浅析5G通信产业链之天线与射频
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5G无线通信行业产业链条主要包括以下五个重要环节：（1）网络规划设计（前期技术研究及网络建设规划）；（2）无线设备以基站为主，包括基站天线、基站射频、基站光模块和小微基站等，其中基站射频器件包含滤波器、功放、PCB、集成功率放大器(PA)和天线振子等，这些基站无线设备加上核心网统称为无线主设备；（3）传输设备（无线设备后需要有线传输链接，紧跟其后的包括光纤光缆、系统集成、IT 支持、增值服务等）；（4）运营商（系统集成、IT支持、增值服务等）；（5）终端用户组成。其中，AAU是由原BBU的部分物理层处理功能与原RRU及无源天线合并为AAU。CU是将原BBU的非实时部分将分割出来，重新定义为CU，负责处理非实时协议和服务。DU是将BBU的剩余功能重新定定义，负责处理物理层协议和实时服务。
5G无线通信产业链
资料来源：CSA Research
大规模天线矩阵Massive MIMO 技术重构天线价值链
在蜂窝移动通信系统中，天线是电路信号与空间辐射电磁波的转换器，向空间辐射或者接受电磁波，是移动通信系统末梢的关键组成部分，对无线网络的整体性能有着直接的影响作用。
在4G 时代，一个标准的宏基站主要由基带处理单元BBU（Base Band Unit）、射频处理单元RRU（Remote Radio Unit）和天馈系统三个部分组成。4G 后期，天线已经演进出4T4R、8T8R 的MIMO 天线。5G 时代，基站天线将面临两大演变趋势：
1.5G 技术对天线的形态和性能提出了新的要求。相对于4G 技术，5G 的频谱效率将提高5-10 倍，天线技术的提升是其关键技术之一。基站天线属于传统天线业务，将通过超密集组网将现有站点提升10 倍以上，以此实现5G 通信密集、异构、分离（DHS）式的通信要求；MIMO 技术以大规模MIMO 为方向，通过增加天线数量提升信道容量，使频谱利用率成倍提升，达到5G 的应用要求。
2. 从无源天线到有源天线系统，天线的功能趋向于小型化、密集化、定制化。超密集组网技术需要增加基站数量，大规模天线技术需要增加基站携带的天线数量。
▲4G-5G 基站区域的天线个数演进
▲2015-2019 年国内基站天线市场规模
从天线的结构看，5G 射频实现了从“RRU+天线”向有源天线AAU 的转变。在目前广泛应用的分布式基站中，RRU 与BBU 分离并通过馈线与天线相连。Massive MIMO 技术将天线变成一体化有源天线AAU（Active Antenna Unit）。AAU 集成了RRU 与传统天线的功能，数字接口独立控制每个天线振子，构成主动式天线阵列。由于射频单元不再需要馈线和RRU相连，而是直接用光纤连接BBU，此前令人困扰的馈电损耗趋于零。同时，有源天线的部署变得更加容易，可以安装在诸如路灯、电线杆等场合，从而减少站点租赁和运营成本。
在5G 时代， Massive MIMO 技术将重构天线价值链。在4G 时代，天线的单体价值量约为2000 元。到了5G 时代，由于Massive MIMO（大规模天线技术）和波束成形技术的应用，需要单面天线里集成64 个、128 个甚至更多的天线振子，而5G 所用的高频率信号又需要更高性能的射频器件，因此，承载天线振子的高频PCB 及高频覆铜板材料成为5G 天线价值链上最受益的环节。相比于3G、4G 传统天线中并不需要高频PCB 及高频覆铜板材料。据专业机构预计，5G PCB 在高频材料和加工过程的附加值都会增大，射频前端PCB 价格至少将超过3000 元/平方米，即是4G 的1.5 倍。我们预测5G 仅仅在射频侧，PCB 板及覆铜板的市场规模都将是4G 的数倍。
射频（RF）是RadioFrequency的缩写，表示可以辐射到空间的电磁频率，频率范围从300KHz～300GHz之间。射频是一种高频交流变化电磁波的简称。
无线设备中的射频部分在无线通讯中扮演着两个重要的角色，在发射信号的过程中扮演着将二进制信号转换成高频率的无线电磁波信号，在接收信号的过程中将收到的电磁波信号转换成二进制数字信号。无线通信设备中的射频部分包括射频前端和天线，射频前端包括发射通道和接收通道。如图1-4所示，射频部分具体的元器件包括低噪声放大器（LNA）、功率放大器（PA）、双工器（Duplexer）、开关和天线。
射频部分处于发射状态时，开关的接收支路关闭发射支路打开，低噪声放大器处于关闭状态，从收发机（Tranceiver）发出的信号经过功率放大器（PA）放大，再通过滤波器滤除杂波，通过双工器后连接到开关的发射支路，信号通过天线发射出去；当射频部分处于接收状态时，开关的接收支路打开发射通道关闭，功率放大器关闭，从天线接收到的信号，通过开关的接收支路到双工器，经过滤波后传递给低噪声放大器放大，放大后传递给收发机进行信号处理，完成信号接收。
资料来源：太平洋证券
▌射频器件的分类
射频器件按功能分类，主要包括滤波器、功率放大器、低噪声放大器、双工器、合路器和射频开关等。滤波器是为移动通信设备中选择特定频率的射频信号的器件，用来消除干扰杂波，让有用信号尽可能无衰减的通过，对无用信号尽可能的衰减。功率放大器是为了将调制振荡电路所产生的小功率的射频信号放大，获得足够大的射频输出功率，才能馈送到天线上辐射出去，通常用于实现发射通道的射频信号放大。低噪声放大器是指噪声系数很低的放大器，一般用作各类无线电接收机（接收通道）的高频或中频前置放大器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，以提高输出的信噪比。双工器是由一个接收端滤波器和一个发射端滤波器组成，实现收发共用同一天线。双工器是通信过程中通话双方信号分离、滤除干扰和杂波的关键部件，确保在及其拥挤的电磁波环境中，同时清晰的听到对方的声音，无需对讲切换。合路器主要用途为将两路或多路输入信号合并成一路，用于增加发射信道数，扩大通信容量。射频开关用于实现射频信号接收与发射的切换、不同频段间的切换。
▌射频器件用材料与工艺简介
目前制作射频器件材料，从能带角度划分，可以划分三个半导体材料时代。第一代半导体材料是以硅（Si）和锗（Ge）等元素半导体材料为代表，其典型应用是集成电路，主要应用于低压、低频、低功率晶体管和探测器中，但硅材料的物理性质限制了其在光电子和高频电子器件上的应用，如其间接带隙的特点决定了它不能获得高的电光转换效率。且带隙宽度较窄（1.12eV）饱和电子迁移率较低（1450cm2/V·s），不利于研制高频和高功率电子器件。第二代半导体材料以砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）为代表。砷化镓材料的电子迁移率是硅的6倍，具有直接带隙，故其器件相对硅器件具有高频、高速的光电性能，公认为是很适合的通信用半导体材料。同时，其在军事电子系统中的应用日益广泛且不可替代。第三代半导体材料主要包括Ⅲ族氮化物（如氮化镓（GaN）、氮化铝（AlN）等）、碳化硅(SiC)、氧化物半导体（如氧化锌（ZnO）、氧化镓（Ga2O3）、钙钛矿（CaTiO3）等）和金刚石等宽禁带半导体材料。
目前，常用的射频器件材料体系包括Si、GaAs、SiGe和GaN等。
（1）硅（Si）
LDMOS（Laterally Diffused Metal OxideSemiconductor，横向扩散金属氧化物半导体）,在高压功率集成电路中常采用高压LDMOS满足耐高压、实现功率控制等方面的要求，常用于射频功率电路。与晶体管相比，SiLDMOS在增益、线性度、开关性能、散热性能以及减少级数等方面优势很明显。
LDMOS由于更容易与CMOS工艺兼容而被广泛采用。LDMOS能经受住高于双极型晶体管3倍的驻波比，能在较高的反射功率下运行而没有破坏LDMOS设备；它较能承受输入信号的过激励和适合发射射频信号，因为它有高级的瞬时峰值功率。LDMOS增益曲线较平滑并且允许多载波射频信号放大且失真较小。LDMOS管有一个低且无变化的互调电平到饱和区，不像双极型晶体管那样互调电平高且随着功率电平的增加而变化。这种主要特性允许LDMOS晶体管执行高于双极型晶体管二倍的功率，且线性较好。LDMOS晶体管具有较好的温度特性温度系数是负数，因此可以防止热耗散的影响。这种温度稳定性允许幅值变化只有0.1dB，而在有相同的输入电平的情况下，双极型晶体管幅值变化从0.5~0.6dB，且通常需要温度补偿电路。
5G通信中，Si LDMOS器件的缺点是工作频率存在极限，最高有效频率在3.8GHz以下，无法满足5G全频谱接入的需求。
（2）砷化镓（GaAs）
GaAs的电子迁移速率比Si高6倍，非常适合用于高频电路。GaAs组件高频、高功率、高效率、低噪声指数的电气特性均远超过硅组件。目前，GaAs晶体管制程技术主要分为三类：异质结双极晶体管(HBT)、赝调制高电子迁移率效应晶体管(pHEMT)和金属半导体场效应晶体管(MESFET)。随着通信频段往高频迁移，GaAs技术的发展由早期的 MESFET逐渐移转至pHEMT和HBT。目前，功率放大器采用HBT工艺，而射频开关则采用pHEMT制程。MESFET制程是最早采用的GaAs制程，结构简单，技术成熟，生产成本低。HBT制程工艺线宽较高，通常在1-2μm左右，具有高线性度、高增益和高效率等优点，并且待机功耗小和器件体积小，符合手机等移动终端的发展需求。pHEMT制程的线宽较低，位于0.15-0.5μm左右，具有超高频和低噪音的特性，工作频率可以高达100GHz。
5G通信中，GaAs PA的主要缺点是器件功率较低，无法满足5G高功率输出需求。
（3）硅锗（SiGe）
SiGe高频特性良好，材料安全性佳，导热性好，而且制程成熟、整合度高，具成本较低之优势。SiGe不但可以直接利用半导体现有8英寸晶圆制程，达到高集成度，据以创造经济规模，还有媲美GaAs的高速特性。随着近来IDM大厂的投入，SiGe技术已逐步在截止频率(fT)与击穿电压(Breakdown voltage)过低等问题获得改善而日趋实用。SiGe既拥有Si工艺的集成度、良率和成本优势，又具备如GaAs和InP在速度方面的优点。SiGeBiCMOS工艺技术几乎与硅半导体超大规模集成电路(VLSI)行业中的所有新技术兼容，包括绝缘体硅(SOI)技术和沟道隔离技术。不过硅锗要想取代砷化镓的地位还需要继续在击穿电压、截止频率、功率消耗方面努力。其他应用领域还包括汽车的安全雷达系统，包括用于探测盲区的24GHz 雷达以及用于提供碰撞警告或先进巡航控制的77GHz 雷达；IBM 在此领域具备领导地位，2005 年推出的第四代SiGe线宽有0.13微米。
（4）氮化镓（GaN）
与现有技术相比，GaN的优势在于更高的漏极效率、更大的带宽、更高的击穿电压和更高的结温操作，这些特点经常作为推动其批量生产的重要因素，但目前阶段，GaN在价格和器件成熟度方面还需加以综合考量。
▌5G通信对射频器件的新要求
相较以往，5G通信要求更高功率、更高效率、多频段、大带宽、小体积、轻重量，以及高可靠性和更低的成本。具体到射频部分，在网络关键技术方面，5G无线技术中全频谱接入、大规模天线、载波聚合都要求射频部分用新的硬件来实现，这就在基站和移动终端上带来新的硬件增量，另一方面，新的技术提高了射频部分元器件的设计难度，带来元器件单机价值量的提升，5G时代将带来射频部分元器件量价齐升。
（1）全频谱接入需要更多射频器件和更高性能
全球5G频段分为Sub-6GHz和毫米波频段，6GHz以上频段主要用于热点高容量高速率的下载，6GHz以下为4G和5G低频段的演进空口，承担其他主要场景的应用；从各国的频段划分看，Sub-6GHz频段主要集中在3.3-3.8GHz，4.4-5GHz,低频段还有欧盟的700MHz；5G通信频段均不同于4G的通信频段，当5G进入商用阶段后，在一段时间内3G、3G、4G、5G网络同时共存兼容，需要新的射频部分来承担5G通信的功能，增加5G通信功能并不会减少3G/4G射频部分的需求量，5G通信的射频部分为新增量。天线、开关、滤波器、低噪声放大器、功率放大器等都需要重新进行设计，带来元器件个数的提升。另外由于频率提高和调制方式更加复杂，对射频端的器件性能提出了更高的设计挑战，单个元件价值上升。
（2）多载波聚合技术需要更多射频器件
载波聚合（Carrier Aggregation）是指把不同频率的载波聚合到一起，形成更大的带宽，提高射频部分上传和下载信号的速度。未来5G的下载速率要达到1Gbps到20Gbps，就需要更多载波聚合。
载波聚合技术中，在发射前需要进行载波分解，接收时进行载波聚合，由于每一个射频通道需要使用不同的射频前端和天线部分，需要的上传下载的速率越快，需要的载波数越多，新增的射频器件越多。
（3）5G大带宽、高速率要求射频器件结构升级
5G采用 3GHz 以上的频谱通信，与4G相比，射频最大不同就是采用高频电路。高频电路相比于中低频电路需要从材料到器件，从基带芯片到整个射频电路进行重新考量和设计。高频电路基本上都需要针对高频信号以及产品结构进行定制，且呈现小型化的特点。此外，高频电路对器件的尺寸以及电路布局都要做精细化考量。
5G要求更高的数据传输速率，发射机的效率会出现指数级的下降。这种下降可以使用包络跟踪技术来修复，该技术已经在较新的4G/LTE基站以及蜂窝电话中采用。基站中的包络跟踪需要高速，高功率和高电压，这些只有使用新材料GaN才能实现。
（4）5G高功率、高频率要求功放器件材料升级
目前，无线通信中的射频功率放大器主要有三种材料及工艺器件：GaAs工艺、基于Si的LDMOS工艺、以及GaN工艺。GaAs器件的缺点是器件功率较低，通常低于50W。Si LDMOS器件的缺点是工作频率存在极限，最高有效频率在3.8GHz以下。
▼5G总体需求
GaN则弥补了GaAs和Si基LDMOS这两种传统技术的缺陷，在体现GaAs高频性能的同时，结合了Si基LDMOS的功率处理能力。传统上，LDMOS技术在无线基础设施领域占主导地位，而由于5G需要大规模MIMO和Sub-6GHz部署，需要使用毫米波（mmWave）频谱，而这将要面对一系列的挑战。GaN技术可以在sub-6GHz 5G应用中发挥重要作用，有助于实现更高数据速率等目标。高输出功率、线性度和功耗要求正在推动基站和网络代工部署的PA技术从传统LDMOS转换到GaN，GaN为5G sub-6GHz大规模MIMO基站应用提供了多种优势。
性能提升明显：GaN射频器件在3.8GHz及以上频率下表现良好，而LDMOS在这些高频下受到挑战；同时，由于GaN材料具有高击穿电压、高电流密度、高过渡频率、低导通电阻和低寄生电容等特性，这些特性在器件层面可转化为高输出功率、宽带宽和高效率。在射频放大器（PA）市场，LDMOS PA带宽会随着频率的增加而大幅减少，仅在不超过约3.8GHz 的频率范围内有效，而采用0.25微米工艺的GaN器件频率可以达到其4倍，带宽可增加20%，功率密度可达6~8W/mm（LDMOS为1~2W/mm），且无故障工作时间可达100万小时，更耐用，综合性能优势明显。
降低功耗和封装成本：采用Doherty[1]结构的GaN PA在100W输出功率下的平均效率达到50％-60％，显著降低了发射功耗；且Doherty 结构的GaN PA允许使用四方扁平无引线（QFN）塑料封装而不是昂贵的陶瓷封装,从而降低器件封装成本。
尺寸更加紧凑：GaN PA的高功率密度可实现需要较少印刷电路板（PCB）空间的小尺寸，GaN在高频和宽带宽下的效率意味着大规模MIMO系统可以更紧凑。GaN可在较高的工作温度下可靠运行，这意味着它可以使用更小的散热器，这样可以实现更紧凑的外形。
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