5G預(yù)計將在2020年正式商用。從整體的推進(jìn)過程來看,5G推進(jìn)過程分為5G研究階段、5G標(biāo)準(zhǔn)化階段和產(chǎn)品研發(fā)階段。從國際電信聯(lián)盟(ITU)的IMT-2020(5G)工作計劃,以及國際移動通信行業(yè)主要標(biāo)準(zhǔn)組織3GPP的工作計劃來看,目前處于5G標(biāo)準(zhǔn)化階段。同時,各國積極進(jìn)行5G標(biāo)準(zhǔn)研究,有序推進(jìn)5G標(biāo)準(zhǔn)化工作,歐盟、美國、中國、日本、韓國等均預(yù)計2020年實現(xiàn)5G商用,其中韓國將在2018年平昌冬奧會實現(xiàn)5G部分商用。
國際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布了5G愿景,5G有三大應(yīng)用場景:eMBB,mMTC和URLLC。eMBB對應(yīng)的是超高清視頻等大流量移動寬帶業(yè)務(wù),mMTC對應(yīng)的是大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù),URLLC對應(yīng)的是如無人駕駛、工業(yè)自動化等需要低時延高可靠連接的業(yè)務(wù)。IMT-2020(5G)推進(jìn)組作為我國5G標(biāo)準(zhǔn)化工作的主要承擔(dān)者,也發(fā)布了5G愿景,這個遠(yuǎn)景和ITU發(fā)布的愿景結(jié)論基本一致。IMT-2020(5G)推進(jìn)組定義的5G主要場景包括連續(xù)廣覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接和低時延高可靠。
在這種愿景下,5G潛在應(yīng)用市場廣闊。5G高帶寬和低時延的性能特點將使自動駕駛、AR/VR、物聯(lián)網(wǎng)等潛在應(yīng)用成為現(xiàn)實,同時可以提升目前已經(jīng)實現(xiàn)的監(jiān)控、視頻流、即時游戲、災(zāi)害預(yù)警等應(yīng)用的體驗。
實現(xiàn) 5G 的關(guān)鍵是射頻技術(shù),手機(jī)射頻器件配套升級勢在必行。在一個無線通訊系統(tǒng)中,需要使用三個集成電路——基頻(BB),中頻(IF),和射頻(RF)——將接收到的訊號進(jìn)行轉(zhuǎn)換和傳輸,實現(xiàn)通信功能。
簡單而言,射頻負(fù)責(zé)接收及發(fā)射高頻信號,基頻負(fù)責(zé)信號處理及儲存等,中頻則是射頻與基頻的中介橋梁,使信號能順利由在高頻信號和基頻信號之間轉(zhuǎn)換。
射頻(RF)是Radio Frequency的縮寫,表示可以輻射到空間電磁波的頻率,同時也是有遠(yuǎn)距離傳輸能力的高頻電磁波的簡稱。如前述,射頻器件是手機(jī)等各種無線通訊設(shè)備的關(guān)鍵部件,主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生發(fā)送及接收處理高頻電磁波的工作。與負(fù)責(zé)將模擬信號與二進(jìn)制數(shù)字信號相互轉(zhuǎn)換的AD/DA技術(shù)不同,射頻技術(shù)負(fù)責(zé)將微弱的低頻模擬信號放大成高頻電磁波將信息傳遞出去,并且將從外界接受到的高頻電磁波進(jìn)行過濾等工序后轉(zhuǎn)化為低頻模擬信號供基帶芯片處理。
可以說,沒有射頻技術(shù),無線通訊就無從談起??v觀移動通信技術(shù)發(fā)展史,每一代移動通信技術(shù)的成功提升,都離不開射頻技術(shù)的進(jìn)步。作為手機(jī)無線通訊系統(tǒng)的核心部件,射頻模塊在信號發(fā)射過程中實現(xiàn)低頻模擬信號到高頻電磁波信號的轉(zhuǎn)化,在信號接收過程中實現(xiàn)高頻電磁波信號到低頻模擬信號的轉(zhuǎn)化。
射頻器件包括功率放大器(PA)、濾波器、雙工器、射頻開關(guān)、低噪放大器、天線等。
濾波器潛在空間廣闊
通信技術(shù)的復(fù)雜化對射頻器件的數(shù)量、性能都提出了新的要求,未來手機(jī)射頻器件的應(yīng)用數(shù)量、價值量都將增加。智能手機(jī)的射頻系統(tǒng)不僅需要提供基礎(chǔ)的通信功能,滿足3G、4G、5G不同頻段的需求,還要支持藍(lán)牙、WiFi、GPS等無線連接功能,手機(jī)射頻系統(tǒng)向著復(fù)雜化、集成化方向發(fā)展,射頻器件如功放、濾波器、開關(guān)、天線等均實現(xiàn)了配置數(shù)量的增加和性能上的提升。
受益于5G商用,移動終端射頻市場規(guī)模將實現(xiàn)持續(xù)增長。2015年,全球移動終端射頻器件市場規(guī)模約有110億美金;根據(jù)高通半導(dǎo)體的預(yù)測,移動終端的射頻前端模塊在2015-2020年間的復(fù)合增速在13%以上;Qorvo預(yù)計到2020年市場規(guī)模將超過180億美金。
SAW 濾波器技術(shù)不斷發(fā)展,BAW 濾波器專攻高頻段。首先,濾波器是目前射頻前端總價值量最高的部分。濾波器負(fù)責(zé)發(fā)射及接收信號的濾波,可以讓特定頻率范圍的電磁波通過以實現(xiàn)頻率的篩選,價值占比約50%。
其次,通信頻段的增加會在“量”和“價”兩方面帶動濾波器市場的增長。
一方面,隨著通信技術(shù)的發(fā)展,通信頻段數(shù)量將會進(jìn)一步提升、從而增加所需濾波器數(shù)量。通信頻段從2G時代的4個增加到3G時代的26個,目前4G時代頻段數(shù)量達(dá)到41個。根據(jù)Skyworks的預(yù)測,未來5G將新增50個頻段,總頻段數(shù)量將達(dá)到91個。一般而言,每增加一個頻段將需要增加2個濾波器,因此頻段增加會直接為手機(jī)濾波器市場帶來量的增加。
另一方面,由于手機(jī)內(nèi)空間有限,5G時代的濾波器將不再是單純的數(shù)量疊加,而是會進(jìn)一步集成化和小型化,這對于濾波器的設(shè)計和制造將會提出更高要求,從而推升單位價值量。
由于濾波器大多是集成在濾波器組中,以蘋果手機(jī)為例,每臺iPhone 7 中有兩個大的濾波器組及兩顆單獨(dú)的濾波器,濾波器的數(shù)量與頻段數(shù)量并不是簡單的線性關(guān)系,通信頻段增加勢必帶來射頻被動器件進(jìn)一步價值的大幅增加。
另外,Mobile Experts的預(yù)測也顯示了手機(jī)濾波器行業(yè)受益于5G最為明顯,預(yù)計在2015-2020年會實現(xiàn)21%的年復(fù)合增長率。
BAW濾波器在高頻波段具有不可替代性。SAW和BAW兩種濾波器濾波原理不同,濾頻的性能也不一樣。SAW濾波器目前的技術(shù)在很高的頻段上濾波仍有困難,因為需要濾出的波頻率越高,根據(jù)公式推導(dǎo),IDT叉指之間的間距就需要做的越小,從技術(shù)層面考慮很難達(dá)到,而且隨之帶來的還有散熱及電遷移問題。部分高頻濾波功能目前還是要依靠BAW濾波器實現(xiàn)。
BAW濾波器的優(yōu)點是具有極低的損耗和極好的頻率選擇性,即使在高寬帶設(shè)計中,其性能對溫度的變化也不敏感,在高頻段(高于1.5GHz)具有明顯的性能優(yōu)勢。但是同時BAW濾波器也有一定的局限性,雖然是在更大晶圓上制造的,每片晶圓產(chǎn)出的BAW濾波器數(shù)量多了約4倍,但是其制造工藝步驟是SAW濾波器的10倍,相對復(fù)雜。因此BAW濾波器的制造成本仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于SAW濾波器以及TC-SAW濾波器。
SAW濾波器和BAW濾波器在5G時代都將得到大量運(yùn)用。SAW濾波器制造工藝簡單,生產(chǎn)成本低,但是溫度性能以及高頻段頻率選擇性不及BAW濾波器,因此適用于工作頻率在1.5GHz及以下的場合以節(jié)約成本。而BAW濾波器具有更低的損耗,在高頻段(1.5GHz以上)具有明顯的性能優(yōu)勢,在2GHz以上的頻段是唯一可用方案,勢必在5G智能手機(jī)產(chǎn)業(yè)內(nèi)占到不可或缺的份額,但是制造工藝復(fù)雜,生產(chǎn)成本高。
綜上所述,在目前的手機(jī)射頻系統(tǒng)中,對于高性能要求的高頻段,應(yīng)采用BAW濾波器,其余頻段可使用SAW濾波器以控制成本。未來伴隨SAW濾波器的技術(shù)不斷延伸,SAW濾波器有望延伸至更高頻段使用;同時伴隨BAW濾波器工藝水平的不斷成熟,兩者在5G時代有望得到更廣泛的應(yīng)用。
手機(jī)天線迎來量價齊升,公司作為國內(nèi)天線龍頭廠商將持續(xù)受益
5G通信時代下,多輸入多輸出(Multi-input Multi-output, MIMO)技術(shù)和陣列天線技術(shù)將是核心技術(shù)。與MIMO技術(shù)應(yīng)用相配套的陣列天線技術(shù)將顯著提高天線需求量。MIMO技術(shù)是一種描述多天線無線通信系統(tǒng)的模型,即利用射頻發(fā)射端的多個天線各自獨(dú)立發(fā)送信號,同時在接收端用多個天線接受并復(fù)原信息。
這種技術(shù)可以在不需要增加信道帶寬或者總發(fā)送功率損耗的情況下大幅地增加數(shù)據(jù)吞吐量以及發(fā)送距離,有效地提升了無線通信系統(tǒng)的頻譜效率、傳輸速率以及通信質(zhì)量,被視為下一代移動通信的核心技術(shù)。
MIMO天線單元的規(guī)模將從4G時代的2*2、4*4變?yōu)?*8甚至16*16,即是手機(jī)中的天線數(shù)量將從2、4根變?yōu)?根甚至16根,大大提高天線的需求數(shù)量。
無線天線數(shù)量的增加疊加全面屏?xí)r代下凈空區(qū)域縮減,更微型、穩(wěn)定的天線工藝成為迫切需求,先進(jìn)無線天線工藝憑借其優(yōu)勢滲透率將進(jìn)一步提升,將再次推高手機(jī)單機(jī)的天線搭載價值。天線設(shè)計需要凈空區(qū),而全面屏?xí)r代下手機(jī)凈空區(qū)域縮減,無線天線數(shù)量的增加對天線位置提出了更高的要求,同時5G時代下天線數(shù)量可能增加到16根,形成天線點陣。
而對于16個小的米粒大小的天線,不可能用16根屏蔽線引出信號到射頻芯片了,需要就地解決與芯片連接的難題。一般用一個芯片管理四個點陣,因此天線做成了點陣天線模組的形式,這將進(jìn)一步提高單價。
5G時代下,手機(jī)天線數(shù)量和結(jié)構(gòu)上的變化將對射頻廠商提出更高的要求。
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