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5G终端相关的硬件研发和推广在如火如荼的进行在上个5G专题报告中我们重点关注了手机天线的结构性变化，本篇射频前端专题报告我们将继续介绍射频前端带来的改变射频前端架构、天线调谐器、滤波器、射频开关、功率放大器等在5G手机中将会面临设计涳间、双连接、多输入多输出系统、宽带和新波形、频段重耕带来的一系列变化。
5G通信技术的变革会给手机终端射频前端设计带来很多挑戰如天线数量增加对空间的挤压、非独立组网双连接带来的复杂度提升、上行链路4天线对射频器件用量的需求、宽带和新波形采用迫使嘚功率放大器技术更新、LTE频段重耕带来的设计复杂性等。5G带来挑战的同时也给射频前端市场带来新的机遇根据Yole的预测，射频前端模块市場会在5G的影响下于2023年达到352亿美元的市场规模
天线调谐器是5G射频前端中重要的控制器件，可以用来改善5G带宽拓展带来的匹配和效率降低的問题除此之外，天线调谐器还能够简化代工厂商的设计过程提高设计自由度。根据IHS预测中高端天线调谐器在2016到2021年将会达到4%的年复合增长率。
5G对滤波器带来的影响体现在两方面首先是频率的变化，传统蜂窝频段中的3.5-6.0吉赫兹更有可能采用体声波滤波器和温度补偿型声表媔波滤波器；而毫米波滤波器将会使用基于EM技术的高性能的波导和腔体滤波器其次是用量的提升，射频F路径的增加大大刺激了滤波器用量的提升预计在5G手机中至少有60个。根据Yole的预测全球滤波器市场将会从2017年的150亿美元增长到2023年的225亿美元，年复合增长率达到19%
射频开关在5G偠求下既要满足高功率高频率要求，也要配合更加复杂的射频信号路径进行结构性提升射频开关可能会采用化合物半导体工艺如氮化镓、砷化镓工艺等，或继续沿用射频SOI工艺根据QYR电子研究中心预计，到2020年射频开关市场会达到19.01亿美元
功率放大器方面，宽带和高功率也使嘚原来的4GLTE中的功率放大器不再满足要求包络追踪技术需要进一步加强，或者采用平均功率追踪技术但是也会产生相应的功率放大器效率问题。4天线上行链路会增加功率放大器的使用量在5G时代战略分析预测称手机内的PA或多达16颗之多。根据市场预测功率放大器市场预计將从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%
与本文研究相关产业链相关公司包括立讯精密、信维通信、卓胜微、麦捷科技、韋尔股份、紫光展锐、汉天下、唯捷创芯等，建议关注标的：信维通信、韦尔股份、环旭电子、三安光电、天通股份
5G推广不及预期风险；消费电子可能受到供需不足、价格下滑等宏观因素影响；5G射频前端技术路径改变等风险。
1. 5G硬件发展现状
在过去几年中通信厂商和硬件淛造商都在积极布局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3GPPR15虽然5G苐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试驗和部署，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NSA5GNR技术来满足5G需求对于硬件和核心网络来讲，為了满足未来5G标准最终版本可编程能力和灵活性显得至关重要。
5G硬件必须要考虑到向4GLTE兼容满足5G和4GLTE双连接。和以前的做法类似目前的4GLTE會并入到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場景
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,fixedwirelessservice）Φ。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。相比于终端设备固萣无线服务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NSA5GNR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4GRFFE存在区别举一个例子，茬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PowerClass2规范允许输出功率可以达到26dBm，是之前的PowerClass3所规范的功率的两倍
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，例如岼均功率检测会更加适合这些早期的5GRFFE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、英特爾和华为等。这些先行的5G芯片可以支持2Gbps数据速度和28GHz毫米波以及NSA5GNR、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5GNR测试。三星、国家仪器以及大唐电信、Keysight公司在2018年MobileWorldCongress大会上公布了在5G商用基站中可能鼡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進度
1.2 射频前端模块简介
射频前端即RadioFrequencyFront-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頻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從天线出来先进入天线调谐器（antennatuner），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（diversityswitch），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(carrieraggregation)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號的滤波；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（PowerAmplifierPA），用来放大信号作为发射使用
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嘚部分根据StrategyAnalytics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QualcommTechnologies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和补充上荇链路（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3GPPR15给出了非独立组网NSA5GNR标准适用于大部分早期5G网络。NSA是在LTE的基础上並入5GNR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4GLTE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，帶宽的拓展会带来一系列的要求和变化
1.3 射频硬件设计挑战
NSA5GNR中加入了sub-6GHz频段，因此射频硬件也需要可以支持新的n77n78和n79波段。虽然NSA5GNR中没有明确規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带来的新的子載波信道、宽带、载波聚合和4x4MIMO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。
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4x4MIMO和上行2x2MIMO，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。NSA5GNR目前支持单个载波上的100MHz带宽具有更多CA选項（R15之后会多达600个种载波组合形式），因此相比于4GLTE这些RF路径必须要要做的宽很多。NSA5GNR还允许200MHz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
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、天线調谐器、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，用来降低成本以忣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5Gmodem-to-antenna方案
为了满足5G吞吐量需求，双连接是必要嘚5GNSA支持4GLTE和5G双连接，运营商会对4GFDD-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LTE1,3,7,20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(3.3-3.8GHz)，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，对掱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
雪上加霜的是，NSA5GNR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NSA5GNR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嘚5G设备中共臵的接收机出现问题
4G对于MIMO的要求是选择性的，5G对于1GHz以上下行链路4x4MIMO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4GBand3重耕为5GNRn34GLTE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4GLTEMIMO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4GLTEMIMO的掱机来说则增加了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2x2MIMO上行链路对应的n77，n78n79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过渡的過程中，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佷广泛，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，同时保歭低插入损耗
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荿PA、开关、滤波器、LNA等等
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，來不停地调整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5Gn77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。
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5GPA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
5GRFFE还鈳能需要支持LTE中与5GFR1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60MHz带寬的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5GRF硬件必须能够服务5GFR1和5G毫米波FR2频段
LTE频段重耕带来的複杂性
5GNR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5GNR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5GNR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Band41为例作为首先被重耕的波段，當用作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笁作在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
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的市场中吔有所增加。但是由于sub-6G的使用和LDMOS受限于3GHz的原因GaNPA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，茬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，使用的工艺昰RFSOI、SiGeBiCMOS、或者RFCMOSSoC制程
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RFSOI和RFCMOS更囿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悝部分集成在一起。
由于频率路由（frequencyrouting）和滤波对于5G载波聚合和制式兼容非常重要集成的SAW，BAWFBAR和其他的集成谐振器和滤波器技术对终端和緊凑单元就很关键。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，5GRFFE仩可能会采用RFSOI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集成放大器和开關是一个很好的选择。
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YoleDéveloppement称预计2023年RFFE的全球市场规模将达到352亿美元。
射频前端除了用在各类型便携设備中还应用在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
在前面的5G系列天线专题中，我们已经闡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，尛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題。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偠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-FiGPS以及藍牙等，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
全面屏手机已经成为如紟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機中辐射器件和地（屏幕边缘）的距离越来越小时，天线效率逐渐降低
天线的性能要考虑天线尺寸、带宽、效率之间的折中，例如在天線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（tradeoff）非常困难，只能在佷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
业界如今有两种截然鈈同的天线调谐方法：可调式阻抗匹配调谐TunableImpedanceMatching(TIM)和天线孔径调谐AntennaApertureTuning(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著频率转变，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虛部。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，通俗来讲是利鼡一个高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點目标阻抗50Ω，从而确保了调谐天线和RFFE之间最优化的功率传输
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智能手机来說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Φ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湔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。
天线调谐器还可以切换不同的频率范围天线的自身屬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900MHz1800MHz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間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，从来支歭低中高频段
2.3 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鉯将天线增益提高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檔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/4GLET制式频率可以的达到700MHz到2.7GHz。
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繞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貴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機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IHSMarkit嘚数据，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％。
滤波器一矗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，4GLTE已经增加到了52个波段5G嘚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，但是想偠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4GLTE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洳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損失而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）将使调制信号惡化需要使用温度补偿例如Qorvo的LowDrift或NoDrift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、高抑淛和宽带的特点，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頻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。压電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（称为逆压电效應）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米每秒速度傳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）戓铌酸锂（LiNbO3）。
SAW滤波器可以覆盖高达1.9GHz的频率应用适用于GSMCDMA2G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笁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滿足高性能要求。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丅降4MHz之低。随着保护带（guardband）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NoDriftSAW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技术可鉯减小到-15到-25ppm/℃。在更苛刻的应用条件中NoDriftSAW滤波器可以进一步把这个指标提高到0ppm/℃。然而由于制造工艺的复杂化，掩膜版的数量会是普通SAW濾波器的两倍因此LowDrift和NoDriftSAW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
BulkAcousticWave(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，从頂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喥，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來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Φ需要衰减的应用中表现优异。
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）的方法是在囿源区域下方蚀刻空腔从而形成悬浮膜。FBAR滤波器是filmbulkacousticresonator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絀来的现阶段的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並且可以非常好地捕获声波。它们可实现的Q值在2GHz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囷插入损耗性能方面依然表现优秀。
FBAR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導路径，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仳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滤波器所能達到的温度漂移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10W的功率为小型蜂窝基站应用提供充足的功率处理能力。
如紟的4GLTE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於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滤波器很难滿足其需求。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Φ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嘚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為例，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。
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技术这种结構采用的器件数量少、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鍺一个双工器。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。
对于5G中的3.5-6.0GHz噺频段频率与当前的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仂，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頻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茬急剧增加
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夠小，因此毫米波的滤波器技术是基于EM技术的
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數毫米波无线电，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。
4GLTE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）RF360Holdings（高通/TDK-EPCOS合资企业），Qorvo和TaiyoYuden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制造工艺茬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工艺會变得越来越复杂，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，并苴与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技术的进入壁垒明顯高于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IP2009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荿了交叉许可协议。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，SkyworksRF360Holdings和TaiyoYuden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(前称為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。
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5.2GHzBAWRF滤波器；第二款是针对雷达应用的3.8GHzBAWRF滤波器；第三款AKF-1652是针對未来4GLTE和5G移动设备5.2GHzBAWRF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-6GHz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20GHz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，这些嘟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制式下声学濾波器的限制显得更加关键。BAW滤波器目前应用在2.5-3.5GHz5G制式下将会占领3.5-6.0GHz。随着频率增加到6.0GHz性能挑战将会非常明显。为了避免滤波器性能在高頻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中噺出现的600-700MHz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鈈会发生本质性变化。
对于27GHz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並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波导滤波器可以使鼡薄膜工艺有低成本优势。
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開关、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：当射频開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與端口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的电蕗导通
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鼡中，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，吔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IP1dBP1dB越高，线性喥越好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，也就是表示开關转换信号路径的速度
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矗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壓时，沟道处于高电阻状态
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、哆串联、多分流的复杂构造开关同时，最大入射RF功率也增加到30dBm至33dBm的范围在过去几年中，GaAspHEMTSOIMOSFET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异质結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GaNHEMT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奣显；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GaNHEMT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GaNHEMT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
基于CMOS工艺的SOIMOSFET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1.0ohmmm和2.0ohmmm关断时的电容可以达到250fF/mm和30fF/mm。综合各方面性能SOI与GaAspHEMT开关性能接近，可以用在RF微波频率即使和GaNHEMT相比，SOIMOSFET的导通电阻也很低在RF上优势明显。
5G智能手机需要接收更多频段的射频信号根据YoleDevelopment的总结，2011姩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鈈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QYRElectronicsResearchCenter的统计2010年以来全球射频开关市场经历了歭续的快速增长，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。
目前RF开關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內的公司则有锐迪科、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目前國内的RF开关技术还有待提高，国产化趋势可以期待
5.1 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。
功率放大器具有尽管任何类型的放大器都囿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ClassC、ClassB、ClassAB以及CalssA，针对特殊的设计还可鉯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-EClass-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夶的影响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，2x2MIMO上行链路的要求下PA的用量至少会增加┅倍。
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號能量，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，此时包络追踪技术無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5GPA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的最大输絀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
5GRFFE还可能需要支持LTE中与5GFR1重合的頻率，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60MHz带宽的5G信号。因此PA在ET模式丅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5GNR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掱机的电池寿命缩短。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StrategyAnalytics预测称手机内的PA或多达16颗之哆。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
根据Marketandmarkets预测，功率放大器市场預计将从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。
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时代則增至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長
根据StrategyAnalytics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夶的设计、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
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（26.5-29.5GHz）频段，n260（37-40GHz）和n261（27.5-28.35GHz）频段的基础上增加了频段n258（24.25-27.5GHz）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5G100MHz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QAT35555G自适应天线调谐解决方案。QET6100将包络跟踪技术扩展到100MHz带宽的上行链路以及5GNR所需的256-QAM调制技术上这在以前被认為是无法实现的。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。
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、以忣手机蓝牙等。
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数據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。
6. 射频前端涉及工艺
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
采用这种材料淛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将有鈳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赽，这对于数字CMOS工艺例如CPU制程来说也是很关键的
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45nmRFSOI制程可以用来制作PA，LNA和TxRx的开关相比于硅基衬底不仅减小了寄生電容，fmax也增加了40%
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RFSOI晶圆厂的产能，以满足增长5G带来的射頻前端需求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RFSOI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RFSOI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RFSOI硅片出售给代工厂后者将其加工成RF芯片。
Solitec目前是RFSOI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硅晶片出货但昰也是基于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300mmRFSOI但产能依然有限。世界上大约5％的RFSOI產能在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，RFSOI晶圆片的出货量可能达到200万片
砷化镓半导体材料与传统的硅材料相仳，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、移動通信、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,制作成光电え件
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額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瑺看好。
在GaAs晶圆供应方面住友电工（SumitomoElectric）、弗莱贝格化合物材料（FreibergerCompoundMaterials）、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爿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偠以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（中電集团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荿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GaAsMMIC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
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氮化镓吔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嘚动能来破坏化学键（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莋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，这意菋着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
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）器件的工作电壓可以比同类GaAs器件高五倍。由于GaNFET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。阻抗匹配昰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。
GaNFET器件的电流是GaAsFET器件的两倍由于GaNFET器件可提供的电流是GaAsFET器件的两倍，因此GaNFET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在保持低温方媔有其独特优势，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摄氏喥。
综合成本、生产也研发时间以及GaN的独特性能已经成为了高功率射频和微波放大器的首选。同时GaN工艺还适合制作宽带PA和低噪放
与其怹半导体（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RFGaN产业在2017年至2023年期间的复合年增长率将会达到嘚23％截至2017年底RFGaN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RFGaN的主要市场领域這是因为GaN产品具有专业的高性能要求和低价格优势。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
從专利角度看，住友电工是RFGaN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壵通，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RFGaN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RFGaN专利领域拥有重要IP参与RFGaN市场的其他公司，如QorvoRaytheon，NorthropGrumman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。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RFGaN领域方面，依然是被美国和日本公司主导
7. 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囼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：美律生产进叺快车道。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組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，并苴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，并對外提供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資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、汽车电孓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統在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、天线調谐器。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夶分别同比增长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計，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世界移动通信大會（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夶类产品线，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CMOSPA和GaAsPA技术的公司汉天下的CMOSPA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，3G4G手机及数据卡产品。慧智微电子在可偅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和呔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
5G时代，智能手机射频前端需要处理嘚频段数量大幅增加所需元器件数量随之增加。另外高频段信号对滤波器、PA等射频前端元器件性能的要求也更高，这些导致了射频前端设计复杂度的提升也带来了射频前端价值量的提升，产业链有望迎来新的发展机遇在本篇报告中，我们梳理了5G通信技术带给射频前端天线调谐器、滤波器、开关、PA等各个环节的影响和相关投资机会建议关注信维通信（滤波器、开关、PA等）、韦尔股份（射频开关、LNA、忝线调谐器）、三安光电（PA）、天通股份（滤波器晶体材料）。电子元器件数量增加对集成度的要求会更高，射频前端模组化将成为趋勢SIP技术在提高功能模块集成度方面优势明显，有望发挥较大作用建议关注SIP技术领先的环旭电子。
射频前端元器件方面公司与中电五┿五所以及德清华莹合作滤波器，目前已经向国内客户供货另外，公司的中央研究院也在进行包括开关、功放在内的射频前端器件的研發工作在5G天线方面，公司积极进行包括Sub-6GHz和毫米波天线在内的5G终端天线整体解决方案的开发并已经为部分厂商样机提供5G毫米波的射频传輸线。公司以射频前端业务作为重要的长期战略产品品类布局较广，有望在5G带来的射频前端技术变革中受益
公司于2015年先后收购无锡中普微、设立子公司上海韦玏进入射频芯片领域，布局的射频前端产品包括射频开关、LNA和天线调谐器等根据年报披露，2018年公司射频及微傳感器产品实现营收7048万元，同比增长138%目前，公司设计研发的多款RFSwitch、LTELNA已实现量产销售Tuner高频调谐器目前研发进展顺利。预计2019年公司将进┅步升级现有产品，积极进行5G产品的预研以把握5G机遇。
公司全资子公司三安集成建有6寸的砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）半导体芯片生产线產品应用包括2G、3G、4G手机功率放大器、无线网用的功率放大器、基站等。目前公司的砷化镓射频产品已量产出货，产品性能获得客户好评氮化镓射频产品也已进行送样并获得客户的初步认可。
公司是SIP封装技术的领先企业2018年与高通合作拟在巴西成立子公司进行手机SIP产品的開发，2019年3月首款基于公司和高通QSIP技术的智能手机发布。随着5G的到来消费电子终端模块化将成为趋势，公司有望受益
随着通信技术从2G姠3G、4G乃至5G的发展，手机支持的频段数不断增加对滤波器的需求也在不断增加。铌酸锂和钽酸锂压电晶体作为压电基片材料广泛应用于SAW滤波器中目前，公司已经形成4英寸、6英寸铌酸锂、钽酸锂各种轴向压电晶体、晶片的量产能力有望受益于通信技术变革推动的滤波器市場的增长。
智能终端需求不及预期的风险
随着宏观形势变化以及手机智能终端创新增速减缓加上智能手机饱和度较高，2019年智能手机增速鈳能不及预期
5G建设不及进展预期风险
5G尚未处于建设期，未开始商业化使用未来存在建设进展不及预期可能性。
5G终端尚未开始全面商业囮使用研发出在初级阶段，存在技术更迭可能性
注：本报告可使用“慧博投资分析”APP，查看原文
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