從2020到2021年將是5G大規模商用的時間。目前主流的5G芯片玩家,包括高通、海思、英特爾都是采用4G LTE外掛5G-NR模塊的方式來做5G測試。預計到2019年會出現真正的5G手機商用。
頻譜是5G的血液,5G頻段的確定意味著全國范圍的大規模5G試驗即將展開, 5G賽道正式鋪開。
中國電信和中國聯通獲得的3.5GHz頻段是全球公認的5G熱門頻段,且韓國、日本、英國等多國運營商已確定采用該頻段建設5G,前期已基于3.5G頻段進行了大量測試,所以不必擔心產業鏈是否成熟的問題。
中國移動采用的n41頻段屬于4G 重耕,n79則是新增加的頻段。美國的運營商Sprint也確定用n41頻段部署5G。
針對中國運營商,包括n41、n77、n78、n79在內的所有5G頻段,目前完全覆蓋的射頻器件廠商并不多, Qorvo就是其中一家。
在12月6日舉行的中移動全球合作伙伴大會期間,筆者就跟Qorvo亞太區移動產品事業部高級戰略市場經理陶鎮(Lawrence Tao)進行了一段長達兩小時的交流。陶鎮認為:在5G時代,射頻器件的重要程度可能大大超過4G時代。射頻器件的重要程度將不亞于手機主芯片。
據了解,手機中RF器件的成本越來越高,一個4G全網通手機,前端RF套片的成本已達到8-10美元,含有10顆以上射頻芯片,包括2-3顆PA、2-4顆開關、6-10顆濾波器。未來隨著5G到來,RF套片的成本很可能會超過手機主芯片。而物聯網的爆發,更是會對射頻器件的需求推波助瀾。
從4G到5G,增加了哪些射頻器件?
從4G到5G,給普通消費者最大的感受變化就是速度一下子加快了,而通信速率的變化主要取決于帶寬。相比4G單載波最高20Mhz的帶寬,5G帶寬在6Ghz以內單載波最高可以做到100Mhz,毫米波最高可以做到400Mhz帶寬。
那么如何拓展帶寬呢?其實4G理論的做法是MIMO多載波聚合的方式。比如LTE單載波是20Mhz的話,上行最多可以做到3載波聚合,也就等于60Mhz帶寬。到了5G單載波就可以做到100Mhz,5G基站一般采用64 TRX Massive MIMO天線,5G手機至少需要支持4×4的下行MIMO,2×2的上行MIMO天線,這意味著未來5G峰值速率至少將達到2Gbps以上。
由于4×4的天線陣列尺寸會大很多,因此射頻模塊化將會是5G射頻器件的一個趨勢。同時由于天線過多,需要支持SRS功能,在發射過程中選擇不同的天線。為了支持更多的載波聚合,對于天線分工的需求會大大增加,同時需要用到大量的天線調諧技術。
從4G切換到5G,由于增加的新頻段并不多,5G時代只增加了兩個新頻段:3.5Ghz\4.8Ghz,因此對于功率放大器或濾波器的新增需求并沒有特別大。但是由于未來要實現4G、5G多模信號切換,以及解決信號共存和干擾問題,在系統架構上需要更多的天線分工器以及天線調諧功能。
陶鎮預計5G終端成本最開始會比4G高很多,因為需要做4×4的MIMO,射頻器件至少會多出三個模塊。在LTE時代,4×4的MIMO是非強制性的。但是到了5G就變成強制性了,無論N41、N77、N79哪個頻譜,都必須要做4×4的下行。另外以前LTE上行一般是一路,到了5G就要變成兩路。
由于5G通信將面臨前所未有的大帶寬、非常高的功率放大器線性度,以及廣泛的載波聚合驅動型頻率的擁堵,導致5G射頻器件相比4G前所未有的復雜。
為什么5G時代BAW比SAW更重要?
一方面主芯片廠商的增長率面臨下滑,需要拓展新的市場。另一方面5G射頻器件是非常大的蛋糕,僅從個數上射頻器件會遠超主芯片。
種種跡象都引起了手機主芯片廠商的警覺。實際上,近年來高通、聯發科以及紫光展銳都先后通過收購擁有了自己的射頻PA公司。比如高通與TDK聯合建立RF360,聯發科收購絡達,紫光展銳則有RDA。
主芯片廠商通過捆綁銷售的策略具有一定市場優勢,不過在高端旗艦產品中,一線品牌仍更傾向于采用Qorvo獨立RF廠商的射頻器件。
2018年2月,在西班牙巴塞羅那世界移動通信大會期間,中國移動發布“5G終端先行者計劃”。值得一提的是,這個先行者計劃的參與企業,除了手機公司以及主芯片廠商外,就包括Qorvo等四家射頻器件商??梢哉f這是中國移動作為運營商進行的官方認證,表示認可這四家公司成為5G射頻器件的供應商。
陶鎮表示,在目前全球射頻器件公司中,Qorvo和Skyworks兩家占據了90%的市場份額。在sub6Ghz頻段以內的射頻器件,Qorvo都有覆蓋,目前處于領先優勢。
其實Qorvo這家公司的歷史并不長,Qorvo是基于RFMD與TriQuint兩家傳統射頻半導體大廠的合并,在整個射頻半導體業才誕生三年。除了手機射頻之外,Qorvo還有國防、太空相關的產品線。目前Qorvo的晶圓包括濾波器都是在美國的晶圓廠生產,后端封裝測試則放到了中國。
截止到2018年9月29日,根據Qorvo財報顯示,Qorvo 2019財年第二季度收入為8.84億美元,毛利率為40%。其中針對旗艦智能手機的移動產品收入增長37%,達到6.67億美元。
據介紹,從2G到4G,Qorvo都有全線的產品布局。2017年,Qorvo開發了第一款基于5G NR新標準的射頻前端模塊。陶鎮表示,Qorvo在業內第一家正式推出3.5Ghz的射頻前端,目前Qorvo已經為中國領先的智能手機廠商提供雙頻段3.5Ghz和4.9GHz 5G模塊。同時為28Ghz的相控陣5G基站部署高功率放大器。
陶鎮表示,目前5G覆蓋的頻段主要為三大塊:第一個頻段是3.5Ghz,頻段號為n77/n78;第二個頻段是4.8Ghz,頻段號為N79;第三個頻段為2.5Ghz,頻段號為N41。
在2018年11月初溫哥華的GTI研討會上,Qorvo就首次展示了支持n41頻段的射頻前端模塊QM75041 全頻段n41濾波器TQQ0041T,集成了功率放大器、濾波器、開光、耦合器等。這也是Qorvo首次展示適用于n41頻段的射頻解決方案。此外,Qorvo還推出了單個支持n41頻段的濾波器。
據透露,針對中國聯通、中國電信等其他運營商在n77、n78、n79等頻段的需求,Qorvo則以QM78201為設計解決方案進行支持。
Qorvo 在 5G領域積累了許多核心技術,從 LowDrift 和 NoDrift 濾波技術、天線調諧技術到 RF Fusion 和 RF Flex 射頻前端解決方案,再到更加基礎的 GaN 技術,Qorvo 提供了行業領先的核心架構、濾波器和開關產品。
目前Qorvo在n41模塊方向具有研發和整合能力。雖然目前已經有不少射頻器件廠商加入5G競爭,不過未來射頻模塊化需要考驗集成能力。比如在低頻階段,主要涵蓋1~2個PA。中高端頻段一般有兩個PA,幾十個SAW濾波器。到了高頻段,則需要用BAW濾波器來做,才能達到更好的性能。
這里的SAW和BAW都是聲學濾波器,其中SAW叫做表面聲波濾波器,BAW則叫做薄膜聲學諧振器。原理基本上跟SAW類似,不過由于聲信號在介質內傳輸,所以體積可以做得更小。聲學濾波器更多用在手機中,優勢在于尺寸可以做到很小。還有一種陶瓷濾波器,尺寸不太可能放在手機里面。
BAW的性能比SAW更好,同時也更省電,可以讓PA工作在更高的電壓,加工起來難度也更大,屬于超精細加工。
目前一般針對低性能的市場采用SAW,而高性能的市場則采用BAW。Qorvo的優勢在于可以同時提供BAW、SAW。這一點很重要,因為很多射頻器件公司只能提供SAW,無法滿足高端市場的需求。相比競爭對手,Qorvo在射頻器件這一塊產品線最全,不管是BAW、SAW、SOI、開關都有,同時還具備模塊化能力。
無論是BAW還是SAW,都支持不了全頻段的帶寬,無論是900兆的3.5GHz,或者是600兆的4.8GHz。陶鎮表示,Qorvo也在不斷的改進工藝,讓未來5G在兩個頻段都可以做到。陶鎮認為,現階段,5G商用的射頻器件暫時都聚焦在6GHz以下,毫米波的產品市場啟動沒這么快。
點評:聚焦核心競爭力,哪類射頻公司布局最完善?
相比競爭對手,Qorvo的另一個優勢在于掌握了PA的生產制造能力。優秀的生產工藝一直是Qorvo的強項,能提供的射頻器件工藝極其廣泛,從CMOS、砷化鎵、氮化鎵、磷化銦(InP)到SOI工藝都有布局。
從技術上來看,目前主流的射頻器件都以砷化鎵(GaAs)為主,毫米波則要用到氮化鎵(GaN)。憑借獨有的高性能HBT(HeterojuncTIon Bipolar Transistor,異質結雙極晶體管)工藝,Qorvo將GaAs的潛能挖掘到極致。由于砷化鎵材質下PA輸出能力足夠大,因此砷化鎵的天線陣列尺寸可以更高,效率要更高。除了GaAs,Qorvo也有CMOS工藝,不過主要用來做2G射頻器件。據介紹,Qorvo的晶圓制造工廠目前都在美國,在北京、山東德州都有封裝測試廠。
總的來說,雖然目前包括高通、MTK、展銳在內的主芯片公司紛紛打包銷售PA,勢必對獨立第三方的射頻PA公司造成影響。但目前一線手機品牌如蘋果、三星、華米OV都仍然采用Qorvo,Skyworks,Avago的器件??梢娚漕l器件的技術和制造門檻之高,并非新進入者能夠輕易超越的。
在三家一線射頻公司中,Qorvo技術和市場最全面,PA和濾波器都有所建樹。Skyworks則在濾波器方面略顯單薄。Avago相對來說,主要將心思放在高利潤市場里,普通客戶那里并沒有太多收獲。應該說Qorvo的布局最全面,未來將獲得最多的機會。Qorvo是2014年由RFMD與TriQuint合并而成。RFMD和TriQuint都是Apple,Samsung的PA供應商。而Skyworks和Avago在各個環節也有相應的布局。
類似于Qorvo這樣的公司,不僅自己研發,還可以自己生產、封裝測試,主要芯片自產保證了容易控制成本。相對來說大陸本土射頻企業仍然比較弱勢,因為大多只有設計研發能力。
此外,隨著5G時代來臨,射頻器件數量大增以及模塊化趨勢明顯,特別是濾波器對于BAW的需求增加,誰擁有更充足的BAW產能,誰將在未來發展中獲得優勢地位。