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

    手機中的功率放大器是將小信號轉換成大功率信號的裝臵，用于驅動特定負載的天線等。功率放大器于其工作頻率范圍、效率等要求達的不同會有不同類型的設計。

功率放大器的工作

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

功率放大器參數(shù)及作用

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

    功率放大器有各種類型，但最常用的是ClassC、ClassB、ClassAB以及CalssA，針對特殊的設計還可以具有開關模式。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型的濾波器設計。

功率放大器的分類

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

    5G對于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的用量至少會增加一倍。

2G向5G演變過程中相關參數(shù)變化

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

    在設計上，LTE制式下高端型手機中多采用的包絡追蹤（ET）技術來配合PA降低功耗。包絡追蹤技術通過追蹤射頻信號包絡，即檢測輸出信號能量，來不停適配PA的電源，從而優(yōu)化PA效率。但是包絡追蹤目前的技術只能支持到60MHz帶寬，在5G載波聚合應用后帶寬可以100MHz，此時包絡追蹤技術無法滿足帶寬要求。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PA的效率會下降。

包絡追蹤ET技術

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

    5G增加的新波形，例如CP-OFDM和其他信道進行載波聚合后，會有更高峰值平均功率比（PAR），所以在5GPA中需要實現(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，以便使整個信號在PA傳遞曲線的線性區(qū)域范圍內(nèi)。這樣做會給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

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

    5GRFFE還可能需要支持LTE中與5GFR1重合的頻率，對LTE向下兼容?？紤]到電池壽命，手機制造商希望盡可能使用ET來保證PA效率，這意味著使用ET進行LTE傳輸和采用60MHz帶寬的5G信號。因此，PA在ET模式下工作時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模式和相對窄帶的ET模式下PA的的工作模式，給RFFE供應商帶來很大挑戰(zhàn)。此外，在ET和APT模式之間切換需要復雜的電源管理。

    毫米波波段的5GNR標準對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，可能會導致功率效率較低，還會導致嚴重的熱問題，使得手機的電池壽命縮短。因此也需要引入了供電調制（SM）技術，例如包絡跟蹤（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多模多頻手機所需的PA芯片增至5-7顆，而在5G時代StrategyAnalytics預測稱手機內(nèi)的PA或多達16顆之多。PA直接決定了手機無線通信的距離、信號質量，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。

    根據(jù)調查數(shù)據(jù)預測，功率放大器市場預計將從2018年的214億美元增長到2023年的306億美元，復合年增長率達到7.4%。消費類電子產(chǎn)品的日益普及和LTE、5G技術的會持續(xù)推動功率放大器市場的增長。功率放大器市場的擴大也會使得材料供應商、處理器、制造商等收益。

2015-2023年PA市場在全球范圍內(nèi)及預測

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

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

    根據(jù)調查數(shù)據(jù)預測，5G將推動RF功率放大器（PA）市場的增長。經(jīng)過過去三年的市場低迷，功率放大器將由于5G手機和其他蜂窩用戶設備的需求而增加。PA模組是集成和簡化RF設計的基礎。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技術的應用Skyworks、Qorvo、Broadcom、Murata等主要廠商會承受很大的設計、研發(fā)、以及供貨壓力。5G帶來的PA模塊復雜度的提升，會加入諸如濾波器、開關等模塊，隨著市場的增長，這種復雜PA模塊不會僅僅存在于旗艦高端智能設備應用中，還將會逐漸向中低端設備中滲透。在這樣的壓力下，預計全球的PA供應商會進一步增加研發(fā)預算以滿足OEM廠商的需求。

全球PA市場份額統(tǒng)計

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

    高通對手機5G射頻前端模組進行供貨，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）頻段的基礎上增加了頻段n258（24.25-27.5GHz）對北美、歐洲和澳大利亞進行支持。同時高通公司還推出了全球首個5G100MHz包絡追蹤解決方案QET6100，一系列集成的5G/4G功率放大器（PA）和分集模塊，以及QAT35555G自適應天線調諧解決方案。

    QET6100將包絡跟蹤技術擴展到100MHz帶寬的上行鏈路以及5GNR所需的256-QAM調制技術上，這在以前被認為是無法實現(xiàn)的。與平均功率跟蹤技術APT相比功率效率加倍，可以延長電池壽命

    Qorvo的PA在5G基站應用上可以進行供貨，在手機設備中目前只提供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目前提供的手機應用的PA產(chǎn)品可以針對GSM/GPRS/EDGE應用，LTE、TD-SCDMA、CDMA、WCDMA、以及手機藍牙等。

    功率放大器的需求增加，帶動了對“砷化鎵/氮化鎵”化合物半導體的需求。3G、4G時代，移動終端PA主要是砷化鎵器件，根據(jù)Technavio數(shù)據(jù)，2021年砷化鎵器件市場規(guī)模將達630億元人民幣。5G通信時代，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)調查數(shù)據(jù)顯示，預計2020年GaN射頻市場規(guī)模達到41億人民幣。在PA領域，國內(nèi)設計公司有近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。

    相關報告：智研咨詢發(fā)布的《2019-2025年中國射頻功率放大器行業(yè)市場分析預測及投資方向研究報告》