部手機最關(guān)鍵的器件之一，它直接決定了手機無線通信的距離、信號質(zhì)量，甚至待機時間，是整個射頻系統(tǒng)中除基帶外最重要的部分。手機里面PA的數(shù)量隨著2G、3G、4G、5G逐漸增加。以PA模組為例，4G多模多頻手機所需的PA芯片為5-7顆，預(yù)測5G手機內(nèi)的PA芯片將達到16顆之多，價值量超過7.5美元。5G智能終端射頻前端SIP將是大勢所趨，高通已發(fā)布5G第二代射頻前端模組，MEMS預(yù)測，到2023年，用于蜂窩和連接的射頻前端SiP市場將分別占SiP市場總量的82%和18%。按蜂窩通信標(biāo)準，支持5G（sub-6GHz和毫米波）的前端模組將占到2023年RF SiP市場總量的28%。高端智能手機將貢獻射頻前端模組SiP組裝市場的43%，其次是低端智能手機（35%）和奢華智能手機（13%）。

▌5G基站，PA數(shù)倍增長，GaN大有可為：4G基站采用4T4R方案，按照三個扇區(qū)，對應(yīng)的射頻PA需求量為12個，5G基站，預(yù)計64T64R將成為主流方案，對應(yīng)的PA需求量高達192個，PA數(shù)量將大幅增長。目前基站用功率放大器主要為LDMOS技術(shù)，但是LDMOS技術(shù)適用于低頻段，在高頻應(yīng)用領(lǐng)域存在局限性。我們研判5G基站GaN射頻PA將成為主流技術(shù)，逐漸侵占LDMOS的市場，GaAs器件份額變化不大。GaN能較好的適用于大規(guī)模MIMO，預(yù)計2022年，4G/ 5G基礎(chǔ)設(shè)施用RF半導(dǎo)體的市場規(guī)模將達到16億美元，其中，MIMO PA年復(fù)合增長率將達到135%，射頻前端模塊的年復(fù)合增長率將達到119%。

▌5G時代，窄帶物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備射頻前端迎來發(fā)展新機遇：在手機市場追求更快更強的同時，有另外一個市場就是窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Cat-M /NB-IoT)，NB-IoT雖然有要求和LTE相同的上行功率(power class3)，但是信號的峰均比較低。另外，NB-IoT采用半雙工方式工作，避免使用FDD雙工器，PA后端的插入損耗小。這些因素可以讓NB-IoT的PA更加偏向于非線性的設(shè)計，同時采用更小的Die設(shè)計，從而達到節(jié)省成本和提高效率的目的。對于NB-IoT PA來講，超寬帶、低電壓、極端溫度和低成本是重點要考慮的方向。

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1、5G智能移動終端，射頻PA的大機遇

1.1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)生的小功率的射頻信號放大，獲得足夠大的射頻輸出功率，才能饋送到天線上輻射出去，通常用于實現(xiàn)發(fā)射通道的射頻信號放大。

手機射頻前端：一旦連上移動網(wǎng)絡(luò)，任何一臺智能手機都能輕松刷朋友圈、看高清視頻、下載圖片、在線購物，這完全是射頻前端進化的功勞，手機每一個網(wǎng)絡(luò)制式（2G/3G/4G/WiFi/GPS），都需要自己的射頻前端模塊，充當(dāng)手機與外界通話的橋梁—手機功能越多，它的價值越大。

射頻前端模塊是移動終端通信系統(tǒng)的核心組件，對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終端可以支持的通信模式，以及接收信號強度、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。

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，在多模／多頻終端中發(fā)揮著核心作用。

手機和WiFi連接的射頻前端市場預(yù)計將在2023年達到352億美元，復(fù)合年增長率為14%。

射頻前端產(chǎn)業(yè)中最大的市場為濾波器，將從2017年的80億美元增長到2023年225億美元，復(fù)合年增長率高達19%。該增長主要來自于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。

功率放大器市場增長相對穩(wěn)健，復(fù)合年增長率為7%，將從2017年的50億美元增長到2023年的70億美元。高端LTE功率放大器市場的增長，尤其是高頻和超高頻，將彌補2G/3G市場的萎縮。

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

1.2 5G推動手機射頻PA量價齊升

射頻前端與智能終端一同進化，4G時代，智能手機一般采取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手機的射頻前端將有新的變化，同時考慮到5G手機將繼續(xù)兼容4G、3G、2G標(biāo)準，因此5G手機射頻前端將異常復(fù)雜。

預(yù)測5G時代，智能手機將采用2發(fā)射4接收方案。

無論是在基站端還是設(shè)備終端，5G給供應(yīng)商帶來的挑戰(zhàn)都首先體現(xiàn)在射頻方面，因為這是設(shè)備“上”網(wǎng)的關(guān)鍵出入口，即將到來的5G手機將會面臨多方面的挑戰(zhàn)：

更多頻段的支持：因為從大家熟悉的b41變成n41、n77和n78，這就需要對更多頻段的支持；

不同的調(diào)制方向：因為5G專注于高速連接，所以在調(diào)制方面會有新的變化，對功耗方面也有更多的要求。比如在4G時代，大家比較關(guān)注ACPR。但到了5G時代，則更需要專注于EVM（一般小于1.5%）；

信號路由的選擇：選擇4G anchor+5G數(shù)據(jù)連接，還是直接走5G，這會帶來不同的挑戰(zhàn)。

開關(guān)速度的變化：這方面雖然沒有太多的變化，但SRS也會帶來新的挑戰(zhàn)。

其他如n77/n78/n79等新頻段的引入，也會對射頻前端形態(tài)產(chǎn)生影響，推動前端模組改變，滿足新頻段和新調(diào)諧方式等的要求。

Qorvo指出，5G將給天線數(shù)量、射頻前端模塊價值量帶來翻倍增長。以5G手機為例，單部手機的射頻半導(dǎo)體用量達到25美金，相比4G手機近乎翻倍增長。其中濾波器從40個增加至70個，頻帶從15個增加至30個，接收機發(fā)射機濾波器從30個增加至75個，射頻開關(guān)從10個增加至30個，載波聚合從5個增加至200個。

5G手機功率放大器（PA）用量翻倍增長：PA是一部手機最關(guān)鍵的器件之一，它直接決定了手機無線通信的距離、信號質(zhì)量，甚至待機時間，是整個射頻系統(tǒng)中除基帶外最重要的部分。手機里面PA的數(shù)量隨著2G、3G、4G、5G逐漸增加。以PA模組為例，4G多模多頻手機所需的PA芯片為5-7顆，預(yù)測5G手機內(nèi)的PA芯片將達到16顆之多。

5G手機功率放大器（PA）單機價值量有望達到7.5美元：同時，PA的單價也有顯著提高，2G手機用PA平均單價為0.3美金，3G手機用PA上升到1.25美金，而全模4G手機PA的消耗則高達3.25美金，預(yù)計5G手機PA價值量達到7.5美元以上。

載波聚合與Massivie MIMO對PA的要求大幅增加?！耙话闱闆r下，2G只需非常簡單的發(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)計來滿足線性化的要求。

5G無線通信前端將用到幾十甚至上百個通道，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)計的復(fù)雜度，無論對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)。

1.3 GaAs射頻器件仍將主導(dǎo)手機市場

5G時代，GaAs材料適用于移動終端。GaAs材料的電子遷移率是Si的6倍，具有直接帶隙，故其器件相對Si器件具有高頻、高速的性能，被公認為是很合適的通信用半導(dǎo)體材料。在手機無線通信應(yīng)用中，目前射頻功率放大器絕大部分采用GaAs材料。在GSM通信中，國內(nèi)的銳迪科和漢天下等芯片設(shè)計企業(yè)曾憑借RF CMOS制程的高集成度和低成本的優(yōu)勢，打破了采用國際龍頭廠商采用傳統(tǒng)的GaAs制程完全主導(dǎo)射頻功放的格局。但是到了4G時代，由于Si材料存在高頻損耗、噪聲大和低輸出功率密度等缺點，RF CMOS已經(jīng)不能滿足要求，手機射頻功放重新回到GaAs制程完全主導(dǎo)的時代。與射頻功放器件依賴于GaAs材料不同，90%的射頻開關(guān)已經(jīng)從傳統(tǒng)的GaAs工藝轉(zhuǎn)向了SOI（Silicon on insulator）工藝，射頻收發(fā)機大多數(shù)也已采用RF CMOS制程，從而滿足不斷提高的集成度需求。

5G時代，GaN材料適用于基站端。在宏基站應(yīng)用中，GaN材料憑借高頻、高輸出功率的優(yōu)勢，正在逐漸取代Si LDMOS；在微基站中，未來一段時間內(nèi)仍然以GaAs PA件為主，因其目前具備經(jīng)市場驗證的可靠性和高性價比的優(yōu)勢，但隨著器件成本的降低和技術(shù)的提高，GaN PA有望在微基站應(yīng)用在分得一杯羹；在移動終端中，因高成本和高供電電壓，GaN PA短

期內(nèi)也無法撼動GaAs PA的統(tǒng)治地位。

全球GaAs射頻器件被國際巨頭壟斷。全球GaAs射頻器件市場以IDM模式為主，主要廠商有美國Skyworks、Qorvo、Broadcom，日本村田等。據(jù)Strategy Analytics統(tǒng)計，2016年全球GaAs射頻器件市場規(guī)模為81.9億美元，同比增長0.9%。2016年，Skyworks、Qorvo和Broadcom在全球射頻器件市場的占有率分別為30.67%、27.97%和7.39%，三家合計占有全球66%的份額，Skyworks和Qorvo更是處于全球遙遙領(lǐng)先的位置。

2017年GaAs晶圓代工市場，***穩(wěn)懋（Win Semi）獨占全球72.7%的市場份額，是全球第一大GaAs晶圓代工廠。

1.4 5G設(shè)備射頻前端模組化趨勢明顯，SIP大有可為

5G將重新定義射頻（RF）前端在網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器之間的交互。新的RF頻段（如3GPP在R15中所定義的sub-6 GHz和毫米波（mm-wave））給產(chǎn)業(yè)界帶來了巨大挑戰(zhàn)。

LTE的發(fā)展，尤其是載波聚合技術(shù)的應(yīng)用，導(dǎo)致當(dāng)今智能手機中的復(fù)雜架構(gòu)。同時，RF電路板和可用天線空間減少帶來的密集化趨勢，使越來越多的手持設(shè)備OEM廠商采用功率放大器模塊并應(yīng)用新技術(shù)，如LTE和WiFi之間的天線共享。

在低頻頻段，所包含的600 MHz頻段將為低頻段天線設(shè)計和天線調(diào)諧器帶來新的挑戰(zhàn)。隨著新的超高頻率（N77、N78、N79）無線電頻段發(fā)布，5G將帶來更高的復(fù)雜性。具有雙連接的頻段重新分配（早期頻段包括N41、N71、N28和N66，未來還有更多），也將增加對前端的限制。毫米波頻譜中的5G NR無法提供5G關(guān)鍵USP的多千兆位速度，因此需要在前端模組中具有更高密度，以實現(xiàn)新頻段集成。

5G手機需要4X4 MIMO應(yīng)用，這將在手機中增加大量RF流。結(jié)合載波聚合要求，將導(dǎo)致更復(fù)雜的天線調(diào)諧器和多路復(fù)用器。

RF系統(tǒng)級封裝（SiP）市場可分為一級和二級SiP封裝：各種RF器件的一級封裝，如芯片/晶圓級濾波器、開關(guān)和放大器（包括RDL、RSV和/或凸點步驟）；在表面貼裝（SMT）階段進行的二級SiP封裝，其中各種器件與無源器件一起組裝在SiP基板上。2018年，射頻前端模組SiP市場（包括一級和二級封裝）總規(guī)模為33億美元，預(yù)計2018~2023年期間的復(fù)合年均增長率（CAGR）將達到11.3%，市場規(guī)模到2023年將增長至53億美元。

預(yù)測2023年，PAMiD SiP組裝預(yù)計將占RF SiP市場總營收的39%。2018年，晶圓級封裝大約占RF SiP組裝市場總量的9%。移動領(lǐng)域各種射頻前端模組的SiP市場，包括：PAMiD（帶集成雙工器的功率放大器模塊）、PAM（功率放大器模塊）、Rx DM（接收分集模塊）、ASM（開關(guān)復(fù)用器、天線開關(guān)模塊）、天線耦合器（多路復(fù)用器）、LMM（低噪聲放大器-多路復(fù)用器模塊）、MMMB PA（多模、多頻帶功率放大器）和毫米波前端模組。

MEMS預(yù)測，到2023年，用于蜂窩和連接的射頻前端SiP市場將分別占SiP市場總量的82%和18%。按蜂窩通信標(biāo)準，支持5G（sub-6GHz和毫米波）的前端模組將占到2023年RF SiP市場總量的28%。高端智能手機將貢獻射頻前端模組SiP組裝市場的43%，其次是低端智能手機（35%）和奢華智能手機（13%）。聚合要求，將導(dǎo)致更復(fù)雜的天線調(diào)諧器和多路復(fù)用器。

高通發(fā)布5G手機射頻前端模組化方案。

2019年2月，高通宣布推出面向5G多模移動終端的第二代射頻前端（RFFE）解決方案。全新推出的產(chǎn)品是一套完整的，可與全新Qualcomm?驍龍? X55 5G調(diào)制解調(diào)器搭配使用的射頻解決方案，為支持6GHz以下頻段和毫米波頻段的高性能5G移動終端提供從調(diào)制解調(diào)器到天線的完整系統(tǒng)。支持更纖薄、更高效的5G多模移動終端。高通同時還發(fā)布了全球首款宣布的5G 100MHz包絡(luò)追蹤解決方案QET6100、集成式5G/4G功率放大器（PA）和分集模組系列，以及QAT3555 5G自適應(yīng)天線調(diào)諧解決方案。高通QET6100將包絡(luò)追蹤技術(shù)擴展到5G NR上行所需的100MHz帶寬和256-QAM調(diào)制，這在之前被認為是無法實現(xiàn)的。該解決方案與其他平均功率追蹤技術(shù)相比，可將功效提升一倍，以更長的電池續(xù)航時間支持傳輸數(shù)據(jù)更快的終端，還可顯著改善網(wǎng)絡(luò)運營商非常關(guān)注的網(wǎng)絡(luò)覆蓋與網(wǎng)絡(luò)容量。

功率放大器模組，搭配QET6100支持100MHz 5G包絡(luò)追蹤。QPM6585、QPM5677和QPM5679分別支持n41、n77/78和n79頻段。

中/高頻段5G/4G功率放大器模組QPM5670，包括集成式低噪聲放大器（LNA）、射頻開關(guān)、濾波器和5G六工器。

低頻段5G/4G功率放大器模組QPM5621，包括集成式低噪聲放大器、切換開關(guān)和濾波器，支持低頻段/低頻段載波聚合和雙連接。

分集模組系列QDM58xx，包括集成式5G/4G低噪聲放大器、射頻開關(guān)和濾波器，支持6GHz以下頻段接收分集和多輸入多輸出（MIMO）。

為幫助OEM廠商應(yīng)對日益增多的天線和頻段給移動終端設(shè)計帶來的挑戰(zhàn)，Qualcomm還推出了QAT3555 Signal Boost自適應(yīng)天線調(diào)諧器，將自適應(yīng)天線調(diào)諧技術(shù)擴展到6GHz以下的5G頻段；與上一代產(chǎn)品相比，其封裝高度降低了25%，插入損耗顯著減少。

2、5G基站，PA數(shù)倍增長，GaN大有可為

2.1 5G基站，射頻PA需求大幅增長

5G基站PA數(shù)量有望增長16倍。4G基站采用4T4R方案，按照三個扇區(qū)，對應(yīng)的PA需求量為12個，5G基站，預(yù)計64T64R將成為主流方案，對應(yīng)的PA需求量高達192個，PA數(shù)量將大幅增長。

5G基站射頻PA有望量價齊升。目前基站用功率放大器主要為基于硅的橫向擴散金屬氧化物半導(dǎo)體LDMOS技術(shù)，不過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。對于5G基站PA的一些要求可能包括3~6GHz和24GHz~40GHz的運行頻率，RF功率在0.2W~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價格高于LDMOS和GaAs。

GaN具有優(yōu)異的高功率密度和高頻特性。提高功率放大器RF功率的最簡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。如果我們對比不同半導(dǎo)體工藝技術(shù)，就會發(fā)現(xiàn)功率通常會如何隨著高工作電壓IC技術(shù)而提高。硅鍺(SiGe)技術(shù)采用相對較低的工作電壓（2 V至3 V），但其集成優(yōu)勢非常有吸引力。GaAs擁有微波頻率和5 V至7 V的工作電壓，多年來一直廣泛應(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4 GHz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 V至50 V，優(yōu)勢在于更高功率密度及更高截止頻率(CutoffFrequency，輸出訊號功率超出或低于傳導(dǎo)頻率時輸出訊號功率的頻率)，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，可實現(xiàn)高整合性解決方案。

典型的GaN射頻器件的加工工藝，主要包括如下環(huán)節(jié)：外延生長-器件隔離-歐姆接觸（制作源極、漏極）-氮化物鈍化-柵極制作-場板制作-襯底減薄-襯底通孔等環(huán)節(jié)。

外延生長：采用金屬氧化物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）或分子束外延（MBE）方式在SiC或Si襯底上外延GaN材料。

器件隔離：采用離子注入或者制作臺階（去除掉溝道層）的方式來實現(xiàn)器件隔離。射頻器件之間的隔離是制作射頻電路的基本要求。

歐姆接觸：形成歐姆接觸是指制作源極和漏極的電極。對GaN材料而言，制造歐姆接觸需要在很高的溫度下完成。

氮化物鈍化：在源極和漏極制作完成后，GaN半導(dǎo)體材料需要經(jīng)過鈍化過程來消除懸掛鍵等界面態(tài)。GaN的鈍化過程通常采用SiN（氮化硅）來實現(xiàn)。

柵極制作：在SiN鈍化層上開口，然后沉積柵極金屬。至此，基本的場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)就成型了。

場板制作：柵極制作完成后，繼續(xù)沉積額外的幾層金屬和氮化物，來制作場板、互連和電容，此外，也可以保護器件免受外部環(huán)境影響。

襯底減?。阂r底厚度減薄至100μm左右，然后對減薄后的襯底背部進行金屬化。

襯底通孔：通孔是指在襯底上表面和下表面之間刻蝕出的短通道，用于降低器件和接地(底部金屬化層)之間的電感。

GaN材料已成為基站PA的有力候選技術(shù)。GaN是極穩(wěn)定的化合物，具有強的原子鍵、高的熱導(dǎo)率、在Ⅲ-Ⅴ族化合物中電離度是最高的、化學(xué)穩(wěn)定性好，使得GaN器件比Si和GaAs有更強抗輻照能力，同時GaN又是高熔點材料，熱傳導(dǎo)率高，GaN功率器件通常采用熱傳導(dǎo)率更優(yōu)的SiC做襯底，因此GaN功率器件具有較高的結(jié)溫，能在高溫環(huán)境下工作。GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）憑借其固有的高擊穿電壓、高功率密度、大帶寬和高效率，已成為基站PA的有力候選技術(shù)。

GaN射頻器件更能有效滿足5G的高功率、高通信頻段和高效率等要求。相較于基于Si的橫向擴散金屬氧化物半導(dǎo)體（Si LDMOS，Lateral Double-diffused Metal-oxide Semiconductor）和GaAs，在基站端GaN射頻器件更能有效滿足5G的高功率、高通信頻段和高效率等要求。目前針對3G和LTE基站市場的功率放大器主要有Si LDMOS和GaAs兩種，但LDMOS功率放大器的帶寬會隨著頻率的增加而大幅減少，僅在不超過約3.5GHz的頻率范圍內(nèi)有效，而GaAs功率放大器雖然能滿足高頻通信的需求，但其輸出功率比GaN器件遜色很多。在5G高集成的Massive MIMO應(yīng)用中，它可實現(xiàn)高集成化的解決方案，如模塊化射頻前端器件。在毫米波應(yīng)用上，GaN的高功率密度特性在實現(xiàn)相同覆蓋條件及用戶追蹤功能下，可有效減少收發(fā)通道數(shù)及整體方案的尺寸。實現(xiàn)性能成本的最優(yōu)化組合。隨著5G時代的到來，小基站及Massive MIMO的飛速發(fā)展，會對集成度要求越來越高，GaN自有的先天優(yōu)勢會加速功率器件集成化的進程。5G會帶動GaN這一產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。然而，在移動終端領(lǐng)域GaN射頻器件尚未開始規(guī)模應(yīng)用，原因在于較高的生產(chǎn)成本和供電電壓。GaN將在高功率，高頻率射頻市場發(fā)揮重要作用。

2.2 GaN射頻PA有望成為5G基站主流技術(shù)

預(yù)測未來大部分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)勢更明顯。就電信市場而言，得益于5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的日益臨近，將從2019年開始為GaN器件帶來巨大的市場機遇。相比現(xiàn)有的硅LDMOS（橫向雙擴散金屬氧化物半導(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（高電子遷移率場效晶體管）已經(jīng)成為未來宏基站功率放大器的候選技術(shù)。由于LDMOS無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)計未來大部分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)中扮演很重要的角色。不過，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。與此同時，由于更高的頻率降低了每個基站的覆蓋率，因此需要應(yīng)用更多的晶體管，預(yù)計市場出貨量增長速度將加快。

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

對于既定功率水平，GaN具有體積小的優(yōu)勢。有了更小的器件，則可以減小器件電容，從而使得較高帶寬系統(tǒng)的設(shè)計變得更加輕松。

氮化鎵基MIMO天線功耗可降低40%。下圖展示的是鍺化硅和氮化鎵的毫米波5G基站MIMO天線方案，左側(cè)展示的是鍺化硅基MIMO天線，它有1024個元件，裸片面積是4096平方毫米，輻射功率是65dbm，與之形成鮮明對比的，是右側(cè)氮化鎵基MIMO天線，盡管價格較高，但功耗降低了40%，裸片面積減少94%。

GaN適用于大規(guī)模MIMO

GaN芯片每年在功率密度和封裝方面都會取得飛躍，能比較好的適用于大規(guī)模MIMO技術(shù)。當(dāng)前的基站技術(shù)涉及具有多達8個天線的MIMO配置，以通過簡單的波束形成算法來控制信號，但是大規(guī)模MIMO可能需要利用數(shù)百個天線來實現(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），需要單獨的PA來驅(qū)動每個天線元件，這將帶來顯著的尺寸、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)合增長率將達到135%。預(yù)計2022年，4G/ 5G基礎(chǔ)設(shè)施用RF半導(dǎo)體的市場規(guī)模將達到16億美元，其中，MIMO PA年復(fù)合增長率將達到135%，射頻前端模塊的年復(fù)合增長率將達到119%。

預(yù)計未來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，2017年，全球GaN射頻市場規(guī)模約為3.84億美元，在3W以上（不含手機PA）的RF射頻市場的滲透率超過20%。GaN在基站、雷達和航空應(yīng)用中，正逐步取代LDMOS。隨著數(shù)據(jù)通訊、更高運行頻率和帶寬的要求日益增長，GaN在基站和無線回程中的應(yīng)用持續(xù)攀升。

在未來的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，針對載波聚合和大規(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5～10年內(nèi)，預(yù)計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將憑借其得到市場驗證的可靠性和性價比，將確保其穩(wěn)定的市場份額。LDMOS的市場份額則會逐步下降，預(yù)測期內(nèi)將降至整體市場規(guī)模的15%左右。

到2023年，GaN RF器件市場規(guī)模達到13億美元，約占3W以上的RF功率市場的45%。截止2018年底，整個RF GaN市場規(guī)模接近4.85億美元。未來大多數(shù)低于6GHz的宏網(wǎng)絡(luò)單元實施將使用GaN器件，無線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用占比將進一步提高至近43%。

2.3 RF GaN市場的發(fā)展方向

GaN技術(shù)主要以IDM為主。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，GaN技術(shù)在全球各大洲已經(jīng)普及。市場領(lǐng)先的廠商主要包括Sumitomo Electric、Wolfspeed（Cree科銳旗下）、Qorvo，以及美國、歐洲和亞洲的許多其它廠商?；衔锇雽?dǎo)體市場和傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)不同。相比傳統(tǒng)硅工藝，GaN技術(shù)的外延工藝要重要的多，會影響其作用區(qū)域的品質(zhì)，對器件的可靠性產(chǎn)生巨大影響。這也是為什么目前市場領(lǐng)先的廠商都具備很強的外延工藝能力，并且為了維護技術(shù)秘密，都傾向于將這些工藝放在自己內(nèi)部生產(chǎn)。

GaN-on-SiC更具有優(yōu)勢。盡管如此，F(xiàn)abless設(shè)計廠商通過和代工合作伙伴的合作，發(fā)展速度也很快。憑借與代工廠緊密的合作關(guān)系以及銷售渠道，NXP和Ampleon等領(lǐng)先廠商或?qū)⒏淖兪袌龈偁幐窬帧Ｍ瑫r，目前市場上還存在兩種技術(shù)的競爭：GaN-on-SiC（碳化硅上氮化鎵）和GaN-on[1]silicon（硅上氮化鎵）。它們采用了不同材料的襯底，但是具有相似的特性。理論上，GaN-on-SiC具有更好的性能，而且目前大多數(shù)廠商都采用了該技術(shù)方案。不過，M/A-COM等廠商則在極力推動GaN-on-Silicon技術(shù)的廣泛應(yīng)用。未來誰將主導(dǎo)還言之過早，目前來看，GaN-on-silicon仍是GaN-on-SiC解決方案的有力挑戰(zhàn)者。

2.4全球GaN射頻器件產(chǎn)業(yè)鏈競爭格局

境外GaN射頻器件產(chǎn)業(yè)鏈重點公司及產(chǎn)品進展

GaN微波射頻器件產(chǎn)品推出速度明顯加快。目前微波射頻領(lǐng)域雖然備受關(guān)注，但是由于技術(shù)水平較高，專利壁壘過大，因此這個領(lǐng)域的公司相比較電力電子領(lǐng)域和光電子領(lǐng)域并不算很多，但多數(shù)都具有較強的科研實力和市場運作能力。GaN微波射頻器件的商業(yè)化供應(yīng)發(fā)展迅速。據(jù)材料深一度對Mouser數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析顯示，截至2018年4月，共有4家廠商推出了150個品類的GaN HEMT，占整個射頻晶體管供應(yīng)品類的9.9%，較1月增長了0.6%。

Qorvo產(chǎn)品工作頻率范圍最大，Skyworks產(chǎn)品工作頻率較小。Qorvo、CREE、MACOM 73%的產(chǎn)品輸出功率集中在10W～100W之間，最大功率達到1500W（工作頻率在1.0-1.1GHz，由Qorvo生產(chǎn)），采用的技術(shù)主要是GaN/SiC GaN路線。此外，部分企業(yè)提供GaN射頻模組產(chǎn)品，目前有4家企業(yè)對外提供GaN射頻放大器的銷售，其中Qorvo產(chǎn)品工作頻率范圍最大，最大工作頻率可達到31GHz。Skyworks產(chǎn)品工作頻率較小，主要集中在0.05-1.218GHz之間。

Qorvo射頻放大器的產(chǎn)品類別最多。在我國工信部公布的2個5G工作頻段（3.3-3.6GHz、4.8-5GHz，）內(nèi)，Qorvo公司推出的射頻放大器的產(chǎn)品類別最多，最高功率分別高達100W和80W（1月份Qorvo在4.8-5GHz的產(chǎn)品最高功率為60W），ADI在4.8-5GHz的產(chǎn)品最高功率提高到50W（之前產(chǎn)品的最高功率不到40W），其他產(chǎn)品的功率大部分在50W以下。

大陸GaN射頻器件產(chǎn)業(yè)鏈重點公司及產(chǎn)品進展：歐美國家出于對我國技術(shù)發(fā)展速度的擔(dān)憂及遏制我國新材料技術(shù)的發(fā)展想法，在第三代半導(dǎo)體材料方面，對我國進行幾乎全面技術(shù)封鎖和材料封鎖。在此情況下，我國科研機構(gòu)和企業(yè)單位立足自主創(chuàng)新，目前在GaN微波射頻領(lǐng)域已取得顯著成效，在軍事國防領(lǐng)域和民用通信領(lǐng)域兩個領(lǐng)域進行突破，打造了中電科13所、中電科55所、中興通信、大唐移動等重點企業(yè)以及中國移動、中國聯(lián)通等大客戶。

蘇州能訊推出了頻率高達6GHz、工作電壓48V、設(shè)計功率從10W-320W的射頻功率晶體管。在移動通信方面，蘇州能訊已經(jīng)可以提供適合LTE、4G、5G等移動通信應(yīng)用的高效率和高增益的射頻功放管，工作頻率涵蓋1.8-3.8GHz，工作電壓48V，設(shè)計功率從130W-390W，平均功率為16W-55W。

3、5G時代，窄帶物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備射頻前端迎來發(fā)展新機遇

伴隨著5G大幕拉開，特別是對于智能手機來說，新的應(yīng)用和新需求，刺激著射頻前端市場涌現(xiàn)出很多新名詞，比如，MIMO，HPUE，NSA，SA，PAMiD等等。射頻前端需要更高整合度，從而支持更加復(fù)雜的頻段和通信標(biāo)準。

IOT設(shè)備射頻前端要求更低功耗，更長待機時間和更低的成本。在手機市場追求更快更強的同時，有另外一個市場就是窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Cat-M /NB-IoT)，它在另外一個維度滿足市場需求，比如更低功耗，更長待機時間和更低的成本。新的Cat-M和NB-IoT網(wǎng)絡(luò)中，對于終端的要求在發(fā)生變化，應(yīng)用于該設(shè)備的射頻前端器件也有新的發(fā)展要求。新的射頻前端需要在支持超寬帶工作，并且保證低成本的情況下，滿足更大范圍的工作電壓和工作溫度，同時達到3GPP規(guī)定的射頻性能標(biāo)準。

NB-IoT主要應(yīng)用場景：

智能安全；

智能基礎(chǔ)設(shè)施：智能路燈，智能井蓋，智能充電，智能停車；

智能表計；

智能監(jiān)控。

在有些領(lǐng)域，出現(xiàn)了迅速的增長：

電動自行車監(jiān)控和管理

智能煙霧傳感器

智能表計（水表／氣表／電表）

另外，目前有一些基于NB-IoT的新的應(yīng)用，也引起市場極大的興趣。

智能停車服務(wù)：集成了云服務(wù)大數(shù)據(jù)平臺，現(xiàn)場交通和停車位信息搜集，

通過手機的電子支付，能實現(xiàn)方便的無人值守停車。

智能穿戴市場：得益于低功耗，NB-IoT終端能夠?qū)崿F(xiàn)超長待機。通過運營

商的廣域網(wǎng)連接，定位數(shù)據(jù)和健康數(shù)據(jù)能自動上傳到企業(yè)云的個人帳號中，

擺脫了傳統(tǒng)局域網(wǎng)或者需要連接手機同步數(shù)據(jù)的束縛。這一點非常適合給

老人和小孩的無人看護或者出門定位服務(wù)。管理員通過劃定電子安全區(qū)域，

智能穿戴設(shè)備出了安全區(qū)后，報警信息會自動傳到云端和管理員。

NB-IoT PA需要低成本和低功耗

基于蜂窩網(wǎng)的萬物互聯(lián)是一項有前景的新技術(shù)，從射頻前端供應(yīng)商的角度，我們看到了一些新的市場需求。新的垂直市場。在已有的蜂窩網(wǎng)需求的基礎(chǔ)上，新的低成本和低功耗的解決方案，將會用到新的市場應(yīng)用當(dāng)中。

多種連接標(biāo)準會同時共存。產(chǎn)品形態(tài)會表現(xiàn)為從簡單的低功耗和單頻段無線單元，一直到復(fù)雜的LTE和5G New Radio的全球蜂窩網(wǎng)解決方案。多樣的應(yīng)用場景和需求。復(fù)雜多樣的最終用戶市場還有應(yīng)用，會帶來需求和產(chǎn)品的多樣化，其中包括室內(nèi)的應(yīng)用和戶外的一些極端溫度和高可靠性要求的場景。

NB-IoT的PA要求低成本和高效。NB-IoT雖然有要求和LTE相同的上行功率(power class3)，但是信號的峰均比較低。另外，NB-IoT采用半雙工方式工作，避免使用FDD雙工器，PA后端的插入損耗小。這些因素可以讓NB-IoT的PA更加偏向于非線性的設(shè)計，同時采用更小的Die設(shè)計，從而達到節(jié)省成本和提高效率的目的。

對于NB-IoT PA來講，超寬帶、低電壓、極端溫度和低成本是重點要考慮的方向。

超寬帶：以低頻為例，NB-IoT PA需要工作在663MHz~915MHz，可用帶寬是252MHz。

低電壓：需要支持1.8V到4.3V工作電壓，以便滿足不同的電池環(huán)境需求。

高效率：具備不同的功率模式，從而優(yōu)化不同功率和電壓下面的效率。同時在headroom設(shè)計方面，考慮到Cat-M/NB的最高輸出功率需求。

極端溫度：滿足-30/-40~+85 degree C工作溫度范圍。

小尺寸：典型的NB模塊大小為26.5mm x 22.5mm x 2.3mm。這個大約相當(dāng)于一張名片的七分之一。射頻前端的尺寸會是很重要的考慮因素。

低成本：NB模塊會逐步取代市場上的2G模塊，銷售價格日趨向2G模塊靠攏。射頻前端的價格競爭和成本考量無法避免。

4、5G漸行漸近，國際巨頭紛紛布局射頻產(chǎn)業(yè)

當(dāng)前射頻前端市場產(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)勢明顯。例如其中在SAW濾波器中，全球80%的市場份額被Murata、TDK、TAIYO YUDEN所瓜分，而在4G、5G中應(yīng)用的BAW濾波器則被Avago（Broadcomm）和Qorvo占據(jù)95%的市場空間，PA全球93%的市場集中在Skyworks、Qorvo和Avago（Broadcomm）手中。

高通領(lǐng)先布局5G，競爭者紛紛跟進。隨著5G手機和無線基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)的成熟，相關(guān)應(yīng)用將會出現(xiàn)。這需要一定的時間，許多廠商已經(jīng)在為自己的“市場蛋糕”做好了準備。新的商業(yè)模式將會浮現(xiàn)：例如一些電信運營商正在部署pre-5G網(wǎng)絡(luò)（自己的標(biāo)準），作為光纖替代品應(yīng)用于住宅寬帶。高通（Qualcomm）在5G布局快人一步，已推出多款5G產(chǎn)品，其它廠商也都在探索之中。此外，英特爾（Intel）、三星（Samsung），以及領(lǐng)先的RF CMOS/SOI代工廠（GLOBALFOUNDRIES、TOWERJAZZ、臺聯(lián)電、臺積電等）都在布局5G射頻產(chǎn)業(yè)。

博通（Broadcom）、Skyworks在高頻優(yōu)勢明顯。在6 GHz以下頻段方面，目前的射頻前端領(lǐng)導(dǎo)者，如博通（Broadcom）、Qorvo、Skyworks、村田（Murata），已經(jīng)開始適應(yīng)這些變化。Broadcom通過將中高頻融合在一起，為5G超高頻段的到來做好了準備。憑借其FBAR體聲波（BAW）濾波器技術(shù)，Broadcom還掌握了高頻和超高頻的主要關(guān)鍵模塊。Skyworks定位于5G超高頻市場，新推出了Sky5平臺。這些先進的無線引擎包括高度集成的高性能發(fā)送/接收前端方案，以及分集接收（DRx）模塊。此外，憑借其SkyOne LiTE平臺，Skyworks已在高端市場獲得了一些設(shè)計大獎；在低端市場方面，贏得中國OEM廠商（華為、OPPO、vivo、小米）的青睞。

Qorvo組合拳產(chǎn)品多元化。采用類似的方法，分別通過RF Fusion和RF Flex平臺提供涵蓋高端和低端市場的廣泛產(chǎn)品組合。Qorvo的另一個優(yōu)勢在于其內(nèi)部測試和封裝能力，可以縮短響應(yīng)時間并持續(xù)改進。值得注意的是，Qorvo是第一家推出用于超高頻段覆蓋的射頻前端模組廠商。Murata主要涉足低頻段，但非常適合不斷增長的多樣化射頻模組市場。高通（Qualcomm）是新進入者，帶來了從調(diào)制解調(diào)器到天線的端到端解決方案。此外，對TDK Epcos濾波技術(shù)的戰(zhàn)略投資已經(jīng)初見成效。

毫米波有機會破壞競爭格局。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”。實際上，新的射頻頻段，6 GHz以下頻段（Sub-6 GHz）和毫米波，對該行業(yè)產(chǎn)生了巨大挑戰(zhàn)，并有機會破壞市場競爭格局。除了6 GHz以下頻段之外，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！

5、產(chǎn)業(yè)鏈重點受益公司

基站射頻PA：Qorvo、CREE、穩(wěn)懋、旋極信息（擬收購安譜?。⑷补怆?、海特高新（海威華芯）；

移動終端及IOT射頻PA：Skyworks、Qorvo、高通、***穩(wěn)懋、三安光電、環(huán)旭電子、卓勝微電子、信維通信。