射頻芯片（RFIC）——5G通信的核心

隨著5G時代的到來，5G通信已經(jīng)成了人們非常關注和在乎的話題，然而，過去人們對手機的關注，往往集中在CPU、GPU、基帶、屏幕、攝像頭上。近幾年，隨著5G技術的出現(xiàn)，也隨著國產(chǎn)射頻芯片的崛起，5G射頻芯片逐漸進入大眾視野，我們知道，手機之所以能夠和基站進行通信，靠的就是互相收發(fā)無線電磁波。手機里專門負責收發(fā)無線電磁波的一系列電路、芯片、元器件等，被統(tǒng)稱為射頻芯片（RFIC）。射頻和基帶，是手機實現(xiàn)通信功能的基石。

那么為什么說射頻芯片對5G通信起著至關重要的作用呢？

5G相比4G，在性能指標上有了大幅的提升，5G的eMBB（增強型移動寬帶）場景，將手機速率提升至千兆級甚至萬兆級，是早期LTE速率（100Mbps）的近100倍。但在傳輸速度實現(xiàn)飛躍的同時，2G/3G/4G，加上5G，加上MIMO（多天線技術），加上雙卡雙待，手機的天線數(shù)量和支持頻段翻倍增加。4G早期只有不到20個頻段組合。相比之下，5G有超過10000個頻段組合，復雜性堪稱恐怖。同時又因為5G手機的厚度和重量不能增加，功耗不能增加，因此，射頻芯片在5G通信起著舉足輕重的作用。

01、射頻前端核心組件

濾波器

濾波器可以說是射頻前端的核心組件，是制造5G射頻芯片的關鍵，目前射頻濾波器最主流的實現(xiàn)方式是SAW和BAW。SAW是聲表面濾波器，是一種利用壓電效應和聲表面波傳播的物理特性而制成的濾波專用器件，具有頻率選擇性優(yōu)良（可選頻率范圍10MHz~3GHz）、輸入輸出阻抗誤差小、傳輸損耗小、抗電磁干擾性能好等特點。BAW濾波器不同于SAW濾波器，BAW濾波器內(nèi)的聲波垂直傳播，貼嵌于石英基板頂、底兩側的金屬對聲波實施激勵，使聲波從頂部表面反彈至底部，以形成駐聲波。然而，濾波器的核心技術主要掌握在美國的手中，在全球市場方面，也是美國公司主導，SAW濾波器的主要供應商是TDK-EPCOS及Murata，兩者合計占有60-70%市場份額；BAW濾波器的主要供應商是Broadcom及Qorvo，兩者占有90%以上市場份額。這無疑給我國實現(xiàn)全自主制造射頻芯片增加了不少難度。

功率放大器（PA）

射頻功率放大器（PA）又經(jīng)常被稱為是射頻器件皇冠上的明珠，其重要性不言而喻。PA作為射頻前端發(fā)射通路的主要器件，主要是為了將調(diào)制振蕩電路所產(chǎn)生的小功率的射頻信號放大，以獲得足夠大的射頻輸出功率。當PA應用于手機時，它直接決定了手機無線通信的距離、信號質(zhì)量，甚至待機時間，是整個射頻系統(tǒng)中除基帶外最重要的部分。然而，放眼全球市場，PA市場的領軍人物依舊是Skyworks，Broadcom，Qorvo，Murata。但是隨著5G時代的到來，對射頻PA的需求也會大大增加，這對國產(chǎn)射頻PA來說，既是機遇，也是挑戰(zhàn)。

射頻開關

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(xiàn)不同信號路徑的切換，包括接收與發(fā)射的切換、不同頻段間的切換等。射頻開關在前端模塊中，雖然沒有濾波器和PA那么重要，但是對于射頻芯片來說也不可或缺的組成部分。不同于濾波器和PA的全球市場，2022年全球射頻開關市場規(guī)模為225.58億元（人民幣），同年，國內(nèi)射頻開關市場容量為60.14億元，占全球射頻開關市場的26.66%，隨著5G通信的發(fā)展，我國射頻開關在全球市場占比仍有望提升。

圖：射頻前端結構圖

美國是全球較早推出5G服務的國家，目前，美國運營商們已經(jīng)開始關注使用低頻頻譜以及DSS（動態(tài)頻譜共享）來加速進行5G網(wǎng)絡的全國覆蓋。由于美國先進的射頻芯片制造技術，博通（Broadcom）和迅威（Qorvo）BAW濾波器在全球市場占據(jù)的巨大份額，加之美國在高端射頻前端模組（如L-PAMiD）的研究和制造領先全球，目前全球的L-PAMiD只有美國的思佳訊(Skyworks)和迅威(Qorvo)作為主力供應，所以在未來幾年內(nèi)，美國應該會繼續(xù)占據(jù)全球5G商用芯片市場的主導地位。

與美國不同，歐洲整體5G進度相對滯后，5G覆蓋人口目前仍然不足10%，Vodafone首席執(zhí)行官NickRead在2022世界移動通信大會上表示，歐洲地區(qū)在未來的十年內(nèi)，很難實現(xiàn)5G全地區(qū)覆蓋的目標，但是隨著歐洲運營商逐漸從疫情的影響中走出，未來歐洲運營商90%左右投資都將投向5G，情況可能有所改善。據(jù)GSMA數(shù)據(jù)，2020到2025年歐洲移動運營商將投資1450億歐元，其中90%左右將投資在5G，所以未來幾年內(nèi)，歐洲5G芯片在全球市場所占比重可能會有所增加。

近年來我國一直在大力支持5G毫米波相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。工信部印發(fā)的《5G應用“揚帆”行動計劃（2021-2023年）》，明確提出未來三年我國5G發(fā)展的目標，今年更是該計劃的收官之年。在該計劃中關于毫米波的相關規(guī)劃包括：適時發(fā)布5G毫米波頻率規(guī)劃，探索5G毫米波頻率使用許可實行招標制度，加快輕量化5G芯片模組和毫米波器件的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化等。在商用需求的驅(qū)動下，我國5G芯片市場需求持續(xù)旺盛。第一代5G商用芯片就采用了當時最先進的7nm工藝，很快，5G手機規(guī)模商用芯片的工藝已從7nm快速提升至4nm。從2022年開始，各大品牌旗艦機型開始搭載4nm芯片，2022年1-5月國內(nèi)采用4nm芯片的手機市場份額約為8%，采用7nm及更先進工藝芯片的5G手機市場占比已高達97%。芯片的工藝升級還未止步。

正如之前提到的，對5G芯片需求量增加是因為5G手機支持更多頻段，有更多的射頻通道和天線，使得射頻芯片數(shù)量翻倍甚至四倍于4G時代，同時，由于5G時代更高的峰值速率和更低的處理時延，催生出更多元的技術融合與應用服務，所以5G時代需要的不僅僅是射頻芯片，對存儲類芯片和處理器芯片的需求也大量增加了。

射頻芯片對5G通信起著至關重要的作用，但是國產(chǎn)射頻芯片的研發(fā)一直是我國一項“卡脖子”的技術，5G射頻芯片真正實現(xiàn)商用也一直是我國希望盡早實現(xiàn)的目標，筆者總結了國內(nèi)科研、企業(yè)、產(chǎn)品的先進進展，讓我們一起了解一下。

國內(nèi)射頻前端科研進展

我們知道，表面聲波（SAW）或體聲波（BAW）濾波器都是基于壓電材料能夠在電場的作用下產(chǎn)生形變的特性而制成的，而互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝兼容的氮化鋁（AlN）壓電材料沉積技術是未來濾波器的一個重要發(fā)展方向，在此基礎上，武漢光電國家研究中心孫軍強課題組（華中科技大學）在非壓電的絕緣體上硅平臺上沉積一層壓電性能優(yōu)異的鋁鈧氮（AlScN）壓電薄膜，通過在壓電薄膜上設計叉指換能器實現(xiàn)表面聲波的激勵，進而實現(xiàn)了在硅波導中的聲光調(diào)制，可應用于窄帶的微波光子濾波和寬光譜的聲光調(diào)制，具有廣闊的應用前景?；谏漕l濾波器的壓電半導體材料需具有高本征電阻率（較寬的禁帶寬度）和高壓電系數(shù)這一特性，中山大學王鋼課題組采用MOCVD方法，生長出具有高壓電系數(shù)的寬禁帶氧化鎵（?-Ga2O3）半導體薄膜，并基于此制備了聲表面波壓電諧振器,首次實現(xiàn)了基于氧化鎵薄膜的SAW射頻諧振器，器件在1-3GHz范圍內(nèi)存在顯著的壓電諧振，進一步驗證了氧化鎵薄膜材料在5G射頻波段的應用潛力。這些研究都對今后國產(chǎn)射頻濾波器的發(fā)展也有著積極的影響。

圖：基于?-Ga2O3薄膜的SAW射頻諧振器工作特性

國產(chǎn)射頻芯片產(chǎn)品

200MHz寬帶射頻收發(fā)器芯片B20是我國首顆100%自研發(fā)高端5G射頻芯片，可廣泛應用于5G基站、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、天線以及衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信等諸多領域。B20性能參數(shù)與國際同類產(chǎn)品相當，可有效覆蓋75MHz-6GHz頻段，支持2T2R，接收通道最大200MHz帶寬，發(fā)送通道最大450MHz帶寬，可以完全替代進口產(chǎn)品。GC080X系列SDR射頻收發(fā)機芯片于2022年11月推出，集成了12bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC和12bit的數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC，內(nèi)置可編程模擬濾波器，采用直接變頻架構，具有超低功耗、高調(diào)制精度、低噪聲的優(yōu)越性能，可廣泛應用于現(xiàn)代化數(shù)字無線通信系統(tǒng)。

國產(chǎn)射頻芯片企業(yè)情況

作為國內(nèi)射頻的龍頭，卓勝微已初步實現(xiàn)射頻前端產(chǎn)品全覆蓋，目前，卓勝微正持續(xù)發(fā)力濾波器、PA和模組等更高難度的射頻前端產(chǎn)品，強化供應鏈把控能力，向國際射頻廠商第一梯隊邁進。SAW濾波器方面，目前卓勝微、德清華瑩、好達電子、麥捷科技等廠商已實現(xiàn)突破，其中麥捷科技與中電26所生產(chǎn)的SAW濾波器已進入華為、TCL等手機供應鏈，好達電子的SAW濾波器已進入中興、魅族等手機供應鏈。BAW濾波器方面，能自主研發(fā)BAW濾波器的企業(yè)還是相對較少，僅有天津諾思、漢天下等公司。封測是國產(chǎn)射頻芯片中規(guī)模最大的領域之一，國產(chǎn)射頻芯片的封測廠商主要有：長電科技、華天科技等。目前，射頻基板已完全實現(xiàn)國產(chǎn)化，主要的基板廠有：越亞半導體、深南電路等。值得一提的是，越亞半導體是全球首家利用“銅柱增層法”實現(xiàn)“無芯”封裝基板量產(chǎn)的企業(yè)，同時在全球手機射頻芯片封裝基板市場占有率穩(wěn)居前三。

綜合這些角度分析，筆者認為我國5G芯片產(chǎn)業(yè)有望在未來幾年迎來爆發(fā)，我國5G芯片在全球市場占比份額及國際市場競爭力也有望提升，總之，5G射頻芯片對實現(xiàn)5G覆蓋起著至關重要的作用，隨著5G時代的到來，市場對高性能5G芯片的大量需求一定是未來幾年的發(fā)展趨勢。

特邀作者:陳智超? ?南京航空航天大學材料科學與技術學院