一、5G 硬件發展現狀

1、當前 5G 硬件

在過去幾年中，通信廠商和硬件制造商都在積極布局 5G 產品，例如針對毫米波、MIMO、載波聚合等一系列軟硬件應用的開發。當前最新的 5G 硬件都是在配合相關標準，例如 3GPP R15。雖然 5G 第一階段規范和更新還在進行中，但是可以通過軟件更新的方式來滿足要求。目前已經推出的 5G 模組和收發機可以進行軟件升級，并且可以提供吞吐量處理功能，在當前毫米波還沒有正式使用的情況下，依然可以提升潛在帶寬。目前很多硬件制造商和通信公司都在積極推進 5G 試驗和部署，這種情況在 2019 年將會持續。在 5G 標準正式完成前，各個廠商通過使用這類可以修改的 NSA 5G NR 技術來滿足 5G 需求。對于硬件和核心網絡來講，為了滿足未來 5G 標準最終版本，可編程能力和靈活性顯得至關重要。

▲3GPP的5G標準推進時間表（來源：Microwave Journals，中銀國際證券）

5G 硬件必須要考慮到向 4G LTE 兼容，滿足 5G 和 4G LTE 雙連接。和以前的做法類似，目前的 4G LTE會并入到 5G 的規范中。支持雙連接的 5G 規范需要可調整型射頻硬件來配合，也就是說可以根據場景來重新分配資源，而不僅限于使用預編程的場景。

由于最終的 5G 毫米波頻譜和射頻硬件還未最終確定，大量的可移動性毫米波還在試驗階段，5G 毫米波的首輪使用會在固定無線服務（FWA, fixed wireless service）中。這樣做是因為毫米波在非視距移動和天線波束追蹤上仍具有技術難度，而固定無線服務可以暫時避免這個問題。相比于終端設備，固定無線服務 5G 模組和收發機芯片尺寸和功耗方面要求并不苛刻，設計自由度大，但是成本也更高。

最新商用的 5G 硬件是在原有射頻前端模組的基礎上，覆蓋新的 NSA 5G NR 頻率，從而實現完整解決方案。這些射頻前端模組中包含了 PA、LNA、開關、濾波器，但是和原有的 4G RFFE 存在區別。舉一個例子，在較高頻率下，大氣和普通建筑材料的傳播損耗增加，針對 5G 硬件，Power Class 2 規范允許輸出功率可以達到 26dBm，是之前的 Power Class 3 所規范的功率的兩倍。

▲Power Class 輸出功率（來源：Qorvo，中銀國際證券）

Tx（Transmitter, 發射機）的帶寬在 5G 中可以達到 100MHz，但是現在的技術并不能滿足這么高的帶寬，例如包絡檢測只能支持 60MHz 帶寬。對于 5G 系統來說，一些低效率技術，例如平均功率檢測會更加適合。這些早期的 5G RFFE 模組更有可能使用寬帶技術，需要在原有的 4G 基礎上使用支持 sub-6GHz的濾波器。為了實現多頻帶濾波，濾波器會是多個模塊的復雜組合，如表面聲波（SAW），體聲波（BAW）和薄膜體聲波（FBAR）濾波器模組等。

現在的 5G 模組生產廠商包括三星、高通、英特爾和華為等。這些先行的 5G 芯片可以支持 2Gbps 數據速度和 28GHz 毫米波，以及 NSA 5G NR、波束賦形、天線切換、3D 頻率規劃工具和虛擬化 RAN 等。

無論是器件還是網絡硬件制造商、運營商以及測試廠商，都在用模擬終端進行 5G NR 測試。三星、國家儀器以及大唐電信、Keysight 公司在 2018 年 Mobile World Congress 大會上公布了在 5G 商用基站中可能用到的硬件和終端仿真系統。5G 終端商用芯片很有可能會在 2019 年大量推出，但是各大廠商究竟是僅僅支持 sub-6GHz 還是加入毫米波還取決于各自的研發進度。

2、射頻前端模塊簡介

射頻前端即 Radio Frequency Front-End，簡稱 RFFE，是天線和射頻收發機之間的射頻電路部分。通俗的理解方式就是靠近天線部分的設備就是射頻前端。

以手機接收信號為例，空氣中的無線電磁波信號經過天線轉換為有線信號，之后送入射頻前端部分。在射頻前端部分中，電磁波從天線出來先進入天線調諧器（antenna tuner），它是連接天線和后續電路的一個匹配網絡。接著信號經過分集開關（diversity switch），為移動和基礎設施應用提供低插入損耗、高隔離和出色的線性度。之后是個雙工器（diplexer），雙工器用于天線輸入輸出部，擁有在收發時分類或混合 2 種不同頻率信號的功能，并且還用于 CA(carrier aggregation)電路中。再然后信號經過射頻開關送到濾波器電路，射頻開關負責接收、發射通道之間的切換；濾波器負責發射及接收信號的濾波；最后經過低噪放，低噪聲放大器主要用于接收通道中的小信號放大，同時抑制噪聲在可接受的范圍內，供后續的收發機處理。接收機/發射機用于射頻信號的變頻、信道選擇。信號的發射路徑中各部分的作用與接收路徑幾乎相同，但是發射路徑不再使用低噪放而是功率放大器（Power Amplifier，PA），用來放大信號作為發射使用。

▲射頻前端結構示意圖（來源：高通官網，中銀國際證券）

5G 標準正在如火如荼的推進，根據 Qorvo 預測，在未來 10 年內，5G 終端將會成為手機產業中發展最快的部分。根據 Strategy Analytics 預測，5G 終端的出貨量將會從 2019 年的 200 萬部增長到 2025 年的15 億部，而且根據 Qualcomm Technologies 調查顯示，由于數據速度的提高，有 50%的消費者對 5G 手機表示有意愿購買。5G 標準至今沒有最終完成，對于 RF 設計來說還存在很多指標上的不確定性，例如功率回退電平，區域頻帶組合，上行鏈路 MIMO 和補充上行鏈路（SUL）。

4G 向 5G 的轉變絕不僅僅體現在帶寬的拓展和網速的提高。2017 年 12 月的 3GPP R15 給出了非獨立組網 NSA 5G NR 標準，適用于大部分早期 5G 網絡。NSA 是在 LTE 的基礎上并入 5G NR 頻段，不需要單獨鋪設 5G 專屬的核心網絡。而 5G 獨立組網將會采用完全的 5G 網絡。5G 具有更快的數據速率，但是時序和帶寬與 LTE 仍然類似，不過延遲要求大大提高，因此對于天線開關和天線調諧器的速度要求可能比 4G LTE 高十倍。

5G 的帶寬可以高達 100MHz，是 LTE 帶寬的五倍，因此對于 RF 子系統來說，帶寬的拓展會帶來一系列的要求和變化。

3、射頻硬件設計挑戰

NSA 5G NR 中加入了 sub-6GHz 頻段，因此射頻硬件也需要可以支持新的 n77，n78 和 n79 波段。雖然NSA 5G NR 中沒有明確規定，但是在最終版本中 5G 很有可能支持小于 600MHz 的低頻段，來滿足大規模的低功耗連接，例如 IoT、工業 4.0/工業 IoT 以及其他機器類通信。5G 帶來的新的子載波信道、寬帶、載波聚合和 4x4 MIMO 標準會帶來大量濾波器、天線、低噪放、功放、開關在模組和收發機中的變化和新應用。5G 頻段的緊湊型和有限的空間設計都會給硬件設計帶來不小挑戰。

設計空間有限

RF硬件尤其是天線在小型終端設備中已經被擠壓到了很小的空間中，但是 5G標準要求下行4x 4 MIMO和上行 2 x 2 MIMO，也就是說要有 6 個獨立的 RF 信號路徑。5G 天線調諧技術在寬帶寬上最大化天線輻射效率會非常關鍵。NSA 5G NR 目前支持單個載波上的 100 MHz 帶寬，具有更多 CA 選項（R15 之后會多達 600 個種載波組合形式），因此相比于 4G LTE，這些 RF 路徑必須要要做的寬很多。NSA 5G NR還允許 200 MHz 上行鏈路和 400MHz 下行鏈路的帶寬，要處理大量數據，對終端和基站的能效都提出了更高要求。

▲載波聚合組合形式的變化（資料來源：Qorvo，中銀國際證券）

在終端設備中，RF 硬件的集成度很有可能會進一步提高，采用 SoC 技術把濾波器、高密度開關、天線調諧器、LNA 和 PA 集成在 RFFE 系統中。5G 終端天線最有可能采用集成方案，把天線調諧器和預濾波器、波束賦形控制模塊集成在一起，用來降低成本以及滿足手機中緊湊的空間要求。由于 5G 復雜度和射頻密集度的提升，終端芯片設計廠商多會采用 5G modem-to-antenna 方案。

5G 非獨立組網雙連接

為了滿足 5G 吞吐量需求，雙連接是必要的。5G NSA 支持 4G LTE 和 5G 雙連接，運營商會對 4G FDD-LTE和 5G 頻段進行合并，NSA 標準允許手持設備發射一個或者多個 LTE 頻段信號的同時接收 5G 頻段信號，諧波信號的存在會增加對接收機靈敏度的要求。舉個例子，當 LTE 1, 3, 7,20 以及 5G 的 n78 波段進行載波聚合時，由于 n78 頻率高且帶寬很寬(3.3-3.8 GHz)，LTE 頻段的諧波可能出現在 n78 波段范圍內，如果不進行適當的信號衰減，就會造成接收機靈敏的劣化。如果加入濾波器可以解決這個問題，但是也會帶來插入損耗，相應的對 PA 的輸出功率要求更高。

雙連接帶來的其他設計變化，如配臵兩根主天線，同時 LTE 和 5G 同時傳輸會造成額外的電源管理問題，因此需要額外的 DC 變換器，對手機空間同時也造成影響。從 2G 到 5G，天線尺寸在減小，天線數量在增加，RF 部件復雜度的提升對于天線的空間造成擠壓。

▲手持設備中 RF 含量增加使得天線增加受限（資料來源：Qorvo，中銀國際證券）

雪上加霜的是，NSA 5G NR 頻段周邊布滿了 ISM 頻段，例如 WIFI 和藍牙以及其他未授權頻段。在如此緊密的頻段分布和寬頻帶的前提下，由于濾波不足、PA 線性度和諧波抑制都有可能引起接收機減敏性能下降。為了獲得更高的吞吐量，NSA 5G NR 變送器需要具有高輸出功率和高平均峰值功率，但是這樣會導致同一基站或者附近的 5G 設備中共臵的接收機出現問題。

4x4 MIMO

4G 對于 MIMO 的要求是選擇性的，5G 對于 1GHz 以上下行鏈路 4x4 MIMO 則是必須要求，新增加了 n77波段并對 LTE 頻段重耕，例如原有的 4G Band 3 重耕為 5G NR n3。4G LTE 的接收分集是兩個接收路徑，到了 5G 則需要 4G 接收路徑。對于已經支持 4G LTE MIMO 的手機來說，這個要求不會造成很大變化，而對于目前不支持 4G LTE MIMO 的手機來說則增加了 RF 的復雜性和天線的帶寬，也就是說需要 4 個單獨的 RFFE 路徑和 4 個天線。如果考慮到 2x2 MIMO 上行鏈路對應的 n77，n78，n79 和 n41 波段，這個問題會更加復雜。

這種架構的變化帶來的首先是天線調諧器重要性的加強。如今的智能手機越來越依賴于天線調諧技術來提高發射效率，在 5G 過渡的過程中，天線調諧技術會更加重要，天線的數量在有所保證的前提下，每一個天線都要保證寬頻下的高效率。

雙工信號在如今手機中應用很廣泛，但是 5G 會引入新的信號路徑分配的復雜性。在高頻波段信號配合雙連接上行鏈路的要求下，信號到天線的路徑分配會產生重大變化。直接雙工器將會被高性能天線復用器取代，這些天線復用器可以使得連接數最大化，同時也可以滿足嚴格的載波聚合抑制要求，同時保持低插入損耗。

RF 的復雜性要求在提高，但是空間上的分配卻不會增加，因此射頻前端會采用模組化來節省面積，射頻前端模塊將會同時集成 PA、開關、濾波器、LNA 等等。

寬帶和新波形

在如今 LTE 高端型手機中，多采用的是包絡追蹤技術來配合 PA 降低功耗。包絡追蹤技術可以通過追蹤射頻信號能量，來不停地調整 PA 的電源電壓，從而優化 PA 效率。但是包絡追蹤目前的技術只能支持到 60MHz 帶寬，在 5G n77 和 n79 波段進行載波聚合后可以達到 100MHz 帶寬，包絡追蹤技術此時無法滿足帶寬要求。因此 PA 需要工作在平均功率跟蹤（APT）固定電壓模式下，來支持寬帶的 5G傳輸，同時 PA 的效率會下降。

▲5G 收發機架構（資料來源：Qorvo，中銀國際證券）

PA 的線性度的要求也大大增加，這是由于 5G 增加的新波形，CP-OFDM 與大量信道組合具有更高峰值平均功率比（PAR），所以在 5G PA 中實現更大的回退（backoff）。工作在回退模式意味著必須降低 PA 的最大輸出功率，以便使整個信號在 PA 傳遞曲線的線性區域范圍內。這樣做會給 PA 的線性度和效率的折中帶來更大的困難。

5G RFFE 還可能需要支持 LTE 中與 5G FR1 重合的頻率，對 LTE 向下兼容。考慮到電池壽命，手機制造商希望盡可能使用 ET 來保證 PA 效率，這意味著使用 ET 進行 LTE 傳輸和采用 60 MHz 帶寬的 5G 信號。因此，PA 在 ET 模式下工作時必須提供高飽和效率，在 APT 模式下則必須具有高線性效率。在寬帶 APT 模式和相對窄帶的 ET 模式下 PA 的的工作模式，給 RFFE 供應商帶來很大挑戰。此外，在ET 和 APT 模式之間切換需要復雜的電源管理。

先行的 5G 模組可能只在特定的頻段工作，只滿足最終版的 5G 部分要求。但是 5G 基站中，對應 eMBB和工業及汽車應用，必須是在各個標準中相互兼容的，也就是說 5G RF 硬件必須能夠服務 5G FR1 和5G 毫米波 FR2 頻段。

LTE 頻段重耕帶來的復雜性

5G NR 對 LTE 頻段的重耕會帶來更多的復雜性，同時 3G/4G 已經分配的頻譜也會由于 5G NR 波段的使用進行重耕，因此 PA 需要有效的支持 4G 和 5G 在各個頻段的傳輸。完全過度到 5G NR 可能還需要十年甚至更多的時間，所以同時支持 LTE 和 5G 已有波段會給 RFFE 的設計復雜度帶來挑戰。

以 Band 41 為例，作為首先被重耕的波段，當用作 LTE 制式時，最大的傳輸帶寬可以達到 60MHz，因此可以采用包絡追蹤技術來節約功耗。當用在 5G 制式下，單個的載波帶寬可以達到 100MHz，這就需要 PA 工作在 APT 模式下，提高的信號帶寬工作范圍也需要更寬帶的濾波器支持。

工藝變化

在當前使用的 4G 終端和基站中，PA 依賴于 LDMOS、GaAs 以及 SiGe 工藝，GaN 在基站 PA 的市場中也有所增加。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統中，而 GaAs 和 SiGe 放大器可以繼續適用于 sub-6GHz。為了降低成本和減小尺寸，在 SOI上集成 RF 電路更有可能在 5G 毫米波應用中使用。未來的 RFFE 可能會將 PA、LNA、開關和控制毫米波相控陣列波束賦形天線系統集成在一起，使用的工藝是 RF SOI、 SiGe BiCMOS、或者 RF CMOS SoC制程。

▲5G FDD 波束賦形模組（資料來源：Qorvo，中銀國際證券）

另外一種可能性是沿用 RF 硅工藝，但是可以同其他工藝配合來共同集成濾波器及數字電路來實現混合波束賦形控制。RF SOI 和 RF CMOS 更有可能和先進制程下的 FPGA、存儲器以及處理器等數字模塊集成在一起。5G 毫米波可能會采用封裝集成的方式，把基帶處理和輔助的數字信號處理部分集成在一起。

由于頻率路由（frequency routing）和濾波對于 5G 載波聚合和制式兼容非常重要，集成的 SAW，BAW，FBAR 和其他的集成諧振器和濾波器技術對終端和緊湊單元就很關鍵。5G 模組在之后很有可能并入Wi-Fi 和藍牙，再加上潛在的串擾和設計復雜度，進一步增加濾波和頻率路由的難度。工藝方面，5G RFFE 上可能會采用 RF SOI 來實現濾波器和放大器的共同集成。SOI 濾波器在 sub-6G 中真正使用可能還需要幾年的時間，但是在毫米波系統中使用 SOI 集成放大器和開關，是一個很好的選擇。

4、射頻前端市場

RF 前端（RFFE）模塊市場將受到新的 5G 標準的高度影響。這主要來自于 5G 帶來的射頻模塊復雜度的提升，用量的大大增加。尤其是 MIMO 和 CA 技術在 5G 中的應用將會拉動射頻前端器件的需求。據 Yole Dé veloppement 稱，預計 2023 年 RFFE 的全球市場規模將達到 352 億美元。

▲2017-2023 年射頻前端市場展望（資料來源：Yole，中銀國際證券）

RF 前端（RFFE）模塊市場將受到新的 5G 標準的高度影響。這主要來自于 5G 帶來的射頻模塊復雜度的提升，用量的大大增加。尤其是 MIMO 和 CA 技術在 5G 中的應用將會拉動射頻前端器件的需求。據 Yole Dé veloppement 稱，預計 2023 年 RFFE 的全球市場規模將達到 352 億美元。

▲2017-2023 年射頻前端市場展望（資料來源：Qorvo，中銀國際證券）

射頻前端除了用在各類型便攜設備中，還應用在 WiFi 設施、IoT、智能電網、可穿戴設備等，而其中三五族化合物半導體會占據 RF 市場的核心。

二、天線調諧器

1、天線調諧器簡介

在前面的 5G 系列天線專題中，我們已經闡述過天線的尺寸將會隨著頻率的增加而減小，天線的數量也將會增加。為了滿足智能手機的工業設計要求，天線的尺寸有苛刻的要求，小尺寸天線會造成天線效率的降低。而天線效率降低會嚴重影響 Tx 和 Rx 的性能，同時使得電池壽命縮減，導致低數據傳輸速率以及信號連接問題。天線孔徑調諧技術是保證在 5G 制式下手機可以工作在正常效率以及寬頻 RF 范圍的關鍵技術。

我們曾提到，5G 具有很高數據傳輸速率，因此需要一定數量的天線來保證。兩個主要的配合高速傳輸的通信技術是 CA 和 MIMO 技術，這兩個技術都要求多天線同時工作。5G 要求下，大多數的頻帶都需要支持 4 個下鏈路信道同時工作，因此需要 4 個天線。同時，由于 5G 新頻段的引入，手持設備的天線還需要支持更寬的帶寬。為了滿足 Wi-Fi，GPS 以及藍牙等，天線數量將會從如今的 LTE 制式下的 4-6 根增加到 6-10 根，在手機空間已經非常擁擠的條件下，可以說是很大的挑戰。

▲5G終端中由于MIMO和CA技術帶來的天線數量增長（資料來源：Qorvo，中銀國際證券）

全面屏手機已經成為如今中高端智能機的主流形式，屏占比越來越高，近乎占據了整個了手機的整個正面，在屏幕之外留給天線的空間越來越小，同時攝像頭數量也在增加，使得天線可以占據的空間更加狹窄。更多的天線，更擁擠的空間，意味著天線效率的降低。下圖是 Qorvo 給出的全面屏設計中，手機中輻射器件和地（屏幕邊緣）的距離越來越小時，天線效率逐漸降低。

▲全面屏手機對天線空間以及天線效率的影響（資料來源：Qorvo，中銀國際證券）

天線的性能要考慮天線尺寸、帶寬、效率之間的折中，例如在天線尺寸固定的情況下，天線效率可以通過犧牲帶寬來提升。在如今天線尺寸繼續縮減的情況下，各指標之間的折中（trade off）非常困難，只能在很窄的頻帶范圍內達到一定的效率水平。因此為了滿足帶寬要求，需要天線在不同頻率下進行調節來符合效率要求。

▲天線性能的折中三角（資料來源：Qorvo，中銀國際證券）

業界如今有兩種截然不同的天線調諧方法：可調式阻抗匹配調諧 Tunable Impedance Matching (TIM)和天線孔徑調諧 Antenna Aperture Tuning (AAT)。可調阻抗匹配的方法要求在天線和接收機/發射機之間植入可變匹配網絡 。隨著頻率轉變，天線的阻抗隨之改變，天線的阻抗需要調節回 RFFE 要求的 50Ω。這就需要一個閉環系統監測入射和反射功率或測量天線阻抗的實部和虛部。基于這些測量，匹配網絡的調諧元件會被調整，繼而形成新的天線饋電點阻抗以優化功率傳遞。

天線孔徑調諧技術，通俗來講是利用一個高 Q 值可變電容放臵在輻射元件的適當的位臵。隨著頻率的變化的可變電容的負載會被動態調整，使得天線諧振頻率與工作頻率相匹配。匹配諧振頻率與工作頻率有利于使天線的饋電點阻抗在整個工作范圍保持相對穩定，同時一個簡單的固定網絡將該阻抗匹配到的饋電點目標阻抗50Ω，從而確保了調諧天線和 RFFE 之間最優化的功率傳輸。

▲天線阻抗匹配調諧技術和孔徑調諧技術（資料來源：Skyworks，中銀國際證券）

2、孔徑調諧技術

孔徑調諧技術可以用來克服天線的尺寸和效率問題，尤其對于 5G 智能手機來說，孔徑調諧技術可以用來滿足被拓展的帶寬需求。無論是接收機還是發射機，孔徑調諧對于天線效率都有至關重要的影響，在不同應用中，可以提高總輻射功率（TRP）和總各向同性靈敏度（TIS）至少 3dB 以上。天線孔徑調諧技術在天線和地之間連接開關，這個開關可以根據手機當前通信頻率對天線進行匹配，來調整天線的諧振頻率。在輻射元件和開關之間加入不同的調諧器件，例如電容電感等，通過在這些調諧器件之間切換，就可以實現諧振頻率的轉換。實際電路只會比圖中給出的情況更復雜。

▲天線孔徑調諧技術（資料來源：Qorvo，中銀國際證券）

天線調諧器還可以切換不同的頻率范圍。天線的自身屬性是具備多個固有諧振頻率并且是以諧波形式排布的，例如天線可以具有 900MHz，1800MHz 和 2700MHz 的諧振頻率。通過使用孔徑調諧開關可以實現各次諧波之間的切換，一根天線可以實現頻率跨度很寬范圍內的多頻段支持。通過在天線不同位臵放臵開關，這些諧波還可以實現單獨控制，從來支持低中高頻段。

▲天線中的不同諧振頻率（資料來源：Qorvo，中銀國際證券）

3、天線調諧器市場

各大射頻前端芯片供應商都針對 5G 天線調諧器進行供貨，例如 Skyworks 提供孔徑調諧和阻抗調諧兩種類型的產品，可以將天線增益提高1.5到3dB從而提高電池壽命。針對不同應用，Skyworks提供0.1GHz到 3GHz 的天線調諧器產品。另外 Qorvo 作為主要的射頻前端供應商，也提供應用于不同檔次手機終端的天線調諧器解決方案。高通的 QFE15xx 動態天線匹配調諧器是全球首個可配臵型天線調諧器，可以為智能手機天線進行動態調諧來提高效率，支持 2G/3G/4G LET 制式，頻率可以的達到 700MHz 到2.7GHz。

▲高通 QFE15xx 天線動態調諧技術（資料來源：高通官網，中銀國際證券）

OEM 廠商可以通過天線調諧簡化 RF 設計的整個過程，縮短產品上市時間。原有的設計手機流程需要圍繞產品進行針對性設計，如今通過天線調諧技術 OEM 可以擁有更高的設計自由度。通過調整天線可以克服效率低下的問題，同時有助于減少昂貴且耗時的天線相關重新設計過程。除了加速產品上市時間外，實際使用情況通常與實驗室測試的情況不同，OEM 也可以確保他們的新智能手機設計能夠為客戶保障用戶體驗。

天線調諧的優勢推動了該技術的采用，中檔和高端智能手機目前是使用天線調諧技術的主要市場。根據 IHS Markit 的數據，隨著整體智能手機市場在 2016 年至 2021 年之間以 4％的復合年增長率（CAGR）增長，中高端天線調諧器將會同步達到年復合增長率 7％。

▲智能機出貨量和天線調諧器可實現市場規模TAM（資料來源：IHS，中銀國際）

三、濾波器

1、濾波器原理

濾波器一直是射頻信號處理的重要部件，并且隨著通信時代的更迭用量在不斷增加。3G 網絡的通信頻段有 5 個，而根據 3GPP 的更新，4G LTE 已經增加到了 52 個波段，5G 的標準還沒有最終確定，但是 5G 的加入會讓已經很密集的頻譜更加擁擠。雖然對于單個手機來說要做到支持全球所有頻段很不實際，但是想要做到國際通用的功能豐富的機型，就需要在 2G、3G 和 4G 的發射和接收路徑上做到多達 15 個頻段的支持，同時也要支持 WiFi、藍牙和全球導航衛星系統（GNSS）。像這樣的 4G LTE手機就需要 30 到 40 個濾波器。在 5G 時代，這個數字將會增加到 60 個以上。

濾波器的作用是通過特定頻率的信號，讓其他頻率的信號受阻。按照可以通過信號的類型可以分為四種類型：低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器以及帶阻濾波器。帶阻濾波器也叫做陷阻濾波器。

總的來看，設計者對濾波器追求的特性是低插入損耗，快速過渡到最終滾將，以及高帶外抑制。濾波器的插入損耗受制于多個因素，如濾波器帶寬和中心頻率，階數以及構成器件的品質因子。

由于 Q 值的影響，諸如 GSM（200kHz）和 CDMA（1.25MHz）之類的窄調制將在頻帶邊緣遭受最大的靈敏度損失，而 WCDMA（3.84MHz）將遭受更少的損失。GSM 是蜂窩數據網絡的 2G 標準， CDMA 和WCDMA 是用于蜂窩數據網絡的 2G / 3G 標準。LTE 通信的最終性能受制于系統帶寬，帶寬越窄受影響越大。由于通帶邊緣陡峭頻響的要求，更高 Q 濾波器結構（例如 BAW）是必要的。由于溫度變化引起的漂移（本章稍后探討）將使調制信號惡化，需要使用溫度補償例如 Qorvo 的 LowDrift 或 NoDrift 濾波器。

2、4G LTE 中的濾波器

SAW 表面聲波濾波器

SAW 濾波器被廣泛應用在 2G 和 3G 接收機前端、雙工器以及接收機濾波器。SAW 濾波器具有低插入損耗、高抑制和寬帶的特點，相比于傳統腔體濾波器和陶瓷濾波器尺寸也非常小。由于 SAW 濾波器采用晶圓制作的方式，還具有量產低成本的優勢。不同頻帶的濾波器和雙工器可以通過 SAW 技術直接集成在單個芯片上。

▲SAW 濾波器基礎（資料來源：Qorvo，中銀國際證券）

SAW 濾波器被廣泛應用在 2G 和 3G 接收機前端、雙工器以及接收機濾波器。SAW 濾波器具有低插入損耗、高抑制和寬帶的特點，相比于傳統腔體濾波器和陶瓷濾波器尺寸也非常小。由于 SAW 濾波器采用晶圓制作的方式，還具有量產低成本的優勢。不同頻帶的濾波器和雙工器可以通過 SAW 技術直接集成在單個芯片上。

此處不得不提的是壓電效應，壓電效應存在于具有一定對稱性的晶體中。壓電效應的原理是，如果對壓電材料施加壓力，它便會產生電位差（稱之為正壓電效應），反之施加電壓，則產生機械應力（稱為逆壓電效應）。電能和機械能之間的轉換可以說是十分高效的，能量損失非常微小。

在固態材料中，交替的機械變形可以產生速度為 3000 到 12000 米每秒速度傳播的聲波。在聲波濾波器中，如果品質因子 Q 值可以高達幾千，則可以形成駐波。這些高 Q 諧振是聲學濾波器實現的頻率選擇性和低損耗的基礎。在 SAW 濾波器上，電信號輸入，通過交錯金屬叉指換能器（IDTs）在壓電材料襯底上轉換為聲波。常見的壓電材料基材有石英，鉭酸鋰（LiTaO3）或鈮酸鋰（LiNbO3）。

SAW 濾波器可以覆蓋高達 1.9GHz 的頻率應用，適用于 GSM CDMA 2G 和部分 4G 頻帶。除此之外，WLP封裝也已用來封裝 SAW，使得它的體積小巧，可以同時與雙工器或者多帶形式集成。但是 SAW 濾波器在高頻應用下的劣勢是很明顯的，1GHz 以上其選擇性下降明顯，超過 2.5GHz 時，SAW 只能滿足一般性應用需求而難以滿足高性能要求。同時，它的工作狀態對溫度敏感，基材的剛性在高溫時會下降從而導致聲速減弱。溫度上升時 SAW 濾波器的頻率響應可能會下降 4MHz 之低。隨著保護帶（guard band）變窄、在消費設備應用的寬溫度范圍要求（通常，-20° C 至 85° C）下，這種限制變得更加顯著。

Qorvo 推出的 LowDrift 和 NoDrift SAW 濾波器可以解決其溫度漂移的問題，通過在 IDT 結構上增加涂料層，可以提高壓電材料在高溫下的剛性。通常普通的 SAW 濾波器的頻率溫度系數為-45ppm/℃，LowDrift技術可以減小到-15 到-25ppm/℃。在更苛刻的應用條件中，NoDrift SAW 濾波器可以進一步把這個指標提高到 0 ppm/℃。然而，由于制造工藝的復雜化，掩膜版的數量會是普通 SAW 濾波器的兩倍，因此LowDrift 和 NoDrift SAW 濾波器制作難度更高，成本也更高，但是相比于 BAW 濾波器依然有成本優勢，下面我們來看 BAW 濾波器。

BAW 體聲波濾波器

Bulk Acoustic Wave (BAW)濾波器也叫做體聲波濾波器，不同于 SAW濾波器，BAW濾波器的聲波傳播方向是垂直的。BAW 諧振器通過石英晶體作為襯底，在上層和下層覆蓋金屬貼片來激發聲波，從頂部表面反彈到底部表面形成駐波聲波。諧振頻率是由襯底板厚度和電極質量決定的。高頻的 BAW濾波器中壓電層必須做的很薄，幾微米的厚度，這要求諧振結構必須使用載體基板上的薄膜沉積和微加工。

BAW 濾波器具有低插入損耗，因此有助于彌補與單個智能手機中支持多頻段帶來的高損耗。除了改善信號接收外，更低的損耗也有助于延長電池壽命。BAW 在上行鏈路和下行鏈路分離最小的應用以及緊密壓縮的相鄰頻帶中需要衰減的應用中表現優異。

▲BAW 濾波器基礎（資料來源：Qorvo，中銀國際證券）

為了防止能量從襯底處損失，可以通過交替堆疊不同剛性和密度的薄層來形成聲學布拉克反射器。這種方法就稱為固定安裝的諧振器 BAW。布拉格反射器是由具有不同折射率的多層交替材料形成的結構。另一種稱為薄膜體聲諧振器（FBAR）的方法是在有源區域下方蝕刻空腔，從而形成懸浮膜。FBAR 濾波器是 film bulk acoustic resonator 濾波器的簡稱，不同于以前的濾波器，FBAR 是使用硅底板、借助 MEMES 技術以及薄膜技術而制造出來的，現階段的 FBAR 濾波器已經具備了略高于普通 SAW 濾波器的特性。

兩種類型的 BAW 濾波器都可以實現非常低的損耗，因為它們的聲能密度非常高并且可以非常好地捕獲聲波。它們可實現的 Q 值在 2 GHz 時仍然可以高達 2500，高于在其他類型的微波濾波器。即使在要求苛刻的通帶邊緣，帶外抑制和插入損耗性能方面依然表現優秀。

▲BAW 濾波器橫截面示意圖（資料來源：National Instruments，中銀國際證券）

BAR 和 BAW-SMR 之間的根本區別在于如何捕獲聲能。對于 FBAR，諧振器的兩個空氣/晶體界面確保適當的聲波捕獲。在 BAW-SMR 中，諧振器下方的布拉格反射器可以有效地捕獲聲波。二者之間另一個主要區別是器件產生的熱量的熱路徑。在 BAW-SMR 中，熱量具有進入基板的傳導路徑，從該傳導路徑可以傳播。在 FBAR 中，因為諧振器的每一側都存在氣腔，所以熱傳導能力較弱。

兩種 BAW 濾波器構造方法使得它們可以處理比 SAW 濾波器更高的射頻功率。與 SAW 器件相比，它們的性能隨溫度變化較小。反射器中使用的 SiO2將 BAW 的整體溫度漂移降低，遠低于傳統 SAW 或FBAR 濾波器所能達到的溫度漂移。BAW 器件能夠實現更高的功率密度，使緊湊型器件能夠處理高達10 W 的功率，為小型蜂窩基站應用提供充足的功率處理能力。

3、5G濾波器

如今的 4G LTE 制式下的智能手機可以支持超過 30 個頻段，需要 60 個以上濾波器，其中大部分采用復用器的形式存在。數量如此之多的濾波器不近占據大量空間，還擁有高昂的成本，器件制造商既要滿足性能，也要維持低成本要求，可以說已經是很大挑戰。4G 制式中的濾波器器件大部分是基于SAW 和 BAW 結構。在低頻時，SAW 濾波器可以滿足低插入損耗和帶外抑制要求，覆蓋寬帶、且體積小巧。但是在 5G 制式下的 sub-6GHz 和毫米波波段，SAW 濾波器很難滿足其需求。SAW 濾波器在 2GHz以下性能優勢明顯，但是在高頻應用中，只能滿足例如 GSM、CDMA、3G 無線接收前端等要求并不苛刻的應用中。我們也在前面提到，SAW 濾波器對溫度也很敏感。通常 SAW 濾波器在手機中的工作頻率為 600MHz 到 2GHz，BAW 濾波器工作在 1.5GHz 到 6GHz，因此二者的應用都被限制在 6GHz 以下。

在上一個專題中我們曾經介紹，5G 中采用的載波聚合技術使得其具有 100MHz 的帶寬。濾波器面臨的挑戰是，可以在不同頻率進行動態切換。采用非載波聚合技術的情況下，即使通信頻段可以高達30 個頻段，也是只有一個濾波器進行工作，其他的濾波器處于關斷狀態。但是在載波聚合的情況下，以 2 個 CC 為例，就可能有四種復雜的情況進行頻率組合。CC 數量越多，情況越是復雜，濾波器需要配合其他頻段的 CC 濾波器進行工作，可以采用的形式除了雙工器之外，還有三工器，四工器，甚至更復雜的形式結構。

▲2 個子載波的載波聚合形式（資料來源：IEEE TRANSACTIONS ON SEMICONDUCTOR MANUFACTURING，中銀國際證券）

目前手機中所采用的零中頻或者直接下變頻收發機依賴于 CMOS 技術。這種結構采用的器件數量少、線性度高，適用于復雜調制結構。對于其中的濾波器來說，性能要求很高，但是每個通信頻段只需要兩個濾波器或者一個雙工器。對于早期的 3G 手機，只有 3 或 4 個頻段，濾波器可以滿足其要求。

但是 4G 的同頻頻段有 30 個以上，濾波器的數量和成本都大幅度增加。而且對于毫米波來說，直接下變頻和直接處理高頻信號都是很大的挑戰。因此毫米波中更多的采用的是傳統超外差射頻架構。

▲直接變頻或零中頻接收機框圖（資料來源：Resonnate，中銀國際證券）

Sub-6GHz 濾波器

對于 5G 中的 3.5-6.0 GHz 新頻段，頻率與當前的 4G 高頻段接近，因此更有可能采用直接下變頻的無線電解決方案。但較高的頻率依然會給高頻段無線器件性能帶來壓力，但是基本的直接下變頻架構將保持不變。從濾波器的角度來看，更高的頻率會給表面聲波（SAW）濾波器的帶來不小阻礙，其高頻劣勢在 2.5GHz 頻帶上已經體現了出來。因此 3.5-6.0GHz 更有可能采用 BAW 和溫度補償 BAW（TC-BAW）濾波器。不過高頻率的影響也會對 BAW 濾波器起作用，因為聲學損失隨頻率的平方在急劇增加。

▲BAW 濾波器中電學和聲學損耗受頻率變化的影響（資料來源：Qorvo，中銀國際證券）

毫米波濾波器

在毫米波頻率下，聲學濾波器不再適用，這是由于毫米波頻率下聲學損失增加，并且縮放尺寸不切實際。其波長開始變得足夠小，因此毫米波的濾波器技術是基于 EM 技術的。

▲波導濾波器 3D 建模及幅度響應（資料來源：IEEE TRANSACTIONS ON SEMICONDUCTOR MANUFACTURING，中銀國際證券）

現有用于 20GHz 和 80GHz 之間的高性能濾波器通常分為兩種結構 ，波導濾波器和腔體濾波器。對于大多數毫米波無線電，這些濾波器具有以厘米為單位的尺寸，但是毫米波需要毫米級尺寸。現在市場上正在向小型化毫米波濾器過度。

波導濾波器的優點是可以與現有 CMOS 技術兼容。但是基板的性能會影響濾波器性能，所以關鍵在與基板材料的優化。腔體濾波器通常比平面波導濾波器在設計上難度更大。但是腔體濾波器在優化濾波器性能和功率處理方面有其獨特優勢。與平面波導一樣，設計者一直在努力使腔體濾波器小型化，但是它在成本方面可能優勢不大。平面波導和腔體濾波器都難以實現小尺寸，這是由于被濾波掉的 EM 波的波長尺寸較大，因此濾波器尺寸要求也很大，所以這些毫米波濾波器尺寸可能比低頻帶聲波濾波器大。然而，由于之前提到的無線電架構挑戰，無線電所需的濾波器數量可能要少得多。

4、濾波器市場

4G LTE 智能手機中濾波器的急劇增加，同時 SAW 和 BAW 濾波器制造商提出了挑戰。主要的濾波器供應商大幅提高了其制造能力，甚至增加幾倍才能滿足需求。有些供應商的前端模塊的生產甚至受到濾器供應限制。

SAW 的主要供應廠商包括 Murata，Skyworks（來自 Panasonic），RF360 Holdings（高通/ TDK-EPCOS 合資企業），Qorvo 和 Taiyo Yuden，以及全球其他幾家小型 SAW 制造商，其中一些提供代工服務。這為大多數模組生產商提供了可用資源的靈活性。標準的傳統的 SAW 制造工藝在市場上的區分度不大，主要的區別在于設計方案。然而，隨著性能需求的增加，需要諸如溫度補償 TC 和更高頻率的解決方案，先進的 SAW 工藝會變得越來越復雜，并且會在制造商之間差別越來越大，這也會使得 SAW工藝相對于 BAW 的成本優勢受到削弱。

Broadcom（來自 Avago）和 Qorvo（來自 TriQuint）是智能手機領域中僅有的兩家批量供應商，因此 BAW濾波器的供應商的規模要小得多。Broadcom 憑借其 FBAR 技術在濾波器體積和器性能方面處于領先地位。Qorvo 擁有 SMR 技術，并且與 FBAR 的性能差距很小，因此占據了第二的位臵。兩家公司在過去十年中都增加了大量產能以滿足濾波器市場的增長。并且這兩家公司都將其制造工藝從 150 毫米晶圓轉變到 200 毫米晶圓，且兩家公司都積極并購硅晶圓廠以滿足未來的預期需求。

由于 BAW工藝的復雜性，BAW 技術的進入壁壘明顯高于 SAW。除了工藝流程的復雜性之外，兩家公司都擁有涵蓋該技術的知識產權 IP。2009 年至 2012 年期間，Avago 和 TriQuint 就 BAW 技術專利進行了大的法律訴訟，最終達成了交叉許可協議。之后兩家公司積極增加各自的專利組合，這進一步提高了技術門檻。然而，BAW 濾波器市場的前景依然非常可觀，Skyworks，RF360 Holdings 和 Taiyo Yuden 也宣布將會提供基于 BAW 的產品。初創公司 Akoustis 通過使用單晶 AlN 開發了一種非常高性能的 BAW 技術，在此前其他供應商使用的則是多晶 AlN 方案。

Akoustis 技術公司(前稱為 Danlax,Corp.)是根據美國內華達州法律于 2013 年 4 月 10 日注冊成立，總部設在北卡羅來納州的亨茨維爾。2015 年 4 月 15 日，公司更名為 Akoustis 技術公司。2017 年 3 月，登陸納斯達克。

▲Akoustic XBAW 單晶體濾波器在 1-7GHz 頻率的應用（資料來源：IEEE TRANSACTIONS ON SEMICONDUCTOR MANUFACTURING，中銀國際證券）

目前 Akoustis 已經宣布推出了三款商用濾波器產品：第一款是用于三頻 WiFi 路由器應用的商用 5.2 GHz BAW RF 濾波器；第二款是針對雷達應用的 3.8 GHz BAW RF 濾波器；第三款 AKF -1652 是針對未來 4G LTE和 5G 移動設備 5.2 GHz BAW RF 濾波器。

雖然目前我們所討論的濾波器技術都不直接涉及化合物半導體，但在整個系統設計中，由于性能需求，大量的器件會使用化合物半導體設計。對 sub-6 GHz 以下頻段，基于現有的架構，使用化合物半導體工藝可以具有更高的性能。對于 20 GHz 以上的毫米波頻率，會根據應用選擇性使用化合物半導體器件優化系統設計。載波頻率進行上下變頻時，還可能需要用到混頻器和壓控振蕩器之類的器件，這些都可能采用化合物半導體制造工藝，這都是為了支持 5G 制式可能采用的架構所用到的部件，而4G 中這些組件不在移動設備中使用。

5G 制式下聲學濾波器的限制顯得更加關鍵。BAW 濾波器目前應用在 2.5-3.5GHz，5G 制式下將會占領3.5-6.0 GHz。隨著頻率增加到 6.0 GHz，性能挑戰將會非常明顯。為了避免濾波器性能在高頻時的下降，必須開發改進型聲學諧振器技術。SAW 濾波器將會沿用當前工藝，在改進的同時繼續在低頻區域占據成本優勢。SAW 濾波器將主導 5G 中新出現的 600-700 MHz 頻段。依據目前的技術現狀，還沒有可以替代 SAW 和 BAW 濾波器的其他可用的先進濾波器技術，因此在未來 5 年之內目前的手機收發機架構不會發生本質性變化。

對于 27 GHz 以上的毫米波頻率，濾波器的挑戰將是巨大的。目前的高性能毫米波濾波器確實存在，但大多數的尺寸和重量并不適用于與移動設備。小型化 EM 波導和腔體濾波器的新技術開始出現。腔體濾波器的預期性能應高于 EM 波導濾波器，但是 EM 波導濾波器可以使用薄膜工藝，有低成本優勢。

四、射頻開關

1、RF switch

射頻開關的作用是將多路射頻信號中的任一路或幾路通過控制邏輯連通，以實現不同信號路徑的切換，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。

射頻開關的主要產品種類有移動通信傳導開關、Wi-Fi 開關、天線開關等，廣泛應用于智能手機等移動智能終端。智能手機可能包含 10 多個 RF 開關設備。

射頻開關的的工作原理如下圖所示：當射頻開關的控制端口加上不同電壓時，射頻開關各端口將呈現不同的連通性。以單刀雙擲射頻開關為例，當控制端口加上正電壓時，連接端口 1 與端口 3 的電路導通，同時連接端口 2 與端口 3 的電路斷開；當控制端口加上零電壓時，連接端口 1 與端口 3 的電路斷開，同時連接端口 2 與端口 3 的電路導通。

▲射頻開關工作原理示意圖（資料來源：卓勝微招股說明書，中銀國際證券）

場效應晶體管 FET 是構成 RF 開關的重要元素，因此 FET 的非理想特性會嚴重影響開關性能。在低阻抗狀態下，FET 源級漏級之間的導通電阻不為零，所以信號通過 FET 時會產生能量損失，反映在指標上就是插入損耗。FET 開關的插入損耗可重復性強，可以建立有效模型，在需要高精度的應用中，可以進行適當校準和補償。

除此之外，開關在關斷狀態下，信號還會通過 FET 寄生電容漏電，可以用隔離度指標進行量化。FET 的非線性，也產生互調和諧波失真。輸入 1dB 壓縮點是表征線性度的指標，當插入損耗相比于低輸入功率情況下下降 1dB 是的輸入能量水平就是 IP1dB。P1dB 越高，線性度越好。FET 開關可以處理的功率或者能量是有限的，因此也有最高能量指標。開關的速度可以用轉換時間和建立時間來表示，也就是表示開關轉換信號路徑的速度。

▲開關的轉換時間 TSW 和建立時間 TS（資料來源：Ranatec，中銀國際證券）

開關場效應晶體管（FET）用作三端口器件，其中源極和漏極端口形成用于 RF 信號的傳導路徑或通道，柵極端口被施加直流電壓來控制通道開閉。大多數開關 FET 使用耗盡型模式，也就是說沒有施加電壓時，溝道通常處于其低電阻狀態，而漏極和源極施加負電壓時，溝道處于高電阻狀態。

▲單刀雙擲開關結構（資料來源：Skyworks，中銀國際證券）

隨著單片 RF 開關技術的發展，設計的復雜度從簡單的單刀單擲、串聯、窄帶寬結構過渡到了多刀多擲、寬帶、多串聯、多分流的復雜構造開關。同時，最大入射 RF 功率也增加到 30 dBm 至 33 dBm 的范圍。在過去幾年中，GaAs pHEMT，SOI MOSFET 和 PIN 二極管技術得以采用，來解決原有的材料散熱問題，并且可以處理 20 瓦范圍內的入射功率水平的高頻開關。射頻和微波頻率下的 100 瓦連續波能量。

隨著頻率增加到毫米波的范圍，AlGaAs / GaAs 異質結 PIN 二極管集成開關可以將功率處理提高到 40瓦，在極高頻率下的性能卓越。基于 GaN HEMT 技術利用碳化硅，藍寶石或高電阻率硅襯底的控制部件也被采用，來替代傳統的硅和 GaAs 工藝，用于高功率處理。

GaN 工藝相比于 GaAs 和 SiC 有其獨有的優勢，例如擊穿電場強度是硅和 GaAs 的十倍，在高功率上應用優勢明顯；介電常數和硅、GaAs 以及 SiC 相比降低了 50%，并且能量密度大幅度提升，因此在高頻高功率具有顯著優勢。GaN HEMT 器件在高功率控制上，尤其是射頻、微波毫米波領域的優勢是非常明顯的。但是 GaN HEMT 的導通電阻典型值為 6.25ohmxmm，相對較大，會限制其在高頻高擺幅時的應用，高功率輸出時有線性度限制。

▲GaN HEMT 器件電流電壓關系圖（資料來源：IEEE International Conference on Microwaves, Antennas, Communications and Electronic Systems (COMCAS)，中銀國際證券）

基于 CMOS 工藝的 SOI MOSFET 也是適合于高功率高頻率開關的有源器件，導通電阻可以達到 1.0 ohm*mm 和 2.0 ohm*mm，關斷時的電容可以達到 250fF/mm 和 30fF/mm。綜合各方面性能，SOI 與 GaAs pHEMT 開關性能接近，可以用在 RF 微波頻率。即使和 GaN HEMT 相比，SOI MOSFET 的導通電阻也很低，在 RF 上優勢明顯。

2、RF 開關市場

5G 智能手機需要接收更多頻段的射頻信號，根據 Yole Development 的總結，2011 年及之前智能手機支持的頻段數不超過 10 個，而隨著 4G 通訊技術的普及，至 2016 年智能手機支持的頻段數已經接近 40 個；因此，移動智能終端中需要不斷增加射頻開關的數量以滿足對不同頻段信號接收、發射的需求。

與此同時，智能手機外殼現多采用手感、外觀更好的金屬外殼，一定程度上會造成對射頻信號的屏蔽，需要天線調諧開關提高天線對不同頻段信號的接收能力。

根據 QYR Electronics Research Center 的統計，2010 年以來全球射頻開關市場經歷了持續的快速增長，2017 年全球市場規模達到 14.47 億美元，2017 年及之后增速放緩，但預計到 2020 年期間仍保有 9.5%的年化增長率，預計到 2020 年達到 19.01 億美元。

▲全球射頻開關銷售收入及預測（資料來源：Global Radio Frequency Front-end Module Market Research Report 2017，中銀國際證券）

目前 RF 開關的主要市場被海外公司占領，主要包括 Skyworks、Qorvo、博通、恩智浦、英飛凌、Murata等。這些主要玩家仍在不斷進行生產技術創新來提高企業效率。國內的公司則有銳迪科、卓勝微、唯捷創芯、韋爾股份等。卓勝微公司的射頻前端芯片應用于三星、小米、華為、vivo、OPPO、聯想、魅族、TCL。目前國內的 RF 開關技術還有待提高，國產化趨勢可以期待。

五、放大器

1、功率放大器簡介

手機中的功率放大器是將小信號轉換成大功率信號的裝臵，用于驅動特定負載的天線等。功率放大器于其工作頻率范圍、效率等要求達的不同會有不同類型的設計。

▲功率放大器的工作原理（資料來源：Microwave Journal，中銀國際證券）

功率放大器具有盡管任何類型的放大器都有特定的特性，但每個放大器的基本特性可以用幾個參數來解釋。

功率放大器有各種類型，但最常用的是 Class C、Class B、Class AB 以及 Calss A，針對特殊的設計還可以具有開關模式。為了提高 PA 的效率和越來越高的通信要求，現在已經發展出了 Class-E，Class-F、Class-J、Class-G 以及 Doherty 型的濾波器設計。

5G 對于 RFFE 中的 PA 數量和形式都有非常大的影響。5G 制式下的 PA 要求功率和效率都要求更高，同時帶寬增加。MIMO 的使用帶來了上行鏈路的增加，2x2 MIMO 上行鏈路的要求下，PA 的用量至少會增加一倍。

▲2G 向 5G 演變過程中相關參數變化（資料來源：Qorvo，中銀國際證券）

在設計上，LTE 制式下高端型手機中多采用的包絡追蹤（ET）技術來配合 PA 降低功耗。包絡追蹤技術通過追蹤射頻信號包絡，即檢測輸出信號能量，來不停適配 PA 的電源，從而優化 PA 效率。但是包絡追蹤目前的技術只能支持到 60MHz 帶寬，在 5G 載波聚合應用后帶寬可以 100MHz，此時包絡追蹤技術無法滿足帶寬要求。因此 PA 需要工作在平均功率跟蹤（APT）固定電壓模式下，來支持寬帶的 5G 傳輸，同時 PA 的效率會下降。

▲包絡追蹤 ET 技術（資料來源：Techdesignforums，中銀國際證券）

▲ET 與 APT 技術對比（資料來源：Qualcomm，中銀國際證券）

5G 增加的新波形，例如 CP-OFDM 和其他信道進行載波聚合后，會有更高峰值平均功率比（PAR），所以在 5G PA 中需要實現更大的回退（backoff）。工作在回退模式意味著必須降低 PA 的最大輸出功率，以便使整個信號在 PA 傳遞曲線的線性區域范圍內。這樣做會給 PA 的線性度和效率的折中帶來更大的困難。

▲PA 中的回退技術（資料來源：Analog Circuits and Signal Processing，中銀國際證券）

5G RFFE 還可能需要支持 LTE 中與 5G FR1 重合的頻率，對 LTE 向下兼容。考慮到電池壽命，手機制造商希望盡可能使用 ET 來保證 PA 效率，這意味著使用 ET 進行 LTE 傳輸和采用 60 MHz 帶寬的 5G 信號。因此，PA 在 ET 模式下工作時必須提供高飽和效率，在 APT 模式下則必須具有高線性效率。在寬帶 APT 模式和相對窄帶的 ET 模式下 PA 的的工作模式，給 RFFE 供應商帶來很大挑戰。此外，在ET 和 APT 模式之間切換需要復雜的電源管理。

毫米波波段的 5G NR 標準對天線模塊有低成本要求，包括帶波束成形的相控陣收發器，天線陣列和電源管理 IC 的共同繼承。由于典型的片上毫米波 CMOS 功率放大器（PA）的有損襯底，可能會導致功率效率較低，還會導致嚴重的熱問題，使得手機的電池壽命縮短。因此也需要引入了供電調制（SM）技術，例如包絡跟蹤（ET）和平均功率跟蹤（APT），而不是直接電池連接電源，以提高 PA 效率。

手機里面 PA 的數量隨著 2G、3G、4G、5G 前向兼容而增加，以 PA 模組為例，4G 多模多頻手機所需的 PA 芯片增至 5-7 顆，而在 5G 時代 Strategy Analytics 預測稱手機內的 PA 或多達 16 顆之多。PA直接決定了手機無線通信的距離、信號質量，甚至待機時間，是整個射頻系統中除基帶外最重要的部分。

2、PA 市場分析

根據 Marketandmarkets 預測，功率放大器市場預計將從 2018 年的 214 億美元增長到 2023 年的 306 億美元，復合年增長率達到 7.4%。消費類電子產品的日益普及和 LTE、5G 技術的會持續推動功率放大器市場的增長。功率放大器市場的擴大也會使得材料供應商、處理器、制造商等收益。

▲PA 市場在全球范圍內預測情況（資料來源：Marketsandmarkets，中銀國際證券）

2G 時代手機單機 PA 芯片成本僅 0.3 美元/部， 3G 手機則提升至約 1.25 美元/部，而 4G 時代則增至 2美元～3.25 美元/部，高端手機成本甚至更高，僅 iPhone6 射頻部分就使用了 6 顆 PA 芯片。StrategyAnalytics 預測 5G 單機需 16 顆 PA，這意味著 5G 時 PA 在手機成本中所占比例將成倍增長。

根據 Strategy Analytics 的新市場預測，5G 將推動 RF 功率放大器（PA）市場的增長。經過過去三年的市場低迷，功率放大器將由于 5G 手機和其他蜂窩用戶設備的需求而增加。PA 模組是集成和簡化 RF設計的基礎。由于新的 sub-6GHz 波段的加入，上行鏈路載波聚合以及上行鏈路 MIMO 技術的應用Skyworks、Qorvo、Broadcom、Murata 等主要廠商會承受很大的設計、研發、以及供貨壓力。5G 帶來的PA 模塊復雜度的提升，會加入諸如濾波器、開關等模塊，隨著市場的增長，這種復雜 PA 模塊不會僅僅存在于旗艦高端智能設備應用中，還將會逐漸向中低端設備中滲透。在這樣的壓力下，預計全球的 PA 供應商會進一步增加研發預算以滿足 OEM 廠商的需求。

▲全球 PA 市場份額統計（資料來源：Gartner，中銀國際證券）

高通對手機 5G 射頻前端模組進行供貨，最新的 QTM525 毫米波天線模組集成了天線和射頻前端模塊。新模組在原有的 n257（26.5 - 29.5 GHz）頻段，n260（37 - 40 GHz）和 n261（27.5 - 28.35 GHz）頻段的基礎上增加了頻段 n258（24.25 - 27.5 GHz）對北美、歐洲和澳大利亞進行支持。同時高通公司還推出了全球首個 5G 100MHz 包絡追蹤解決方案 QET6100，一系列集成的 5G / 4G 功率放大器（PA）和分集模塊，以及 QAT3555 5G 自適應天線調諧解決方案。QET6100 將包絡跟蹤技術擴展到 100 MHz帶寬的上行鏈路以及 5G NR 所需的 256-QAM 調制技術上，這在以前被認為是無法實現的。與平均功率跟蹤技術 APT 相比功率效率加倍，可以延長電池壽命。

▲高通QTM525 毫米波天線模組（資料來源：Qualcomm 官網，中銀國際證券）

Qorvo 的 PA 在 5G 基站應用上可以進行供貨，在手機設備中目前只提供 3G、4G 以及 LTE 制式下的 PA。Murata 公司也推出了毫米波射頻天線模組，可以支持基站之間的 5G 通信。Skyworks 目前提供的手機應用的 PA 產品可以針對 GSM/GPRS/EDGE 應用，LTE、TD-SCDMA、CDMA、WCDMA、以及手機藍牙等。

功率放大器的需求增加，帶動了對“砷化鎵/氮化鎵”化合物半導體的需求。3G、4G 時代，移動終端PA 主要是砷化鎵器件，根據 Technavio 數據， 2021 年砷化鎵器件市場規模將達 630 億元人民幣。5G通信時代，氮化鎵因擁有小體積、大功率特性，有望成為最適合 PA 的材料。根據 Yole 數據，預計2020 年 GaN 射頻市場規模達到 41 億人民幣。在 PA 領域，國內設計公司有近 20 家，主要包括漢天下、唯捷創芯、紫光展銳等；晶圓代工廠商主要有三安光電、海特高新等。

六、射頻前端涉及工藝

1、RF SOI 工藝

SOI（Silicon-On-Insulator，絕緣襯底上的硅）技術是在頂層硅和背襯底之間引入了一層氧化埋層。通過在絕緣體上形成半導體薄膜，SOI 材料具有了體硅所無法比擬的優點：可以實現集成電路中元器件的介質隔離，徹底消除了體硅 CMOS 電路中的寄生閂鎖效應。

▲SOI 基本結構（資料來源：IBM，中銀國際證券）

采用這種材料制成的集成電路具有寄生電容小、集成密度高、速度快、工藝簡單、短溝道效應小及特別適用于低壓低功耗電路等優勢，因此可以說 SOI 將有可能成為深亞微米的低壓、低功耗集成電路的主流技術。從器件結構來看，SOI 做成的 MOS 器件可以大大減小寄生電容，因此 MOS 晶體管的速度可以很快，這對于數字 CMOS 工藝例如 CPU 制程來說也是很關鍵的。

▲SOI MOS寄生電容（資料來源：IBM，中銀國際證券）

目前國內使用 SOI 工藝的芯片廠家數量相對較少，只有中芯國際（FD-SOI 和 FinFET 兩種工藝都有）、成都格芯、上海新傲科技和華力微電子（二期晶圓廠）等幾家，主要的工藝種類為 FD-SOI。不過，雖然廠家為數不多，但整體工藝水平卻比較超前，尤其是中芯國際和華力微電子的 28nm 制程已經逼近世界頂尖。

目前 GF 已經商用 45nm RF SOI 制程，可以用來制作 PA， LNA 和 Tx Rx 的開關。相比于硅基襯底不僅減小了寄生電容，fmax 也增加了 40%。

▲45nm RF SOI 先進制程與 CMOS 制程性能比較（資料來源：Global Foundries，中銀國際證券）

受益于在手機終端上的大量應用，幾家 SOI 大廠都在積極擴產。代工廠正增加擴產 200 毫米 RF SOI晶圓廠的產能，以滿足增長 5G 帶來的射頻前端需求。GlobalFoundries，TowerJazz，臺積電和聯華電子正在推出 300 毫米晶圓射頻 SOI 工藝，以爭奪下一代 5G 標準射頻業務。RF SOI 用于為智能手機和其他產品制作專用 RF 芯片，如開關器件和天線調諧器。RF SOI 是絕緣體上硅（SOI）技術的 RF 版本，與數字芯片的全耗盡 SOI（FD-SOI）不同。代工廠的 SOI 硅片主要來自于采購，例如 Soitec 和其他公司將 RF SOI 硅片出售給代工廠，后者將其加工成 RF 芯片。

Solitec 目前是 RF SOI 硅晶片的最大供應商，占比全球市場份額的 70%。其他家如 Shin-Etsu 和GlobalWafers 也對 200mm 和 300mm 硅晶片出貨，但是也是基于 Solitec 的技術。中國的 SOI 材料供應商有上海新傲科技。根據 Solitec 表示，雖然目前的幾家代工廠正在增加 300mm RF SOI，但產能依然有限。世界上大約 5％的 RF SOI 產能在 300 毫米，到 2019 年預計可以增加到 20％。根據 Soitec 的數據，預計到 2020 年左右，RF SOI 晶圓片的出貨量可能達到 200 萬片。

2、GaAs 工藝

砷化鎵半導體材料與傳統的硅材料相比，它的電子移動率約為硅材料的 5.7 倍。它具有很高的電子遷移率、寬禁帶、直接帶隙，消耗功率低的特性。因此，廣泛運用于高頻及無線通訊(主要為超過 1GHz以上的頻率).適于制做 IC 器件。所制出的這種高頻、高速、防輻射的高溫器件，通常應用于激光器、無線通信、光纖通信、移動通信、GPS 全球導航等領域。砷化鎵除在 IC 產品應用以外,也可加入其它元素改變能帶隙及其產生光電反應，達到所對應的光波波長,制作成光電元件。

▲GaAs 器件的應用領域（資料來源：Global Foundries，中銀國際證券）

在微電子領域中，使用的化合物半導體材料屬于高端產品，主要用于制作無線通訊（衛星通訊、移動通訊）、光纖通訊、汽車電子等用的微波器件。根據 SA 數據，作為半絕緣砷化鎵下游產業的砷化鎵集成電路業市場平均增長近年都在 40%以上，盡管砷化鎵分立器件的市場份額在逐步減少，砷化鎵射頻器件市場仍有 30%的年增長，加之衛星通訊系統和車載雷達用砷化鎵單晶的潛在市場，半絕緣砷化鎵的需求前景非常看好。

在 GaAs 晶圓供應方面，住友電工（Sumitomo Electric）、弗萊貝格化合物材料（Freiberger Compound Materials）、晶體技術（AXT）三家公司占據約 95％市場份額。目前微電子用砷化鎵晶片市場主要掌握在日本住友電工（SumitomoElectric）、費里伯格（FreibergerCompoundMaterials）、日立電線（HitachiCable）和美國 AXT 等四家大公司手中。主要以生產 4、6 英寸砷化鎵材料為主。費里伯格公司供應 LEC 法生長的 3、4、6 英寸半絕緣砷化鎵襯底，供應 VGF 法生長的 4、6 英寸半絕緣砷化鎵襯底。住友供應 VB法生長的 4、6 英寸半絕緣砷化鎵襯底。日立電線供應 LEC 法生長的 2、3、4、6 英寸半絕緣砷化鎵襯底。AXT 供應 VGF 法生長的 2、3、4、6 英寸半絕緣砷化鎵襯底。

目前中國的砷化鎵材料生產企業主要以 LED 用低阻砷化鎵晶片為代表的低端市場為主，利潤率較高的微電子用 4～6 英寸半絕緣晶片還沒有形成產業規模。中國大陸從事砷化鎵材料研發與生產的公司主要有：北京通美晶體技術有限公司（AXT）、中科晶電信息材料（北京）有限公司、天津晶明電子材料有限責任公司（中電集團 46 研究所）、北京中科鎵英半導體有限公司、北京國瑞電子材料有限責任公司、揚州中顯機械有限公司、山東遠東高科技材料有限公司、大慶佳昌科技有限公司、新鄉神舟晶體科技發展有限公司（原國營 542 廠）等九家。

砷化鎵在微電子的應用范圍，以射頻 IC 為主。它的產品集中在 PA(功率放大器)，LNA(低雜訊功率放大器)等通訊元件上，產品廣度遠不如可應用在資訊，通訊及消費性電子的硅 IC。但基于對未來無線通訊的成長可期，通訊元件的應用范圍會隨著新通訊產品的推出而倍增，其應用領域有移動電話，無線電話，無線通訊，微波通訊及衛星通訊產品等。這些產品將會隨著通訊網路的建構與普及而需求大增。所以就長期發展而言，對砷化鎵 IC 的需求量也會愈來愈大。砷化鎵 IC 在手機中發射端的功率放大器（PA）、接收端的低噪聲放大器和高速開關等，多由 GaAsIC 承擔。它是手機中重要關鍵性零組件。一只典型的高質量手機通常包含 6-7 塊 GaAs MMIC，因此無線通訊市場的走向對整個 GaAs工業非常重要。整個移動通訊技術的發展更是帶動 GaAs 材料的技術進步與需求增長。

3、GaN 工藝

氮化鎵技術可以追溯到 1970 年代，美國無線電公司（RCA）開發了一種氮化鎵工藝來制造 LED。現在市場上銷售的很多 LED 就是使用藍寶石襯底的氮化鎵技術。除了 LED，氮化鎵也被使用到了功率半導體與射頻器件上。基于氮化鎵的功率芯片正在市場站穩腳跟。

氮化鎵技術具有以下好處：

高擊穿場：由于 GaN 的大帶隙，GaN 材料具有高擊穿場，這使得 GaN 器件能夠在比其他半導體器件高得多的電壓下工作。當經受足夠高的電場時，半導體中的電子可以獲得足夠的動能來破壞化學鍵（稱為碰撞電離或電壓擊穿的過程）。如果不控制碰撞電離，則會降低設備的性能。由于 GaN 器件可以在更高的電壓下工作，因此它們可以用于更高功率的應用。

高飽和速度：GaN 上的電子具有高飽和速度（在非常高的電場下的電子速度）。結合大電荷能力，這意味著 GaN 器件可以提供更高的電流密度。RF 功率輸出是電壓和電流擺動的乘積，因此更高的電壓和電流密度可以在實際尺寸的晶體管中產生更高的 RF 功率。簡而言之，GaN 器件可以產生更高的功率密度。

出色的熱性能：GaN-on-SiC 器件具有出色的熱性能，這主要歸功于 SiC 的高導熱性。實際上，這意味著 GaN-on-SiC 器件在耗散相同功率時不會像 GaAs 或 Si 器件那樣熱。“較冷”設備意味著更可靠的設備。

典型的 GaN 射頻器件的加工工藝主要包括外延生長-器件隔離-歐姆接觸（制作源極、漏極）-氮化物鈍化-柵極制作-場板制作-襯底減薄-襯底通孔等環節。

▲典型的 GaN 工藝流程（資料來源：Qorvo，中銀國際證券）

GaN 器件的功率密度是砷化鎵（GaAs）器件的十倍。GaN 器件的更高功率密度使其能夠提供更寬的帶寬，更高的放大器增益和更高的效率，這是由于器件外圍更小。

GaN 場效應晶體管（FET）器件的工作電壓可以比同類 GaAs 器件高五倍。由于 GaN FET 器件可以在更高的電壓下工作，因此設計人員可以更輕松地在窄帶放大器設計上實現阻抗匹配。阻抗匹配是以這樣的方式設計電負載的輸入阻抗的實踐，其最大化從設備到負載的功率傳輸。

GaN FET 器件的電流是 GaAs FET 器件的兩倍。由于 GaN FET 器件可提供的電流是 GaAs FET 器件的兩倍，因此 GaN FET 器件具有更高的帶寬能力。大部分的半導體器件對于溫度的變化都是非常敏感的，為了保證可靠性，半導體的溫度變化必須被控制在一定范圍內。熱管理對于 RF 系統來說尤其重要，因為它們本身能量損耗就比較高，會帶來比較嚴重的散熱問題。GaN 在保持低溫方面有其獨特優勢，另外即使在溫度較高的情況下，相比于硅其性能影響較小。例如 100 萬小時失效時間中位數 MTTF 顯示，GaN 比 GaAs 的工作溫度可以高 50 攝氏度。

▲GaAs 與 GaN 的可靠性比較（資料來源：Qorvo, 中銀國際證券）

與其他半導體（如 Si 和 GaAs）相比，GaN 是一種相對較新的技術，但它已成為高射頻，高耗電應用的首選技術，如長距離或高端功率傳輸信號所需的應用 （如雷達，基站收發信臺[BTS]，衛星通信，電子戰[EW]等）。

根于 Yole 的預測，在通信和國防應用的推動下 RF GaN 產業在 2017 年至 2023 年期間的復合年增長率將會達到的 23％。截至 2017 年底 RF GaN 市場總量接近 3.8 億美元，2023 年將達到13 億美元以上。基于 RF 的 GaN 技術也在不斷創新以滿足工業界需求。國防應用是 RF GaN 的主要市場領域，這是因為 GaN 產品具有專業的高性能要求和低價格優勢。2017-2018 年間，國防應用占 GaN射頻市場總量的 35％以上，目前全球國防市場在 GaN 領域沒有放緩跡象。

▲2017-2023 年 RF GaN 器件市場預測（資料來源：Yole, 中銀國際證券）

從專利角度看，住友電工是 RF GaN 器件的市場的領軍者，但是相比于 Cree 仍然有不小差距。住友電工在專利方面目前有所放緩，而其他日本公司如富士通，東芝和三菱電機正在增加其專利申請，目前也擁有強大的專利組合。英特爾和 MACOM 目前是 RF GaN 領域最活躍申請專利的兩家公司，尤其是 GaN-on-Silicon 技術，如今這兩家公司在 RF GaN 專利領域擁有重要 IP。參與 RF GaN 市場的其他公司，如 Qorvo，Raytheon，Northrop Grumman，恩智浦/飛思卡爾和英飛凌，擁有一些關鍵專利，但知識產權地位仍然相對薄弱。

▲RF GaN 方面關鍵 IP 玩家（資料來源：Yole, 中銀國際證券）

中國電子科技集團和西安電子科技大學在中國專利領域占主導地位，擁有針對微波和毫米波應用的 GaN 射頻技術專利。中國公司 HiWafer 作為新興的代工廠，也逐漸在 GaN專利方面占有一席之地。

總體來說，RF GaN 領域方面，依然是被美國和日本公司主導。

七、與本文研究相關的產業鏈公司梳理

立訊精密：公司擁有射頻模塊、互聯、光電三大產品線，主打產品將伴隨 5G 浪潮量價齊升。蘋果核心供應商，國內稀缺精密制造平臺公司。公司產品線從單一的連接器拓展到聲學、馬達、無線充電、Airpods 等業務，以優良的管理能力橫向品類擴張。

1）聲學部分：美律生產進入快車道。2）AirPods：作為 AirPods 重要供應商，受益滲透率提升。3）線性馬達：良率提升快，響應客戶能力極強。4）無線充電：已實現對無線充電的全系統測試，競爭優勢顯著。5）LCP 天線：未來將會把其他模組功能整合。公司已成為具備研發、管理綜合能力的精密制造平臺。

信維通信：公司以射頻產品為核心，產品獲得主流客戶應用。公司天線產品線切入平板以及筆記本等產品線，獲得大客戶使用。同時無線充電接收端模組已實現全球一流移動終端廠商覆蓋。5G 時代即將到來，2018 年下半年高通發布了 5G 調制解調器以及相關 5G 終端解決方案。5G 射頻難度更高更復雜，并且價值量更大，公司加強天線等產品線研發投入，并且與芯片廠商合作推出 5G 毫米波解決方案，同時與國內基站廠商合作研發，做好相關 5G 產品儲備。

卓勝微：公司一直從事射頻前端芯片產品的研發與銷售，如射頻開關、射頻低噪聲放大器，同時在 WiFi、藍牙方面進行技術積累，并對外提供 IP 授權。5G 將會加速智能手機、平板電腦等移動智能終端市場的發展，公司射頻前端芯片產品的銷售規模有望迅速提升。公司擬募集資金用于投入射頻濾波器芯片、PA 等產品。

麥捷科技：公司生產及銷售片式功率電感、濾波器及片式 LTCC 射頻元器件等新型片式被動電子元器件，并為下游客戶提供技術支持服務和元器件整體解決方案。產品廣泛用于通訊、消費電子、軍工電子、計算機、互聯網應用產品、汽車電子等領域。目前國內的主要 SAW 濾波器設計和制造相關廠商有，麥捷科技、信維通信、無錫好達、三安光電、瑞虹科技等。除此之外諾思微系統在 FBAR (BAW)濾波器方面也有所突破。

韋爾股份：韋爾股份是國內領先的半導體器件設計和銷售公司，公司的射頻前端產品包括射頻開關、LNA、天線調諧器。公司 2018 年實現營收 39.64 億元，同比增長 64.74%；設計業務收入同比增長 15.19%，延續上市以來的增長態勢。其中，IC、射頻及微傳感器業務營收增幅較大，分別

同比增長 35.07%、137.84%。

紫光展銳：紫光展銳是紫光集成電路產業鏈中的核心企業，致力于移動通信和物聯網領域核心芯片的自主研發及設計，產品涵蓋 2G/3G/4G/5G 移動通信基帶芯片、物聯網芯片、射頻芯片、無線連接芯片、安全芯片、電視芯片。公司積極布局 5G 產品，在 2019 世界移動通信大會（MWC）上發布了 5G 通信技術平臺馬卡魯及其首款 5G 基帶芯片春藤 510。

漢天下：公司產品涵蓋射頻功放前端芯片、IoT 射頻 SoC 芯片、手機終端射頻器件三大類產品線，完整的 PA/FEM 產品線系列，產品覆蓋 2G、3G、4G 全系列，是國內首家同時擁有大規模量產的CMOS PA 和 GaAs PA 技術的公司，漢天下的 CMOS PA 已經成為 2G 功能機和智能機的首選射頻功放，成功應用于 SPRD 和 MTK 等各類平臺。

唯捷創芯：公司的射頻功率放大器可以應用于 2G，3G，4G 手機及數據卡產品。慧智微電子在可重構的混合集成射頻前端架構技術上進行創新，可應用于 4G 移動終端的射頻功率放大器和其他射頻前端器件，也適用于未來 5G、IOT 等技術演進。

海外方面：PA 部分目前主要市場仍然被 Qorvo、Broadcom（Avago）和 Skyworks 三家 IDM 公司占領，總共占領大約超過 90%以上的市場份額。射頻前端龍頭廠商 Avago、Qorvo、Skyworks 以及日本的Murata、TDK 和太陽誘電可以提供射頻前端各個模塊的不同解決方案，高通可以為 5G 終端設備提供完整的射頻前端方案。