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功率放大器（PA）是手機(jī)和基站最關(guān)鍵的器件之一，它直接決定了手機(jī)、基站無(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……

相比4G時(shí)代的“1發(fā)射2接收”，5G時(shí)代智能手機(jī)將采用“2發(fā)射4接收”方案，未來(lái)有望演進(jìn)為“8接收”方案?？梢?jiàn)，5G將帶動(dòng)移動(dòng)終端、基站及IOT設(shè)備射頻PA的穩(wěn)健增長(zhǎng)。

為何5A PA數(shù)量大增？

業(yè)內(nèi)人士指出，4G手機(jī)內(nèi)PA數(shù)量平均5-7個(gè)，5G手機(jī)至少十多個(gè)，以20 億部通訊終端、單價(jià)1-1.5 美金計(jì)算，市場(chǎng)將是千億元級(jí)別。跟4G相比，5G PA數(shù)量為何有如此大的增長(zhǎng)？

Qorvo應(yīng)用工程師總監(jiān)Jeffrey Yang表示，從基站PA的層面來(lái)看，首先，Massive-MIMO是5G基站區(qū)別于4G基站的核心技術(shù)之一，目前主流運(yùn)營(yíng)商布網(wǎng)采用的mMIMO的通道數(shù)為32T或64T，遠(yuǎn)高于4G基站的通道數(shù)；其次，5G頻段位于更高的頻段，基站在相同輸出功率下，覆蓋面積更小，需要建設(shè)更多的基站來(lái)提供足夠的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

而從手機(jī)端PA層面來(lái)看，5G相對(duì)于4G，額外增加了sub-6G及毫米波頻段，比如3.3-3.6GHz、4.8-4.9GHz、28GHz和39GHz，這些頻段在手機(jī)端都需要增加額外的PA來(lái)覆蓋。

廣州慧智微電子有限公司（以下簡(jiǎn)稱“慧智微”）技術(shù)市場(chǎng)總監(jiān)彭洋洋同樣表示，與4G相比，5G PA數(shù)量增長(zhǎng)主要來(lái)自兩個(gè)方面：一是終端需要增加射頻前端的數(shù)量，以增加對(duì)新頻段（n77/78/79）的支持；二是5G應(yīng)用需要上行MIMO（多輸入多輸出），增加射頻PA的使用數(shù)量。

5G PA必須同時(shí)滿足三大需求

因5G支持頻段數(shù)量的增加以及MIMO技術(shù)的應(yīng)用，5G手機(jī)和基站PA的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于4G，尤其是MIMO導(dǎo)致的整機(jī)功耗問(wèn)題。

Qorvo Jeffrey Yang表示，在基站側(cè)，5G基站由于為了提高數(shù)據(jù)吞吐量而采用了mMIMO技術(shù)，從而導(dǎo)致射頻接收發(fā)通道數(shù)劇增，設(shè)備商在整機(jī)功耗、尺寸、散熱、成本方面的面臨的挑戰(zhàn)比4G時(shí)代更為嚴(yán)峻，PA作為基站RRU的耗電大戶之一更是被重點(diǎn)關(guān)注。

據(jù)悉，Qorvo順應(yīng)時(shí)代要求，推出了一系列基于GaN-on-SiC工藝的GaN PA, 包括QPD0005、QPD0210、QPD0305、QPD0405等型號(hào)，這一系列PA具備高效率、低熱阻的特性，已大規(guī)模應(yīng)用于業(yè)界主流設(shè)備商的5G基站設(shè)備內(nèi)。

慧智微彭洋洋告訴《國(guó)際電子商情》分析師，相比于4G，5G手機(jī)PA主要挑戰(zhàn)來(lái)自于體積、成本和性能：（1）5G PA數(shù)量增加，需要單個(gè)PA的面積更??；（2）5G PA數(shù)量的增加，需要單個(gè)PA的成本更低；（3）5G頻率更高、帶寬更大、功率更高，需要單個(gè)PA有更好的性能。他強(qiáng)調(diào)說(shuō)，對(duì)于5G手機(jī)而言，更大的挑戰(zhàn)來(lái)自于以上三個(gè)需求需要同時(shí)滿足，這在當(dāng)前PA設(shè)計(jì)中幾乎是不可能完成的任務(wù)。

基于對(duì)射頻前端的復(fù)雜需求的滿足，慧智微提出“可重構(gòu)方案”來(lái)實(shí)現(xiàn)射頻前端。特色在于，在射頻PA設(shè)計(jì)中，僅使用一套硬件，搭配軟件調(diào)諧，就可以完成多個(gè)頻段的覆蓋。慧智微的5G射頻前端方案，采用一套硬件，同時(shí)支持分別工作于3.5GHz、4.9GHz的n78、n79兩個(gè)頻段。

因采取一套硬件，滿足了5G手機(jī)對(duì)PA提出的“面積、成本”挑戰(zhàn)。同時(shí)，由于采用軟件調(diào)諧進(jìn)行性能優(yōu)化，可解決5G PA對(duì)性能的高需求。

據(jù)了解，慧智微的最大優(yōu)勢(shì)在于其“可重構(gòu)方案”，慧智微自2011年成立時(shí)，開(kāi)始此方案產(chǎn)品化的研究，經(jīng)過(guò)3年核心技術(shù)的開(kāi)發(fā)，自2014年來(lái)，實(shí)現(xiàn)了系列“可重構(gòu)方案”4G多頻多模射頻前端芯片的量產(chǎn)。如S303：世界首款量產(chǎn)可重構(gòu)射頻功放芯片；S318：國(guó)內(nèi)首款量產(chǎn)Phase2 5模射頻前端芯片；S5643/2916及-51系列：最具性價(jià)比優(yōu)勢(shì)4G射頻前端芯片。

截至目前，慧智微可重構(gòu)4G射頻芯片出貨達(dá)近億顆，在全球可重構(gòu)射頻前端出貨中排名第一。

前面已經(jīng)提到，PA是最耗電、效率最低的器件，有統(tǒng)計(jì)指出約一半的基站功耗來(lái)自PA。功耗問(wèn)題成為設(shè)計(jì)原廠最難應(yīng)對(duì)的“攔路虎”。

Jeffrey Yang認(rèn)為，無(wú)線通訊基站是通過(guò)射頻信號(hào)來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋的，射頻功率越大，覆蓋的范圍就越大，而基站射頻信號(hào)都是經(jīng)PA放大發(fā)射出去，所以PA作為基站最耗電的器件這種說(shuō)法并不為過(guò)。

提高PA效率不是一個(gè)單純的電路設(shè)計(jì)問(wèn)題，而是一個(gè)系統(tǒng)性的問(wèn)題，工程師們幾十年以來(lái)一直在不斷的運(yùn)用各種技術(shù)來(lái)提高PA的效率，手段主要包括合理選擇信號(hào)的調(diào)制方式、電路架構(gòu)、線性化技術(shù)及半導(dǎo)體材料等等，可以看到PA整機(jī)效率已經(jīng)由2G時(shí)代的10%左右提高到了5G時(shí)代的>40%。

彭洋洋認(rèn)為，PA功耗大的原因在于，相比基帶、射頻收發(fā)機(jī)工作在小信號(hào)，PA需要工作在大信號(hào)狀態(tài)，完成近1W或幾W量級(jí)的功率輸出。由于PA的功率轉(zhuǎn)換效率通常在30-50%，PA的電源耗電也會(huì)達(dá)到數(shù)W量級(jí)。在5G手機(jī)中，由于需要支持更高的功率等級(jí)，達(dá)到更好的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)，預(yù)計(jì)在5G手機(jī)中，PA功耗會(huì)進(jìn)一步加大。

市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局分析

在終端市場(chǎng)，全球PA絕大部分市場(chǎng)份額被Skyworks、Qorvo、Broadcom、Murata占據(jù)，四家廠商合計(jì)占比達(dá)97%，其中前三家合計(jì)占比達(dá)到92%。

三家廠商的財(cái)報(bào)數(shù)據(jù)來(lái)看，它們?cè)谝苿?dòng)通信射頻前端市場(chǎng)的毛利率均高于40%，最高可達(dá)50%，凈利率約30%，具有極強(qiáng)的盈利能力。

值得注意的是，Qorvo、Skyworks和Broadcom都完成了PA、Switch、Duplexer、Filter射頻前端全產(chǎn)品線布局，且在射頻PA代工模式上，Skyworks、Qorvo和Broadcom均采用IDM模式（部分由穩(wěn)懋代工）。目前國(guó)內(nèi)廠商在這方面尚存在短板，晶圓代工廠主要有三安光電、海特高新和臺(tái)灣穩(wěn)懋等。PA封測(cè)廠主要是華天科技和長(zhǎng)電科技。

國(guó)內(nèi)PA設(shè)計(jì)公司主要有中科漢天下、唯捷創(chuàng)芯、紫光展銳、慧智微、飛驤科技、中普微（韋爾股份控股）等。

管PA設(shè)計(jì)參與者不多，但是面對(duì)5G紅利市場(chǎng)，競(jìng)爭(zhēng)依然存在，如何應(yīng)對(duì)友商的競(jìng)爭(zhēng)？Qorvo Jeffrey Yang坦言，“低成本、高效率、高集成”是業(yè)界一貫的訴求，5G時(shí)代也是一樣。Qorvo立足于自有GaN工藝（高效，供應(yīng)鏈穩(wěn)定），不斷提升提升產(chǎn)品集成度（高集成PA module）、降低成本來(lái)（6英寸GaN Wafer）應(yīng)對(duì)競(jìng)爭(zhēng)。

5G時(shí)代，手機(jī)廠商進(jìn)一步集中，為了獲取主序市場(chǎng)核心客戶的主要份額，國(guó)內(nèi)射頻前端公司需要突破“性能、成本、專利”三個(gè)關(guān)口。彭洋洋表示，慧智微采用創(chuàng)新的技術(shù)方案，提升射頻前端性能，突破性能關(guān)；采用硬件復(fù)用的技術(shù)從根本上降低成本，在量不大時(shí)，仍有成本優(yōu)勢(shì)；采用架構(gòu)創(chuàng)新，獲得基礎(chǔ)專利，規(guī)避原有專利。慧智微期待用突破性的技術(shù)，解決“性能、成本、專利”這三個(gè)擺在國(guó)內(nèi)射頻前端公司面前的三大關(guān)口，實(shí)現(xiàn)主序市場(chǎng)核心客戶的主要份額。

GaAs與GaN工藝大比拼

在制造工藝及材料方面，射頻PA主要采用GaAs、RF-SOI、RF CMOS和SiGe。其中基站PA將采用高頻性能更好的GaN材料，終端PA預(yù)計(jì)仍會(huì)采用性價(jià)比更高的GaAs材料。

Jeffrey Yang表示，預(yù)計(jì)一段時(shí)間GaAs還是手機(jī)PA的主流，RF CMOS工藝工作頻段和性能上還不夠成熟，目前GaN工藝的供電電壓為28V和48V，還不能應(yīng)用于手機(jī)這種場(chǎng)景，從成本上來(lái)看也還沒(méi)有達(dá)到手機(jī)所能接受的范圍。

據(jù)悉，3G/4G手機(jī)PA中，功率輸出部分目前主要采用GaAs工藝。2G PA中已經(jīng)有廠商通過(guò)RF CMOS來(lái)實(shí)現(xiàn)。GaN工藝在手機(jī)中應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)在于，手機(jī)中無(wú)法提供GaN需求的高供電電壓。

對(duì)于“GaN比GaAs更適用宏基站PA，而GaAs更適用微基站”的說(shuō)法，Jeffrey Yang認(rèn)為，目前業(yè)界2W以下的場(chǎng)景主要是GaAs PA，2W以上的場(chǎng)景由LDMOS PA和GaN PA占據(jù)。GaAs工藝比較適合平均功率2W以下的微基站，而GaN工藝的“高效率、高帶寬、高功率密度、低熱阻”的特性，適合用于宏基站大功率輸出場(chǎng)景，并成為新一代宏基站PA的不二之選。

談及5G宏、微基站工藝選擇的差異性，Jeffrey Yang表示，這是由工藝自身特點(diǎn)所決定的，微基站輸出功率小、供電電壓低、數(shù)量大、成本低，GaAs工藝很好的契合了這個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景需求。他預(yù)計(jì)，這種宏基站用GaN、微基站用GaAs的情況2-3年內(nèi)不會(huì)發(fā)生大的改變。

5G紅利期降至，參與者競(jìng)技賽開(kāi)啟

全球手機(jī)PA市場(chǎng)幾乎被Qorvo、Skyworks、新博通、村田等廠商占據(jù)，PA基站市場(chǎng)主要被NXP、Ampleon等廠商占據(jù)。隨著5G到來(lái)，該格局可能會(huì)發(fā)生一些改變。

“除了手機(jī)市場(chǎng)，Qorvo在基站市場(chǎng)也占據(jù)了很大的份額。隨著5G市場(chǎng)的到來(lái)，甚至未來(lái)6G市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)外廠商對(duì)射頻前端的研發(fā)和設(shè)計(jì)會(huì)越來(lái)越重視，或許未來(lái)會(huì)有一些新面孔出現(xiàn)在PA市場(chǎng)，但PA技術(shù)相對(duì)來(lái)說(shuō)門(mén)檻越高，技術(shù)攻克以及市場(chǎng)儲(chǔ)備需要一定的條件和時(shí)間積累，所以，短期之內(nèi)，格局并不會(huì)有很大的改變。”Jeffrey Yang表示。

有人指出，未來(lái)，F(xiàn)abless設(shè)計(jì)廠商通過(guò)和代工合作伙伴的合作可能挑戰(zhàn)當(dāng)前競(jìng)爭(zhēng)格局。對(duì)此，Jeffrey Yang認(rèn)為，的確有一些同時(shí)擁有設(shè)計(jì)和制造能力的IDM公司由于半導(dǎo)體芯片工藝更新?lián)Q代和維護(hù)的成本及壓力太大，一些IDM廠商已紛紛放棄Foundry的運(yùn)營(yíng)，轉(zhuǎn)向Fabless模式或介于兩者之間的Fablite模式，即“輕晶圓”模式。但是模擬IC由于其設(shè)計(jì)過(guò)程和性能與工藝關(guān)系密切，還是有較多IDM公司保留自己的生產(chǎn)線，Qorvo也是其中之一。

更有業(yè)者認(rèn)為，5G射頻前端將給SiP系統(tǒng)級(jí)封裝帶來(lái)巨大的市場(chǎng)收益，因此PA“模塊化”設(shè)計(jì)的趨勢(shì)顯著。

Jeffrey Yang分析了其中的原因：“首先，從2G到5G，手機(jī)和基站需要支持的頻段越來(lái)越多, 通道數(shù)越來(lái)越多，但手機(jī)和基站的尺寸基本相對(duì)固定，因此對(duì)器件集成度的要求越來(lái)越高；其次，有能力的公司也極力推動(dòng)集成化，建立更高的技術(shù)堡壘的同時(shí)可將利潤(rùn)最大化。”

整體而言，PA廠商將在5G時(shí)代迎來(lái)新一波紅利期。目前，以Skyworks、Qorvo、Broadcom、Murata為代表的國(guó)際大廠依然會(huì)占據(jù)市場(chǎng)的主導(dǎo)地位，尤其是技術(shù)挑戰(zhàn)更大的5G應(yīng)用（手機(jī)+基站），國(guó)際大廠具有明顯的技術(shù)和市場(chǎng)的“先發(fā)”優(yōu)勢(shì)。而國(guó)內(nèi)PA產(chǎn)品近幾年也進(jìn)展神速。華為自行設(shè)計(jì)GaAs PA、慧智微的“可重構(gòu)”設(shè)計(jì)，給了國(guó)內(nèi) PA 廠商一劑強(qiáng)心針。同時(shí)，因5G帶動(dòng)的IOT等市場(chǎng)即將爆發(fā)，也將帶給國(guó)內(nèi) PA 廠商更多填補(bǔ)國(guó)外產(chǎn)品空缺的機(jī)會(huì)。