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创新和价格压力推动5G基站功率放大器的发展

Cyril Buey and Cédric Malaquin，Yole Intelligence, part of Yole Group

为了跟上全球移动数据流量的指数式增长，移动网络运营商（MNO）正在大规模部署5G网络。同时，他们正在关闭3G和2G服务，为4G和5G腾出频谱。在全球范围内，5G正以两种不同的速度部署，中国支撑了一半的基站市场，而亚洲其他地区、欧洲、美国和较晚进入5G的印度则占据了市场的其余部分。图1显示了我们对各地区基站的最新预测。

图1 宏/微蜂窝基站预测。

我们估计，5G超过70%的投资来自MNO。预计在未来几年，移动运营商将继续大规模投资5G，这将继续扩大5G的覆盖范围。第一波投资主要集中在5G非独立（NSA）组网，只涉及新射频（NR），以确保快速上市并与4G平稳共处。第二波投资现在集中在基带和核心网络上，这些网络的演进对于提供5G独立（SA）组网是至关重要的，可以实现新的用例和投资回报。人们对2023年的RAN和射频前端（RFFE）市场有很大的期望，主要是因为印度雄心勃勃地推出5G网络。问题是：它能在未来几年内持续下去吗？

市场驱动力来自MNO的需求

5G通过使用6GHz以下频段的新频谱，同时重复使用传统的4G频段，带来了大规模的网络容量提升。5G架构利用了传统的远端射频头（RRH）和有源天线系统（AAS）。大规模MIMO（mMIMO）是提高AAS频谱效率和吞吐量的一项关键技术。主流的mMIMO系统使用32或64个流，与通常有2至8个TRx的传统RRH相比，这对射频线的数量有巨大影响。尽管就千兆比特每千瓦而言，mMIMO架构比RRH架构高效得多，但AAS比传统的RRH的功耗要大很多。随着mMIMO渗透率的提高，发射功率超过300W的更高功率射频单元（RU）正在成为常态。

这种能源消耗的日益增加对MNO来说是一个严重的挑战。随着能源价格的不断上涨，可持续性对消费者、政治家和投资者来说变得越来越重要，这个问题也变得越来越棘手。据各种消息来源估计，基站能耗占MNO运营支出的20%至40%，是运营支出的最大部分。解决这个能源问题是至关重要的，因为MNO不能一方面应对不断增加的运营支出，另一方面又要增加资本支出以支持昂贵的5G硬件部署。

为了解决能源问题，原始设备制造商（OEM）正在关注功率放大器（PA）。这些设备在射频中消耗的功率最大，它们驱动高发射功率水平，但效率有限。华为是第一个用低成本的LDMOS功率晶体管换取GaN更高的功率增加效率的公司。随着降低功耗的需求不断增加，向基于GaN的RU的过渡正在加速。供应链已做出相应调整，以支持对GaN器件不断增长的需求。我们对各种PA技术的市场份额预测见图2。

图2 基站RAN中末级PA技术的预测。

氮化镓在基站应用中的重要性日益增加，最重要的例子可能是恩智浦。2020年，他们在美国开设了一座6英寸的GaN晶圆厂，显示了将GaN生产内部化的战略需求，并在基站市场上与其他GaN制造商竞争。住友电工设备创新公司（SEDI）和恩智浦是这个市场上的两大GaN厂商，他们的对手包括美国的Qorvo和Wolfspeed以及中国的一些成长中的厂商，如能讯、博威集成电路和华太电子，竞争越来越激烈。

随着中美贸易冲突的持续，供应链趋于两极化。这对中国企业、系统和设备制造商以及代工厂来说是一个严峻的挑战，因为它使中国的生态系统与世界其他国家相对抗。中国已被迫加速发展本地供应链，在政府的大规模支持下，更多公司正在RFFE领域出现。

提高能源效率的第二个重要杠杆是人工智能（AI），它将在动态电源管理中发挥关键作用。人工智能有望为电信领域的重大突破提供动力，因为它现在已被许多制造商用于降低能耗。为了最好地利用这一新功能，PA将必须支持对低或高流量模式的阈值电压的动态控制，将功耗作为流量的一个函数进行优化。为了顺利执行，人工智能还需要一个非常低延迟的网络来实时控制流量和电源管理。

随着RAN市场预计将在2023年达到顶峰，电信业现在正在寻找新的增长动力。当MNO正在关注5G SA和5G网络的回报兑现时，OEM正在为第二阶段的部署做准备，涉及6GHz以下的小型蜂窝和毫米波RU。由于有大量的可用带宽，潜在的5G毫米波用例很多，但截至目前，该技术还难以渗透到美国和日本以外的市场。增长一直很缓慢，因为业界正专注于C波段mMIMO的部署，而消费设备对毫米波的需求仍有待证明。毫米波生态系统指望固定无线接入应用作为一个撒手锏用例出现，以鼓励MNO部署这项技术。同样，6GHz以下的小蜂窝基站的机会仍然有限，因为安装成本（每个接入点都需要光纤）和射频的成本仍然太高。

然而，围绕着毫米波和6GHz以下的小蜂窝，既有成熟的射频元器件制造商，也有新兴公司。对于毫米波通信，业界已选择使用混合架构，结合数字和模拟波束赋形。这种架构要求波束赋形集成电路（BFIC）集成4至32个完整的射频链。这些射频链包含PA、LNA、滤波器、开关和移相器，有几种技术平台适合这些功能。第一批BFIC是用SiGe或CMOS设计的，但现在我们看到一些厂商因其可扩展性和良好的性能而转向RF-SOI。像三星这样在美国拥有重要毫米波业务的一级OEM，正在使用内部设计的BFIC。

5G市场现状

在2021年RAN市场由于新冠疫情和供应链紧张而放缓后，在2022年重新获得了力量，部署了230多万个基站。在2023年，我们预计将看到250万个基站部署的高峰，其中35%的基站使用mMIMO AAS。自5G时代开始以来，这类架构的渗透率持续增加。对基础设施硬件的需求主要是由印度运营商雄心勃勃的5G网络部署和中国的持续推广所支持。印度是一个新的和重要的5G市场，该国已选择转向西方的供应链，诺基亚和爱立信是主要供应商。

RAN市场的增长主要由五大老牌企业支持：华为、爱立信、诺基亚、中兴和三星。这些供应商正试图通过在其RAN组合中的创新来巩固其领先地位，以提高系统规模和功率效率。华为和中兴由于在中国的大规模部署而增加了他们的市场份额，三星正在利用其早期采用的虚拟RAN（v-RAN）和开放RAN（O-RAN）战略。

O-RAN和网络虚拟化对其他参与者，如NEC和富士通，甚至是较小的参与者，如Mavenir或Airspan，都是一个重要的机会。像三星和NEC这样的公司正显示出他们的雄心壮志，要占领这个市场的重要部分，预计到2025年，这个市场将达到年均25%的增长。小蜂窝和毫米波市场也为小型企业和新加入者提供了一个令人兴奋的机会。

射频元器件市场正直接受益于mMIMO的渗透。我们估计2022年的RFFE市场为33亿美元，预计2023年将超过42亿美元，包括6GHz以下的小蜂窝和毫米波RU。就数量而言，2022年RFFE市场有近12亿个射频元器件，2023年它将达到近15亿个。随着mMIMO越来越占主导地位，预计未来五年该市场将持续增长。

基站PA

在RFFE市场上，末级PA吸引了大多数人的注意，因为这些器件占整个市场的45%，在LDMOS和GaN-SiC技术平台之间分配。GaN-SiC器件正在成为这个市场的赢家，但与LDMOS相比，该技术的成本仍然是一个问题。在OEM的压力下，随着GaN-SiC工艺的不断改进，成本正在缓慢下降。芯片制造商正在提出多芯片PA模块，同时集成更多的放大级和电源管理功能。这种方法被OEM所接受，因为它节省了制造和测试时间，为制造商和系统OEM带来了好处。从技术角度看，PA模块正变得越来越复杂和多样化：它们是单片或多片的，有时在一个模块内结合了数种技术。例如，LDMOS正在成为一种支持性技术，因为它在用作驱动器时可以提供方便的阻抗匹配。最后，硅基GaN有望弥补LDMOS和GaN-SiC之间的成本/性能差距，在英飞凌的推动下，可能在2023年进入中波段mMIMO AAS市场。图3显示了RAN应用中使用的所有技术的RF末级PA供应链和市场份额。图4显示了我们对设备份额的估计，以及向RAN应用中末级PA集成模块的演变。

图3 2022年RF末级PA的供应链和市场份额。

图4 RAN PA技术和集成预测。

在RAN RFFE中使用了各种各样的半导体技术，不仅用于末级PA，而且还用于驱动器、开关和滤波器。系统之间在功率水平、频率和结构方面的多样性，创造了对互补性解决方案的需求。这导致了一个复杂的技术生态系统。该行业最近由5G引起的技术颠覆创造了一个分散的市场，有许多玩家参与。少数玩家，如恩智浦、Qorvo、SEDI和ADI，在这个市场上脱颖而出，占有大量市场份额。恩智浦是无可争议的领导者，在整个RFFE组件市场上占有35%的份额。随着未来几年市场的预期增长，我们可能会看到其他厂商在基站应用中创造大量收入。

结论和展望

5G和下一代无线网络的创新仍在继续，但来自MNO的价格压力对OEM和芯片制造商来说正变得更具挑战性。分散的频谱、加上越来越多的可用频段，正在迫使运营商推动在一个射频模块内结合几个频段。作为回应，领先的芯片制造商正在设计具有非常大带宽的PA，同时支持更高的发射功率。

5G标准的下一步，即3GPP第18版，预计将在2024年第二季度发布，并将被视为5G高级版的第一个版本。这个新标准将增强5G从核心网络到RU的功能。在5G高级版之外，业界已经开始了6G研究，与全球的许多研究和开发计划并行。6G的一些主要挑战将是如何纳入亚太赫兹和太赫兹的频率。最初的关注领域集中在100至300GHz的亚太赫兹频段。这些更高频段的活动可能会促进半导体和天线新材料、新型封装技术和先进半导体工艺的发展。InP和SiGe被认为是实现6G所设想的这些更高频率应用的潜力技术。随着5G毫米波应用在努力寻找市场，如果6G需要更高的频率，是否会带来更多好处呢？如果6G确实有一条前进的道路，那么化合物半导体将在其中发挥重要作用。我们对从4G到6G的技术路线图的想法见图5。

图5 6G技术路线图。