射频PA是射频前端核心器件，决定无线通信质量的关键要素

电磁波传输距离和发射功率成正比，射频PA性能直接决定通讯距离、信号质量和待机时间（或耗电量），根据Yole数据显示，手机射频前端中射频PA市场规模约50亿美元，在整个射频前端中价值量占比35%，仅次于滤波器，也是射频前端价值量最高的单类型芯片。

一、射频PA是射频前端核心器件，决定无线通信质量的关键要素

射频模块是无线通信设备的核心模块

无线通信主要是利用电磁波实现多个设备之间的信息传输。射频是可以辐射到空间的电磁频率,频率范围从300KHz～300GHz之间。射频模块是用于发射和/或接收两个装置之间的无线电信号的电子设备，是无线通信设备实现信号收发的核心模块。

图：手机射频架构

图：基站射频架构

射频前端架构基本类似

射频前端包括接收通道和发射通道两大部分。一般由射频开关（Switch）、射频低噪声放大器(LNA,Low Noise Amplifier)、射频功率放大器(PA，Power Amplifier)、双工器(Duplexers)、射频滤波器(Filter)、天线调谐器(Antenna tuners) 等组成。

图：手机射频架构

发射通道和接收通道工作原理

发射通道是使用基带信号（语音、视频、数据或其他信息）去调制中频正弦波信号，然后中频信号再通过混频器往上搬移到所需的射频发射频率，通过功率放大器来增加发射机的输出功率并驱动天线将已调制好的载波信号变换成能够在自由空间传播的电磁波。

图：发射通道和接收通道架构

接收通道是发射通道的逆过程，天线将在相对宽的频率范围内接收到来自很多辐射源的电磁波，带通滤波器将滤掉不需要的接收信号，随后低噪声放大器放大可能接 收的微弱信号并使进入到接收信号中的噪声影响最小化，混频器将接收到的射频信号 下变频到较低的频率，中频放大器将提升信号的功率电平 以便于解调并得到信息。

射频PA是决定通信质量的关键器件

功率放大器是能够向天线提供足够信号功率的放大电路主要功能是将调制振荡电路所产生的功率很小的射频信号放大（缓冲级、中间放大级、末级功率放大级）并馈送到天线上辐射出去，是无线通信设备射频前端最核心的组成部分，其性能直接决定了无线终端的通讯距离、信号质量和待机时间（或耗电量），它也是射频前端功耗最大的器件。

射频功率放大器在雷达、无线通信、导航、卫星通信、电子对抗设备等系统中有着广泛的应用，是现代无线通信的关键设备。

图：手机射频前端架构图

PA也是射频前端器件中价值量较大的器件

手机目前仍然是射频前端最大的终端应用市场，在所有射频前端器件中，射频PA的价值量仅次于滤波器，是射频前端器件中价值量较大的器件。根据Yole的数据显示，2017年手机射频前端中射频PA市场规模约50亿美元，在整个射频前端中价值量占比34%，仅次于滤波器。

图：手机射频前端各器件价值量占比（2017 年）

射频PA的核心是晶体管

放大器的电路一般由晶体管、偏置及稳定电路、输入输出匹配电路等组成。功率放大器核心是利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换成按照输入信号变化的电流，起到电流电压放大的作用。

晶体管作为射频放大器的核心器件，它通过用小信号来控制直流电源，产生随之变化的高功率信号，从而实现将电源的直流功率转换成为满足辐射要求的功率信号。

工程应用方面，提升PA性能的方法大多依赖工艺，以手机射频PA为例，目前主流工艺是采用第二代半导体材料砷化镓，由第一代半导体材料发展出的工艺技术（如CMOS、SOI和SiGe工艺）在无线通信技术发展过程中遇到瓶颈，通过设计来弥补工艺的不足难度很大，因此在整体的射频PA器件设计生产过程中工艺是基础。

图：射频功率放大器工作原理

射频晶体管发展出多种材料工艺

射频半导体主要经历了由第一代半导体到第三代半导体的三个阶段的发展，其制造工艺结构也经历了由基础的BJT、FET向更复杂的HBT、LDMOS和HEMT等的发展。

图：射频晶体管制造工艺

不同材料的性能及成本差别较大

不同工艺结构图

BJT用电流控制，FET属于电压控制。HBT具有功率密度高、相位噪声低、线性度好等特点，GaAs HBT 是目前手机射频PA主流工艺。硅基LDMOS器件被广泛用于基站的射频PA中。HEMT是FET的一种，近几年GaN HEMT凭借其良好的高频特性吸引了大量关注。

不同应用场景所需PA的性能指标不同

按照应用场景分为大功率（基站等）和小功率（手机等）。基站PA的应用指标在于其高功率和高效率，而手机PA的应用指标则在于高线性度、低功耗和高效率。

表：射频PA性能指标及说明

不同应用场景下射频PA的竞争格局

基站射频PA主要供应商有Freescale、NXP、Infineon等。2015年，NXP以约118亿美元的价格并购Freescale后将NXP自身的射频功率晶体管业务剥离卖给了北京建广资本，这部分剥离的业务后来成立了Ampleon（安谱隆）。

手机射频PA主要供应商有Skyworks、Broadcom(Avago)、Qorvo等。

不同材料工艺的PA产业分工略有不同

普通硅工艺集成电路和砷化镓/氮化镓等化合物集成电路芯片生产流程大致类似，但与硅工艺不同的是化合物半导体制程由于外延过程复杂，所以形成了单独的磊晶产业。

磊晶是指一种用于半导体器件制造过程中，在原有芯片上长出新结晶以制成新半导体层的技术，又称外延生长。

由于与Si材料性能差异较大，化合物晶圆制造中设备及工艺与硅有极大的不同，所以化合物半导体拥有自己独立的全套产业链。

射频PA产业同时存在两种商业模式

射频PA产业同时有IDM(Integrated Device Manufacture，垂直整合制造)模式和Fabless模式。

IDM模式是指垂直整合制造商独自完成集成电路设计、晶圆制造、封测的所有环节。该模式为集成电路产业发展较早期最为常见的模式，但由于对技术和资金实力均有很高的要求，因此目前只为少数大型企业所采纳，历史成熟厂商Skyworks、Qorvo、Broadcom 等均采用IDM模式。

在 Fabless 模式下，集成电路设计、晶圆制造、封测分别由专业化的公司分工完成， 此模式中主要参与的企业类型有芯片设计厂商、晶圆制造商、外包封测企业。随着技术的成熟和代工能力的兴起，代工模式占比也将提升，以手机射频PA为例，中国台湾厂商 稳懋已经是砷化镓射频工艺非常成熟的代工厂。新晋厂商高通、卓胜微等优选Fabless，主攻IC设计，制造封测需求外部合作。

图：射频PA产业两种商业模式

二、从手机、基站到物联网，万物互联时代射频PA市场广阔

到2035年5G将拉动12万亿美元的经济活动

HIS发布的报告《5G经济：5G技术将如何助力全球经济》预测，未来5G技术将给全球经济带来12 万亿美元的经济增长，而2020-2035年间5G技术带来的全球GDP增长量相当于一个印度的GDP。到2035年，5G价值链本身将创造3.5万亿美元经济产出，同时创造2200万个工作岗位，其中中国总产出9840亿美元，就业机会950万个，居全球首位。

5G应用场景

5G关键技术

5G新增高频频段

5G 新增频段主要划分为sub-6GHz 和毫米波，sub-6GHz 的全球主流频段主要包n1/n3/n8/n20/n28/n41/n77/n78/n79等，国内5G网络的频段主要是中国电信（3400MHz-3500MHz）和中国联通（3500MHz-3600MHz）使用的n78频段、中国移动使用的n41（2515MHz-2675MHz）和n79（4800MHz-4900MHz）频段。除n41频段靠近4G频段外，n78、n79频段相对比4G频段属于更高的频谱。

图：全球5G频段

5G具有更大的带宽

4G走向5G时另一个重大的变化是手机必须支持更大的带宽，提高带宽是实现以全新5G频段为目标的更高数据速率的关键。LTE 频段不高于3GHz，单载波带宽仅为20MHz，到了5G时代，FR1的信道/单载波带宽高达100MHz，FR2 的单载波带宽高达 400MHz。

中国电信、中国联通的5G频段n78带宽分别为100MHz；中国移动n79频段带宽为100MHz，n41频段带宽高达160MHz。

图：4G与5G带宽对比图

图：国内三大运营商5G频段带宽

智能手机市场规模大，5G将刺激换机

Yole数据显示，2018年全球智能手机销售额4220亿美元（约合3万亿元人民币），以出货量14亿部计算，智能手机平均售价达到301美元（约合2000元人民币）。

爱立信数据显示，2018年全球智能手机存量50亿部，预计到2024年全球智能手机存量将达到72亿部。

2018、2019全球智能手机出货量同比均出现下滑，我们判断主要原因是智能手机阶段性创新乏力、性能过剩导致的换机周期拉长，手机市场急需新动力。5G将有望刺激消费者换机，为市场增长注入动力。

5G全网通手机至少要新增3大频段

根据市场调研机构Strategy Analytics近日发布的最新报告称，全球5G手机需求2020年一季度大涨，其今年首季出货量，超过去年的1870万台至2410万台。

2018年12月中国三大运营商获得n41、n78、n79三个频段；

工信部规定手机满足携号转网，实现全网通功能，新的5G手机不仅要向下兼容2G、3G、4G，也要兼容5G全部频段。

4G时代的1T2R，1路发射、2路接收

典型的4G手机需要支持约40个频段，如B1、B3、B5、B8、B38、B41等，每个频段都需要有1路发射和2路接收。发射通路上需要滤波器、功率放大器、开关等，接收通路需要开关、低噪放、滤波器等器件。

图：4G时代1T2R示意图

部分频段的射频前端可以共用

在4G LTE频段划分中，有部分频率相近或重合的频段，可以形成射频前端器件共用，业界通常将4G频段划分为低频（698~960Mhz）、中频（1710~2200MHz）和高频（2400~3800MHz），对应射频前端器件可以形成低频模组、中频模组和高频模组。

图：4G手机射频架构

5G新增频段，且SA模式要求2T4R

归根结底，由于5G增加了新频段，支持新频段就需要增加配套的射频前端芯片。简化来看，射频发射通路主要是PA和滤波器，接收通路主要是LNA和滤波器，其他如射频开关、RFIC、电阻、电容、电感均为核心芯片的配套。

图：5G手机射频架构

手机射频PA单机用量大幅增加

新增一个频段将会增加2颗PA的使用量，新增三个频段大概增加6颗左右的PA芯片，4G多模多频手机需要5-7颗PA，预测5G多模多频手机内的PA芯片最多或将达到16颗。

图：3G、4G、5G手机射频前端器件大幅度增多

射频PA市场增长稳定

根据QYR Electronics Research 数据，2011-2018 年，全球射频功率放大器的市场规模从25.33亿美元增长至31.05亿美元，年均复合增长率 2.95%；预计至2023年，市场规模将达35.71亿美元。PA市场整体增速较其他射频前端芯片增速低，主要是因为高端4G和5G PA市场将保持增长，但是2G/3G PA市场将会逐步衰退。

手机射频PA模组市场有望超百亿美元

由于射频前端模块化是大势所趋，且射频PA是主动元器件，是射频前端功耗最大的器件，决定了手机通信质量，因此射频PA厂商往往主导了PA模组的市场。

根据Yole Development的统计与预测，2018年射频前端市场为150亿美元，并将以8％的年均复合增长率增长，到2025年有望达到258亿美元。其中，功率放大器模组市场规模预计104亿美元，接收模组预计29亿美元，WiFi连接模组预计31亿美元，天线模组预计13亿美元，分立滤波器及双工器等预计51亿美元，分立射频低噪声放大器及普通开关预计17亿美元，天线调谐开关预计12亿美元。

理论上5G基站覆盖范围低于4G基站

基站电磁波的自由空间损耗可以从Friis Transmission Equation(弗林斯传输方程)得到电磁波波长与传输距离成正比，也即是电磁波频率与传输距离成反比。理论上，当其他条件相同时，频率越高基站覆盖范围越小，也即是5G基站覆盖范围理论上低于4G基站。

通过采用3D MIMO技术提升天线增益以提升下行覆盖和下行用户体验，使得下行覆盖可以接近4G，不过考虑到终端（手机等）功率限制，上行链路是扩大覆盖的瓶颈。

GIV预测2025年全球将有650万个5G基站

中国基站建设数量全球领先

2019年，全国净增移动电话基站174万个，总数达841万个，其中4G基站总数达到544 万个。中国4G的基站数量占到全球4G基站数量的一半以上。

中国5G基站建设在全球占比有望延续4G的格局。根据赛迪顾问的数据显示，到2020年底，全球5G商用网络将从2019年的60个增至170个，基站会从2019年的50万个增长到150万个，全球5G用户预计将会从1000多万增至2.5亿，而中国将占全球整个5G基站建设的50%以上，在用户的发展数量上占世界的70%以上。

宏基站单站PA使用量大幅度提升

根据《中国联通5G基站设备技术白皮书》，对于6GHz以下频段，AAU设备主要包括64T64R、32T32R、16T16R三种类型，这三种类型设备主要区别在于设备收发通道数的差异。相对比4G基站采用4T4R方案，收发通道数大幅度增加，每一个收发通道对应一个射频单元，5G宏基站单站射频PA使用量对比4G基站有大幅度提升。

基站射频市场未来几年有望翻番

由于基站建设呈现一定的周期性，因此基站射频市场也相应的呈现一定的周期性。根据赛迪顾问的数据显示，中国基站射频市场规模有望从2020年的不到50亿元增长到2023年的超过110亿元，整体市场份额增长超过一倍，之后每年的市场份额将逐年下降。

5G时代室内流量占比高达80%

5G技术将广泛用于智慧家庭、远程医疗、远程教育、工业制造和物联网领域，具体包括千兆级移动宽带数据接入、3D视频、高清视频、云服务、增强现实（AR）、虚拟现实（VR）、工业制造自动化、紧急救援、自动驾驶、现代物流等典型业务应用。其中，高清视频、AR、VR、远程医疗、工业制造自动化、现代物流管理等主要发生在建筑物室内场景。

2019中国无线电大会上，中国铁塔通信技术研究院无线技术总监邹勇发表演讲表示，相比4G时代的70%，5G时代室内流量占比高达80%，包括语音、ARVR等应用，对网络时延提出了更高要求。而5G的频段非常高，传播损耗、穿透损耗都很大，难以从室外传到室内。因此解决室内信号覆盖是5G时代需要重点解决和发展的一个方向。

小基站预计将迎来发展时机

4T4R以上的室内数字化分布基站有望得到部署。

根据工信部通信科技委常务副主任韦乐平在2019中国光网络研讨会上的预测2021到2027年国内将建设数千万级 小基站。

Wi-Fi网络建立了分布式连接架构

Wi-Fi全称为wireless fidelity,在无线局域网的范畴是指“无线相容性认证”，实质上是一种商业认证，同时也是一种无线联网的技术。Wi-Fi主要定位成小范围、热点式的覆盖，工作在2.4GHz或5GHz两个未授权频段。Wi-Fi标准由IEEE标准协会制定。

Wi-Fi网络建立了分布式连接架构，使Wi-Fi能承载绝大部分无线流量，并在住宅内、建筑物内、设备密集的室外区域等提供宽带连接。

Wi-Fi 已成为当今世界无处不在的技术，为数十亿设备提供连接，也是越来越多的用户上网接入的首选方式，并且有逐步取代有线接入的趋势。

Wi-Fi技术不断发展以满足更多需求

随着视频会议、无线互动VR、移动教学等业务应用越来越丰富，Wi-Fi接入终端越来越多，IoT的发展更是带来了更多的移动终端接入无线网络，甚至以前接入终端较少的家庭Wi-Fi网络也将随着越来越多的智能家居设备的接入而变得拥挤。因此Wi-Fi网络仍需要不断提升速度，同时还需要考虑是否能接入更多的终端，适应不断扩大的客户端设备数量以及不同应用的用户体验需求。

为适应新的业务应用和减小与有线网络带宽的差距 ， 每一代802.11的标准都在大幅度的提升其速率。

Wi-Fi 6性能全面提升

Wi-Fi 6是新一代802.11 ax标准的简称，核心技术包括OFDMA频分复用技术、DL/UL MU MIMO技术、更高阶的调制技术 (1024 QAM)、空分复用技术SR BSS Coloring着色机制、扩展覆盖范围（ER）等，支持2.4 GHz频段，具有目标唤醒时间（TWT）功能。Wi-Fi 6连接数翻倍，传输速率最高可达9.6Gbps，低时延，更低功耗。于2019年Q3正式开启认证计划。

802.11ax设计之初就是为了适用于高密度无线接入和高容量无线业务，比如室外大型公共场所、高密场馆、室内高密无线办公、电子教室等场景。根据预测，到2020年全球移动视频流量将占移动数据流量的50%以上，其中有80%以上的移动流量将会通过Wi-Fi承载。

Wi-Fi 6渗透率持续提升

IDC在3月4日发布《2019年第三季中国WLAN市场季度追踪报告》显示，WLAN市场整体规模仍处平稳增长趋势，其中Wi-Fi 6在去年第三季开始从一些主流厂商陆续登场，首次登场的Wi-Fi 6产品在去年第三季便有470万美元的销售规模。IDC 预计，今年Wi-Fi 6将在无线市场中大放异彩，仅在中国市场的规模就将接近2亿美元。IDC预测国内到2023年Wi-Fi市场规模将超过12亿美元，Wi-Fi 6将在未来几年快速渗透。