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5G射频深度解读,国产机会在哪里?

2019-09-11 14:31 weila

射频前端介于天线和射频收发之间,是终端通信的核心组成器件。手机通信模块主要由天线、射频前端、射频收发、基带构成,其中射频前端是指介于天线与射频收发之间的通信元件,包括:滤波器、LNA((低噪声放大器,Low Noise Amplifier)、PA(功率放大器,PowerAmplifier)、开关、天线调谐。

滤波器:用来滤除消除噪声,干扰和不需要的信号,从而只留下所需频率范围内的信号。双工器,三工器,四工器和多路复用器通常采用多个滤波器的组合,手机中使用的滤波器主要采用 SAW(表面声波)和 BAW(体声波)两种技术制造。

PA:在发射信号时通过 PA 放大输入信号,使得输出信号的幅度足够大以便后续处理。PA 质量和效率因此对手机的信号完整性和电池寿命至关重要。用于放大接收信号的称为低噪声放大器(LNA)。

开关:开关在打开和关闭之间切换,允许信号通过或不通过。可分为:单刀单掷、单刀双掷、多刀多掷开关。

天线调谐器:天线调谐器位于天线之后但在信号路径的末端之前,使得两侧的电特性彼此匹配以改善它们之间的功率传输。由于实现匹配的方式因信号频率而异,因此该设备必须是可调的。

从具体信号传输路径来说:

信号接收路径:天线(接收信号)→开关&滤波器→LNA(小信号放大)→射频收发基带。

信号发射路径:基带→射频收发→PA(功率放大器)→开关&滤波器→天线(发射信号)。

图表 1:手机通信基本原理

通信技术升级,射频前端价值量倍增

每一代蜂窝技术都会带来新技术和新的射频前端价值量。回顾从 2G 到 4G技术的发展,每一代蜂窝都带来了新的技术,从 2G 到 3G 增加了接收分集,3G 到 4G 增加了载波聚合,更高的频段和 wifi 的 2x2 MIMO(Multi-input Multioutput),4.5G 的进一步升级由增加了超高频,4x4 MIMO,更多的载波聚合。更多的频段,更多的技术带来了相应的射频前端元器件的价值量不断增加。

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图表 2:每一代蜂窝技术升级带来新技术和射频前端价值量提升来源:yole,国金证券研究所

价值量来看:① 2G到4G,射频前端单机价值量增长超10 倍,②4G到5G,射频前端单机价值量增长有望超三倍。

2G:平均成本<1 美金,结构简单,只需要 1 个 PA 搭配一组滤波器及天线开关就可运行; 3G:平均成本 2.6 美金,增加了接收线路,相应的元件用量增加。 4G:平均成本 7.2 美金,频段数量不断增加,元件数量与复杂度远较2G/3G 终端更大。 4.5G:平均成本 16.35 美金,更多载波聚合增加了更多的元件。 5G:平均成本>50 美金,频段更提升至 6GHz 及毫米波段,带来更多射频元件以及更多高价值量的射频元件。

图表 3:手机中射频前端单机用量和价值量

5G 网络分步演进,终端芯片走向集成

网络端,从NSA(非独立组网)到独立组网(SA)。5G网络建设分两步,早期5G部署将会使用非独立组网的方式,即利用4G的核心网络进行5G的覆盖,同时兼容4G,该架构将逐渐升级到独立组网(SA)。

图表 4:5G 的 NSA 和 SA来源:高通,国金证券研究所

为了节省成本、空间和功耗,5G SoC 和 5G 射频芯片的集成将会是趋势, 而 5G 智能型手机设计有三个演进阶段: