5G學習：射頻前端

前言

5G是什麼？5G是一種技術，它代表的並不僅僅是手機，代表更多的是新生產方式和新互動方式。

而手機，只是其中一個載體，是eMBB場景下連線最緊密的媒介之一。後續，隨著mMTC，uRLLC場景的展開，5G的戰場將不僅侷限於此，更大的江湖會隨之鋪陳開來。

對於其中蘊含的機會，大致上會隨著時間軸線的發展逐漸出現。而現在所需要做的，就是未雨綢繆，充分發現其中的五倍股、十倍股機會，然後等待時間之花盛開。

在5G早期時代，終端裝置的無線通訊模組是最先行的。

而無線通訊模組包括了天線、射頻前端模組、射頻收發模組和基帶訊號處理器四個部分。其中射頻前端和天線是屬於量價均升，需求量急劇擴大的領域。

接下來本文主要圍繞射頻前端展開，僅考慮5G基站和手機終端市場，暫未考慮物聯網的終端機會。

射頻前端簡介

射頻前端是無線通訊裝置的一個核心部件，是將無線電磁波訊號和二進位制數字訊號進行互相轉化的基礎部件。

1）組成

按照功能可分為發射端（TX）和接收端（RX）；

按照組成器件可分為功率放大器（PA）、低頻噪聲放大器（LNA）、濾波器（Filters）、開關（Switches）、雙工器（Duplexes）和調諧器（Antenna Tuner）組成。

對於各個組成部件的功能，具體如下：

a）功率放大器負責發射通道的射頻訊號放大；

b）濾波器負責發射及接受訊號的濾波；

c）低噪聲放大器負責接受通道中的小訊號放大；

d）射頻開關負責接受、發射通道之間的切換；

e）雙工器負責準雙工切換、接受/傳送通道的射頻訊號濾波；

f）調諧器負責射頻訊號的通道選擇、頻率變化和放大。

在5G時代，訊號頻段數量大幅增加，隨之需要的組成部件數量也大幅增加，同時5G通訊裝置需要向下相容4G和3G，因此增量市場相當可觀。

根據研究，每增加一個頻段，需要增加1個PA，1個雙工器，1個射頻開關，1個LNA和2個濾波器。2G需支援4個頻段，3G需支援6個頻段，4G為20個，5G為80個。

那是不是可以簡單理解5G時代的射頻前端部件數量需要的是4G時代的4倍以上呢？也不是。這裡引入載波聚合技術。

2）載波聚合技術

5G大致分為兩個頻段，分別為FR1和FR2，其中FR1為目前國內主流頻率範圍，頻段號分為1至255。

從頻段號圖中可知，有幾個頻段既不屬於FDD也不屬於TDD，而是SUL和SDL。SUL和SDL頻段又稱輔助頻段，而且頻段相對低些，是為了充分利用低頻率段傳輸距離長的特性。

透過載波聚合技術將頻段內及跨頻段的無線通道進行有序聚合，在不增加發射端功率的情況下加大傳輸頻寬（最大頻寬為100MHz），增加傳輸速度，降低延時，同時增加傳輸距離，降低基站的建造數量。

此外，載波聚合技術有個缺點，多個頻段內無線訊號間存在互相干擾。而這缺點的解決依賴於優秀的射頻前端開關和濾波器設計，這要求兩者具有極高的線性度。

3)潛在機會

介紹完載波技術後，可以知道5G時代實際的頻帶數量增加更多，並不是簡單的4G時代的4倍。

總之，整體數量上多倍於4G時代，設計難度（新材料、新設計、新工藝）上也遠高於4G，BOM表中的佔比和價值也都遠高於4G時代。

在幾個主要器件裡，濾波器為佔比最大的業務板塊，2017年佔比約為54%（SAW約35%，BAW約15%），而且在5G時代佔比將繼續提高，至2022年有望到達66%，約200多億美元；功率放大器PA佔比約34%，射頻開關約7%，調諧器約5%。

濾波器

首先，濾波器是一種選頻裝置，使訊號中特定頻率成分透過而極大衰減其他頻率成分。

1）引數指標

射頻濾波器的最主要指標有品質因數Q和插入損耗。

品質因數是指電路諧振程度的強弱。Q值越大，通帶頻率差識別能力越強，也就是說能夠實現越窄的通帶頻寬，實現更好地選擇性；

插入損耗是指通道訊號被濾波器的衰減，即訊號功率損耗。插入損耗1dB，代表訊號功率被衰減20%；若插入損耗3dB，則訊號功率衰減50%。插入損耗越低，說明能量利用率越高。

2）濾波器分類

在通訊行業裡，濾波器主要可以分為表面聲波SAW、體聲波BAW、MEMS濾波器。目前SAW和BAW是主流濾波器。

關於這三者，進化過程大抵是從SAW到TC-SAW到BAW再到MEMS。

SAW（Surface Acoustic Wave）是將電訊號變為聲訊號，聲波沿晶體表面傳播，再轉化成電訊號輸出，利用的機制主要是石英、鈮酸鋰、鈦酸鋇晶體的壓電效應。

SAW技術成熟，成本低，插入損耗小，但頻率上限為2。5~3GHz，頻率高於1。5GHz時選擇性降低；在2。5GHz時僅限於對效能要求不高的應用，同時SAW易受到溫度變化影響；

TC-SAW（Temperature Compensated SAW）是SAW的增強版，塗上了一層溫度升高時剛度加強的塗層，修正了溫度變化對效能的影響。

TC-SAW屬於SAW和BAW的過渡產品，溫度影響解決，高頻效能未解決，勝在成本優勢較大。

BAW（Bulk Acoustic Wave ）也是將電訊號轉化為聲訊號再轉化為電訊號輸出，但傳遞機制不同，採用了薄膜腔聲波諧振器（FBAR），是兩個金屬電極夾著壓電薄膜（2um）使得聲波在壓電薄膜裡震盪形成駐波。

BAW製造工藝複雜，約是SAW的10倍，單位晶圓產出的BAW數量上也較SAW多4倍，成本自然也較SAW高。BAW適用於高頻（1。5GHz~6GHz），插入損耗小，對溫度變化不敏感，體積小，技術優勢較大。

MEMS（微機電系統）是利用積體電路製造技術和未加工技術把小東西整合在晶片上的微型整合系統（毫米級）。

MEMS目前處於研發階段，且體積尺寸在10mm*7mm，體積遠大於SAW和BAW的0。8mm*0。6mm，因此MEMS濾波器暫時不能應用於終端，但MEMS濾波器是毫米波（24GHz以上）頻段內的很好選擇，所以後期技術突破後存在很大機會，而目前只能在基站上有可能使用。

3）關鍵工藝

對於高效能濾波器而言，設計和製造都是極大門檻。

設計方面，存在諸多難點，例如如何解決濾波器的溫度漂移問題等。其他具體技術難題還有待繼續學習。

製造方面，SAW的工作頻率侷限在2GHz以下，由電極條寬度和壓電材料性質決定。電極條越窄，頻率越高。如果配合半導體0。2um~0。35um的精細加工工藝則有望達到2~3GHz的工作頻率，突破限制，這會給SAW帶來更大的市場應用場景。

SAW大致流程為金屬膜沉積、上膠及前烘、曝光、顯影、漂洗及後烘、刻蝕和去膠。其中曝光裝置和光刻技術影響最大。此外，傳播速度更高的壓電材料也是提高工作頻率的另一種手段。

而BAW生產工藝複雜，生產成本高，良品率低，這直接導致BAW無法批次推出。

目前BAW濾波器存在替代方案，採用高PA+陶瓷濾波器的方案。

陶瓷濾波器的低頻段效能相對較好，高頻段較差，因此以犧牲了功耗和信噪比為代價，增加前後級放大器PA的增益以達到相同的特徵頻段濾波，

最後，在射頻濾波器製造工藝中有一門重要工藝LTCC（低溫陶瓷共燒工藝），是高頻通訊元件（微型）整合的必要工藝之一。

4）生產模式

目前濾波器設計模式最好為IDM（Integrated Device Manufacture），覆蓋從設計、製造、封裝測試到消費市場的全產業鏈，目前這種模式都被寡頭公司採納。

這種模式有利於資源整合，縮短開發週期，而且具備技術優勢，能夠保證較高的利潤。

而目前國內大部分採用的是Fabless+Foundary模式。相較於IDM模式，Fabless能夠快速響應市場，而且設計技術能夠和Foundry製造技術同步發展。

此外，Fabless模式是輕資產，IDM模式是重資產，相對而言Fabless更適合國內現狀。但Fabless模式存在被終端廠商替代的可能。

5）相關企業

目前SAW和BAW濾波器均被國際巨頭壟斷。

SAW濾波器市場以日企為主，Murate、TDK、EPCOS、村田等佔了近95%全球市場份額；BAW濾波器市場以美企為主，其中Avago和Qorvo佔了近87%全球市場份額。

而國內相關業務的廠家和研究所有：

a）德清華瑩（中電55所）

德清華瑩是中電55所控股的一家專業從事研製及製造人工晶體材料、聲表面波及電子系列產品的企業，是國內最早研製SAW濾波器的企業之一，具備較強的SAW濾波器生產和研發水平。後與信維通訊達成股權合作，擬共同爭取射頻濾波器市場。

b）中電26所

中電26所是國內唯一同時具備SAW，TC-SAW，BAW研發和生產的單位，也是為數不多的能為中興/華為提供聲表濾波器產品的供應商。

公司原本從事軍品研製，軍品民用化後具備技術優勢。目前已成功研製出上千種規格的聲表面波濾波器、聲表面波振盪器、聲表面波諧振器、聲表面波延遲線、聲表面波直接頻率合成器等訊號處理器，用於基站的中頻濾波器以及各類無線收放濾波器。後透過與麥捷科技的股權交易，佈局手機濾波器市場。

此外，國內目前僅有中電26所和天津諾斯唯二具備BAW的完整工藝線，這也是亮點之一。

c）無錫好達

無錫好達是韓資背景企業，技術來自於韓國YSAW，是國內最早進行終端濾波器開發的企業之一。

公司主要生產聲表面波濾波器、雙工器、諧振器等產品，用於手機、基站、雷達、航空航天以及各類通訊領域，目前已實現對主流手機廠商（中興、三星、富士康、魅族等）的供貨，是國內唯一向終端市場批次供貨的國內企業。

d）信維通訊（SZ：300136）

信維通訊是國內LDS天線龍頭企業，射頻技術實力突出，並且在4G時代具有國際化大客戶平臺。目前信維通訊的首要業務仍是天線、隔離器和聯結器，而射頻器件有望成為下一個業務增長點之一。

公司從2016年開始成立信維微電子，佈局射頻前端器件，瞄準射頻和濾波器的設計生產上，擬對標村田。為此，公司和55所合作，入股德清華瑩，信維通訊具備渠道優勢，55所具備技術優勢，兩者強強聯合，共同開發SAW器件和MEMS器件，共建技術研究院和GaNg晶片平臺。

此外，信維通訊在江蘇新建一個生產基地，擬為下一步產能擴張做佈局。

最後，信維通訊在材料端也具備一定優勢，搞定了射頻電子材料、磁性材料和LTCC工藝。

e）麥捷科技（SZ：300319）

麥捷科技主要從事於片式電感、片式LTCC射頻元器件，屬於高階被動電子元器件，是高精密性器件。

公司於2016年底募集8。5億資金，佈局SAW濾波器和MPIM小尺寸系列電感等高階電子元件專案，2017年開始規模化擴產並批量出貨，但目前仍侷限在二三線手機廠商，一線高階手機品牌客戶的SAW供貨情況仍需要繼續追蹤。

此外，需要關注的是LTCC射頻元器件帶來的機會，這將是MEMS未來的發展方向，但目前距離MEMS尚遠。

6）東山精密（SZ：002384）

東山精密的業務之一是基站濾波器。

基於精密鈑金和壓鑄件的技術積累，2013年開始批次提供濾波器蓋板和牆體，2016年完成華為認證，開始大規模供應華為濾波器產品。

此外，公司濾波器產品還進入了三星、諾基亞通訊、愛立信通訊的供應商體系。

由此可見，基站濾波器為東山精密的優勢產品，同時該產品具備更換頻率低，採購穩定的特點，有望在5G基建時代分得一杯羹。

f）天津諾斯

天津諾斯為國外AVAGO和Skyworks等公司的海龜回國創立的一家做BAW的公司，但目前和博通存在智慧財產權糾紛，這直接導致產品使用受限。

g）華遠微電

華遠微電是民營高科技企業。主要產品為聲表面波濾波器、聲表面波諧振器、聲表器件模組等。

目前公司自主研發了中高頻表面聲波器件，頻率範圍為30MHz~2900MHz。此外，公司還和深圳大學、哈工大進行合作開發相關產品。

h）三安光電（SH：600703）

三安光電是一家主要從事半導體材料的研發和應用，著重於GaAs、SiCk等半導體材料並外延至晶片設計和通訊功率器件的公司。

目前公司主要從事LED、射頻、電力電子、電子濾波器和光通訊五大業務，但射頻類和電子濾波器類的產品營收尚少。

功率放大器

功率放大器PA是射頻前端發射通路的主要器件，是為了將調製振盪電路產生的小功率射頻訊號放大，獲得足夠大的射頻輸出功率，再透過天線上輻射出去，是用於放大射頻訊號的器件。

它決定了移動終端和基站的無線通訊距離、訊號質量等關鍵引數。

經預測，5G手機內的PA晶片達到16顆之多，比4G多模多頻手機需要的PA晶片（5-7顆）多上一倍。4G基站採用4T4R方案，對應PA需求量12個，而5G基站採用64T64R方案，對應PA需求量192個，數量有望提升16倍。而且在5G時代，頻率更高，PA工藝要求也越高，PA單價也有顯著提高。

1）技術路線

終端用PA製作工藝的技術路徑基本包括：矽單晶材料（Si CMOS，低端商用，2G PA）到砷化鎵（GaAs，高階民用，3G PA）再到氮化鎵（GaN，高階軍用，4G PA）。此外，基站用PA適用於LDMOS技術，NB-loT用PA則可能採用CMOS和SOI（目前仍以GaAS為主）。

對於這幾類技術，具體優劣勢如下：

CMOS的優勢在於將射頻、基頻與儲存器等元件合二為一的高整合度，並降低了元件成本；

SOI的優勢在於可整合邏輯與控制功能，不需要額外的控制晶片；

GaAs的優勢在於高電子遷移速率，適合長距離長通訊時間的高頻電路，但熱導率較低，散熱性差，可承受功率低（低於50W），價格中等，因此適用於終端射頻前端等小功率市場；

GaN的優勢在於高熱導率和高電子遷移速率，頻寬更寬，適用於高功率和高頻率（相比於LDMOS，功率提高約4倍），工作頻率可達到40GHz，但成本較高，適用於5G宏基站和小基站；

LDMOS的優勢在於低成本和大功率效能優勢，但僅在不超過3。5GHz的頻率範圍內有效，在3。5GHz頻段效能則開始出現明顯下滑。

綜合以上特性，移動端以GaAs射頻器件為主，而宏基站端則是GaN逐漸替代Si LDMOS，微基站則是GaN逐漸替代GaAs。

2）相關企業

目前Skyworks、Qorvo和AVago幾大廠商佔據了全球近93%的PA市場份額。

而國內相關業務的廠家和研究所有：

a）絡達&唯捷創芯

絡達主要產品為藍芽、射頻PA器件，生產手機用PA、射頻開關、Wireless LAN、藍芽系統單晶片、WiFi收發器等。但絡達PA部門在2019年8月解散，後由唯捷創芯負責。

唯捷創芯以主流GaAs工藝切入射頻PA市場，目前4G PA出貨量是國內最大的，基本覆蓋了前幾大手機供應商。

b）紫光展銳

紫光展銳以GaAs和CMOS兩個不同工藝覆蓋2G/3G/4G射頻前端產品，並量產射頻開關、低噪聲放大器以及佈局射頻濾波器。目前，公司整體出貨量較小。

c）漢天下

漢天下是國內銷售量和出貨量領先的射頻前端晶片和射頻SoC晶片的設計廠商，是國內首家同時擁有大規模量產CMOS PA和GaAs PA技術的廠商，是2G功能機和智慧機的首選射頻功放。

公司採取低價策略，部分小客戶採用，出貨量較少。

d）慧智微

慧智微主營業務為高效能微波、射頻前端晶片，主要從事微波和射頻模擬積體電路的設計、開發、銷售並提供相關技術諮詢和支援。

公司核心由留美歸國的知名積體電路專家構成，在射頻、模擬及SoC各領域均有很深的造詣。

公司開發了世界第一款可重構射頻前端平臺，平臺效能優、尺寸小，非常適合當前和未來的4G/5G無線系統，目前公司的可重構射頻前端出貨達千萬片以上，長期看好。

e）國民飛驤

國民飛驤是從國民技術獨立分拆出來的無線射頻產品事業部，是專注於射頻功率放大器、開關及射頻前端等電子元件設計、開發、銷售並提供完善技術諮詢和服務的科技公司。

2010年開始依託國內市場開發國產射頻功率放大器和射頻開關，目前產品認可度不高，但客戶基礎還不錯，所以市場上有一些出貨。

射頻開關

射頻開關是將多路射頻訊號中的任一路或幾路透過控制邏輯連通，以實現不同型號路徑的切換，包括接收與發射的切換、不同頻段間的切換等，以達到共用天線、節省終端產品成本的目的。

射頻開關按照用途可分為行動通訊傳導開關、WiFi開關、天線開關；按照結構可分為單刀雙擲、單刀多擲、多刀多擲。

對於5G時代日益增加的通道數量，既要滿足高功率高頻率，又要配合更加複雜的射頻訊號路徑，因此在設計和製造方面均需要進行提升，而在材料商射頻開關多半採用化合物半導體工藝。

目前，SOI技術是射頻開關的首選技術，近70%射頻開關採用該技術，其他採用GaAs工藝而MEMS技術則是高階天線開關的下一步發展方向，預計未來幾年內能保證近10%的年增長率。

目前射頻開關市場主要為Skyworks、Qorvo、Broadcom、NXP和Murata等佔據，這些廠商透過生產技術創新提高生產效率。

而國內相關的開關公司有：

a）卓勝微（SZ：300782）

卓勝微是一家在射頻器件及無線連線專業方向具有卓越科研技術和強大市場競爭力的Fabless晶片設計公司，擁有三大核心技術：CMOS開關式低噪聲放大器設計、CMOS射頻低噪聲放大器設計和拼版式射頻開關設計，是國內最大的開關供應商，其中射頻開關貢獻了近82%的收入。

目前公司已打入三星和小米供應鏈，年銷售額近1億美金。

b）國民飛驤

國民飛驤是從國民技術獨立分拆出來的無線射頻產品事業部，是專注於射頻功率放大器、開關及射頻前端等電子元件設計、開發、銷售並提供完善技術諮詢和服務的科技公司。

2010年開始依託國內市場開發國產射頻功率放大器和射頻開關，目前產品認可度不高，但客戶基礎還不錯，所以市場上有一些出貨。

c）韋爾股份（SH。603501）

韋爾股份是一家以自主研發、銷售服務為主體的半導體設計和銷售公司。

目前公司主營產品包括射頻開關、訊號放大器、系統電源及控制方案、系統保護方案、電磁干擾濾波方案、分立器件等。

總結

綜合以上，在射頻終端市場潛力方面，濾波器（SAW/BAW）>功率放大器（PA）>射頻開關。

涉及的上市公司有：

1）信維通訊（SZ：300136）

2）麥捷科技（SZ：300319）

3）東山精密（SZ：002384）

4）三安光電（SH：600703）

5）卓勝微（SZ：300782）

6）韋爾股份（SH：603501）

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