射頻芯片基礎(chǔ)知識(shí)科普

無線通信系統(tǒng)中，一般包含有天線、射頻前端、射頻收發(fā)模塊以及基帶信號(hào)處理器四個(gè)部分。隨著5G時(shí)代的，天線以及射頻前端的需求量及價(jià)值均快速上升，射頻前端是將數(shù)字信號(hào)向無線射頻信號(hào)轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)部件，也是無線通信系統(tǒng)的核心組件。

無線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

按照功能，可將射頻前端分為發(fā)射端Tx以及接收端Rx。

按照器件不同，射頻前端可分為功率放大器PA（發(fā)射端射頻信號(hào)放大）、濾波器filter（發(fā)射、接受端信號(hào)濾波）、低噪聲放大器LNA（接收端信號(hào)放大，降低噪聲）、開關(guān)switch（不同通道切換）、雙工器duplexer（信號(hào)選擇，實(shí)現(xiàn)濾波匹配）、調(diào)諧器tuner（天線信號(hào)通道阻抗匹配）等。

無線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

各種射頻器件科普

濾波器Filter：選通特定頻率，過濾干擾信號(hào)

濾波器（Filter），是射頻前端中最重要的分立器件，使信號(hào)中特定頻率成分通過而極大衰減其他頻率成分，從而提高信號(hào)的抗干擾性及信噪比。目前在手機(jī)射頻市場中主要采用聲學(xué)濾波技術(shù)。

根據(jù)制造工藝的不同，市面上的聲學(xué)濾波器可分為聲表面波濾波器（Surface Acoustic Wave，SAW）和體聲波濾波器（Bulk Acoustic Wave，BAW）兩大類。其中SAW濾波器制作工藝簡單，性價(jià)比高，主要應(yīng)用于GHz以下的低頻濾波，而BAW濾波器插損低，性能優(yōu)秀，可以適用于高頻濾波，但工藝復(fù)雜，價(jià)格較高。

由于工藝復(fù)雜度、技術(shù)以及成本的限制，目前通信標(biāo)準(zhǔn)下更多射頻前端采用SAW濾波器。但隨著5G滲透率的提升，BAW濾波器優(yōu)異的性能和對(duì)高頻的支持將使其成為手機(jī)射頻前端的主流器件。

三類常用濾波器（LTCC、SAW、BAW）的工作頻率范圍

雙工器/多工器：發(fā)射/接收信號(hào)的隔離

雙工器（Diplexer），又稱天線共用器，由兩組不同頻率的帶阻濾波器組成。利用高通、低通或帶通濾波器的分頻功能，使得同一天線或傳輸線可對(duì)兩條信號(hào)路徑進(jìn)行使用，從而實(shí)現(xiàn)同一天線對(duì)兩種多種不同頻率信號(hào)的接收和發(fā)送。

功率放大器PA：放大射頻信號(hào)進(jìn)行發(fā)射

功率放大器（PA，Power Amplifier）是射頻前端的核心部件，利用三極管的電流控制作用或場效應(yīng)管的電壓控制作用將電源的功率轉(zhuǎn)換為按照輸入信號(hào)變化的電流。

PA主要用于發(fā)射鏈路，通過把發(fā)射通道的微弱射頻信號(hào)放大，使信號(hào)成功獲得足夠高的功率，從而實(shí)現(xiàn)更高通信質(zhì)量、更強(qiáng)電池續(xù)航能力、更遠(yuǎn)通信距離。PA的性能可以直接決定通信信號(hào)的穩(wěn)定性和強(qiáng)弱。

隨著半導(dǎo)體材料的不斷發(fā)展，功率放大器也經(jīng)歷了CMOS、GaAs、GaN三大技術(shù)路線。第一代半導(dǎo)體材料是CMOS，技術(shù)成熟且產(chǎn)能穩(wěn)定。第二代半導(dǎo)體材料主要使用GaAs或SiGe，有較高的擊穿電壓，可用于高功率、高頻器件應(yīng)用。第三代半導(dǎo)體材料GaN在性能上顯著強(qiáng)亍GaAs，但成本較高。目前移動(dòng)端民用市場主要采用GaAs 作為功放，而GaN在部分基站端應(yīng)用率先實(shí)現(xiàn)替代。未來GaN將成為高射頻、大功耗應(yīng)用的主要方案。

三種材料的特性對(duì)比

低噪聲放大器LNA：放大接收信號(hào)，減少噪聲引入

低噪聲放大器（LNA，Low Noise Amplifier）是噪聲系數(shù)很小的放大器，功能是把天線接收到的微弱射頻信號(hào)放大，并盡量減少噪聲的引入，LNA能夠能有效提高接收機(jī)的接收靈敏度， 進(jìn)而提高收發(fā)機(jī)的傳輸距離。因此低噪聲放大器的設(shè)計(jì)是否良好， 關(guān)系到整個(gè)通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量。

射頻開關(guān)Switch：控制電路通斷，實(shí)現(xiàn)信號(hào)切換

射頻開關(guān)（Switch）的通過將多路射頻信號(hào)中的任一路或幾路控制邏輯連通，實(shí)現(xiàn)不同信號(hào)路徑的切換，包括接收與發(fā)射的切換、不同頻段間的切換等，以達(dá)到共用天線、共用通道，節(jié)省終端產(chǎn)品成本的目的。射頻開關(guān)主要包括移動(dòng)通信傳導(dǎo)開關(guān)、WiFi開關(guān)、天線調(diào)諧開關(guān)等。

調(diào)諧器Tuner：天線的阻抗匹配

天線調(diào)諧器（Tuner）是位于連接發(fā)射系統(tǒng)與天線的一種阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，用以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的接收、濾波、放大、增益控制等功能，使得天線在所有應(yīng)用頻率上輻射功率最大。

5G/Sub-6通信標(biāo)準(zhǔn)下，手機(jī)端中4x4下行鏈路MIMO要求每根天線能夠高效地支持更寬的頻率范圍，相應(yīng)對(duì)射頻天線tuner的需求數(shù)量也會(huì)增加，以提高相應(yīng)頻段的輻射效率。

常見調(diào)諧器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

其他射頻前端器件

Envelop Tracker （ET），即包絡(luò)追蹤器，用于提高承載高峰均功率比信號(hào)的功放效率，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)功率放大輸出。與平均功率跟蹤技術(shù)相比，包絡(luò)追蹤技術(shù)能夠讓功放的供電電壓隨輸入信號(hào)的包絡(luò)變化，改善射頻功率放大器的能效。

RF Reveiver，即射頻接收機(jī)。射頻接收機(jī)中，射頻信號(hào)經(jīng)天線接收后，通過濾波器、LNA、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC等對(duì)信號(hào)進(jìn)行變頻解調(diào)，最后形成進(jìn)入基帶的基帶信號(hào)。射頻接收機(jī)主要分超外差接收機(jī)、零中頻接收機(jī)和近零中頻接收機(jī)三種。

在過去多年的發(fā)展中，射頻前端材料也經(jīng)歷了多代的發(fā)展。

市場規(guī)模與競爭格局

過去十年來，射頻前端市場規(guī)模一直維持穩(wěn)定高速增長，2019年市場規(guī)模達(dá)到170億美元，相比2011年的63億美元增長269%。預(yù)計(jì)到2025年射頻前端市場規(guī)?？蛇_(dá)250億美元。

射頻前端市場規(guī)模及同比增速（億美元）

而在射頻前端市場集中程度較高，基本為頭部四大廠商壟斷，2019年所占份額分別為博通（美國，29%）、思佳訊（美國， 28%）、村田（日本， 22%）和科沃（美國， 18%），其他廠商占比僅為約3%。

射頻前端競爭格局（頭部四廠商）

其中濾波器市場（53%）：SAW濾波器由村田主導(dǎo)，BAW技術(shù)基本為博通和Qorvo所壟斷；功率放大器市場（33%）：美國三大廠商占據(jù)93%的市場份額；開關(guān)及其他組件（10%）：思佳訊、Qorvo主導(dǎo)其他射頻器件市場。

2019年，濾波器全球銷售額為95.2億美元，其中SAW為53.3億美元，BAW為41.9億美元，占比從15年的30%提升至19年的41%，未來隨著5G滲透率提升有望持續(xù)增加。

2019年，濾波器在中國市場的銷售額為26.1億美元，其中SAW為14.6美元，BAW為11.5億美元。國內(nèi)濾波器市場由于自給缺口大，且處于4G-5G切換末期，故市場規(guī)模出現(xiàn)負(fù)增長，相比15年減少2.4億美元。未來隨著國產(chǎn)化率的提升以及5G移動(dòng)+基站端滲透增加，有望快速反彈。

濾波器行業(yè)屬于技術(shù)、資本密集型，對(duì)于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及專利布局要求極高。手機(jī)射頻端隨著21世紀(jì)以來專利競爭以及激烈并購，逐漸形成了以日系、美系廠商分別壟斷SAW、BAW市場格局。

SAW、BAW全球市場格局（2019年）

Broadcom、Murata憑借多年技術(shù)積累以及專利布局作為第一陣營瓜分高端市場；Skyworks、Qorvo、TDK、TaiyoYuden等憑借綜合技術(shù)以及配套模組作為第二陣營占據(jù)中端市場；韓臺(tái)陸廠作為第三陣營目前以低端市場為主，并努力向中高端市場滲透。

濾波器市場基本被日美廠商所壟斷

SAW：以村田、TDK和太陽誘電為首的日系廠商長期深耕SAW市場，其中村田全球SAW份額占比達(dá)到47%，并持續(xù)推出TC-SAW和IHP-SAW等產(chǎn)品以適應(yīng)5G需求；

BAW：博通Avago憑借強(qiáng)勁的技術(shù)實(shí)力和專利布局壟斷87%的BAW濾波市場，思佳訊和Qorvo緊隨其后憑借模組化配套生產(chǎn)位居第二梯隊(duì)。

國內(nèi)廠商僅有少部分中低端SAW布局，BAW濾波器目前僅有天津諾思等小部分量產(chǎn)。

2019年，全球PA市場規(guī)模為56億美元，預(yù)計(jì)到2023將將增長至70億美元。由于射頻器件對(duì)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及工藝的要求較高，且PA為結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的前端核心器件，目前全球市場基本上由美國三大射頻巨頭所壟斷。其中Skyworks占43%，Qorvo占25%，Broadcom占25%，其余廠商份額占比不足10%。

全球PA市場格局（2018年）

由于5G帶來的天線以及濾波器組件的增加，終端內(nèi)部空間減少，為PA多頻段設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)。模組化趨勢(shì)為體積減少以及設(shè)計(jì)流程簡化做出貢獻(xiàn)，預(yù)計(jì)2025年P(guān)A類模組規(guī)模將達(dá)到104億美元，成為射頻前端最大細(xì)分市場。（詳見后續(xù)系列報(bào)告：射頻前端的模組化趨勢(shì)）

在2G-4G頻段，由于CMOS工藝成熟且易于集成，在終端中被廣泛使用。但在高頻頻段，GaAs性價(jià)比以及功率特性突出，二代材料成為PA、天線等器件的材料首選；在基站端，由于GaN高頻特性較好，三代半導(dǎo)體材料被廣泛使用在基站側(cè)，未來發(fā)展空間廣闊。

PA的三代半導(dǎo)體材料功率與頻率特性

隨著4G技術(shù)普及以及5G標(biāo)準(zhǔn)的推進(jìn)，智能終端中需要支持頻段數(shù)量大幅度上升，需要更多開關(guān)提升對(duì)更多頻段信號(hào)的接收能力。2011年以來，射頻開關(guān)switch市場快速增長，2019年市場規(guī)模達(dá)到19億美元，并隨著5G大規(guī)模商用將迎來快速增長，預(yù)計(jì)2023年市場規(guī)模將達(dá)到35.6億美元。

射頻開關(guān)市場龍頭廠商為Skyworks（思佳訊）以及村田，均為綜合性射頻器件及設(shè)計(jì)方案提供商，模組化實(shí)力強(qiáng)勁。國內(nèi)射頻開關(guān)及LNA組件領(lǐng)導(dǎo)者為卓勝微，目前已經(jīng)開始國產(chǎn)前端模組化布局。

全球射頻開關(guān)市場規(guī)模及預(yù)測(cè)（美元）

LNA一般用于接收端放大天線信號(hào)，并具有抑制噪聲的優(yōu)勢(shì)。低噪聲放大器目前更多作為模組化組件，與射頻開關(guān)等簡單組件集成在LFEM、WIFI FEM以及LNA Bank等模組當(dāng)中，2019年市場規(guī)模達(dá)到14.9億美元，2023年有望達(dá)到17.9億美元（按分立器件計(jì)算）

目前國內(nèi)廠商以卓勝微、紫光展銳在LNA領(lǐng)域結(jié)合自身平臺(tái)以及模組化集成優(yōu)勢(shì)，在LNA出貨量方面領(lǐng)先行業(yè)，但與國際先進(jìn)廠商差距較大。

全球?yàn)V波器市場規(guī)模（億美元）

日美四大射頻巨頭介紹

射頻前端產(chǎn)業(yè)由分立器件廠商、模組廠、整機(jī)品牌以及平臺(tái)設(shè)計(jì)服務(wù)商組成。其中上游分立器件頭部廠商綜合性生產(chǎn)銷售能力較強(qiáng)，得以更早進(jìn)行模組化布局，形成先發(fā)優(yōu)勢(shì)。

射頻前端國內(nèi)外主要廠商

全球射頻前端市場集中度較高，前四大廠商Skyworks、Qorvo、Broadcom和Murata占據(jù)90%以上的市場份額，并不斷通過整合并購，業(yè)務(wù)綜合多樣化擴(kuò)張；

在PA及LNA等功率放大器領(lǐng)域，思佳訊占有接近一半市場，但正被Qorvo迎頭趕上；在濾波器方向上，村田獨(dú)占SAW濾波器47%的市場份額，而博通則寡占87%的濾波器市場。

四大射頻巨頭中，思佳訊與Qorvo營收主要來自前端模組，產(chǎn)品類型中，而博通及村田業(yè)務(wù)則涉及各類IC、軟件、被動(dòng)元件和封裝等，業(yè)務(wù)規(guī)模龐大，營收均超過百億美元。

注：市值數(shù)據(jù)截至10月25日

Skyworks：受惠中國市場，大力發(fā)展5G、物聯(lián)網(wǎng)

Skyworks成立于1962 年，總部位于美國馬塞諸塞州，致力于開發(fā)用于射頻和移動(dòng)通信系統(tǒng)的半導(dǎo)體器件。受益于完善的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、在 IoT及 WiFi 領(lǐng)域的拓展和在蘋果手機(jī)中的廣泛應(yīng)用，同時(shí)也是多家國內(nèi)手機(jī)品牌射頻器件供應(yīng)商，中國區(qū)收入占比僅次于美國地區(qū)（2019年占比22%）。公司2019財(cái)年實(shí)現(xiàn)營收33.77億美元，歸母凈利潤8.60億美元。

Skyworks 在 SAW 濾波器、射頻功率放大器、射頻開關(guān)等產(chǎn)品上都有完善的產(chǎn)品覆蓋，并有較強(qiáng)的芯片集成模組能力。2019年占據(jù)全球射頻PA 43%的市場份額和射頻開關(guān)23%的市場份額。

Skyworks的發(fā)展歷程

為迎接5G時(shí)代帶來的挑戰(zhàn)，Skyworks打造Sky5 平臺(tái)，通過高度集成的發(fā)射/接收端解決方案和分集接收模組（DRx）簡化了5G架構(gòu)的開發(fā)難度，未來在IoT以及5G市場布局有望加速。

Sky5 Ultra集成解決方案采用DSBG封裝減小尺寸，提升TC-SAW和BAW在目標(biāo)頻段的性能，具備領(lǐng)先的傳輸和接收能力，在為終端帶來可靠的網(wǎng)絡(luò)連接傳輸同時(shí)優(yōu)化手機(jī)電池壽命。Sky5 LiTE前端解決方案面向大眾市場，支持高達(dá)100 MHz的5G新無線電（NR）波形帶寬，可適配所有領(lǐng)先芯片提供商接口。

Qorvo：射頻通信“新”軍，并購?fù)苿?dòng)業(yè)務(wù)快速擴(kuò)張

Qorvo由TriQuint Semiconductor 和RF Micro Devices（RFMD）于2015 年合并成立，總部位于美國北卡羅萊納州，專注于射頻通信及國防產(chǎn)品的生產(chǎn)，合并后擁有天線、PA、濾波器和射頻開關(guān)的全業(yè)務(wù)布局。2019年公司實(shí)現(xiàn)營收32.29億美元，歸母凈利潤3.34億美元。

Qorvo成立后，公司不斷進(jìn)行并購擴(kuò)大產(chǎn)品線，業(yè)務(wù)布局基本覆蓋射頻前端全產(chǎn)業(yè)鏈。其中BAW技術(shù)發(fā)展迅速，占據(jù)全球?yàn)V波器8%的市場份額，僅次于Broadcom 。公司在全球射頻開關(guān)和LNA器市占率高達(dá)35%，射頻PA市占率也到了達(dá)25%。

Qorvo發(fā)展歷程

Qorvo憑借技術(shù)優(yōu)勢(shì)和模組化布局長期在射頻產(chǎn)品領(lǐng)域提供商中占據(jù)領(lǐng)導(dǎo)地位。公司通過收購獲得GaN、GaAs以及SOI技術(shù)應(yīng)用與天線以及射頻PA器件中，并繼續(xù)收購Cavendish等RF MEMS工藝廠商進(jìn)一步升級(jí)其射頻前端器件的生產(chǎn)工藝，通過模組化集成形成全業(yè)務(wù)先進(jìn)布局。

公司在2020Q1完成了對(duì) Custom MMIC 和 Decawave 的收購，進(jìn)一步布局低功耗IoT以及UWB技術(shù)，結(jié)合此前物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的收購，在物聯(lián)網(wǎng)、5G領(lǐng)域形成更多影響力。

Broadcom：第五大半導(dǎo)體廠商，射頻業(yè)務(wù)實(shí)力強(qiáng)勁

Broadcom Limited，2016年由Avago以370億美元收購博通公司后更名，目前雙總部分別位于美國和新加坡，主營業(yè)務(wù)為半導(dǎo)體業(yè)務(wù)以及軟件業(yè)務(wù)。2019年實(shí)現(xiàn)營收225.97億美元，歸母凈利潤34.6億美元，為全球第五大半導(dǎo)體企業(yè)，射頻業(yè)務(wù)占比約30%。

Broadcom 提供無線嵌入式解決方案和射頻組件產(chǎn)品，包括全套的射頻前端產(chǎn)品。公司在射頻前端領(lǐng)域的布局較久，在濾波器（BAW）以及前端模組方面的實(shí)力雄厚，獨(dú)占全球 BAW 濾波器市場87%的市場份額。

博通-安華高通過對(duì)多家半導(dǎo)體、通信企業(yè)的并購布局，不斷擴(kuò)寬業(yè)務(wù)范圍、加深技術(shù)護(hù)城河。目前公司戰(zhàn)略發(fā)展方向逐漸向軟件調(diào)整，但半導(dǎo)體及射頻業(yè)務(wù)仍然廣受全球用戶認(rèn)可，貢獻(xiàn)超過30%以上的公司營收。

Murata：日系老牌電子器件龍頭，專利布局多樣全面

Murata（村田）成立于1944年，總部位于日本京都，主要產(chǎn)品為先進(jìn)電子元器件及多功能通訊模組、功率IC的設(shè)計(jì)和制造。2014 年 8 月收購 Peregrine 半導(dǎo)體公司，拓展射頻前端業(yè)務(wù)。2019年實(shí)現(xiàn)營收141.91億美元，歸母凈利潤16.93億美元，其中海外營收占比超過90%，是日本最大的電子元器件制造商。

村田是全球領(lǐng)先的電子元器件提供商，其被動(dòng)元件、連接器技術(shù)及MEMS工藝實(shí)力雄厚。在射頻方面，公司提供包括濾波器以及射頻開關(guān)等器件及模組化產(chǎn)品，占據(jù)全球 SAW 濾波器市場47%的市場份額。

知識(shí)產(chǎn)權(quán)以及專利布局是村田重要的發(fā)展戰(zhàn)略，公司注重新產(chǎn)品和技術(shù)的獨(dú)立開發(fā)，在射頻產(chǎn)品領(lǐng)域尤其是SAW技術(shù)上具有難以超越的優(yōu)勢(shì)。2018年，公司在日本擁有8121項(xiàng)專利申請(qǐng)，在全球擁有12474項(xiàng)專利申請(qǐng)，申請(qǐng)數(shù)量全球排名29。

公司依托全面專利布局以及優(yōu)秀的供應(yīng)鏈管理能力，向全球各地客戶提供各類電子元器件，占據(jù)較高市場份額。其中陶瓷電容市占率達(dá)到40%，SAW濾波器全球占比50%，電磁屏蔽件EMI全球占比35%。通信連接器模組份額為55%以上，市場份額均為全球第一。

全球主要射頻前端廠商（日美系為主）

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