5G將開啟新時代，射頻前端準備好了嗎？

大數據，無人駕駛和物聯網的興起，讓產業鏈對5G的渴求達到了前所未有的高度。考慮到大家熱議的新一代移動通信在速度、帶寬和延遲方面的優勢，這種關注度便不足為奇。

從技術層面看，5G移動網路是繼目前4G LTE部署后移動電信標準的下一個主要階段。根據ITU的定義，5G的峰值速率可以達到20Gbit/S，用戶的體驗速率也能達到100Mbit/s，延遲更是達到了毫米級別等特點。

ITU定義的5G性能（source：IUT）

雖然產業界上下游都對5G充滿了厚望，但直到今天，5G相關的標準依然還沒有落實。根據IHS 的報告顯示，大量5G標準工作正按計劃開展。

3GPP正努力制定Release 15，將於2018年完成，並有望成為全新5G無線空口（ 5G NR）和新一代網路架構（ 5G NextGen）的首個規範。 5G開發工作將延續到3GPP Release 16及以後，但是Release 15將為2019年開始的5G商用提供全球規範。同時，目前3GPP正在開展的工作將在IMT-2020規範正式發布之前提交至ITU，而IMT-2020規範將於2020年完成。 值得注意的是，在這些規範正逐步完成的同時，預標準的5G商用部署將更早啟動。

5G標準化時間表（source：IHS）

可以預見的是，在這麼高速度的應用環境下，5G對上游半導體供應商來說，將會是一個艱難的挑戰，如速度更快的處理器、適合的基帶和射頻器件等。

5G給射頻前端帶來大挑戰

在談5G的挑戰之前，我們先來了解一下什麼是射頻前端。

從定義上來看，RF FEM是指從天線到Modem之間的整個系統。在這一部分，包含了濾波器、LNA、PA、開關和雙工器等等

手機通信系統結構示意圖 (source:國信證券)

回顧1G到4G的發展歷程，無線網路的上下行速度在不斷加快，設備的射頻也在逐步演進。到了4G時代，由於多模多頻的需求，射頻前端的複雜度已經大幅增加，面對即將到來的5G，這個挑戰更是空前的。因為從4G到5G，無線傳輸速度跨越式提升。

根據無線通訊的相關理論，這樣的速度提升可以通過增加頻譜利用率或者頻譜帶寬來實現。但從目前的無線應用現狀看來，由於常用的5Ghz以下頻段已經非常擁擠。為了獲取頻譜資源，業界只有將目光投向了更高頻率的毫米波。在解決了頻段問題，射頻也要齊頭並進。

毫米波的相關定義（source：Qualcomm）

知名的射頻供應商Qorvo表示，為了滿足5G的需求，射頻前端必須要覆蓋所有所有的頻段；同時還需要充分利用碎片化頻段的載波聚合（Carrier Aggregation，CA）、更高的調製方案和Massive MIMO、另外也需要推進5G標準的落實，因為只有這樣，才能讓產業鏈更有的放矢的做開發；當然，基礎設施的支持是必須的。

載波聚合技術原理圖（source：Qorvo）

我們可以通過對以上技術要求進行拆分，了解5G時代射頻面臨的挑戰。

首先談一下載波聚合。

由於ITU為5G制定了最高50Gbps的下行速率標準，那麼相較於4G中最高支持5個20Mhz的載波聚合，進入5G時代，載波聚合的數量可能會高達32或者64。對於射頻廠商來說，就是需要解決串擾的問題。這就給濾波器帶來新的需求。除了濾波器外，這種多載波聚合還會對PA和開關器件的線性度提出更高的需求。

Band 1 和 Band 3 雙載波聚合頻率串擾示意圖（source：Qorvo）

其次高頻率對濾波器的轉變也是一個挑戰。

在4G以前，由於頻率相對較低，SAW濾波器已經能夠滿足設備的需求。但跨入了5G高頻時代，SAW的局限性就凸顯。在高頻仍然保持較高Q值的BAW濾波器就成為了業界的新寵。

BAW和SAW的對比（source： Qorvo）

第三，5G引致PA的轉變。

在5G毫米波時代，高頻段讓傳統PA的LDMOS工藝捉襟見肘，但天生的性能缺陷讓其在未來的高頻應用中優勢盡失，基站亟需高功率密度、高運行電壓、高頻率和高帶寬的新工藝產品，於是擁有材料性能優勢的氮化鎵就成為業界追逐的新爆發點。而5G的高頻特性，使得信號很容易被阻礙，因此使用微基站來進行信號覆蓋，就成為了業界的共識。氮化鎵PA恰好也能完美契合微基站的需求。

5G 移動通信基站技術演進路線圖

傳統巨頭強勢布局

根據Mobile Experts LLC報告預測，到2020年，移動設備射頻前端的市場會高達190億美元，考慮到5G帶來微基站的爆發，對於射頻前端廠商來說，這是一個新的成長動力。傳統的巨頭早就已經在相關領域布局，期待分一杯羹。

移動設備射頻前端的2016到2020年間的增長（source：Mobile Experts LLC）

先談一下傳統巨頭的布局。

過去的多年裡，射頻前端市場經歷了一系列的收購和兼并，在Avago收購博通成立新博通，RFMD和Triquint兼并成為新的Qorvo以後，射頻前端的巨頭格局基本已經定下來。

這些廠商之中，有以村田、太陽誘電和TDK為代表的SAW濾波器廠商；在未來5G所需的，能滿足高頻特性的baw濾波器，目前有Qorvo和新博通，兩者幾乎瓜分了目前所有的baw市場；在PA市場，則是Qorvo、新博通和Skyworks三分天下；我們著重談一下濾波器和PA：

Source：國信證券

在一個射頻電路中，濾波器的作用就是讓特定頻率的信號通過，然後盡量地抑制其他頻率的信號干擾。通常頻率在1900Mhz以下的頻率就用SAW，更高的頻段就用BAW。

SAW是聲表面波濾波器，在輸入端由壓電效應把無線信號轉換為聲信號在介質表面傳播，在輸出端由逆壓電效應將聲信號轉換為無線信號。SAW濾波器集低插入損耗和良好的抑制性能於一身，不僅可實現寬頻寬，其體積還比傳統的腔體甚至陶瓷濾波器小得多，但是由於SAW濾波器有局限性。，高於1Ghz時，其選擇性降低，在2.5Ghz時，就只能滿足對性能要求不高的應用，這時候就需要BAW了。

SAW濾波器

BAW 是體聲波的簡稱，這種濾波器內的聲波垂直傳播，具有很好的高頻特性。據介紹，BAW因擁有有意的性能與陡峭的抑制曲線，能解決複雜的濾波問題，如在相同時間啟用相鄰頻帶中的射頻頻譜，卻不會受到干擾。在面對多載波，頻譜較勁的未來5G高頻通信，BAW濾波器成為了必然的選擇。Qorvo就是BAW濾波器的兩大代表之一。

BAW濾波器

在2017年初舉辦的「易維訊年度ICT論壇暨2017產業和技術展望研討會」上，Qorvo區移動產品銷售總監江雄表示，Qorvo的高集成度Baw濾波器能夠支持Power Class2 標準，不但可提高30%的發射範圍，還能夠提升手機射頻3db的功率。

不同地區對濾波器的要求（source：Qorvo）

Qorvo總裁Bob Bruggeworth在接受微波雜誌採訪的時候提到，Qorvo獨有的的LowDrift™ BAW濾波器技術相比其他聲學濾波器技術具有本質上的性能優勢，可以幫助下一代智能手機用戶顯著改進移動數據服務。高性能BAW濾波器能滿足嚴苛的技術要求，如高度的頻率選擇性、收發頻段的狹窄縫隙，確保溫度性能一致性等。

Qorvo的Baw解決方案（source：Qorvo）

我們也可以看到，Qorvo的先進濾波器解決方案在增加性能之餘，還將其尺寸大幅度降低，讓開發者在將其在和PA、開關和其他RF前端集成的時候，大大提高了靈活度。

射頻電路中另一個關鍵組成則PA(Power Amplifier)，也就是功率放大器，它的主要功能在於將訊號放大推出。從目前的應用上看，功率放大器主要由砷化鎵功率放大器(GaAs PA)和互補式金屬氧化物半導體功率放大器(CMOS PA)組成，其中又以GaAs PA為主流。但隨著5G的到來，砷化鎵器件將無法滿足在如此高的頻率下保持集成度，於是GaN成為了下一個熱點。

Qorvo 預測， 8GHz 以下砷化鎵仍是主流， 8GHz 以上氮化鎵替代趨勢明顯。砷化鎵作為一種寬禁帶半導體，可承受更高工作電壓，意味著其功率密度及可工作溫度更高，因而具有高功率密度、能耗低、適合高頻率、支持寬頻寬等特點，包括Qorvo在內的幾個業界先驅已經在GaN上投入了巨額資金研究。

GaAs、 Si-LDMOS、 GaN 方案面積對比（source：Qorvo）

Qorvo表示，由於GaN具有高功率密度、寬頻性能、高功率處理、輸入功率穩定、減少零件尺寸和數量等特點，讓其受到功率放大器和無線基礎設施等市場的青睞。

據測試顯示，GaN可以在一個微小的面積上發射很大的功率，且單位面積上收到的熱度是GaAsDE 的十倍以上，因非常適合於5G正在追逐的毫米波頻段。

我們需要清楚一點，GaN器件並不是一種新東西，它其實一早就被應用到軍事雷達和有線電視等相關設施。但受限於成本問題，過去才一直沒有被推廣到民用領域。但在經過了Qorvo和Macom這些企業的努力，GaN材料的成本和製造成本開始下降。

如Qorvo早前宣布將其重心轉移到6英寸SiC基GaN上，這些都有效的提高了其成本競爭優勢。不過我們也要看到，其帶來的功耗問題，也需要廠商去解決。

Qorvo無線基礎設施產品部總經理Sumit Tomar認為，LDMOS器件物理上已經遇到極限，這就是氮化鎵器件進入市場的原因。而基站應用需要更高的峰值功率、更寬的帶寬以及更高的頻率，這些因素都促成了基站接受氮化鎵器件。但是GaN在進入手機的過程中，碰到了一些阻礙。Qorvo方面表示，氮化鎵器件工作在低電壓環境、必須設計新封裝形式以滿足散熱要求和成本太高是制約GaN器件走向手機的關鍵。

除了產品外，我們還需要重點關注一個問題，那就是標準。因為無論你做什麼器件，都需要嚴格參照3GPP制定的標準，才能開發出高質量的、符合需求的產品。對很多企業來說，如果能參與都標準的制定中去，不但能將自己的研究成果推進到標準制定方，從某個角度看也能讓自己受益。很多廠商也參與到當中去，Qorvo在這方面也走得比較早。

作為領先的RF 供應商，Qorvo 認為，依照頻譜和移動或固定無線接入兩種特性，將網路容量的這種擴張分類兩類。從短期看，在 2.6 Ghz 至 6 Ghz 之間運行的手機基站 (4.5G) 升級將通過額外的通道帶寬，提升客戶體驗。從長期看，真正的 5G 毫米波固定式無線接入將推動並大幅提升固定用戶的帶寬。兩種應用都給行業帶來了巨大的 RF 挑戰。

Qorvo 作為擁有充分表決權的 3GPP 成員，可以向該標準機構提供有關 4.5 和5G RF 解決方案的建議。隨著 5G 標準的發展和全球頻譜的劃分，這讓他們處於優勢地位，能夠提供廣泛的 5G 連接解決方案。而目前他們採取的戰略是：支持 4.5G 部署以及不斷發展的 5G 生態系統。

雖然5G 毫米波仍處於早期技術驗證階段。Qorvo 也積極與全球網路提供商合作，共同開展 5G 現場試驗，以便為將於 2020 年部署初步網路做好準備。截止目前，Qorvo 已參加過20 多場客戶現場試驗。例如在今年2月。Qorvo加入了中移動的5G聯創中心，這是首家被中移動吸納的射頻前端公司。這對於未來5G射頻的產品化和商業化大有幫助。

在射頻前端這個市場，高端領域基本被外國廠商壟斷這是毫無疑問的，但近幾年廠商的進步也是有目共睹的。

根據國信證券的報告顯示，在 SAW 器件的製備中，製造成本以及難度高。因此該行業存在著較高進入門檻。 目前國內廠商大部分 SAW 濾波器廠商仍停留在公頻波段（較低頻率，低於 1GHz）的產品生產中。而對於更高的射頻工作頻率（如目前 LTE 波段覆蓋的高於 2GHz 頻段），對工藝有著更高的技術要求，國內暫時無法追趕。在BAW領域國內更是幾近一片空白，所以在未來的5G時代，將長時間保持對國外的依賴是一個必然的現象。

國內聲學濾波器（主要是 SAW 工藝）科研、生產單位（source:國信證券）

在PA產業，則進展較為順利。湧現出、漢天下、國民飛驤、中科漢天下、唯捷創芯和蘇州宜確等一批廠商，但和濾波器面臨同樣的問題，那就是高端依然是心頭之痛。