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Qorvo:5G时代,射频器件的重要程度将不亚于手机主芯片
2019-01-17    来源:电子产品世界  浏览次数:
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从2020到2021年将是5G大规模商用的时间。目前主流的5G芯片玩家,包括高通、海思、英特尔都是采用4G LTE外挂5G-NR模块的方式来做5G测试。预计到2019年会出现真正的5G手机商用。  

频谱是5G的血液,5G频段的确定意味着全国范围的大规模5G试验即将展开,5G赛道正式铺开。  

中国电信和中国联通获得的3.5GHz频段是全球公认的5G热门频段,且韩国、日本、英国等多国运营商已确定采用该频段建设5G,前期已基于3.5G频段进行了大量测试,所以不必担心产业链是否成熟的问题。  

中国移动采用的n41频段属于4G 重耕,n79则是新增加的频段。美国的运营商Sprint也确定用n41频段部署5G。  

针对中国运营商,包括n41、n77、n78、n79在内的所有5G频段,目前完全覆盖的射频器件厂商并不多,Qorvo就是其中一家。  

在12月6日举行的中移动全球合作伙伴大会期间,笔者就跟Qorvo亚太区移动产品事业部高级战略市场经理陶镇(Lawrence Tao)进行了一段长达两小时的交流。陶镇认为:在5G时代,射频器件的重要程度可能大大超过4G时代。射频器件的重要程度将不亚于手机主芯片。  

据了解,手机中RF器件的成本越来越高,一个4G全网通手机,前端RF套片的成本已达到8-10美元,含有10颗以上射频芯片,包括2-3颗PA、2-4颗开关、6-10颗滤波器。未来随着5G到来,RF套片的成本很可能会超过手机主芯片。而物联网的爆发,更是会对射频器件的需求推波助澜。

从4G到5G,增加了哪些射频器件?  

从4G到5G,给普通消费者最大的感受变化就是速度一下子加快了,而通信速率的变化主要取决于带宽。相比4G单载波最高20Mhz的带宽,5G带宽在6Ghz以内单载波最高可以做到100Mhz,毫米波最高可以做到400Mhz带宽。  

那么如何拓展带宽呢?其实4G理论的做法是MIMO多载波聚合的方式。比如LTE单载波是20Mhz的话,上行最多可以做到3载波聚合,也就等于60Mhz带宽。到了5G单载波就可以做到100Mhz,5G基站一般采用64 TRX Massive MIMO天线,5G手机至少需要支持4×4的下行MIMO,2×2的上行MIMO天线,这意味着未来5G峰值速率至少将达到2Gbps以上。  

由于4×4的天线阵列尺寸会大很多,因此射频模块化将会是5G射频器件的一个趋势。同时由于天线过多,需要支持SRS功能,在发射过程中选择不同的天线。为了支持更多的载波聚合,对于天线分工的需求会大大增加,同时需要用到大量的天线调谐技术。  

从4G切换到5G,由于增加的新频段并不多,5G时代只增加了两个新频段:3.5Ghz\4.8Ghz,因此对于功率放大器或滤波器的新增需求并没有特别大。但是由于未来要实现4G、5G多模信号切换,以及解决信号共存和干扰问题,在系统架构上需要更多的天线分工器以及天线调谐功能。  

陶镇预计5G终端成本最开始会比4G高很多,因为需要做4×4的MIMO,射频器件至少会多出三个模块。在LTE时代,4×4的MIMO是非强制性的。但是到了5G就变成强制性了,无论N41、N77、N79哪个频谱,都必须要做4×4的下行。另外以前LTE上行一般是一路,到了5G就要变成两路。  

由于5G通信将面临前所未有的大带宽、非常高的功率放大器线性度,以及广泛的载波聚合驱动型频率的拥堵,导致5G射频器件相比4G前所未有的复杂。

为什么5G时代BAW比SAW更重要?  

一方面主芯片厂商的增长率面临下滑,需要拓展新的市场。另一方面5G射频器件是非常大的蛋糕,仅从个数上射频器件会远超主芯片。  

种种迹象都引起了手机主芯片厂商的警觉。实际上,近年来高通、联发科以及紫光展锐都先后通过收购拥有了自己的射频PA公司。比如高通与TDK联合建立RF360,联发科收购络达,紫光展锐则有RDA。  

主芯片厂商通过捆绑销售的策略具有一定市场优势,不过在高端旗舰产品中,一线品牌仍更倾向于采用Qorvo独立RF厂商的射频器件。 

2018年2月,在西班牙巴塞罗那世界移动通信大会期间,中国移动发布“5G终端先行者计划”。值得一提的是,这个先行者计划的参与企业,除了手机公司以及主芯片厂商外,就包括Qorvo等四家射频器件商。可以说这是中国移动作为运营商进行的官方认证,表示认可这四家公司成为5G射频器件的供应商。  

陶镇表示,在目前全球射频器件公司中,Qorvo和Skyworks两家占据了90%的市场份额。在sub6Ghz频段以内的射频器件,Qorvo都有覆盖,目前处于领先优势。  

其实Qorvo这家公司的历史并不长,Qorvo是基于RFMD与TriQuint两家传统射频半导体大厂的合并,在整个射频半导体业才诞生三年。除了手机射频之外,Qorvo还有国防、太空相关的产品线。目前Qorvo的晶圆包括滤波器都是在美国的晶圆厂生产,后端封装测试则放到了中国。

据介绍,从2G到4G,Qorvo都有全线的产品布局。2017年,Qorvo开发了第一款基于5G NR新标准的射频前端模块。陶镇表示,Qorvo在业内第一家正式推出3.5Ghz的射频前端,目前Qorvo已经为中国领先的智能手机厂商提供双频段3.5Ghz和4.9GHz 5G模块。同时为28Ghz的相控阵5G基站部署高功率放大器。  

陶镇表示,目前5G覆盖的频段主要为三大块:第一个频段是3.5Ghz,频段号为n77/n78;第二个频段是4.8Ghz,频段号为N79;第三个频段为2.5Ghz,频段号为N41。  

在2018年11月初温哥华的GTI研讨会上,Qorvo就首次展示了支持n41频段的射频前端模块QM75041 全频段n41滤波器TQQ0041T,集成了功率放大器、滤波器、开光、耦合器等。这也是Qorvo首次展示适用于n41频段的射频解决方案。此外,Qorvo还推出了单个支持n41频段的滤波器。  

据透露,针对中国联通、中国电信等其他运营商在n77、n78、n79等频段的需求,Qorvo则以QM78201为设计解决方案进行支持。  

Qorvo 在 5G领域积累了许多核心技术,从 LowDrift 和 NoDrift 滤波技术、天线调谐技术到 RF Fusion 和 RF Flex射频前端解决方案,再到更加基础的 GaN 技术,Qorvo 提供了行业领先的核心架构、滤波器和开关产品。  

目前Qorvo在n41模块方向具有研发和整合能力。虽然目前已经有不少射频器件厂商加入5G竞争,不过未来射频模块化需要考验集成能力。比如在低频阶段,主要涵盖1~2个PA。中高端频段一般有两个PA,几十个SAW滤波器。到了高频段,则需要用BAW滤波器来做,才能达到更好的性能。  

这里的SAW和BAW都是声学滤波器,其中SAW叫做表面声波滤波器,BAW则叫做薄膜声学谐振器。原理基本上跟SAW类似,不过由于声信号在介质内传输,所以体积可以做得更小。声学滤波器更多用在手机中,优势在于尺寸可以做到很小。还有一种陶瓷滤波器,尺寸不太可能放在手机里面。  

BAW的性能比SAW更好,同时也更省电,可以让PA工作在更高的电压,加工起来难度也更大,属于超精细加工。  

目前一般针对低性能的市场采用SAW,而高性能的市场则采用BAW。Qorvo的优势在于可以同时提供BAW、SAW。这一点很重要,因为很多射频器件公司只能提供SAW,无法满足高端市场的需求。相比竞争对手,Qorvo在射频器件这一块产品线最全,不管是BAW、SAW、SOI、开关都有,同时还具备模块化能力。  

无论是BAW还是SAW,都支持不了全频段的带宽,无论是900兆的3.5GHz,或者是600兆的4.8GHz。陶镇表示,Qorvo也在不断的改进工艺,让未来5G在两个频段都可以做到。陶镇认为,现阶段,5G商用的射频器件暂时都聚焦在6GHz以下,毫米波的产品市场启动没这么快。  

聚焦核心竞争力,哪类射频公司布局最完善?  

相比竞争对手,Qorvo的另一个优势在于掌握了PA的生产制造能力。优秀的生产工艺一直是Qorvo的强项,能提供的射频器件工艺极其广泛,从CMOS、砷化镓、氮化镓、磷化铟(InP)到SOI工艺都有布局。  

从技术上来看,目前主流的射频器件都以砷化镓(GaAs)为主,毫米波则要用到氮化镓(GaN)。凭借独有的高性能HBT(HeterojuncTIon Bipolar Transistor,异质结双极晶体管)工艺,Qorvo将GaAs的潜能挖掘到极致。由于砷化镓材质下PA输出能力足够大,因此砷化镓的天线阵列尺寸可以更高,效率要更高。除了GaAs,Qorvo也有CMOS工艺,不过主要用来做2G射频器件。据介绍,Qorvo的晶圆制造工厂目前都在美国,在北京、山东德州都有封装测试厂。  

总的来说,虽然目前包括高通、MTK、展锐在内的主芯片公司纷纷打包销售PA,势必对独立第三方的射频PA公司造成影响。但目前一线手机品牌如苹果、三星、华米都仍然采用Qorvo,Skyworks,Avago的器件。可见射频器件的技术和制造门槛之高,并非新进入者能够轻易超越的。  

在三家一线射频公司中,Qorvo技术和市场最全面,PA和滤波器都有所建树。Skyworks则在滤波器方面略显单薄。Avago相对来说,主要将心思放在高利润市场里,普通客户那里并没有太多收获。应该说Qorvo的布局最全面,未来将获得最多的机会。Qorvo是2014年由RFMD与TriQuint合并而成。RFMD和TriQuint都是Apple,Samsung的PA供应商。而Skyworks和Avago在各个环节也有相应的布局。  

类似于Qorvo这样的公司,不仅自己研发,还可以自己生产、封装测试,主要芯片自产保证了容易控制成本。相对来说大陆本土射频企业仍然比较弱势,因为大多只有设计研发能力。  

此外,随着5G时代来临,射频器件数量大增以及模块化趋势明显,特别是滤波器对于BAW的需求增加,谁拥有更充足的BAW产能,谁将在未来发展中获得优势地位。