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[分享] 5G学习:射频前端

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发表于 2021-7-8 14:52:22 | 显示全部楼层 |阅读模式
前言
5G是什么?5G是一种技术,它代表的并不仅仅是手机,代表更多的是新生产方式和新交互方式。
而手机,只是其中一个载体,是eMBB场景下连接最紧密的媒介之一。后续,随着mMTC,uRLLC场景的展开,5G的战场将不仅局限于此,更大的江湖会随之铺陈开来。
对于其中蕴含的机会,大致上会随着时间轴线的发展逐渐出现。而现在所需要做的,就是未雨绸缪,充分发现其中的五倍股、十倍股机会,然后等待时间之花盛开。
在5G早期时代,终端设备的无线通信模块是最先行的。
而无线通信模块包括了天线、射频前端模块、射频收发模块和基带信号处理器四个部分。其中射频前端和天线是属于量价均升,需求量急剧扩大的领域。
接下来本文主要围绕射频前端展开,仅考虑5G基站和手机终端市场,暂未考虑物联网的终端机会。

射频前端简介
射频前端是无线通信设备的一个核心部件,是将无线电磁波信号和二进制数字信号进行互相转化的基础部件。
1)组成
按照功能可分为发射端(TX)和接收端(RX);
按照组成器件可分为功率放大器(PA)、低频噪声放大器(LNA)、滤波器(Filters)、开关(Switches)、双工器(Duplexes)和调谐器(Antenna Tuner)组成。
1.png
对于各个组成部件的功能,具体如下:
a)功率放大器负责发射通道的射频信号放大;
b)滤波器负责发射及接受信号的滤波;
c)低噪声放大器负责接受通道中的小信号放大;
d)射频开关负责接受、发射通道之间的切换;
e)双工器负责准双工切换、接受/发送通道的射频信号滤波;
f)调谐器负责射频信号的信道选择、频率变化和放大。
在5G时代,信号频段数量大幅增加,随之需要的组成部件数量也大幅增加,同时5G通讯设备需要向下兼容4G和3G,因此增量市场相当可观。
根据研究,每增加一个频段,需要增加1个PA,1个双工器,1个射频开关,1个LNA和2个滤波器。2G需支持4个频段,3G需支持6个频段,4G为20个,5G为80个。
那是不是可以简单理解5G时代的射频前端部件数量需要的是4G时代的4倍以上呢?也不是。这里引入载波聚合技术。
2)载波聚合技术
5G大致分为两个频段,分别为FR1和FR2,其中FR1为目前国内主流频率范围,频段号分为1至255。
2.png 3.jpg


从频段号图中可知,有几个频段既不属于FDD也不属于TDD,而是SUL和SDL。SUL和SDL频段又称辅助频段,而且频段相对低些,是为了充分利用低频率段传输距离长的特性。
通过载波聚合技术将频段内及跨频段的无线信道进行有序聚合,在不增加发射端功率的情况下加大传输带宽(最大带宽为100MHz),增加传输速度,降低延时,同时增加传输距离,降低基站的建造数量。
此外,载波聚合技术有个缺点,多个频段内无线信号间存在互相干扰。而这缺点的解决依赖于优秀的射频前端开关和滤波器设计,这要求两者具有极高的线性度。
3)潜在机会
介绍完载波技术后,可以知道5G时代实际的频带数量增加更多,并不是简单的4G时代的4倍。
总之,整体数量上多倍于4G时代,设计难度(新材料、新设计、新工艺)上也远高于4G,BOM表中的占比和价值也都远高于4G时代。
4.jpg
在几个主要器件里,滤波器为占比最大的业务板块,2017年占比约为54%(SAW约35%,BAW约15%),而且在5G时代占比将继续提高,至2022年有望到达66%,约200多亿美元;功率放大器PA占比约34%,射频开关约7%,调谐器约5%。

滤波器
首先,滤波器是一种选频装置,使信号中特定频率成分通过而极大衰减其他频率成分。
1)参数指标
射频滤波器的最主要指标有品质因数Q和插入损耗。
品质因数是指电路谐振程度的强弱。Q值越大,通带频率差识别能力越强,也就是说能够实现越窄的通带带宽,实现更好地选择性;
插入损耗是指通道信号被滤波器的衰减,即信号功率损耗。插入损耗1dB,代表信号功率被衰减20%;若插入损耗3dB,则信号功率衰减50%。插入损耗越低,说明能量利用率越高。
2)滤波器分类
在通信行业里,滤波器主要可以分为表面声波SAW、体声波BAW、MEMS滤波器。目前SAW和BAW是主流滤波器。
关于这三者,进化过程大抵是从SAW到TC-SAW到BAW再到MEMS。
SAW(SurfaceAcoustic Wave)是将电信号变为声信号,声波沿晶体表面传播,再转化成电信号输出,利用的机制主要是石英、铌酸锂、钛酸钡晶体的压电效应。
SAW技术成熟,成本低,插入损耗小,但频率上限为2.5~3GHz,频率高于1.5GHz时选择性降低;在2.5GHz时仅限于对性能要求不高的应用,同时SAW易受到温度变化影响;
TC-SAW(TemperatureCompensated SAW)是SAW的增强版,涂上了一层温度升高时刚度加强的涂层,修正了温度变化对性能的影响。
TC-SAW属于SAW和BAW的过渡产品,温度影响解决,高频性能未解决,胜在成本优势较大。
BAW(BulkAcoustic Wave )也是将电信号转化为声信号再转化为电信号输出,但传递机制不同,采用了薄膜腔声波谐振器(FBAR),是两个金属电极夹着压电薄膜(2um)使得声波在压电薄膜里震荡形成驻波。
BAW制造工艺复杂,约是SAW的10倍,单位晶圆产出的BAW数量上也较SAW多4倍,成本自然也较SAW高。BAW适用于高频(1.5GHz~6GHz),插入损耗小,对温度变化不敏感,体积小,技术优势较大。
MEMS(微机电系统)是利用集成电路制造技术和未加工技术把小东西集成在芯片上的微型集成系统(毫米级)。
MEMS目前处于研发阶段,且体积尺寸在10mm*7mm,体积远大于SAW和BAW的0.8mm*0.6mm,因此MEMS滤波器暂时不能应用于终端,但MEMS滤波器是毫米波(24GHz以上)频段内的很好选择,所以后期技术突破后存在很大机会,而目前只能在基站上有可能使用。
3)关键工艺
对于高性能滤波器而言,设计和制造都是极大门槛。
设计方面,存在诸多难点,例如如何解决滤波器的温度漂移问题等。其他具体技术难题还有待继续学习。
制造方面,SAW的工作频率局限在2GHz以下,由电极条宽度和压电材料性质决定。电极条越窄,频率越高。如果配合半导体0.2um~0.35um的精细加工工艺则有望达到2~3GHz的工作频率,突破限制,这会给SAW带来更大的市场应用场景。
SAW大致流程为金属膜沉积、上胶及前烘、曝光、显影、漂洗及后烘、刻蚀和去胶。其中曝光设备和光刻技术影响最大。此外,传播速度更高的压电材料也是提高工作频率的另一种手段。
而BAW生产工艺复杂,生产成本高,良品率低,这直接导致BAW无法批量推出。目前BAW滤波器存在替代方案,采用高PA+陶瓷滤波器的方案。
陶瓷滤波器的低频段性能相对较好,高频段较差,因此以牺牲了功耗和信噪比为代价,增加前后级放大器PA的增益以达到相同的特征频段滤波,
最后,在射频滤波器制造工艺中有一门重要工艺LTCC(低温陶瓷共烧工艺),是高频通讯组件(微型)集成的必要工艺之一。
4)生产模式
目前滤波器设计模式最好为IDM(IntegratedDevice Manufacture),覆盖从设计、制造、封装测试到消费市场的全产业链,目前这种模式都被寡头公司采纳。
这种模式有利于资源整合,缩短开发周期,而且具备技术优势,能够保证较高的利润。
而目前国内大部分采用的是Fabless+Foundary模式。相较于IDM模式,Fabless能够快速响应市场,而且设计技术能够和Foundry制造技术同步发展。
此外,Fabless模式是轻资产,IDM模式是重资产,相对而言Fabless更适合国内现状。但Fabless模式存在被终端厂商替代的可能。
5)相关企业
目前SAW和BAW滤波器均被国际巨头垄断。
SAW滤波器市场以日企为主,Murate、TDK、EPCOS、村田等占了近95%全球市场份额;BAW滤波器市场以美企为主,其中Avago和Qorvo占了近87%全球市场份额。
而国内相关业务的厂家和研究所有:
a)德清华莹(中电55所)
德清华莹是中电55所控股的一家专业从事研制及制造人工晶体材料、声表面波及电子系列产品的企业,是国内最早研制SAW滤波器的企业之一,具备较强的SAW滤波器生产和研发水平。后与信维通信达成股权合作,拟共同争取射频滤波器市场。
b)中电26所
中电26所是国内唯一同时具备SAW,TC-SAW,BAW研发和生产的单位,也是为数不多的能为中兴/华为提供声表滤波器产品的供应商。
公司原本从事军品研制,军品民用化后具备技术优势。目前已成功研制出上千种规格的声表面波滤波器、声表面波振荡器、声表面波谐振器、声表面波延迟线、声表面波直接频率合成器等信号处理器,用于基站的中频滤波器以及各类无线收放滤波器。后通过与麦捷科技的股权交易,布局手机滤波器市场。
此外,国内目前仅有中电26所和天津诺斯唯二具备BAW的完整工艺线,这也是亮点之一。
c)无锡好达
无锡好达是韩资背景企业,技术来自于韩国YSAW,是国内最早进行终端滤波器开发的企业之一。
公司主要生产声表面波滤波器、双工器、谐振器等产品,用于手机、基站、雷达、航空航天以及各类通讯领域,目前已实现对主流手机厂商(中兴、三星、富士康、魅族等)的供货,是国内唯一向终端市场批量供货的国内企业。
d)信维通信(SZ:300136)
信维通信是国内LDS天线龙头企业,射频技术实力突出,并且在4G时代具有国际化大客户平台。目前信维通信的首要业务仍是天线、隔离器和连接器,而射频器件有望成为下一个业务增长点之一。
公司从2016年开始成立信维微电子,布局射频前端器件,瞄准射频和滤波器的设计生产上,拟对标村田。为此,公司和55所合作,入股德清华莹,信维通信具备渠道优势,55所具备技术优势,两者强强联合,共同开发SAW器件和MEMS器件,共建技术研究院和GaNg芯片平台。
此外,信维通信在江苏新建一个生产基地,拟为下一步产能扩张做布局。
最后,信维通信在材料端也具备一定优势,搞定了射频电子材料、磁性材料和LTCC工艺。
e)麦捷科技(SZ:300319)
麦捷科技主要从事于片式电感、片式LTCC射频元器件,属于高端被动电子元器件,是高精密性器件。
公司于2016年底募集8.5亿资金,布局SAW滤波器和MPIM小尺寸系列电感等高端电子元件项目,2017年开始规模化扩产并批量出货,但目前仍局限在二三线手机厂商,一线高端手机品牌客户的SAW供货情况仍需要继续追踪。
此外,需要关注的是LTCC射频元器件带来的机会,这将是MEMS未来的发展方向,但目前距离MEMS尚远。
6)东山精密(SZ:002384)
东山精密的业务之一是基站滤波器。
基于精密钣金和压铸件的技术积累,2013年开始批量提供滤波器盖板和墙体,2016年完成华为认证,开始大规模供应华为滤波器产品。
此外,公司滤波器产品还进入了三星、诺基亚通信、爱立信通信的供应商体系。
由此可见,基站滤波器为东山精密的优势产品,同时该产品具备更换频率低,采购稳定的特点,有望在5G基建时代分得一杯羹。
f)天津诺斯
天津诺斯为国外AVAGO和Skyworks等公司的海龟回国创立的一家做BAW的公司,但目前和博通存在知识产权纠纷,这直接导致产品使用受限。
g)华远微电
华远微电是民营高科技企业。主要产品为声表面波滤波器、声表面波谐振器、声表器件模组等。
目前公司自主研发了中高频表面声波器件,频率范围为30MHz~2900MHz。此外,公司还和深圳大学、哈工大进行合作开发相关产品。
h)三安光电(SH:600703)
三安光电是一家主要从事半导体材料的研发和应用,着重于GaAs、SiCk等半导体材料并外延至芯片设计和通讯功率器件的公司。
目前公司主要从事LED、射频、电力电子、电子滤波器和光通讯五大业务,但射频类和电子滤波器类的产品营收尚少。
功率放大器
功率放大器PA是射频前端发射通路的主要器件,是为了将调制振荡电路产生的小功率射频信号放大,获得足够大的射频输出功率,再通过天线上辐射出去,是用于放大射频信号的器件。
它决定了移动终端和基站的无线通信距离、信号质量等关键参数。
经预测,5G手机内的PA芯片达到16颗之多,比4G多模多频手机需要的PA芯片(5-7颗)多上一倍。4G基站采用4T4R方案,对应PA需求量12个,而5G基站采用64T64R方案,对应PA需求量192个,数量有望提升16倍。而且在5G时代,频率更高,PA工艺要求也越高,PA单价也有显著提高。
1)技术路线
终端用PA制作工艺的技术路径基本包括:硅单晶材料(Si CMOS,低端商用,2G PA)到砷化镓(GaAs,高端民用,3G PA)再到氮化镓(GaN,高端军用,4G PA)。此外,基站用PA适用于LDMOS技术,NB-loT用PA则可能采用CMOS和SOI(目前仍以GaAS为主)。
对于这几类技术,具体优劣势如下:
CMOS的优势在于将射频、基频与存储器等组件合二为一的高整合度,并降低了组件成本;
SOI的优势在于可集成逻辑与控制功能,不需要额外的控制芯片;
GaAs的优势在于高电子迁移速率,适合长距离长通信时间的高频电路,但热导率较低,散热性差,可承受功率低(低于50W),价格中等,因此适用于终端射频前端等小功率市场;
GaN的优势在于高热导率和高电子迁移速率,带宽更宽,适用于高功率和高频率(相比于LDMOS,功率提高约4倍),工作频率可达到40GHz,但成本较高,适用于5G宏基站和小基站;
LDMOS的优势在于低成本和大功率性能优势,但仅在不超过3.5GHz的频率范围内有效,在3.5GHz频段性能则开始出现明显下滑。
综合以上特性,移动端以GaAs射频器件为主,而宏基站端则是GaN逐渐替代Si LDMOS,微基站则是GaN逐渐替代GaAs。
2)相关企业
目前Skyworks、Qorvo和AVago几大厂商占据了全球近93%的PA市场份额。
而国内相关业务的厂家和研究所有:
a)络达&唯捷创芯
络达主要产品为蓝牙、射频PA器件,生产手机用PA、射频开关、Wireless LAN、蓝牙系统单芯片、WiFi收发器等。但络达PA部门在2019年8月解散,后由唯捷创芯负责。
唯捷创芯以主流GaAs工艺切入射频PA市场,目前4G PA出货量是国内最大的,基本覆盖了前几大手机供应商。
b)紫光展锐
紫光展锐以GaAs和CMOS两个不同工艺覆盖2G/3G/4G射频前端产品,并量产射频开关、低噪声放大器以及布局射频滤波器。目前,公司整体出货量较小。
c)汉天下
汉天下是国内销售量和出货量领先的射频前端芯片和射频SoC芯片的设计厂商,是国内首家同时拥有大规模量产CMOS PA和GaAs PA技术的厂商,是2G功能机和智能机的首选射频功放。
公司采取低价策略,部分小客户采用,出货量较少。
d)慧智微
慧智微主营业务为高性能微波、射频前端芯片,主要从事微波和射频模拟集成电路的设计、开发、销售并提供相关技术咨询和支持。
公司核心由留美归国的知名集成电路专家构成,在射频、模拟及SoC各领域均有很深的造诣。
公司开发了世界第一款可重构射频前端平台,平台性能优、尺寸小,非常适合当前和未来的4G/5G无线系统,目前公司的可重构射频前端出货达千万片以上,长期看好。
e)国民飞骧
国民飞骧是从国民技术独立分拆出来的无线射频产品事业部,是专注于射频功率放大器、开关及射频前端等电子元件设计、开发、销售并提供完善技术咨询和服务的科技公司。
2010年开始依托国内市场开发国产射频功率放大器和射频开关,目前产品认可度不高,但客户基础还不错,所以市场上有一些出货。
射频开关
射频开关是将多路射频信号中的任一路或几路通过控制逻辑连通,以实现不同型号路径的切换,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。
射频开关按照用途可分为移动通信传导开关、WiFi开关、天线开关;
按照结构可分为单刀双掷、单刀多掷、多刀多掷。
对于5G时代日益增加的信道数量,既要满足高功率高频率,又要配合更加复杂的射频信号路径,因此在设计和制造方面均需要进行提升,而在材料商射频开关多半采用化合物半导体工艺。
目前,SOI技术是射频开关的首选技术,近70%射频开关采用该技术,其他采用GaAs工艺而MEMS技术则是高端天线开关的下一步发展方向,预计未来几年内能保证近10%的年增长率。
目前射频开关市场主要为Skyworks、Qorvo、Broadcom、NXP和Murata等占据,这些厂商通过生产技术创新提高生产效率。
而国内相关的开关公司有:
a)卓胜微(SZ:300782)
卓胜微是一家在射频器件及无线连接专业方向具有卓越科研技术和强大市场竞争力的Fabless芯片设计公司,拥有三大核心技术:CMOS开关式低噪声放大器设计、CMOS射频低噪声放大器设计和拼版式射频开关设计,是国内最大的开关供应商,其中射频开关贡献了近82%的收入。
目前公司已打入三星和小米供应链,年销售额近1亿美金。
b)国民飞骧
国民飞骧是从国民技术独立分拆出来的无线射频产品事业部,是专注于射频功率放大器、开关及射频前端等电子元件设计、开发、销售并提供完善技术咨询和服务的科技公司。
2010年开始依托国内市场开发国产射频功率放大器和射频开关,目前产品认可度不高,但客户基础还不错,所以市场上有一些出货。
c)韦尔股份(SH.603501)
韦尔股份是一家以自主研发、销售服务为主体的半导体设计和销售公司。
目前公司主营产品包括射频开关、信号放大器、系统电源及控制方案、系统保护方案、电磁干扰滤波方案、分立器件等。

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