5G系列·终端射频前端：5G终端商用序幕拉开，射频前端或将腾飞.pdf

电子 |证券研究报告 行业深度 2019 年 4 月 22 日 Table_Industr yRank 强于大市 公司名称 股票代码 股价 (人民币 ) 评级 环旭电子 601231.SH 14.5 增持 天通股份 600330.SH 8.32 增持 三安光电 600703.SH 13.15 买入 韦尔股份 603501.SH 56.13 增持 信维通信 300136.SZ 30.99 买入 立讯精密 002475.SZ 26.50 买入 资料来源：万得 ，中银国际证券 以 2019 年 4 月 19 日当地货币收市价为标准 相关研究报告 Table_relatedreport 5G 系列终端天线专题 20190225 电子行业 2019 年年度策略 20181226 电子行业 2018 年三季报综述 20181105 中银国际证券股份有限公司 具备证券投资咨询业务资格 Table_Industry 电子 Table_Analyser 赵琦 021-20328313 qi.zhaobocichina 证券投资咨询业务证书编号： S1300518080001 Table_Title 5G 系列 终端射频前端 5G 终端商用序幕拉开，射频前端或将腾飞 Table_Summary 5G 终端相关的硬件研发 和推广 在如火如荼的进行 ， 在上个 5G 专题报告中我们重点关注了手机天线的结构性变化，本篇射频前端专题报告我们将继续介绍射频前端带来的改变。射频前端架构、天线调谐器、滤波器、射频开关 、功率放大器等 在 5G 手机中将会面临设计空间、双连接、 MIMO、宽带和新波形、频段重耕带来的 一 系列 变化 。 支撑评级的要点 5G 通信技术的变革会给手机终端射频前端设计带来很多挑战，如天线数量增加对空间的挤压、非独立组网双连接带来的复杂度提升、上行链路4x4 MIMO 对射频器件用量的需求、宽带和新波形采用迫使的功率放大器技术更新、 LTE 频段重耕带来的设计复杂性等。 5G 带来挑战的同时也给射频前端市场带来新的机遇，根据 Yole 的预测，射频前端模块市场会在5G 的影响下于 2023 年达到 352 亿美元的市场规模。 天线调谐器是 5G 射频前端中重要的控制器件，可以用来改善 5G 带宽拓展带来的匹配和效率降低的问题。除此之外 ，天线调谐器还能够简化 OEM厂商的设计过程，提高设计自由度。根据 IHS Markit 预测，中高端天线调谐器在 2016 到 2021 年将会达到 4%的年复合增长率。 5G 对滤波器带来的影响体现在两方面。首先是频率的变化， sub-6GHz 中的 3.5-6.0GHz 更有可能采用 BAW 和温度补偿型 TC-BAW 滤波器；而毫米波滤波器将会使用基于 EM 技术的高性能的波导和腔体滤波器。其次是用量的提升， RF 路径的增加大大刺激了滤波器用量的提升，预计在 5G手机中至少有 60 个。根据 Yole 的预测，全球滤波器市场将会从 2017 年的 150 亿美元增长到 2023 年的 225 亿美元，年复合增长率达到 19%。 射频开关在 5G 要求下既要满足高功率高频率要求，也要配合更加复杂的射频信号路径进行结构性提升。射频开关可能会采用化合物半导体工艺如 GaN、 GaAs 工艺等，或继续沿用 RF SOI 工艺。 根据 QYR Electronics Research Center 预计 ， 到 2020 年 射频开关市场会 达到 19.01 亿美元。 功率放大器方面，宽带和高功率也使得原来的 4G LTE 中的功率放大器不再满足要求。包络追踪技术需要进一步加强，或者采用平均功率追踪技术，但是 也会产生相应的功率放大器效率问题。 4x4 MIMO 上行链路会增加功率放大器的使用量， 在 5G 时代 Strategy Analytics 预测称手机内的 PA或多达 16 颗之多 。 根据 Marketandmarkets 预测，功率放大器市场预计将从 2018 年的 214 亿美元增长到 2023 年的 306 亿美元，复合年增长率达到7.4%。 相关产业链标的 与本文研究相关产业链相关公司包括 立讯精密、信维通信、卓胜微、麦捷科技、韦尔股份、紫光展锐、汉天下、唯捷创芯等 ，建议关注 标的 ：信维通信、韦尔股份、环旭电子、三安光电、天通股份 。 评级面 临的主要风险 5G 推广不及预期风险；消费电子可能受到供需不 足、价格下滑等宏观因素影响 ； 5G 射频前端技术路径改变等风险。 Table_Companyname 2019 年 4 月 22 日 5G 系列终端射频前端 2 目录 1. 5G 硬件发展现状 . 5 2. 天线调谐器 . 13 3. 滤波器 . 17 4. 射频开关 . 26 5. 放大器 . 30 6. 射频前端涉及工艺 . 35 7. 与本文研究相关的产业链公司梳理 . 42 8. 投资建议 . 43 9.风险提示 . 44 环旭电子 . 46 天通股份 . 48 三安光电 . 50 2019 年 4 月 22 日 5G 系列终端射频前端 3 图表 目录 图表 1. 3GPP 的 5G 标准推进时间线 . 5 图表 2. Power Class 输出功率 . 6 图表 3. 射频前端结构示意图 . 7 图表 4. 4G/LTE 和 5G FR1 频带 . 7 图表 5. 载波聚合组合形式的变化 . 8 图表 6. 手持设备中 RF 含量增加使得天线增加受限 . 8 图表 7. 5G 收发机架构 . 10 图表 8. 5G FDD 波束赋形模组架构 . 11 图表 9. 2017-2023 年射频前端市场展望 . 12 图表 10. 2017-2023 年射频前端市场展望 . 12 图表 11. 5G 终端中由于 MIMO 和 CA 技术带来的天线数量增长 . 13 图表 12. 全面屏手机对天线空间以及天线效率的影响 . 13 图表 13. 天线性能的折中三角 . 14 图表 14. 天线阻抗匹配调谐技术和孔径调谐技术 . 14 图表 15. 天线孔径调谐技术 . 15 图表 16. 天线中的不同谐振频率 . 15 图表 17. 高通 QFE15xx 天线动态调谐技术 . 16 图表 18. 智能机出货量和天线调谐器可实现市场规模 TAM . 16 图表 19. 滤波器按通频分类 . 17 图表 20. 滤波器按材料分类 . 18 图表 21. 滤波器的各项指标 . 18 图表 22. Q 值对滤波器的影响 . 18 图表 23. SAW 滤波器基础 . 19 图表 24. BAW 滤波器技术 . 20 图表 25. BAW 滤波器基础 . 20 图表 26. BAW 滤波器横截面示意图 . 21 图表 27. 5G 相比于 4G 对手机中收发机架构的影响 . 21 图表 28. 2 个子载波的载波聚合形式 . 22 图表 29. 直接变频或零中频接收机框图 . 22 图表 30. BAW 滤波器中电学和声学损耗受频率变化的影响 . 23 图表 31. 波导滤波器 3D 建模及幅度响应 . 23 图表 32. 腔体双工滤波器 . 24 图表 33. Akoustic XBAW 单晶体滤波器在 1-7GHz 频率的应用 . 25 2019 年 4 月 22 日 5G 系列终端射频前端 4 图表 34. 射频开关工作原理示意图 . 26 图表 35. 射频开关的分类 . 26 图表 36. 开关的转换时间 TSW 和建立时间 TS . 27 图表 37. 单刀双掷开关结构 . 27 图表 38. GaN HEMT 器件电流电压关系图 . 28 图表 39. 全球射频开关销售收入及预测 . 28 图表 40. 功率放大器的工作 . 30 图表 41. 功率放大器参数及作用 . 30 图表 42. 功率放大器的分类 . 30 图表 43. 各类功率放 大器工作原理 . 31 图表 44. 2G 向 5G 演变过程中相关参数变化 . 31 图表 45. 包络追踪 ET 技术 . 32 图表 46. ET 与 APT 技术对比 . 32 图表 47. PA 中的回退技术 . 32 图表 48. PA 市场在全球范围内预测情况 . 33 图表 49. 全球 PA 市场份额统计 . 34 图表 50. QTM525 毫米波天线模组 . 34 图表 51. SOI 基本结构 . 35 图表 52. SOI MOS 寄生电容 . 35 图表 53. 45nm RF SOI 先进制程与 CMOS 制程性能比较 . 36 图表 54. GaAs 器件的应用领域 . 36 图表 55. GaAs 材料主要生产国际厂商 . 37 图表 56. 国内 GaAs 材料主要生产企业 . 37 图表 57. 典型的 GaN 工艺流程 . 38 图表 58. GaN 工艺流程 . 39 图表 59. GaAs 与 GaN 的可靠性比较 . 39 图表 60. 基于 GaAs 与 GaN 工艺的 PA 性能比较 . 40 图表 61. 2017-2023 年 RF GaN 器件市场预测 . 40 图表 62. RF GaN 方面关键 IP 玩家 . 41 图表 63. 全球主要公司及机构在 RF GaN 方面专利发布情况 . 41 附录图表 64. 报告中提及上市公司估值表 . 45 2019 年 4 月 22 日 5G 系列终端射频前端 5 1. 5G 硬件发展现状 1.1 当前 5G 硬件 在过去几年中，通信厂商和硬件制造商都在积极布局 5G 产品，例如针对毫米波、 MIMO、载波聚合等一系列软硬件应用的开发。当前最新的 5G 硬件都是在配合相关标准，例如 3GPP R15。虽然 5G 第一阶段规范和更新还在进行中，但是可以通过软件更新的方式来满足要求。目前已经推出的 5G 模组和收发机可以进行软件升级，并且可以 提供吞吐量处理功能，在当前 毫米波还没有正式使用的情况下，依然可以提升潜在 带宽 。目前很多硬件制造商和通信公司都在积极推 进 5G 试验和部署，这种情况在 2019 年将会持续。在 5G 标准正式完成前，各个厂商通过使用这类可以修改的 NSA 5G NR 技术来满足 5G 需求。对于硬件和核心网络来讲，为了满足未来 5G 标准最终版本，可编程能力和灵活性显得至关重要。 图表 1. 3GPP 的 5G 标准推进时间线 资料来源： Microwave Journals，中银国际证券 5G 硬件必须要考虑到向 4G LTE 兼容，满足 5G 和 4G LTE 双连接。和以前的做法类似，目前的 4G LTE会并入到 5G 的规范中。支持双连接的 5G 规范需要可调整型射频硬件来配合，也就是说可 以根据场景来重新分配资源，而不仅限于使用预编程的场景。 由于最终的 5G 毫米波频谱和射频硬件还未最终确定，大量的可移动性毫米波还在试验阶段， 5G 毫米波的首轮使用会在固定无线服务（ FWA, fixed wireless service）中。这样做是因为毫米波在非视距移动和天线波束追踪上仍具有技术难度，而固定无线服务可以暂时避免这个问题。相比于终端设备，固定无线服务 5G 模组和收发机芯片尺寸和功耗方面要求并不苛刻，设计自由度大，但是成本也更高。 最新商用的 5G 硬件是在原有射频前端模组的基础上，覆盖新的 NSA 5G NR 频率，从而实现完整解决方案。这些射频前端模组中包含了 PA、 LNA、开关、滤波器，但是和原有的 4G RFFE 存在区别。举一个例子， 在较高频率下 ， 大气和普通建筑材料的传播损耗 增加，针对 5G 硬件， Power Class 2 规范允许输出功率可以达到 26dBm，是之前的 Power Class 3 所规范的功率的两倍 。 2019 年 4 月 22 日 5G 系列终端射频前端 6 图表 2. Power Class 输出功率 资料来源： Qorvo，中银国际证券 Tx（ Transmitter, 发射机）的带宽在 5G 中可以达到 100MHz，但是现在的技术并不能满足这么高的带宽，例如包络检测只能支持 60MHz 带宽。对于 5G 系统来说，一些低效率技术，例如平均功率检测会更加适合。这些早期的 5G RFFE 模组更有可能使用宽带技术，需要在原有的 4G 基础上使用支持 sub-6GHz的滤波器。为了实现多频带滤波，滤波器会是多个模块的 复杂组合 ，如 表面声波（ SAW），体声波（ BAW）和薄膜体声波（ FBAR）滤波器模组等 。 现在的 5G 模组生产厂商包括三星、高通、英特尔和华为等。这些先行的 5G 芯片可以支持 2Gbps 数据速度和 28GHz 毫米波，以及 NSA 5G NR、波束赋形、天线切换、 3D 频率规划工具和 虚拟化 RAN 等。 无论是器件还是网络硬件制造商、运营商以及测试厂商，都在用模拟终端进行 5G NR 测试。三星、国家仪器以及大唐电信、 Keysight 公司在 2018 年 Mobile World Congress 大会上公布了在 5G 商用基站中可能用到的硬件和终端仿真系统。 5G 终端商用芯片很有可能会在 2019 年大量推出，但是各大厂商究竟是仅仅支持 sub-6GHz 还是加入毫米波还取决于各自的研发进度。 1.2 射频前端模块简介 射频前端即 Radio Frequency Front-End，简称 RFFE，是天线和射频收发机之间 的射频电路部分。通俗的理解方式就是靠近天线部分的设备就是射频前端。以手机接收信号为例，空气中的无线电磁波信号经过天线转换为有线信号，之后送入射频前端部分。在射频前端部分中，电磁波从天线出来先进入天线调谐器（ antenna tuner），它是连接天线和后续电路的一个匹配网络。接着信号经过分集开关（ diversity switch）， 为移动和基础设施应用提供低插入损耗、高隔离和出色的线性度 。之后是个双工器（ diplexer），双工器用于天线输入输出部，拥有在收发时分类或混合 2 种不同频率信号的功能，并且还用于 CA(carrier aggregation)电路中。再然后信号经过射频开关送到滤波器电路，射频开关负责接收、发射通道之间的切换；滤波器负责发射及接收信号的滤波；最后经过低噪放，低噪声放大器主要用于接收通道中的小信号放大，同时抑制噪声在可接受的范围内，供后续的收发机处理。接收机 /发射机用于射频信号的变频、信道选择。信号的发射路径中各部分的作用与接收路径几乎相同，但是发射路径不再使用低噪放而是功率放大器（ Power Amplifier， PA），用来放大信号作为发射使用。 2019 年 4 月 22 日 5G 系列终端射频前端 7 图表 3. 射频前端结构示意图 资料来源： 高通 官网，中银国际证券 5G 标准正在如火如荼的推进，根据 Qorvo 预测，在未来 10 年内， 5G 终端将会成为手机产业中发展最快的部分。根据 Strategy Analytics 预测， 5G 终端的出货量将会从 2019 年的 200 万部增长到 2025 年的15 亿部，而且根据 Qualcomm Technologies 调查显示，由于数据速度的提高，有 50%的消费者对 5G 手机表示有 意愿购买。 5G 标准至今没有最终完成，对于 RF 设计来说还存在很多指标上的不确定性，例如功率回退电平，区域频带组合，上行链路 MIMO 和补充上行链路（ SUL）。 4G 向 5G 的转变绝不仅仅体现在带宽的拓展和网速的提高。 2017 年 12 月的 3GPP R15 给出了非独立组网 NSA 5G NR 标准，适用于大部分早期 5G 网络。 NSA 是在 LTE 的基础上并入 5G NR 频段，不需要单独铺设 5G 专属的核心网络。而 5G 独立组网将会采用完全的 5G 网络。 5G 具有更快的数据速率，但是时序和带宽与 LTE 仍然类似，不过延迟要求大大提高，因此对于天线开关和天线调谐器的速度要求可能比 4G LTE 高十倍。 5G 的带宽可以高达 100MHz，是 LTE 带宽的五倍，因此对于 RF 子系统来说，带宽的拓展会带来一系列的要求和变化。 图表 4. 4G/LTE 和 5G FR1 频带 资料来源： Qorvo，中银国际证券 1.3 射频硬件设计挑战 NSA 5G NR 中加入了 sub-6GHz 频段，因此射频硬件也需要可以支持新的 n77， n78 和 n79 波段。虽然NSA 5G NR 中没有明确规定，但是在最终版本中 5G 很有可能支持小于 600MHz 的低频段，来满足大规模的低功耗连接，例如 IoT、工业 4.0/工业 IoT 以及其他机器类通信。 5G 带来的新的子载波信道、宽带、载波聚合和 4x4 MIMO 标准会带来 大量滤波器、天线、低噪放、功放、开关在模组和收发 机中的变化和新应用。 5G 频段的紧凑型和有限的空间设计都会给硬件设计带来不小挑战。 设计空间有限 RF硬件尤其是天线在小型终端设备中已经被挤压到了很小的空间中，但是 5G标准要求下行 4x 4 MIMO和上行 2 x 2 MIMO，也就是说要有 6 个独立的 RF 信号路径。 5G 天线调谐技术在宽带宽上最大化天线辐射效率 会非常关键 。 NSA 5G NR 目前 支持单个载波上的 100 MHz 带宽，具有更多 CA 选项（ R15 之后会多达 600 个种载波 组合 形式 ） ，因此相比于 4G LTE，这些 RF 路径必须要要做的宽很多。 NSA 5G NR还允 许 200 MHz 上行链路和 400MHz 下行链路的带宽，要处理大量数据，对终端和基站的能效都提出了更高要求。 2019 年 4 月 22 日 5G 系列终端射频前端 8 图表 5. 载波聚合组合形式的变化 资料来源： Qorvo，中银国际证券 在终端设备中， RF 硬件的集成度很有可能会进一步提高，采用 SoC 技术把滤波器、高密度开关、天线调谐器、 LNA 和 PA 集成在 RFFE 系统中。 5G 终端天线最有可能采用集成方案，把天线调谐器和预滤波器、波束赋形控制模块集成在一起，用来降低成本以及满足手机中紧凑的空间要求。由于 5G 复杂度和射频密集度的提升，终端芯片设计厂商多会采用 5G modem-to-antenna 方案。 5G 非独立组网双连接 为了满足 5G 吞吐量需求，双连接是必要的。 5G NSA 支持 4G LTE 和 5G 双连接，运营商会对 4G FDD-LTE 和 5G 频段进行合并， NSA 标准允许手持设备发射一个或者多个 LTE 频段信号的同时接收 5G 频段信号，谐波信号的存在会增加对接收机灵敏度的要求。举个例子，当 LTE 1, 3, 7,20 以及 5G 的 n78 波段进行载波聚合时，由于 n78 频率高且带宽很宽 (3.3-3.8 GHz)， LTE 频段的谐波可能出现在 n78 波段范围内，如果不进行适当的信号衰减， 就会造成接收机灵敏的劣化。如果加入滤波器可以解决这个问题，但是也会带来插入损耗，相应的对 PA 的输出功率要求更高。 双连接带来的其他设计变化，如配臵两根主天线，同时 LTE 和 5G 同时传输会造成额外的电源管理问题，因此需要额外的 DC 变换器，对手机空间同时也造成影响。从 2G 到 5G，天线尺寸在减小，天线数量在增加， RF 部件复杂度的提升对于天线的空间造成挤压。 图表 6. 手持设备中 RF 含量增加使得天线增加受限 资料来源： Qorvo，中银国际证券 2019 年 4 月 22 日 5G 系列终端射频前端 9 雪上加霜的是， NSA 5G NR 频段周边布满了 ISM 频段，例如 WIFI 和蓝 牙以及其他未授权频段。在 如此紧密的频 段分布 和 宽频带的前提下 ，由于滤波不足 、 PA 线性度和谐波抑制都有可能引起接收机减敏性能下降 。为了获得更高的吞吐量， NSA 5G NR 变送器需要具有高输出功率和高平均峰值功率，但是这样会导致同一基站或者附近的 5G 设备中共臵的接收机出现问题。 4x4 MIMO 4G 对于 MIMO 的要求是选择性的， 5G 对于 1GHz 以上下行链路 4x4 MIMO 则是必须要求，新增加了 n77波段并对 LTE 频段重耕，例如原有的 4G Band 3 重耕为 5G NR n3。 4G LTE 的接收分集是两个接收路径 ，到了 5G 则需要 4G 接收路径。对于已经支持 4G LTE MIMO 的手机来说，这个要求不会造成很大变化，而对于目前不支持 4G LTE MIMO 的手机来说则增