我國5G高頻器件的發展方向與市場前瞻

李儒章 付東兵

對于5G的研發與布局，在政府層面，我國已宣布2020年實現5G商用。在市場層面，運營商以及設備廠商對5G的態度更為積極。去年已有運營商啟動了5G外場試驗，今年準備實現預商用試驗，明年完成預商用規模試驗。

要實現5G的高頻段應用，高頻器件發展的基礎作用就日益凸顯。正因為5G使用的頻段較高，加之受無線電波繞射能力和傳播距離的影響，將采用站點更多、密度更大的微基站來代替大型宏基站。

5G高頻器件的發展方向

與上述相對應，5G除了要用6GHz以內的頻率外，開始使用24GHz以上的毫米波頻段。使用毫米波頻段后，天線尺寸也變為毫米級，通信基站轉為采用大規模陣列天線，實現多載波聚合，極大地提升頻率效率和傳輸性能。同時，天線尺寸的大幅縮小將對天線的材料和加工精細度提出更高的要求。

引入陣列天線后，又給Massive MIMO（Multiple Input Multiple Output即多輸入多輸出）技術的實現帶來了新的可能，從而實現一對多的并行通信，成倍提高速率，提升系統容量和覆蓋范圍。相對于傳統MIMO系統僅支持8個天線端口，在Massive MIMO系統中，基站配置的天線數將會是幾百甚至幾千根，對目標接收機調制相匹配的波束，信號隔離致互不干擾。

利用通信基站的陣列天線，通過對射頻信號的相位控制來實現波束賦形，所帶來的容量增加就變得非常有價值。

高頻段的特性決定了高頻段器件的發展方向。5G商用則帶來了高頻段器件的市場新機遇。

具體來說，為組建多功能、高寬帶、高集成度、低功耗的微基站，需要配套射頻收發綜合一體化系統集成芯片，包括低功耗多通道射頻收發系統芯片RF-TRxSoC，以及可編程射頻收發系統芯片RF-ADC/RF-DAC+eFPGA全可編程RF-SoC。

5G所用的射頻集成電路，包括采用數字MIMO和模擬波束賦形，可降低高路徑損耗，并提高頻譜效率的硅基毫米波波束賦形芯片的性能，以及作為系統中的本振頻率源和同步時鐘電路——頻率合成器的性能。射頻器件模塊是5G通信必備的基礎性零部件，由功率放大器（PA）、濾波器、雙工器、射頻開關、低噪聲放大器、接收機、發射機等射頻無源器件與射頻前端有源芯片組成。5G射頻器件作為高頻器件必須采用高頻電路，相比于中低頻電路，需要從材料到器件，從基帶芯片到整個射頻電路進行重新設計。

5G所用光收發器件，必須滿足5G通信的數據傳輸要求。收發器件用于基站數據互連傳輸，單信道傳輸速率從6Gbps/8Gbps要提高到25Gbps。為保證基站與手機之間的定向傳輸，就要借助集成移相器、相位控制器等有源器件。其中移相器用來對波的相位進行調整和改變，用于調節交流電壓相位。相位控制器用來控制手機天線的相位。

5G必須匹配高性能濾波器。對應毫米波頻段的是毫米波MEMS濾波器，要求低功耗內插、小型化及SIW封裝。對應Sub6G頻段的是FBAR濾波器，要求寬帶、高回波損耗和帶外抑制、小型化?？傮w特征是高頻化、寬帶化、高功率化和小型化。衡量濾波器性能的指標有兩個：Q值和插入損耗。Q值越高，表明濾波器可以實現越窄的通帶帶寬，即可以實現較好的濾波功能。插入損耗是指通帶信號經過濾波器之后的信號功率衰減，當插入損耗達到1dB，則信號功率衰減達到20%。從這兩大指標來看，SAW（Surface Acoustic Wave）和BAW（bulk acoustic wave）濾波器憑借優良的頻帶選擇性、高Q值、低插入損耗等特性，已成為射頻濾波器的主流選擇，但目前仍為歐美日廠家壟斷。

另外，還要有適于5G應用的磁性器件。主要是環行器/隔離器，YIG磁調諧器。環行器/隔離器主要用于基站的收發單元中，分別起收發雙工和隔離去耦作用。要求損耗低、精度高、尺寸小等，功率隨基站的不同會有相應的差異。5G通信中的頻譜分析儀、信號源等儀器需覆蓋從低頻到微波毫米波頻率范圍，YIG調諧器主要用于寬帶調諧源和連續可調本振。

5G高頻器件研發方案及計劃

ADC/DAC（模數轉換器/數模轉換器）、RFIC（射頻集成電路）的研發，就重慶聲光電來說，目前能達到的水平是，ADC ：12～16位百MSPS級；DAC ：12～16位GSPS級；波束賦形芯片的工作頻率為18GHz；RF Tx/RX：6GHz；頻率合成器（PLL）：8GHz；一體化系統集成芯片：3GHz。

A/D、D/A轉換器。5G宏基站需要GHz高中頻采樣寬帶數字化器件，5G微基站需要“RF收發機+ADC/DAC”多路收發全集成的軟件無線電RF-SoC系統芯片，而5G移動終端中的基帶和射頻SoC需要低功耗寬帶ADC/DAC IP作為內核，因此，ADC/DAC在各種5G設備中均為關鍵核心器件。重慶聲光電計劃從2018年至2020年，逐步完成宏基站中頻采樣，宏基站高中頻寬帶采樣、射頻直采。

射頻集成電路芯片。主要采用GaAs/GaN工藝研制。在2017年起步的基礎上，從2018年至2020年，射頻收發一體化系統集成芯片的頻率、噪聲系數、輸出功率、采樣帶寬等性能指標梯次進步，在2020年頻率為3～20GHz、噪聲系數≤3dB、輸出功率≥15dBm、采樣帶寬為GHz；波束賦形芯片在2017年完成集成度4收4發、移相精度5°、發射效率12%的基礎上，預計2020年達到，集成度32收32發+變頻、移相精度2°、發射效率20%；頻率合成器2017年已實現頻率0.03～8GHz、底板相位噪聲-223dBc/Hz（小數）與-226dBc/Hz（整數）、最高鑒相頻率70MHz（小數）與150MHz（整數）。全部性能指標逐年提高。

光電收發芯片及模塊。激光器芯片在2018年、2020年、2025年，分別完成10Gbps （10Gbps高頻封裝）、25Gbps（25Gbps高頻封裝）、50Gbps（25Gbps高頻封裝）；探測器芯片在2018年、2020年、2025年，分別完成25Gbps（25Gbps高頻封裝）、4×25Gbps（陣列）（多路微光學集成封裝）、4×50Gbps（陣列）（多路微光學集成封裝）；光收發器件在2018年、2020年、2025年，分別完成25Gbps（25Gbps高頻封裝）、4×25Gbps（多路微光學集成封裝）、400Gbps（集成封裝）。保證穩步提升傳輸速率及封裝工藝。

高性能濾波器。MEMS的工作頻率與相對帶寬，在2018年分別為10GHz～30GHz、5%～30%；在2019年分別為30GHz～50GHz、2%～30%；在2020年分別為50GHz～100GHz、2%～30%。FBAR的工作頻率、相對帶寬、功率容量、封裝形式、產品形式，在2020年分別為：1GHz-8GHz、1%～8%、10W、系統級封裝（SIP）、FEM模組。從2018年至2020年，每年都有進步，逐步改進性能指標。

高性能磁性器件。SIW環行器/隔離器2018年達成小型集成化；2020年在尺寸上進一步縮小為：5×5×3/3.5×3.5×2.5；2025年更進一步達到4×4×2.5/3×3×2。波導環行器/隔離器2018年實現寬帶化、低損耗設計，2020年完成高功率設計，a波段實現500W（CW），V波段300W；2025年完成小型化。微帶環行器/隔離器2018年達到環行器24～30GHz、帶寬10%、插損0.6dB、 隔離度16dB、駐波1.5等指標；2020年實現小型化、集成化；2025年掌握并應用薄膜環行器設計技術。YIG磁調諧器在2018年研制出LTCCYIG調諧器件、表貼式YIG調諧器件、表貼式YIG定頻器件、多功能YIG一體集成組件、50GHz YIG帶通濾波器、星載YIG帶通濾波器；2020年研制出LTCC集成YIG器件、LTCC＼芯片驅動集成YIG調諧器件、LTCC集成YIG器件、YIG薄膜器件、超寬帶低相位噪聲YIG振蕩器；2025年研制出表貼式高Q YIG定頻器件（MEMS）、表貼式YIG薄膜器件、陣列化YIG薄膜集成器件、低功耗毫米波YIG濾波器、S-Ku波段可調瞬時帶寬YIG帶通濾波器、星載YIG功能模塊、高可靠YIG薄膜器件。

5G高頻器件市場前瞻

據中國信通院2017年6月13日發布的《5G經濟社會影響白皮書》預測，2030年5G帶動的直接產出和間接產出將分別達到6.3萬億和10.6萬億元。

在直接產出方面，按照2020年5G正式商用算起，預計當年將帶動約4840億元的直接產出，2025年、2030年將分別增長到3.3萬億、6.3萬億元，十年間的年均復合增長率為29%。值得關注的是，2025年中國5G市場規模將達3.3萬億元。

在間接產出方面，2020年、2025年、2030年，5G將分別帶動1.2萬億、6.3萬億和10.6萬億元，年復合增長率為24%（參見圖5圖6）。

5G高頻器件在其中占有重要位置。具體到射頻器件，隨著5G試用或商用，由于頻段的增加，器件數量也隨之增加。僅就手機使用的射頻前端模塊（由功率放大器（PA）、濾波器、雙工器、射頻開關、低噪聲放大器、接收機、發射機等組成），每增加一個頻段，一般需要增加 1個功率放大器（PA）、1個雙工器、1個天線開關、2個濾波器、1個低噪放大器（ LNA）。以多模多頻的LTE 手機來說，每一部都需要 20～30 個射頻器件，5G手機所需要的射頻器件會更多。同時，5G通信所需要的射頻器件的復雜程度上升，濾波器和雙工器等器件必須升級，結果是帶來射頻前端模塊所需器件總體價值的提升。支持11個頻段的4G手機，射頻前端價值約為11美元。對于5G手機來說，射頻前段的價值只會更高。射頻前端的量價齊升，則會帶來射頻器件行業，從射頻設計、射頻制造、射頻封裝到射頻測試，整條產業鏈新的發展與市場機遇。

從SAW（Surface Acoustic Wave）濾波器與BAW （bulk acoustic wave）濾波器細分領域來看，市場仍有不斷提升的空間。以手機為例，4G手機的頻段為41個，而5G手機的頻段數會多達91個以上。以每個頻段使用兩個濾波器計算，5G手機需要使用一百個以上的濾波器。iPhone 7的射頻前端配用了3顆PA芯片（高中低頻段）、2顆濾波器組、2顆射頻開關、2顆PA-濾波器一體化模組。同時，拓展帶寬的載波聚合技術，需要在前端使用更多的多工器，而多工器則由多個不同頻率的濾波器合組，最終增加了濾波器的數量。數量的增長帶來的是整體價格的抬升。數量增長與手機有限空間的矛盾，要由技術進步來解決，這就是濾波器的集成化、小型化。技術難度的增加，通暢意味著價值的提升。

據Mobile Experts預測，全球射頻濾波器市場規模到2020年有望達到130億美元，年復合增長率為21.06%。無獨有偶，高通預測濾波器的市場規模到2020年將達到130億美元左右。

由于SAW/BAW濾波器的設計制造極為復雜，目前仍無法使用集成度最高的CMOS工藝進行批量化制造，為保證性能必須使用特殊工藝進行生產。因此，全部為日美廠商所主導與壟斷，技術壁壘很難打破。但隨著技術的不斷積累，我國濾波器廠商取得突破的內外部條件已經具備，尤其是在聲表濾波器上存在著突破的更大可能。

在天線細分領域，由于5G微基站的大量部署，基站天線大規模采用MIMO技術，陣列天線應用已明顯出現加速趨勢。陣列天線的尺寸、陣列部署、有源器件、芯片等的技術難度大幅提升，加工工藝也更加復雜。僅以天線的尺寸來說，5G高頻段的電磁波的波長縮小，天線的尺寸也隨之縮小。天線尺寸的縮小意味著在材料的選擇上，在制造的設計上，以及在加工的精細度上，都要符合更高的要求。例如，30～40GHz的5G天線，FPC以及注塑沖壓制作已經不符要求，需要采用LTCC、高介電、陶瓷等技術。如果是60GHz及以上的天線，尺寸更小，就需要微電子加工技術。如果陣列天線與射頻芯片相結合，就不是天線廠家或芯片廠家，一家可以獨立完成的任務了。那么，陣列天線的價值水平將隨著技術與工藝水平的提升，得以大幅提升。國內廠商基于多年的研究開發經驗積累，再加上足夠的技術與資本支撐，在5G天線的未來市場中將占據一席之地，與國際市場領先者進行同場競爭。

在功率放大器細分領域，據Yole發布的報告，2016年全球RF PA市場規模約為15億美元，到2022年將達到25億美元。COMS、GaAs和GaN作為功率放大器的三種制備工藝，傳統的LDMOS將逐漸被新興的氮化鎵（GaN）取代，但GaN工藝的成熟度還不足。目前來看，砷化鎵（GaAs）的市場占比相對穩定。原因在于，GaAs射頻功率放大器具有比硅（Si）器件擁有更高的工作頻率和工作電壓，對于滿足5G高頻、高效、高功率的需求具備優勢。那么，GaAs、GaN工藝將推動化合物半導體需求量的增加。以GaAs、GaN為代表的化合物半導體也將成為PA射頻器件的主流材料。目前，在6GHz以下所使用的主要是GaAs HBT，28～39GHz頻段主要是GaAs HEMT和GaN HEMTs，而5G高頻毫米波段主要是InP HBT、GaN HEMT和GaAs HEMT?；衔锇雽w技術主要被國外廠商壟斷，但中國化合物射頻半導體產業鏈已經初步形成，緊緊跟隨并蓄勢待發。從PA產業鏈設計、制造再到封測，各個環節均可以看到中國廠商的身影。舉例來說，2017年8月，國民技術公司與成都邛崍市人民政府，簽署了《化合物半導體生態產業園項目投資協議書》，總投資不少于80億元（一期50億元，二期30億元），共同打造化合物半導體產業鏈生態圈。

存在的問題及建議

存在的問題可以歸納為以下三個方面：

一是核心技術有待突破，包括針對系統應用需求的芯片頂層架構、核心模擬電路單元和數字校正算法等設計、測試等技術；同時，缺乏系統應用方案和套片的設計能力；

二是先進制造工藝支持有待加強，即先進RF/AMS IC標準工藝的定制化器件、外殼建模、封裝工藝加工的支持；

三是研發經費投入不足。主要緣于先進工藝的使用，芯片研發經費越來越高（已達數千萬元級），一方面經費投入不足，另一方面市場回收周期長，其投資力度更受影響。

基于以上問題，提出以下建議：

一是加強先進技術創新和高端人才的引進，以高起點快速切入高端產品研發；加強各領域技術融合，從應用、方案到元器件研發協調發展，以應用和市場定義產品，促進產品性能、可靠性滿足工程應用需求；

二是建立產業鏈上下游（設計、晶圓代工、封測、應用）戰略合作聯盟，確保5G生態環境共同發展，各個環節實現市場共贏。

三是在國家加大高端芯片研發投入的同時，多層面、多模式籌措資金，風險共擔，效益共享。

總體來說，5G作為電子信息產業的發展重點，需要針對5G通信發展的短板，在國家政策統籌下，通過制造商、運營商、投資商在科研開發、關鍵材料、關鍵部件等方面通力合作，臥薪嘗膽，方能實現我國5G移動通信的快速發展，形成國際領先優勢。