高頻元件技術發展趨勢

 

刊登日期:2023/7/26
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蕭睿中 / 工研院產科國際所
 
前言
隨著5G的發展,人們於日常生活中所使用的手持裝置、智慧設備等都將與無線通訊技術更加緊密結合。5G的影響範圍不侷限於智慧型手機,更遍及全球各個市場和產業,同時也與物聯網密不可分。藉由高頻寬、低延遲的特性,以及高效率的傳輸模式,所帶來的效益不僅是加快傳輸速度,也提升了消費者的使用體驗。
 
無線通訊發展是一個開始至今已超過30年的技術演進,從第一代的無線通訊系統(簡稱1G)開始,提供的服務以類比語音為主,而現今已達4G(4th Generation)、5G(5th Generation)共存的世代。4G行動通訊技術是3G之後的延伸,簡單說來,1G是類比、2G是數位、3G是數據,4G為實現IP化,數據傳輸速率大幅的提升。所謂5G指的是「第五代行動通訊技術」,目的是要解決4G通訊無法解決的問題與限制。5G通訊其特徵有三,分別為:①.「增强型行動寬頻通訊」(eMBB),其特點如下:下載通信速度為20 Gbps,上傳通信速度為10 Gbps,在頻率使用效率上面是LTE-A(4G+)的3倍以上,以及通訊可於移動速度500 km/h下進行傳輸。②.「巨量多機器型通訊」(mMTC),其特點如下:平均每1平方公里擁有一百萬個連接點,能夠支援大量的連線以及極低的訊號延遲。③.「超可靠度和低延遲通訊」(URLLC),其特點為往返延遲不超過1 ms。5G的容量是4G的1,000倍以上,峰值速率10 Gbps-20 Gbps,意味著5G通訊必須採用更高的頻段以及需要更多的基站基礎建設,並引入Massive MIMO等關鍵技術。
 
在物聯網的服務普及化以及逐漸滲透下,帶動了人們對於與多應用的需求,包括:各種的多媒體影音、移動裝置行為服務、車聯網、環境感測以及工業物聯網等,因此也會加速5G通訊網路的實現腳步。未來,在5G滲透率逐漸提升之下,預估各種智慧聯網裝置透過5G通訊技術的連結,將會在各個領域中為各個市場帶來不小的發展潛力。
 
高頻元件具高市場發展潛力
迎接5G世代的來臨,通訊頻率逐漸朝向高頻段區域發展,主要頻段布建方向為在6 GHz以下的Sub-6頻段,以及於24 GHz以上的毫米波(mmWave)頻段,依據3GPP定義的規格,以6 GHz頻段為界線,6 GHz以下,也就是Sub-6,範圍在410 MHz至7125 MHz之間,而毫米波頻段,範圍在24250 MHz至52600 MHz,是屬於高頻的範圍。
 
根據Yole研究機構預測顯示,如圖一,全球電信通訊基礎設施的市場規模將由2021年的29.9億美元,提升至2027年的42.9億美元,2021年至2027年的年複合成長率(CAGR)為6.0%。其中,從各射頻前端模組的技術區分來看,2021年全球電信通訊基礎設施中市占份額中最大的是LDMOS,市場規模有9.26億美元,市占率高達31.0%。其次為GaN相關的射頻技術,市場規模為6.56億美元,市占為21.9%。
 
圖一、全球通訊基礎設施產業下各射頻前端模組技術類別之市場規模
圖一、全球通訊基礎設施產業下各射頻前端模組技術類別之市場規模
 
值得注意的是,未來2027年具市場規模的技術組成將出現變化。2027年市占份額中較高的為GaN以及SiGe,而LDMOS從2021年至2027年的CAGR為-8%,主要是因為未來通訊基礎設施佈建的技術將逐漸轉向佈建5G更高頻的通訊設施,矽基LDMOS受限於僅適合操作於3.5 GHz以下的頻段與其頻寬較低的問題,未來需求上僅部分新興國家仍有以LDMOS為主的4G LTE基礎建設;2027年的兩大射頻技術,一個主流是GaN的射頻技術,其市場產值將成長至11.43億美元,占市場份額26.6%,CAGR為10%,在射頻市場中具有不錯的成長潛力。GaN HEMT具有高頻操作特性佳、散熱特性佳、耐高功率以及高功率輸出等優勢,因5G在高頻高功率需求趨勢下,成為推動市場成長之主要動能。另一個技術是以矽鍺(SiGe)為基材的射頻元件,其市場產值將成長至12.07億美元,占市場份額28.1%,CAGR為17%。此射頻技術主要是應用於低雜訊放大器,用於收發器線路中,未來也將會在5G高頻通訊之毫米波頻段中應用於基站的功率放大器。
 
隨著5G世代來臨,訊號傳輸在波長變短下,穿越障礙物時所造成的衰減更大,因此智慧型手機、基地台的通訊高頻元件逐步走向技術升級之路,並且使用需求數量也日益增加。隨著5G時代的來臨,為達到更高的傳輸速度,以及更低的延遲時間,將會有更多的---以上為部分節錄內容,完整資料請見下方附檔。

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