5G硬件发展现状！射频前端模块简介

一、5G 硬件发展现状

1、当前 5G 硬件

在过去几年中，通信厂商和硬件制造商都在积极布局 5G 产品，例如针对毫米波、MIMO、载波聚合等一系列软硬件应用的开发。当前最新的 5G 硬件都是在配合相关标准，例如 3GPP R15。虽然 5G 第一阶段规范和更新还在进行中，但是可以通过软件更新的方式来满足要求。目前已经推出的 5G 模组和收发机可以进行软件升级，并且可以提供吞吐量处理功能，在当前毫米波还没有正式使用的情况下，依然可以提升潜在带宽。目前很多硬件制造商和通信公司都在积极推进 5G 试验和部署，这种情况在 2019 年将会持续。在 5G 标准正式完成前，各个厂商通过使用这类可以修改的 NSA 5G NR 技术来满足 5G 需求。对于硬件和核心网络来讲，为了满足未来 5G 标准最终版本，可编程能力和灵活性显得至关重要。

▲3GPP的5G标准推进时间表（来源：Microwave Journals，中银国际证券）

5G 硬件必须要考虑到向 4G LTE 兼容，满足 5G 和 4G LTE 双连接。和以前的做法类似，目前的 4G LTE会并入到 5G 的规范中。支持双连接的 5G 规范需要可调整型射频硬件来配合，也就是说可以根据场景来重新分配资源，而不仅限于使用预编程的场景。

由于最终的 5G 毫米波频谱和射频硬件还未最终确定，大量的可移动性毫米波还在试验阶段，5G 毫米波的首轮使用会在固定无线服务（FWA, fixed wireless service）中。这样做是因为毫米波在非视距移动和天线波束追踪上仍具有技术难度，而固定无线服务可以暂时避免这个问题。相比于终端设备，固定无线服务 5G 模组和收发机芯片尺寸和功耗方面要求并不苛刻，设计自由度大，但是成本也更高。

最新商用的 5G 硬件是在原有射频前端模组的基础上，覆盖新的 NSA 5G NR 频率，从而实现完整解决方案。这些射频前端模组中包含了 PA、LNA、开关、滤波器，但是和原有的 4G RFFE 存在区别。举一个例子，在较高频率下，大气和普通建筑材料的传播损耗增加，针对 5G 硬件，Power Class 2 规范允许输出功率可以达到 26dBm，是之前的 Power Class 3 所规范的功率的两倍。

▲Power Class 输出功率（来源：Qorvo，中银国际证券）

Tx（Transmitter, 发射机）的带宽在 5G 中可以达到 100MHz，但是现在的技术并不能满足这么高的带宽，例如包络检测只能支持 60MHz 带宽。对于 5G 系统来说，一些低效率技术，例如平均功率检测会更加适合。这些早期的 5G RFFE 模组更有可能使用宽带技术，需要在原有的 4G 基础上使用支持 sub-6GHz的滤波器。为了实现多频带滤波，滤波器会是多个模块的复杂组合，如表面声波（SAW），体声波（BAW）和薄膜体声波（FBAR）滤波器模组等。

现在的 5G 模组生产厂商包括三星、高通、英特尔和华为等。这些先行的 5G 芯片可以支持 2Gbps 数据速度和 28GHz 毫米波，以及 NSA 5G NR、波束赋形、天线切换、3D 频率规划工具和虚拟化 RAN 等。

无论是器件还是网络硬件制造商、运营商以及测试厂商，都在用模拟终端进行 5G NR 测试。三星、国家仪器以及大唐电信、Keysight 公司在 2018 年 Mobile World Congress 大会上公布了在 5G 商用基站中可能用到的硬件和终端仿真系统。5G 终端商用芯片很有可能会在 2019 年大量推出，但是各大厂商究竟是仅仅支持 sub-6GHz 还是加入毫米波还取决于各自的研发进度。

2、射频前端模块简介

射频前端即 Radio Frequency Front-End，简称 RFFE，是天线和射频收发机之间的射频电路部分。通俗的理解方式就是靠近天线部分的设备就是射频前端。

以手机接收信号为例，空气中的无线电磁波信号经过天线转换为有线信号，之后送入射频前端部分。在射频前端部分中，电磁波从天线出来先进入天线调谐器（antenna tuner），它是连接天线和后续电路的一个匹配网络。接着信号经过分集开关（diversity switch），为移动和基础设施应用提供低插入损耗、高隔离和出色的线性度。之后是个双工器（diplexer），双工器用于天线输入输出部，拥有在收发时分类或混合 2 种不同频率信号的功能，并且还用于 CA(carrier aggregation)电路中。再然后信号经过射频开关送到滤波器电路，射频开关负责接收、发射通道之间的切换；滤波器负责发射及接收信号的滤波；最后经过低噪放，低噪声放大器主要用于接收通道中的小信号放大，同时抑制噪声在可接受的范围内，供后续的收发机处理。接收机/发射机用于射频信号的变频、信道选择。信号的发射路径中各部分的作用与接收路径几乎相同，但是发射路径不再使用低噪放而是功率放大器（Power Amplifier，PA），用来放大信号作为发射使用。

▲射频前端结构示意图（来源：高通官网，中银国际证券）

5G 标准正在如火如荼的推进，根据 Qorvo 预测，在未来 10 年内，5G 终端将会成为手机产业中发展最快的部分。根据 Strategy Analytics 预测，5G 终端的出货量将会从 2019 年的 200 万部增长到 2025 年的15 亿部，而且根据 Qualcomm Technologies 调查显示，由于数据速度的提高，有 50%的消费者对 5G 手机表示有意愿购买。5G 标准至今没有最终完成，对于 RF 设计来说还存在很多指标上的不确定性，例如功率回退电平，区域频带组合，上行链路 MIMO 和补充上行链路（SUL）。

4G 向 5G 的转变绝不仅仅体现在带宽的拓展和网速的提高。2017 年 12 月的 3GPP R15 给出了非独立组网 NSA 5G NR 标准，适用于大部分早期 5G 网络。NSA 是在 LTE 的基础上并入 5G NR 频段，不需要单独铺设 5G 专属的核心网络。而 5G 独立组网将会采用完全的 5G 网络。5G 具有更快的数据速率，但是时序和带宽与 LTE 仍然类似，不过延迟要求大大提高，因此对于天线开关和天线调谐器的速度要求可能比 4G LTE 高十倍。

5G 的带宽可以高达 100MHz，是 LTE 带宽的五倍，因此对于 RF 子系统来说，带宽的拓展会带来一系列的要求和变化。

3、射频硬件设计挑战

NSA 5G NR 中加入了 sub-6GHz 频段，因此射频硬件也需要可以支持新的 n77，n78 和 n79 波段。虽然NSA 5G NR 中没有明确规定，但是在最终版本中 5G 很有可能支持小于 600MHz 的低频段，来满足大规模的低功耗连接，例如 IoT、工业 4.0/工业 IoT 以及其他机器类通信。5G 带来的新的子载波信道、宽带、载波聚合和 4x4 MIMO 标准会带来大量滤波器、天线、低噪放、功放、开关在模组和收发机中的变化和新应用。5G 频段的紧凑型和有限的空间设计都会给硬件设计带来不小挑战。

设计空间有限

RF硬件尤其是天线在小型终端设备中已经被挤压到了很小的空间中，但是 5G标准要求下行4x 4 MIMO和上行 2 x 2 MIMO，也就是说要有 6 个独立的 RF 信号路径。5G 天线调谐技术在宽带宽上最大化天线辐射效率会非常关键。NSA 5G NR 目前支持单个载波上的 100 MHz 带宽，具有更多 CA 选项（R15 之后会多达 600 个种载波组合形式），因此相比于 4G LTE，这些 RF 路径必须要要做的宽很多。NSA 5G NR还允许 200 MHz 上行链路和 400MHz 下行链路的带宽，要处理大量数据，对终端和基站的能效都提出了更高要求。

▲载波聚合组合形式的变化（资料来源：Qorvo，中银国际证券）

在终端设备中，RF 硬件的集成度很有可能会进一步提高，采用 SoC 技术把滤波器、高密度开关、天线调谐器、LNA 和 PA 集成在 RFFE 系统中。5G 终端天线最有可能采用集成方案，把天线调谐器和预滤波器、波束赋形控制模块集成在一起，用来降低成本以及满足手机中紧凑的空间要求。由于 5G 复杂度和射频密集度的提升，终端芯片设计厂商多会采用 5G modem-to-antenna 方案。

5G 非独立组网双连接

为了满足 5G 吞吐量需求，双连接是必要的。5G NSA 支持 4G LTE 和 5G 双连接，运营商会对 4G FDD-LTE和 5G 频段进行合并，NSA 标准允许手持设备发射一个或者多个 LTE 频段信号的同时接收 5G 频段信号，谐波信号的存在会增加对接收机灵敏度的要求。举个例子，当 LTE 1, 3, 7,20 以及 5G 的 n78 波段进行载波聚合时，由于 n78 频率高且带宽很宽(3.3-3.8 GHz)，LTE 频段的谐波可能出现在 n78 波段范围内，如果不进行适当的信号衰减，就会造成接收机灵敏的劣化。如果加入滤波器可以解决这个问题，但是也会带来插入损耗，相应的对 PA 的输出功率要求更高。

双连接带来的其他设计变化，如配臵两根主天线，同时 LTE 和 5G 同时传输会造成额外的电源管理问题，因此需要额外的 DC 变换器，对手机空间同时也造成影响。从 2G 到 5G，天线尺寸在减小，天线数量在增加，RF 部件复杂度的提升对于天线的空间造成挤压。

▲手持设备中 RF 含量增加使得天线增加受限（资料来源：Qorvo，中银国际证券）

雪上加霜的是，NSA 5G NR 频段周边布满了 ISM 频段，例如 WIFI 和蓝牙以及其他未授权频段。在如此紧密的频段分布和宽频带的前提下，由于滤波不足、PA 线性度和谐波抑制都有可能引起接收机减敏性能下降。为了获得更高的吞吐量，NSA 5G NR 变送器需要具有高输出功率和高平均峰值功率，但是这样会导致同一基站或者附近的 5G 设备中共臵的接收机出现问题。

4x4 MIMO

4G 对于 MIMO 的要求是选择性的，5G 对于 1GHz 以上下行链路 4x4 MIMO 则是必须要求，新增加了 n77波段并对 LTE 频段重耕，例如原有的 4G Band 3 重耕为 5G NR n3。4G LTE 的接收分集是两个接收路径，到了 5G 则需要 4G 接收路径。对于已经支持 4G LTE MIMO 的手机来说，这个要求不会造成很大变化，而对于目前不支持 4G LTE MIMO 的手机来说则增加了 RF 的复杂性和天线的带宽，也就是说需要 4 个单独的 RFFE 路径和 4 个天线。如果考虑到 2x2 MIMO 上行链路对应的 n77，n78，n79 和 n41 波段，这个问题会更加复杂。

这种架构的变化带来的首先是天线调谐器重要性的加强。如今的智能手机越来越依赖于天线调谐技术来提高发射效率，在 5G 过渡的过程中，天线调谐技术会更加重要，天线的数量在有所保证的前提下，每一个天线都要保证宽频下的高效率。

双工信号在如今手机中应用很广泛，但是 5G 会引入新的信号路径分配的复杂性。在高频波段信号配合双连接上行链路的要求下，信号到天线的路径分配会产生重大变化。直接双工器将会被高性能天线复用器取代，这些天线复用器可以使得连接数最大化，同时也可以满足严格的载波聚合抑制要求，同时保持低插入损耗。

RF 的复杂性要求在提高，但是空间上的分配却不会增加，因此射频前端会采用模组化来节省面积，射频前端模块将会同时集成 PA、开关、滤波器、LNA 等等。

宽带和新波形

在如今 LTE 高端型手机中，多采用的是包络追踪技术来配合 PA 降低功耗。包络追踪技术可以通过追踪射频信号能量，来不停地调整 PA 的电源电压，从而优化 PA 效率。但是包络追踪目前的技术只能支持到 60MHz 带宽，在 5G n77 和 n79 波段进行载波聚合后可以达到 100MHz 带宽，包络追踪技术此时无法满足带宽要求。因此 PA 需要工作在平均功率跟踪（APT）固定电压模式下，来支持宽带的 5G传输，同时 PA 的效率会下降。

▲5G 收发机架构（资料来源：Qorvo，中银国际证券）

PA 的线性度的要求也大大增加，这是由于 5G 增加的新波形，CP-OFDM 与大量信道组合具有更高峰值平均功率比（PAR），所以在 5G PA 中实现更大的回退（backoff）。工作在回退模式意味着必须降低 PA 的最大输出功率，以便使整个信号在 PA 传递曲线的线性区域范围内。这样做会给 PA 的线性度和效率的折中带来更大的困难。

5G RFFE 还可能需要支持 LTE 中与 5G FR1 重合的频率，对 LTE 向下兼容。考虑到电池寿命，手机制造商希望尽可能使用 ET 来保证 PA 效率，这意味着使用 ET 进行 LTE 传输和采用 60 MHz 带宽的 5G 信号。因此，PA 在 ET 模式下工作时必须提供高饱和效率，在 APT 模式下则必须具有高线性效率。在宽带 APT 模式和相对窄带的 ET 模式下 PA 的的工作模式，给 RFFE 供应商带来很大挑战。此外，在ET 和 APT 模式之间切换需要复杂的电源管理。

先行的 5G 模组可能只在特定的频段工作，只满足最终版的 5G 部分要求。但是 5G 基站中，对应 eMBB和工业及汽车应用，必须是在各个标准中相互兼容的，也就是说 5G RF 硬件必须能够服务 5G FR1 和5G 毫米波 FR2 频段。

LTE 频段重耕带来的复杂性

5G NR 对 LTE 频段的重耕会带来更多的复杂性，同时 3G/4G 已经分配的频谱也会由于 5G NR 波段的使用进行重耕，因此 PA 需要有效的支持 4G 和 5G 在各个频段的传输。完全过度到 5G NR 可能还需要十年甚至更多的时间，所以同时支持 LTE 和 5G 已有波段会给 RFFE 的设计复杂度带来挑战。

以 Band 41 为例，作为首先被重耕的波段，当用作 LTE 制式时，最大的传输带宽可以达到 60MHz，因此可以采用包络追踪技术来节约功耗。当用在 5G 制式下，单个的载波带宽可以达到 100MHz，这就需要 PA 工作在 APT 模式下，提高的信号带宽工作范围也需要更宽带的滤波器支持。

工艺变化

在当前使用的 4G 终端和基站中，PA 依赖于 LDMOS、GaAs 以及 SiGe 工艺，GaN 在基站 PA 的市场中也有所增加。但是由于 sub-6G 的使用和 LDMOS 受限于 3GHz 的原因，GaN PA 和 LNA 更有可能使用在基站系统中，而 GaAs 和 SiGe 放大器可以继续适用于 sub-6GHz。为了降低成本和减小尺寸，在 SOI上集成 RF 电路更有可能在 5G 毫米波应用中使用。未来的 RFFE 可能会将 PA、LNA、开关和控制毫米波相控阵列波束赋形天线系统集成在一起，使用的工艺是 RF SOI、 SiGe BiCMOS、或者 RF CMOS SoC制程。

▲5G FDD 波束赋形模组（资料来源：Qorvo，中银国际证券）

另外一种可能性是沿用 RF 硅工艺，但是可以同其他工艺配合来共同集成滤波器及数字电路来实现混合波束赋形控制。RF SOI 和 RF CMOS 更有可能和先进制程下的 FPGA、存储器以及处理器等数字模块集成在一起。5G 毫米波可能会采用封装集成的方式，把基带处理和辅助的数字信号处理部分集成在一起。

由于频率路由（frequency routing）和滤波对于 5G 载波聚合和制式兼容非常重要，集成的 SAW，BAW，FBAR 和其他的集成谐振器和滤波器技术对终端和紧凑单元就很关键。5G 模组在之后很有可能并入Wi-Fi 和蓝牙，再加上潜在的串扰和设计复杂度，进一步增加滤波和频率路由的难度。工艺方面，5G RFFE 上可能会采用 RF SOI 来实现滤波器和放大器的共同集成。SOI 滤波器在 sub-6G 中真正使用可能还需要几年的时间，但是在毫米波系统中使用 SOI 集成放大器和开关，是一个很好的选择。

4、射频前端市场

RF 前端（RFFE）模块市场将受到新的 5G 标准的高度影响。这主要来自于 5G 带来的射频模块复杂度的提升，用量的大大增加。尤其是 MIMO 和 CA 技术在 5G 中的应用将会拉动射频前端器件的需求。据 Yole Dé veloppement 称，预计 2023 年 RFFE 的全球市场规模将达到 352 亿美元。

▲2017-2023 年射频前端市场展望（资料来源：Yole，中银国际证券）

RF 前端（RFFE）模块市场将受到新的 5G 标准的高度影响。这主要来自于 5G 带来的射频模块复杂度的提升，用量的大大增加。尤其是 MIMO 和 CA 技术在 5G 中的应用将会拉动射频前端器件的需求。据 Yole Dé veloppement 称，预计 2023 年 RFFE 的全球市场规模将达到 352 亿美元。

▲2017-2023 年射频前端市场展望（资料来源：Qorvo，中银国际证券）

射频前端除了用在各类型便携设备中，还应用在 WiFi 设施、IoT、智能电网、可穿戴设备等，而其中三五族化合物半导体会占据 RF 市场的核心。

二、天线调谐器

1、天线调谐器简介

在前面的 5G 系列天线专题中，我们已经阐述过天线的尺寸将会随着频率的增加而减小，天线的数量也将会增加。为了满足智能手机的工业设计要求，天线的尺寸有苛刻的要求，小尺寸天线会造成天线效率的降低。而天线效率降低会严重影响 Tx 和 Rx 的性能，同时使得电池寿命缩减，导致低数据传输速率以及信号连接问题。天线孔径调谐技术是保证在 5G 制式下手机可以工作在正常效率以及宽频 RF 范围的关键技术。

我们曾提到，5G 具有很高数据传输速率，因此需要一定数量的天线来保证。两个主要的配合高速传输的通信技术是 CA 和 MIMO 技术，这两个技术都要求多天线同时工作。5G 要求下，大多数的频带都需要支持 4 个下链路信道同时工作，因此需要 4 个天线。同时，由于 5G 新频段的引入，手持设备的天线还需要支持更宽的带宽。为了满足 Wi-Fi，GPS 以及蓝牙等，天线数量将会从如今的 LTE 制式下的 4-6 根增加到 6-10 根，在手机空间已经非常拥挤的条件下，可以说是很大的挑战。

▲5G终端中由于MIMO和CA技术带来的天线数量增长（资料来源：Qorvo，中银国际证券）

全面屏手机已经成为如今中高端智能机的主流形式，屏占比越来越高，近乎占据了整个了手机的整个正面，在屏幕之外留给天线的空间越来越小，同时摄像头数量也在增加，使得天线可以占据的空间更加狭窄。更多的天线，更拥挤的空间，意味着天线效率的降低。下图是 Qorvo 给出的全面屏设计中，手机中辐射器件和地（屏幕边缘）的距离越来越小时，天线效率逐渐降低。

▲全面屏手机对天线空间以及天线效率的影响（资料来源：Qorvo，中银国际证券）

天线的性能要考虑天线尺寸、带宽、效率之间的折中，例如在天线尺寸固定的情况下，天线效率可以通过牺牲带宽来提升。在如今天线尺寸继续缩减的情况下，各指标之间的折中（trade off）非常困难，只能在很窄的频带范围内达到一定的效率水平。因此为了满足带宽要求，需要天线在不同频率下进行调节来符合效率要求。

▲天线性能的折中三角（资料来源：Qorvo，中银国际证券）

业界如今有两种截然不同的天线调谐方法：可调式阻抗匹配调谐 Tunable Impedance Matching (TIM)和天线孔径调谐 Antenna Aperture Tuning (AAT)。可调阻抗匹配的方法要求在天线和接收机/发射机之间植入可变匹配网络 。随着频率转变，天线的阻抗随之改变，天线的阻抗需要调节回 RFFE 要求的 50Ω。这就需要一个闭环系统监测入射和反射功率或测量天线阻抗的实部和虚部。基于这些测量，匹配网络的调谐元件会被调整，继而形成新的天线馈电点阻抗以优化功率传递。

天线孔径调谐技术，通俗来讲是利用一个高 Q 值可变电容放臵在辐射元件的适当的位臵。随着频率的变化的可变电容的负载会被动态调整，使得天线谐振频率与工作频率相匹配。匹配谐振频率与工作频率有利于使天线的馈电点阻抗在整个工作范围保持相对稳定，同时一个简单的固定网络将该阻抗匹配到的馈电点目标阻抗50Ω，从而确保了调谐天线和 RFFE 之间最优化的功率传输。

▲天线阻抗匹配调谐技术和孔径调谐技术（资料来源：Skyworks，中银国际证券）

2、孔径调谐技术

孔径调谐技术可以用来克服天线的尺寸和效率问题，尤其对于 5G 智能手机来说，孔径调谐技术可以用来满足被拓展的带宽需求。无论是接收机还是发射机，孔径调谐对于天线效率都有至关重要的影响，在不同应用中，可以提高总辐射功率（TRP）和总各向同性灵敏度（TIS）至少 3dB 以上。天线孔径调谐技术在天线和地之间连接开关，这个开关可以根据手机当前通信频率对天线进行匹配，来调整天线的谐振频率。在辐射元件和开关之间加入不同的调谐器件，例如电容电感等，通过在这些调谐器件之间切换，就可以实现谐振频率的转换。实际电路只会比图中给出的情况更复杂。

▲天线孔径调谐技术（资料来源：Qorvo，中银国际证券）

天线调谐器还可以切换不同的频率范围。天线的自身属性是具备多个固有谐振频率并且是以谐波形式排布的，例如天线可以具有 900MHz，1800MHz 和 2700MHz 的谐振频率。通过使用孔径调谐开关可以实现各次谐波之间的切换，一根天线可以实现频率跨度很宽范围内的多频段支持。通过在天线不同位臵放臵开关，这些谐波还可以实现单独控制，从来支持低中高频段。

▲天线中的不同谐振频率（资料来源：Qorvo，中银国际证券）

3、天线调谐器市场

各大射频前端芯片供应商都针对 5G 天线调谐器进行供货，例如 Skyworks 提供孔径调谐和阻抗调谐两种类型的产品，可以将天线增益提高1.5到3dB从而提高电池寿命。针对不同应用，Skyworks提供0.1GHz到 3GHz 的天线调谐器产品。另外 Qorvo 作为主要的射频前端供应商，也提供应用于不同档次手机终端的天线调谐器解决方案。高通的 QFE15xx 动态天线匹配调谐器是全球首个可配臵型天线调谐器，可以为智能手机天线进行动态调谐来提高效率，支持 2G/3G/4G LET 制式，频率可以的达到 700MHz 到2.7GHz。

▲高通 QFE15xx 天线动态调谐技术（资料来源：高通官网，中银国际证券）

OEM 厂商可以通过天线调谐简化 RF 设计的整个过程，缩短产品上市时间。原有的设计手机流程需要围绕产品进行针对性设计，如今通过天线调谐技术 OEM 可以拥有更高的设计自由度。通过调整天线可以克服效率低下的问题，同时有助于减少昂贵且耗时的天线相关重新设计过程。除了加速产品上市时间外，实际使用情况通常与实验室测试的情况不同，OEM 也可以确保他们的新智能手机设计能够为客户保障用户体验。

天线调谐的优势推动了该技术的采用，中档和高端智能手机目前是使用天线调谐技术的主要市场。根据 IHS Markit 的数据，随着整体智能手机市场在 2016 年至 2021 年之间以 4％的复合年增长率（CAGR）增长，中高端天线调谐器将会同步达到年复合增长率 7％。

▲智能机出货量和天线调谐器可实现市场规模TAM（资料来源：IHS，中银国际）

三、滤波器

1、滤波器原理

滤波器一直是射频信号处理的重要部件，并且随着通信时代的更迭用量在不断增加。3G 网络的通信频段有 5 个，而根据 3GPP 的更新，4G LTE 已经增加到了 52 个波段，5G 的标准还没有最终确定，但是 5G 的加入会让已经很密集的频谱更加拥挤。虽然对于单个手机来说要做到支持全球所有频段很不实际，但是想要做到国际通用的功能丰富的机型，就需要在 2G、3G 和 4G 的发射和接收路径上做到多达 15 个频段的支持，同时也要支持 WiFi、蓝牙和全球导航卫星系统（GNSS）。像这样的 4G LTE手机就需要 30 到 40 个滤波器。在 5G 时代，这个数字将会增加到 60 个以上。

滤波器的作用是通过特定频率的信号，让其他频率的信号受阻。按照可以通过信号的类型可以分为四种类型：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器以及带阻滤波器。带阻滤波器也叫做陷阻滤波器。

总的来看，设计者对滤波器追求的特性是低插入损耗，快速过渡到最终滚将，以及高带外抑制。滤波器的插入损耗受制于多个因素，如滤波器带宽和中心频率，阶数以及构成器件的品质因子。

由于 Q 值的影响，诸如 GSM（200kHz）和 CDMA（1.25MHz）之类的窄调制将在频带边缘遭受最大的灵敏度损失，而 WCDMA（3.84MHz）将遭受更少的损失。GSM 是蜂窝数据网络的 2G 标准， CDMA 和WCDMA 是用于蜂窝数据网络的 2G / 3G 标准。LTE 通信的最终性能受制于系统带宽，带宽越窄受影响越大。由于通带边缘陡峭频响的要求，更高 Q 滤波器结构（例如 BAW）是必要的。由于温度变化引起的漂移（本章稍后探讨）将使调制信号恶化，需要使用温度补偿例如 Qorvo 的 LowDrift 或 NoDrift 滤波器。

2、4G LTE 中的滤波器

SAW 表面声波滤波器

SAW 滤波器被广泛应用在 2G 和 3G 接收机前端、双工器以及接收机滤波器。SAW 滤波器具有低插入损耗、高抑制和宽带的特点，相比于传统腔体滤波器和陶瓷滤波器尺寸也非常小。由于 SAW 滤波器采用晶圆制作的方式，还具有量产低成本的优势。不同频带的滤波器和双工器可以通过 SAW 技术直接集成在单个芯片上。

▲SAW 滤波器基础（资料来源：Qorvo，中银国际证券）

SAW 滤波器被广泛应用在 2G 和 3G 接收机前端、双工器以及接收机滤波器。SAW 滤波器具有低插入损耗、高抑制和宽带的特点，相比于传统腔体滤波器和陶瓷滤波器尺寸也非常小。由于 SAW 滤波器采用晶圆制作的方式，还具有量产低成本的优势。不同频带的滤波器和双工器可以通过 SAW 技术直接集成在单个芯片上。

此处不得不提的是压电效应，压电效应存在于具有一定对称性的晶体中。压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压，则产生机械应力（称为逆压电效应）。电能和机械能之间的转换可以说是十分高效的，能量损失非常微小。

在固态材料中，交替的机械变形可以产生速度为 3000 到 12000 米每秒速度传播的声波。在声波滤波器中，如果品质因子 Q 值可以高达几千，则可以形成驻波。这些高 Q 谐振是声学滤波器实现的频率选择性和低损耗的基础。在 SAW 滤波器上，电信号输入，通过交错金属叉指换能器（IDTs）在压电材料衬底上转换为声波。常见的压电材料基材有石英，钽酸锂（LiTaO3）或铌酸锂（LiNbO3）。

SAW 滤波器可以覆盖高达 1.9GHz 的频率应用，适用于 GSM CDMA 2G 和部分 4G 频带。除此之外，WLP封装也已用来封装 SAW，使得它的体积小巧，可以同时与双工器或者多带形式集成。但是 SAW 滤波器在高频应用下的劣势是很明显的，1GHz 以上其选择性下降明显，超过 2.5GHz 时，SAW 只能满足一般性应用需求而难以满足高性能要求。同时，它的工作状态对温度敏感，基材的刚性在高温时会下降从而导致声速减弱。温度上升时 SAW 滤波器的频率响应可能会下降 4MHz 之低。随着保护带（guard band）变窄、在消费设备应用的宽温度范围要求（通常，-20° C 至 85° C）下，这种限制变得更加显着。

Qorvo 推出的 LowDrift 和 NoDrift SAW 滤波器可以解决其温度漂移的问题，通过在 IDT 结构上增加涂料层，可以提高压电材料在高温下的刚性。通常普通的 SAW 滤波器的频率温度系数为-45ppm/℃，LowDrift技术可以减小到-15 到-25ppm/℃。在更苛刻的应用条件中，NoDrift SAW 滤波器可以进一步把这个指标提高到 0 ppm/℃。然而，由于制造工艺的复杂化，掩膜版的数量会是普通 SAW 滤波器的两倍，因此LowDrift 和 NoDrift SAW 滤波器制作难度更高，成本也更高，但是相比于 BAW 滤波器依然有成本优势，下面我们来看 BAW 滤波器。

BAW 体声波滤波器

Bulk Acoustic Wave (BAW)滤波器也叫做体声波滤波器，不同于 SAW滤波器，BAW滤波器的声波传播方向是垂直的。BAW 谐振器通过石英晶体作为衬底，在上层和下层覆盖金属贴片来激发声波，从顶部表面反弹到底部表面形成驻波声波。谐振频率是由衬底板厚度和电极质量决定的。高频的 BAW滤波器中压电层必须做的很薄，几微米的厚度，这要求谐振结构必须使用载体基板上的薄膜沉积和微加工。

BAW 滤波器具有低插入损耗，因此有助于弥补与单个智能手机中支持多频段带来的高损耗。除了改善信号接收外，更低的损耗也有助于延长电池寿命。BAW 在上行链路和下行链路分离最小的应用以及紧密压缩的相邻频带中需要衰减的应用中表现优异。

▲BAW 滤波器基础（资料来源：Qorvo，中银国际证券）

为了防止能量从衬底处损失，可以通过交替堆叠不同刚性和密度的薄层来形成声学布拉克反射器。这种方法就称为固定安装的谐振器 BAW。布拉格反射器是由具有不同折射率的多层交替材料形成的结构。另一种称为薄膜体声谐振器（FBAR）的方法是在有源区域下方蚀刻空腔，从而形成悬浮膜。FBAR 滤波器是 film bulk acoustic resonator 滤波器的简称，不同于以前的滤波器，FBAR 是使用硅底板、借助 MEMES 技术以及薄膜技术而制造出来的，现阶段的 FBAR 滤波器已经具备了略高于普通 SAW 滤波器的特性。

两种类型的 BAW 滤波器都可以实现非常低的损耗，因为它们的声能密度非常高并且可以非常好地捕获声波。它们可实现的 Q 值在 2 GHz 时仍然可以高达 2500，高于在其他类型的微波滤波器。即使在要求苛刻的通带边缘，带外抑制和插入损耗性能方面依然表现优秀。

▲BAW 滤波器横截面示意图（资料来源：National Instruments，中银国际证券）

BAR 和 BAW-SMR 之间的根本区别在于如何捕获声能。对于 FBAR，谐振器的两个空气/晶体界面确保适当的声波捕获。在 BAW-SMR 中，谐振器下方的布拉格反射器可以有效地捕获声波。二者之间另一个主要区别是器件产生的热量的热路径。在 BAW-SMR 中，热量具有进入基板的传导路径，从该传导路径可以传播。在 FBAR 中，因为谐振器的每一侧都存在气腔，所以热传导能力较弱。

两种 BAW 滤波器构造方法使得它们可以处理比 SAW 滤波器更高的射频功率。与 SAW 器件相比，它们的性能随温度变化较小。反射器中使用的 SiO2将 BAW 的整体温度漂移降低，远低于传统 SAW 或FBAR 滤波器所能达到的温度漂移。BAW 器件能够实现更高的功率密度，使紧凑型器件能够处理高达10 W 的功率，为小型蜂窝基站应用提供充足的功率处理能力。

3、5G滤波器

如今的 4G LTE 制式下的智能手机可以支持超过 30 个频段，需要 60 个以上滤波器，其中大部分采用复用器的形式存在。数量如此之多的滤波器不近占据大量空间，还拥有高昂的成本，器件制造商既要满足性能，也要维持低成本要求，可以说已经是很大挑战。4G 制式中的滤波器器件大部分是基于SAW 和 BAW 结构。在低频时，SAW 滤波器可以满足低插入损耗和带外抑制要求，覆盖宽带、且体积小巧。但是在 5G 制式下的 sub-6GHz 和毫米波波段，SAW 滤波器很难满足其需求。SAW 滤波器在 2GHz以下性能优势明显，但是在高频应用中，只能满足例如 GSM、CDMA、3G 无线接收前端等要求并不苛刻的应用中。我们也在前面提到，SAW 滤波器对温度也很敏感。通常 SAW 滤波器在手机中的工作频率为 600MHz 到 2GHz，BAW 滤波器工作在 1.5GHz 到 6GHz，因此二者的应用都被限制在 6GHz 以下。

在上一个专题中我们曾经介绍，5G 中采用的载波聚合技术使得其具有 100MHz 的带宽。滤波器面临的挑战是，可以在不同频率进行动态切换。采用非载波聚合技术的情况下，即使通信频段可以高达30 个频段，也是只有一个滤波器进行工作，其他的滤波器处于关断状态。但是在载波聚合的情况下，以 2 个 CC 为例，就可能有四种复杂的情况进行频率组合。CC 数量越多，情况越是复杂，滤波器需要配合其他频段的 CC 滤波器进行工作，可以采用的形式除了双工器之外，还有三工器，四工器，甚至更复杂的形式结构。

▲2 个子载波的载波聚合形式（资料来源：IEEE TRANSACTIONS ON SEMICONDUCTOR MANUFACTURING，中银国际证券）

目前手机中所采用的零中频或者直接下变频收发机依赖于 CMOS 技术。这种结构采用的器件数量少、线性度高，适用于复杂调制结构。对于其中的滤波器来说，性能要求很高，但是每个通信频段只需要两个滤波器或者一个双工器。对于早期的 3G 手机，只有 3 或 4 个频段，滤波器可以满足其要求。

但是 4G 的同频频段有 30 个以上，滤波器的数量和成本都大幅度增加。而且对于毫米波来说，直接下变频和直接处理高频信号都是很大的挑战。因此毫米波中更多的采用的是传统超外差射频架构。

▲直接变频或零中频接收机框图（资料来源：Resonnate，中银国际证券）

Sub-6GHz 滤波器

对于 5G 中的 3.5-6.0 GHz 新频段，频率与当前的 4G 高频段接近，因此更有可能采用直接下变频的无线电解决方案。但较高的频率依然会给高频段无线器件性能带来压力，但是基本的直接下变频架构将保持不变。从滤波器的角度来看，更高的频率会给表面声波（SAW）滤波器的带来不小阻碍，其高频劣势在 2.5GHz 频带上已经体现了出来。因此 3.5-6.0GHz 更有可能采用 BAW 和温度补偿 BAW（TC-BAW）滤波器。不过高频率的影响也会对 BAW 滤波器起作用，因为声学损失随频率的平方在急剧增加。

▲BAW 滤波器中电学和声学损耗受频率变化的影响（资料来源：Qorvo，中银国际证券）

毫米波滤波器

在毫米波频率下，声学滤波器不再适用，这是由于毫米波频率下声学损失增加，并且缩放尺寸不切实际。其波长开始变得足够小，因此毫米波的滤波器技术是基于 EM 技术的。

▲波导滤波器 3D 建模及幅度响应（资料来源：IEEE TRANSACTIONS ON SEMICONDUCTOR MANUFACTURING，中银国际证券）

现有用于 20GHz 和 80GHz 之间的高性能滤波器通常分为两种结构 ，波导滤波器和腔体滤波器。对于大多数毫米波无线电，这些滤波器具有以厘米为单位的尺寸，但是毫米波需要毫米级尺寸。现在市场上正在向小型化毫米波滤器过度。

波导滤波器的优点是可以与现有 CMOS 技术兼容。但是基板的性能会影响滤波器性能，所以关键在与基板材料的优化。腔体滤波器通常比平面波导滤波器在设计上难度更大。但是腔体滤波器在优化滤波器性能和功率处理方面有其独特优势。与平面波导一样，设计者一直在努力使腔体滤波器小型化，但是它在成本方面可能优势不大。平面波导和腔体滤波器都难以实现小尺寸，这是由于被滤波掉的 EM 波的波长尺寸较大，因此滤波器尺寸要求也很大，所以这些毫米波滤波器尺寸可能比低频带声波滤波器大。然而，由于之前提到的无线电架构挑战，无线电所需的滤波器数量可能要少得多。

4、滤波器市场

4G LTE 智能手机中滤波器的急剧增加，同时 SAW 和 BAW 滤波器制造商提出了挑战。主要的滤波器供应商大幅提高了其制造能力，甚至增加几倍才能满足需求。有些供应商的前端模块的生产甚至受到滤器供应限制。

SAW 的主要供应厂商包括 Murata，Skyworks（来自 Panasonic），RF360 Holdings（高通/ TDK-EPCOS 合资企业），Qorvo 和 Taiyo Yuden，以及全球其他几家小型 SAW 制造商，其中一些提供代工服务。这为大多数模组生产商提供了可用资源的灵活性。标准的传统的 SAW 制造工艺在市场上的区分度不大，主要的区别在于设计方案。然而，随着性能需求的增加，需要诸如温度补偿 TC 和更高频率的解决方案，先进的 SAW 工艺会变得越来越复杂，并且会在制造商之间差别越来越大，这也会使得 SAW工艺相对于 BAW 的成本优势受到削弱。

Broadcom（来自 Avago）和 Qorvo（来自 TriQuint）是智能手机领域中仅有的两家批量供应商，因此 BAW滤波器的供应商的规模要小得多。Broadcom 凭借其 FBAR 技术在滤波器体积和器性能方面处于领先地位。Qorvo 拥有 SMR 技术，并且与 FBAR 的性能差距很小，因此占据了第二的位臵。两家公司在过去十年中都增加了大量产能以满足滤波器市场的增长。并且这两家公司都将其制造工艺从 150 毫米晶圆转变到 200 毫米晶圆，且两家公司都积极并购硅晶圆厂以满足未来的预期需求。

由于 BAW工艺的复杂性，BAW 技术的进入壁垒明显高于 SAW。除了工艺流程的复杂性之外，两家公司都拥有涵盖该技术的知识产权 IP。2009 年至 2012 年期间，Avago 和 TriQuint 就 BAW 技术专利进行了大的法律诉讼，最终达成了交叉许可协议。之后两家公司积极增加各自的专利组合，这进一步提高了技术门槛。然而，BAW 滤波器市场的前景依然非常可观，Skyworks，RF360 Holdings 和 Taiyo Yuden 也宣布将会提供基于 BAW 的产品。初创公司 Akoustis 通过使用单晶 AlN 开发了一种非常高性能的 BAW 技术，在此前其他供应商使用的则是多晶 AlN 方案。

Akoustis 技术公司(前称为 Danlax,Corp.)是根据美国内华达州法律于 2013 年 4 月 10 日注册成立，总部设在北卡罗来纳州的亨茨维尔。2015 年 4 月 15 日，公司更名为 Akoustis 技术公司。2017 年 3 月，登陆纳斯达克。

▲Akoustic XBAW 单晶体滤波器在 1-7GHz 频率的应用（资料来源：IEEE TRANSACTIONS ON SEMICONDUCTOR MANUFACTURING，中银国际证券）

目前 Akoustis 已经宣布推出了三款商用滤波器产品：第一款是用于三频 WiFi 路由器应用的商用 5.2 GHz BAW RF 滤波器；第二款是针对雷达应用的 3.8 GHz BAW RF 滤波器；第三款 AKF -1652 是针对未来 4G LTE和 5G 移动设备 5.2 GHz BAW RF 滤波器。

虽然目前我们所讨论的滤波器技术都不直接涉及化合物半导体，但在整个系统设计中，由于性能需求，大量的器件会使用化合物半导体设计。对 sub-6 GHz 以下频段，基于现有的架构，使用化合物半导体工艺可以具有更高的性能。对于 20 GHz 以上的毫米波频率，会根据应用选择性使用化合物半导体器件优化系统设计。载波频率进行上下变频时，还可能需要用到混频器和压控振荡器之类的器件，这些都可能采用化合物半导体制造工艺，这都是为了支持 5G 制式可能采用的架构所用到的部件，而4G 中这些组件不在移动设备中使用。

5G 制式下声学滤波器的限制显得更加关键。BAW 滤波器目前应用在 2.5-3.5GHz，5G 制式下将会占领3.5-6.0 GHz。随着频率增加到 6.0 GHz，性能挑战将会非常明显。为了避免滤波器性能在高频时的下降，必须开发改进型声学谐振器技术。SAW 滤波器将会沿用当前工艺，在改进的同时继续在低频区域占据成本优势。SAW 滤波器将主导 5G 中新出现的 600-700 MHz 频段。依据目前的技术现状，还没有可以替代 SAW 和 BAW 滤波器的其他可用的先进滤波器技术，因此在未来 5 年之内目前的手机收发机架构不会发生本质性变化。

对于 27 GHz 以上的毫米波频率，滤波器的挑战将是巨大的。目前的高性能毫米波滤波器确实存在，但大多数的尺寸和重量并不适用于与移动设备。小型化 EM 波导和腔体滤波器的新技术开始出现。腔体滤波器的预期性能应高于 EM 波导滤波器，但是 EM 波导滤波器可以使用薄膜工艺，有低成本优势。

四、射频开关

1、RF switch

射频开关的作用是将多路射频信号中的任一路或几路通过控制逻辑连通，以实现不同信号路径的切换，包括接收与发射的切换、不同频段间的切换等，以达到共用天线、节省终端产品成本的目的。

射频开关的主要产品种类有移动通信传导开关、Wi-Fi 开关、天线开关等，广泛应用于智能手机等移动智能终端。智能手机可能包含 10 多个 RF 开关设备。

射频开关的的工作原理如下图所示：当射频开关的控制端口加上不同电压时，射频开关各端口将呈现不同的连通性。以单刀双掷射频开关为例，当控制端口加上正电压时，连接端口 1 与端口 3 的电路导通，同时连接端口 2 与端口 3 的电路断开；当控制端口加上零电压时，连接端口 1 与端口 3 的电路断开，同时连接端口 2 与端口 3 的电路导通。

▲射频开关工作原理示意图（资料来源：卓胜微招股说明书，中银国际证券）

场效应晶体管 FET 是构成 RF 开关的重要元素，因此 FET 的非理想特性会严重影响开关性能。在低阻抗状态下，FET 源级漏级之间的导通电阻不为零，所以信号通过 FET 时会产生能量损失，反映在指标上就是插入损耗。FET 开关的插入损耗可重复性强，可以建立有效模型，在需要高精度的应用中，可以进行适当校准和补偿。

除此之外，开关在关断状态下，信号还会通过 FET 寄生电容漏电，可以用隔离度指标进行量化。FET 的非线性，也产生互调和谐波失真。输入 1dB 压缩点是表征线性度的指标，当插入损耗相比于低输入功率情况下下降 1dB 是的输入能量水平就是 IP1dB。P1dB 越高，线性度越好。FET 开关可以处理的功率或者能量是有限的，因此也有最高能量指标。开关的速度可以用转换时间和建立时间来表示，也就是表示开关转换信号路径的速度。

▲开关的转换时间 TSW 和建立时间 TS（资料来源：Ranatec，中银国际证券）

开关场效应晶体管（FET）用作三端口器件，其中源极和漏极端口形成用于 RF 信号的传导路径或通道，栅极端口被施加直流电压来控制通道开闭。大多数开关 FET 使用耗尽型模式，也就是说没有施加电压时，沟道通常处于其低电阻状态，而漏极和源极施加负电压时，沟道处于高电阻状态。

▲单刀双掷开关结构（资料来源：Skyworks，中银国际证券）

随着单片 RF 开关技术的发展，设计的复杂度从简单的单刀单掷、串联、窄带宽结构过渡到了多刀多掷、宽带、多串联、多分流的复杂构造开关。同时，最大入射 RF 功率也增加到 30 dBm 至 33 dBm 的范围。在过去几年中，GaAs pHEMT，SOI MOSFET 和 PIN 二极管技术得以采用，来解决原有的材料散热问题，并且可以处理 20 瓦范围内的入射功率水平的高频开关。射频和微波频率下的 100 瓦连续波能量。

随着频率增加到毫米波的范围，AlGaAs / GaAs 异质结 PIN 二极管集成开关可以将功率处理提高到 40瓦，在极高频率下的性能卓越。基于 GaN HEMT 技术利用碳化硅，蓝宝石或高电阻率硅衬底的控制部件也被采用，来替代传统的硅和 GaAs 工艺，用于高功率处理。

GaN 工艺相比于 GaAs 和 SiC 有其独有的优势，例如击穿电场强度是硅和 GaAs 的十倍，在高功率上应用优势明显；介电常数和硅、GaAs 以及 SiC 相比降低了 50%，并且能量密度大幅度提升，因此在高频高功率具有显著优势。GaN HEMT 器件在高功率控制上，尤其是射频、微波毫米波领域的优势是非常明显的。但是 GaN HEMT 的导通电阻典型值为 6.25ohmxmm，相对较大，会限制其在高频高摆幅时的应用，高功率输出时有线性度限制。

▲GaN HEMT 器件电流电压关系图（资料来源：IEEE International Conference on Microwaves, Antennas, Communications and Electronic Systems (COMCAS)，中银国际证券）

基于 CMOS 工艺的 SOI MOSFET 也是适合于高功率高频率开关的有源器件，导通电阻可以达到 1.0 ohm*mm 和 2.0 ohm*mm，关断时的电容可以达到 250fF/mm 和 30fF/mm。综合各方面性能，SOI 与 GaAs pHEMT 开关性能接近，可以用在 RF 微波频率。即使和 GaN HEMT 相比，SOI MOSFET 的导通电阻也很低，在 RF 上优势明显。

2、RF 开关市场

5G 智能手机需要接收更多频段的射频信号，根据 Yole Development 的总结，2011 年及之前智能手机支持的频段数不超过 10 个，而随着 4G 通讯技术的普及，至 2016 年智能手机支持的频段数已经接近 40 个；因此，移动智能终端中需要不断增加射频开关的数量以满足对不同频段信号接收、发射的需求。

与此同时，智能手机外壳现多采用手感、外观更好的金属外壳，一定程度上会造成对射频信号的屏蔽，需要天线调谐开关提高天线对不同频段信号的接收能力。

根据 QYR Electronics Research Center 的统计，2010 年以来全球射频开关市场经历了持续的快速增长，2017 年全球市场规模达到 14.47 亿美元，2017 年及之后增速放缓，但预计到 2020 年期间仍保有 9.5%的年化增长率，预计到 2020 年达到 19.01 亿美元。

▲全球射频开关销售收入及预测（资料来源：Global Radio Frequency Front-end Module Market Research Report 2017，中银国际证券）

目前 RF 开关的主要市场被海外公司占领，主要包括 Skyworks、Qorvo、博通、恩智浦、英飞凌、Murata等。这些主要玩家仍在不断进行生产技术创新来提高企业效率。国内的公司则有锐迪科、卓胜微、唯捷创芯、韦尔股份等。卓胜微公司的射频前端芯片应用于三星、小米、华为、vivo、OPPO、联想、魅族、TCL。目前国内的 RF 开关技术还有待提高，国产化趋势可以期待。

五、放大器

1、功率放大器简介

手机中的功率放大器是将小信号转换成大功率信号的装臵，用于驱动特定负载的天线等。功率放大器于其工作频率范围、效率等要求达的不同会有不同类型的设计。

▲功率放大器的工作原理（资料来源：Microwave Journal，中银国际证券）

功率放大器具有尽管任何类型的放大器都有特定的特性，但每个放大器的基本特性可以用几个参数来解释。

功率放大器有各种类型，但最常用的是 Class C、Class B、Class AB 以及 Calss A，针对特殊的设计还可以具有开关模式。为了提高 PA 的效率和越来越高的通信要求，现在已经发展出了 Class-E，Class-F、Class-J、Class-G 以及 Doherty 型的滤波器设计。

5G 对于 RFFE 中的 PA 数量和形式都有非常大的影响。5G 制式下的 PA 要求功率和效率都要求更高，同时带宽增加。MIMO 的使用带来了上行链路的增加，2x2 MIMO 上行链路的要求下，PA 的用量至少会增加一倍。

▲2G 向 5G 演变过程中相关参数变化（资料来源：Qorvo，中银国际证券）

在设计上，LTE 制式下高端型手机中多采用的包络追踪（ET）技术来配合 PA 降低功耗。包络追踪技术通过追踪射频信号包络，即检测输出信号能量，来不停适配 PA 的电源，从而优化 PA 效率。但是包络追踪目前的技术只能支持到 60MHz 带宽，在 5G 载波聚合应用后带宽可以 100MHz，此时包络追踪技术无法满足带宽要求。因此 PA 需要工作在平均功率跟踪（APT）固定电压模式下，来支持宽带的 5G 传输，同时 PA 的效率会下降。

▲包络追踪 ET 技术（资料来源：Techdesignforums，中银国际证券）

▲ET 与 APT 技术对比（资料来源：Qualcomm，中银国际证券）

5G 增加的新波形，例如 CP-OFDM 和其他信道进行载波聚合后，会有更高峰值平均功率比（PAR），所以在 5G PA 中需要实现更大的回退（backoff）。工作在回退模式意味着必须降低 PA 的最大输出功率，以便使整个信号在 PA 传递曲线的线性区域范围内。这样做会给 PA 的线性度和效率的折中带来更大的困难。

▲PA 中的回退技术（资料来源：Analog Circuits and Signal Processing，中银国际证券）

5G RFFE 还可能需要支持 LTE 中与 5G FR1 重合的频率，对 LTE 向下兼容。考虑到电池寿命，手机制造商希望尽可能使用 ET 来保证 PA 效率，这意味着使用 ET 进行 LTE 传输和采用 60 MHz 带宽的 5G 信号。因此，PA 在 ET 模式下工作时必须提供高饱和效率，在 APT 模式下则必须具有高线性效率。在宽带 APT 模式和相对窄带的 ET 模式下 PA 的的工作模式，给 RFFE 供应商带来很大挑战。此外，在ET 和 APT 模式之间切换需要复杂的电源管理。

毫米波波段的 5G NR 标准对天线模块有低成本要求，包括带波束成形的相控阵收发器，天线阵列和电源管理 IC 的共同继承。由于典型的片上毫米波 CMOS 功率放大器（PA）的有损衬底，可能会导致功率效率较低，还会导致严重的热问题，使得手机的电池寿命缩短。因此也需要引入了供电调制（SM）技术，例如包络跟踪（ET）和平均功率跟踪（APT），而不是直接电池连接电源，以提高 PA 效率。

手机里面 PA 的数量随着 2G、3G、4G、5G 前向兼容而增加，以 PA 模组为例，4G 多模多频手机所需的 PA 芯片增至 5-7 颗，而在 5G 时代 Strategy Analytics 预测称手机内的 PA 或多达 16 颗之多。PA直接决定了手机无线通信的距离、信号质量，甚至待机时间，是整个射频系统中除基带外最重要的部分。

2、PA 市场分析

根据 Marketandmarkets 预测，功率放大器市场预计将从 2018 年的 214 亿美元增长到 2023 年的 306 亿美元，复合年增长率达到 7.4%。消费类电子产品的日益普及和 LTE、5G 技术的会持续推动功率放大器市场的增长。功率放大器市场的扩大也会使得材料供应商、处理器、制造商等收益。

▲PA 市场在全球范围内预测情况（资料来源：Marketsandmarkets，中银国际证券）

2G 时代手机单机 PA 芯片成本仅 0.3 美元/部， 3G 手机则提升至约 1.25 美元/部，而 4G 时代则增至 2美元～3.25 美元/部，高端手机成本甚至更高，仅 iPhone6 射频部分就使用了 6 颗 PA 芯片。StrategyAnalytics 预测 5G 单机需 16 颗 PA，这意味着 5G 时 PA 在手机成本中所占比例将成倍增长。

根据 Strategy Analytics 的新市场预测，5G 将推动 RF 功率放大器（PA）市场的增长。经过过去三年的市场低迷，功率放大器将由于 5G 手机和其他蜂窝用户设备的需求而增加。PA 模组是集成和简化 RF设计的基础。由于新的 sub-6GHz 波段的加入，上行链路载波聚合以及上行链路 MIMO 技术的应用Skyworks、Qorvo、Broadcom、Murata 等主要厂商会承受很大的设计、研发、以及供货压力。5G 带来的PA 模块复杂度的提升，会加入诸如滤波器、开关等模块，随着市场的增长，这种复杂 PA 模块不会仅仅存在于旗舰高端智能设备应用中，还将会逐渐向中低端设备中渗透。在这样的压力下，预计全球的 PA 供应商会进一步增加研发预算以满足 OEM 厂商的需求。

▲全球 PA 市场份额统计（资料来源：Gartner，中银国际证券）

高通对手机 5G 射频前端模组进行供货，最新的 QTM525 毫米波天线模组集成了天线和射频前端模块。新模组在原有的 n257（26.5 - 29.5 GHz）频段，n260（37 - 40 GHz）和 n261（27.5 - 28.35 GHz）频段的基础上增加了频段 n258（24.25 - 27.5 GHz）对北美、欧洲和澳大利亚进行支持。同时高通公司还推出了全球首个 5G 100MHz 包络追踪解决方案 QET6100，一系列集成的 5G / 4G 功率放大器（PA）和分集模块，以及 QAT3555 5G 自适应天线调谐解决方案。QET6100 将包络跟踪技术扩展到 100 MHz带宽的上行链路以及 5G NR 所需的 256-QAM 调制技术上，这在以前被认为是无法实现的。与平均功率跟踪技术 APT 相比功率效率加倍，可以延长电池寿命。

▲高通QTM525 毫米波天线模组（资料来源：Qualcomm 官网，中银国际证券）

Qorvo 的 PA 在 5G 基站应用上可以进行供货，在手机设备中目前只提供 3G、4G 以及 LTE 制式下的 PA。Murata 公司也推出了毫米波射频天线模组，可以支持基站之间的 5G 通信。Skyworks 目前提供的手机应用的 PA 产品可以针对 GSM/GPRS/EDGE 应用，LTE、TD-SCDMA、CDMA、WCDMA、以及手机蓝牙等。

功率放大器的需求增加，带动了对“砷化镓/氮化镓”化合物半导体的需求。3G、4G 时代，移动终端PA 主要是砷化镓器件，根据 Technavio 数据， 2021 年砷化镓器件市场规模将达 630 亿元人民币。5G通信时代，氮化镓因拥有小体积、大功率特性，有望成为最适合 PA 的材料。根据 Yole 数据，预计2020 年 GaN 射频市场规模达到 41 亿人民币。在 PA 领域，国内设计公司有近 20 家，主要包括汉天下、唯捷创芯、紫光展锐等；晶圆代工厂商主要有三安光电、海特高新等。

六、射频前端涉及工艺

1、RF SOI 工艺

SOI（Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅）技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层氧化埋层。通过在绝缘体上形成半导体薄膜，SOI 材料具有了体硅所无法比拟的优点：可以实现集成电路中元器件的介质隔离，彻底消除了体硅 CMOS 电路中的寄生闩锁效应。

▲SOI 基本结构（资料来源：IBM，中银国际证券）

采用这种材料制成的集成电路具有寄生电容小、集成密度高、速度快、工艺简单、短沟道效应小及特别适用于低压低功耗电路等优势，因此可以说 SOI 将有可能成为深亚微米的低压、低功耗集成电路的主流技术。从器件结构来看，SOI 做成的 MOS 器件可以大大减小寄生电容，因此 MOS 晶体管的速度可以很快，这对于数字 CMOS 工艺例如 CPU 制程来说也是很关键的。

▲SOI MOS寄生电容（资料来源：IBM，中银国际证券）

目前国内使用 SOI 工艺的芯片厂家数量相对较少，只有中芯国际（FD-SOI 和 FinFET 两种工艺都有）、成都格芯、上海新傲科技和华力微电子（二期晶圆厂）等几家，主要的工艺种类为 FD-SOI。不过，虽然厂家为数不多，但整体工艺水平却比较超前，尤其是中芯国际和华力微电子的 28nm 制程已经逼近世界顶尖。

目前 GF 已经商用 45nm RF SOI 制程，可以用来制作 PA， LNA 和 Tx Rx 的开关。相比于硅基衬底不仅减小了寄生电容，fmax 也增加了 40%。

▲45nm RF SOI 先进制程与 CMOS 制程性能比较（资料来源：Global Foundries，中银国际证券）

受益于在手机终端上的大量应用，几家 SOI 大厂都在积极扩产。代工厂正增加扩产 200 毫米 RF SOI晶圆厂的产能，以满足增长 5G 带来的射频前端需求。GlobalFoundries，TowerJazz，台积电和联华电子正在推出 300 毫米晶圆射频 SOI 工艺，以争夺下一代 5G 标准射频业务。RF SOI 用于为智能手机和其他产品制作专用 RF 芯片，如开关器件和天线调谐器。RF SOI 是绝缘体上硅（SOI）技术的 RF 版本，与数字芯片的全耗尽 SOI（FD-SOI）不同。代工厂的 SOI 硅片主要来自于采购，例如 Soitec 和其他公司将 RF SOI 硅片出售给代工厂，后者将其加工成 RF 芯片。

Solitec 目前是 RF SOI 硅晶片的最大供应商，占比全球市场份额的 70%。其他家如 Shin-Etsu 和GlobalWafers 也对 200mm 和 300mm 硅晶片出货，但是也是基于 Solitec 的技术。中国的 SOI 材料供应商有上海新傲科技。根据 Solitec 表示，虽然目前的几家代工厂正在增加 300mm RF SOI，但产能依然有限。世界上大约 5％的 RF SOI 产能在 300 毫米，到 2019 年预计可以增加到 20％。根据 Soitec 的数据，预计到 2020 年左右，RF SOI 晶圆片的出货量可能达到 200 万片。

2、GaAs 工艺

砷化镓半导体材料与传统的硅材料相比，它的电子移动率约为硅材料的 5.7 倍。它具有很高的电子迁移率、宽禁带、直接带隙，消耗功率低的特性。因此，广泛运用于高频及无线通讯(主要为超过 1GHz以上的频率).适于制做 IC 器件。所制出的这种高频、高速、防辐射的高温器件，通常应用于激光器、无线通信、光纤通信、移动通信、GPS 全球导航等领域。砷化镓除在 IC 产品应用以外,也可加入其它元素改变能带隙及其产生光电反应，达到所对应的光波波长,制作成光电元件。

▲GaAs 器件的应用领域（资料来源：Global Foundries，中银国际证券）

在微电子领域中，使用的化合物半导体材料属于高端产品，主要用于制作无线通讯（卫星通讯、移动通讯）、光纤通讯、汽车电子等用的微波器件。根据 SA 数据，作为半绝缘砷化镓下游产业的砷化镓集成电路业市场平均增长近年都在 40%以上，尽管砷化镓分立器件的市场份额在逐步减少，砷化镓射频器件市场仍有 30%的年增长，加之卫星通讯系统和车载雷达用砷化镓单晶的潜在市场，半绝缘砷化镓的需求前景非常看好。

在 GaAs 晶圆供应方面，住友电工（Sumitomo Electric）、弗莱贝格化合物材料（Freiberger Compound Materials）、晶体技术（AXT）三家公司占据约 95％市场份额。目前微电子用砷化镓晶片市场主要掌握在日本住友电工（SumitomoElectric）、费里伯格（FreibergerCompoundMaterials）、日立电线（HitachiCable）和美国 AXT 等四家大公司手中。主要以生产 4、6 英寸砷化镓材料为主。费里伯格公司供应 LEC 法生长的 3、4、6 英寸半绝缘砷化镓衬底，供应 VGF 法生长的 4、6 英寸半绝缘砷化镓衬底。住友供应 VB法生长的 4、6 英寸半绝缘砷化镓衬底。日立电线供应 LEC 法生长的 2、3、4、6 英寸半绝缘砷化镓衬底。AXT 供应 VGF 法生长的 2、3、4、6 英寸半绝缘砷化镓衬底。

目前中国的砷化镓材料生产企业主要以 LED 用低阻砷化镓晶片为代表的低端市场为主，利润率较高的微电子用 4～6 英寸半绝缘晶片还没有形成产业规模。中国大陆从事砷化镓材料研发与生产的公司主要有：北京通美晶体技术有限公司（AXT）、中科晶电信息材料（北京）有限公司、天津晶明电子材料有限责任公司（中电集团 46 研究所）、北京中科镓英半导体有限公司、北京国瑞电子材料有限责任公司、扬州中显机械有限公司、山东远东高科技材料有限公司、大庆佳昌科技有限公司、新乡神舟晶体科技发展有限公司（原国营 542 厂）等九家。

砷化镓在微电子的应用范围，以射频 IC 为主。它的产品集中在 PA(功率放大器)，LNA(低杂讯功率放大器)等通讯元件上，产品广度远不如可应用在资讯，通讯及消费性电子的硅 IC。但基于对未来无线通讯的成长可期，通讯元件的应用范围会随着新通讯产品的推出而倍增，其应用领域有移动电话，无线电话，无线通讯，微波通讯及卫星通讯产品等。这些产品将会随着通讯网路的建构与普及而需求大增。所以就长期发展而言，对砷化镓 IC 的需求量也会愈来愈大。砷化镓 IC 在手机中发射端的功率放大器（PA）、接收端的低噪声放大器和高速开关等，多由 GaAsIC 承担。它是手机中重要关键性零组件。一只典型的高质量手机通常包含 6-7 块 GaAs MMIC，因此无线通讯市场的走向对整个 GaAs工业非常重要。整个移动通讯技术的发展更是带动 GaAs 材料的技术进步与需求增长。

3、GaN 工艺

氮化镓技术可以追溯到 1970 年代，美国无线电公司（RCA）开发了一种氮化镓工艺来制造 LED。现在市场上销售的很多 LED 就是使用蓝宝石衬底的氮化镓技术。除了 LED，氮化镓也被使用到了功率半导体与射频器件上。基于氮化镓的功率芯片正在市场站稳脚跟。

氮化镓技术具有以下好处：

高击穿场：由于 GaN 的大带隙，GaN 材料具有高击穿场，这使得 GaN 器件能够在比其他半导体器件高得多的电压下工作。当经受足够高的电场时，半导体中的电子可以获得足够的动能来破坏化学键（称为碰撞电离或电压击穿的过程）。如果不控制碰撞电离，则会降低设备的性能。由于 GaN 器件可以在更高的电压下工作，因此它们可以用于更高功率的应用。

高饱和速度：GaN 上的电子具有高饱和速度（在非常高的电场下的电子速度）。结合大电荷能力，这意味着 GaN 器件可以提供更高的电流密度。RF 功率输出是电压和电流摆动的乘积，因此更高的电压和电流密度可以在实际尺寸的晶体管中产生更高的 RF 功率。简而言之，GaN 器件可以产生更高的功率密度。

出色的热性能：GaN-on-SiC 器件具有出色的热性能，这主要归功于 SiC 的高导热性。实际上，这意味着 GaN-on-SiC 器件在耗散相同功率时不会像 GaAs 或 Si 器件那样热。“较冷”设备意味着更可靠的设备。

典型的 GaN 射频器件的加工工艺主要包括外延生长-器件隔离-欧姆接触（制作源极、漏极）-氮化物钝化-栅极制作-场板制作-衬底减薄-衬底通孔等环节。

▲典型的 GaN 工艺流程（资料来源：Qorvo，中银国际证券）

GaN 器件的功率密度是砷化镓（GaAs）器件的十倍。GaN 器件的更高功率密度使其能够提供更宽的带宽，更高的放大器增益和更高的效率，这是由于器件外围更小。

GaN 场效应晶体管（FET）器件的工作电压可以比同类 GaAs 器件高五倍。由于 GaN FET 器件可以在更高的电压下工作，因此设计人员可以更轻松地在窄带放大器设计上实现阻抗匹配。阻抗匹配是以这样的方式设计电负载的输入阻抗的实践，其最大化从设备到负载的功率传输。

GaN FET 器件的电流是 GaAs FET 器件的两倍。由于 GaN FET 器件可提供的电流是 GaAs FET 器件的两倍，因此 GaN FET 器件具有更高的带宽能力。大部分的半导体器件对于温度的变化都是非常敏感的，为了保证可靠性，半导体的温度变化必须被控制在一定范围内。热管理对于 RF 系统来说尤其重要，因为它们本身能量损耗就比较高，会带来比较严重的散热问题。GaN 在保持低温方面有其独特优势，另外即使在温度较高的情况下，相比于硅其性能影响较小。例如 100 万小时失效时间中位数 MTTF 显示，GaN 比 GaAs 的工作温度可以高 50 摄氏度。

▲GaAs 与 GaN 的可靠性比较（资料来源：Qorvo, 中银国际证券）

与其他半导体（如 Si 和 GaAs）相比，GaN 是一种相对较新的技术，但它已成为高射频，高耗电应用的首选技术，如长距离或高端功率传输信号所需的应用 （如雷达，基站收发信台[BTS]，卫星通信，电子战[EW]等）。

根于 Yole 的预测，在通信和国防应用的推动下 RF GaN 产业在 2017 年至 2023 年期间的复合年增长率将会达到的 23％。截至 2017 年底 RF GaN 市场总量接近 3.8 亿美元，2023 年将达到13 亿美元以上。基于 RF 的 GaN 技术也在不断创新以满足工业界需求。国防应用是 RF GaN 的主要市场领域，这是因为 GaN 产品具有专业的高性能要求和低价格优势。2017-2018 年间，国防应用占 GaN射频市场总量的 35％以上，目前全球国防市场在 GaN 领域没有放缓迹象。

▲2017-2023 年 RF GaN 器件市场预测（资料来源：Yole, 中银国际证券）

从专利角度看，住友电工是 RF GaN 器件的市场的领军者，但是相比于 Cree 仍然有不小差距。住友电工在专利方面目前有所放缓，而其他日本公司如富士通，东芝和三菱电机正在增加其专利申请，目前也拥有强大的专利组合。英特尔和 MACOM 目前是 RF GaN 领域最活跃申请专利的两家公司，尤其是 GaN-on-Silicon 技术，如今这两家公司在 RF GaN 专利领域拥有重要 IP。参与 RF GaN 市场的其他公司，如 Qorvo，Raytheon，Northrop Grumman，恩智浦/飞思卡尔和英飞凌，拥有一些关键专利，但知识产权地位仍然相对薄弱。

▲RF GaN 方面关键 IP 玩家（资料来源：Yole, 中银国际证券）

中国电子科技集团和西安电子科技大学在中国专利领域占主导地位，拥有针对微波和毫米波应用的 GaN 射频技术专利。中国公司 HiWafer 作为新兴的代工厂，也逐渐在 GaN专利方面占有一席之地。

总体来说，RF GaN 领域方面，依然是被美国和日本公司主导。

七、与本文研究相关的产业链公司梳理

立讯精密：公司拥有射频模块、互联、光电三大产品线，主打产品将伴随 5G 浪潮量价齐升。苹果核心供应商，国内稀缺精密制造平台公司。公司产品线从单一的连接器拓展到声学、马达、无线充电、Airpods 等业务，以优良的管理能力横向品类扩张。

1）声学部分：美律生产进入快车道。2）AirPods：作为 AirPods 重要供应商，受益渗透率提升。3）线性马达：良率提升快，响应客户能力极强。4）无线充电：已实现对无线充电的全系统测试，竞争优势显著。5）LCP 天线：未来将会把其他模组功能整合。公司已成为具备研发、管理综合能力的精密制造平台。

信维通信：公司以射频产品为核心，产品获得主流客户应用。公司天线产品线切入平板以及笔记本等产品线，获得大客户使用。同时无线充电接收端模组已实现全球一流移动终端厂商覆盖。5G 时代即将到来，2018 年下半年高通发布了 5G 调制解调器以及相关 5G 终端解决方案。5G 射频难度更高更复杂，并且价值量更大，公司加强天线等产品线研发投入，并且与芯片厂商合作推出 5G 毫米波解决方案，同时与国内基站厂商合作研发，做好相关 5G 产品储备。

卓胜微：公司一直从事射频前端芯片产品的研发与销售，如射频开关、射频低噪声放大器，同时在 WiFi、蓝牙方面进行技术积累，并对外提供 IP 授权。5G 将会加速智能手机、平板电脑等移动智能终端市场的发展，公司射频前端芯片产品的销售规模有望迅速提升。公司拟募集资金用于投入射频滤波器芯片、PA 等产品。

麦捷科技：公司生产及销售片式功率电感、滤波器及片式 LTCC 射频元器件等新型片式被动电子元器件，并为下游客户提供技术支持服务和元器件整体解决方案。产品广泛用于通讯、消费电子、军工电子、计算机、互联网应用产品、汽车电子等领域。目前国内的主要 SAW 滤波器设计和制造相关厂商有，麦捷科技、信维通信、无锡好达、三安光电、瑞虹科技等。除此之外诺思微系统在 FBAR (BAW)滤波器方面也有所突破。

韦尔股份：韦尔股份是国内领先的半导体器件设计和销售公司，公司的射频前端产品包括射频开关、LNA、天线调谐器。公司 2018 年实现营收 39.64 亿元，同比增长 64.74%；设计业务收入同比增长 15.19%，延续上市以来的增长态势。其中，IC、射频及微传感器业务营收增幅较大，分别

同比增长 35.07%、137.84%。

紫光展锐：紫光展锐是紫光集成电路产业链中的核心企业，致力于移动通信和物联网领域核心芯片的自主研发及设计，产品涵盖 2G/3G/4G/5G 移动通信基带芯片、物联网芯片、射频芯片、无线连接芯片、安全芯片、电视芯片。公司积极布局 5G 产品，在 2019 世界移动通信大会（MWC）上发布了 5G 通信技术平台马卡鲁及其首款 5G 基带芯片春藤 510。

汉天下：公司产品涵盖射频功放前端芯片、IoT 射频 SoC 芯片、手机终端射频器件三大类产品线，完整的 PA/FEM 产品线系列，产品覆盖 2G、3G、4G 全系列，是国内首家同时拥有大规模量产的CMOS PA 和 GaAs PA 技术的公司，汉天下的 CMOS PA 已经成为 2G 功能机和智能机的首选射频功放，成功应用于 SPRD 和 MTK 等各类平台。

唯捷创芯：公司的射频功率放大器可以应用于 2G，3G，4G 手机及数据卡产品。慧智微电子在可重构的混合集成射频前端架构技术上进行创新，可应用于 4G 移动终端的射频功率放大器和其他射频前端器件，也适用于未来 5G、IOT 等技术演进。

海外方面：PA 部分目前主要市场仍然被 Qorvo、Broadcom（Avago）和 Skyworks 三家 IDM 公司占领，总共占领大约超过 90%以上的市场份额。射频前端龙头厂商 Avago、Qorvo、Skyworks 以及日本的Murata、TDK 和太阳诱电可以提供射频前端各个模块的不同解决方案，高通可以为 5G 终端设备提供完整的射频前端方案。