本文從射頻前端小型化，高集成的趨勢出發(fā)，討論了射頻前端公司競爭態(tài)勢，特別是有射頻濾波器設(shè)計生產(chǎn)能力的企業(yè)在未來射頻模組的競爭中，可能具有的優(yōu)勢和遇到的問題。

1. 射頻前端

射頻前端是各類通信系統(tǒng)的重要組成部分，其核心作用是實現(xiàn)基帶信號的射頻收發(fā)轉(zhuǎn)換，要求高效，低噪聲，濾除干擾信號和低功耗(移動設(shè)備)。其中移動終端的射頻前端功能器件主要包括功率放大器(PA)、低噪放大器(LNA)，射頻開關(guān)(Switch)、濾波器(Filter)、雙工器(Duplexer)及天線調(diào)諧器(Antenna tuner)，參見圖一。

圖一，射頻前端架構(gòu)，來源：RF技術(shù)社區(qū)

其中：

· 功率放大器—負責發(fā)射通道的射頻信號放大。

· 濾波器—用于保留特定頻段內(nèi)的信號，濾除干擾不需要的信號。

· 雙工器—由兩組不同頻率的帶阻濾波器組成，用于發(fā)射和接收信號的隔離。

· 射頻開關(guān)—用于實現(xiàn)射頻信號接收與發(fā)射的切換、不同頻段的切換。

· 低噪聲放大器—主要用于接收通道中小信號的放大。

· 天線調(diào)諧器—使發(fā)射機和天線之間阻抗匹配，改善天線在特定頻段上的效率。

取決于應(yīng)用場景和中端設(shè)備集成度的需求，上述器件通常會按照收發(fā)功能要求和支持的頻段范圍進行一定程度的集成。從市場產(chǎn)品構(gòu)成來看，上述功能器件組成：PA模組、RX FEM、分立式濾波器，構(gòu)成射頻前端三大主體。以5G手機為例，其射頻前端器件參見圖二。

圖二，5G手機射頻前端舉例，射頻濾波器廣泛存在，來源：Qorvo

不同類型和級別的手機支持的頻段種類不同，數(shù)量不同，其射頻前端的數(shù)量也有所變化，參見圖三：

圖三，高端手機(左)和低端手機(右)射頻前端舉例，來源：Skyworks

源于對輕，薄，美觀(如全面屏)和續(xù)航能力的追求，移動終端是各類通信系統(tǒng)中集成化趨勢最強，集成度最高的產(chǎn)品。以手機為例，在經(jīng)歷了功能機到智能機，3G手機到4G手機、再到5G手機的演進，手機芯片的集成度是非常高的。手機SoC芯片已經(jīng)完成了對系統(tǒng)中絕大部分數(shù)字器件的集成：AP，基帶處理，視頻加速，音頻處理都已經(jīng)逐步集成進SoC芯片。不僅僅是數(shù)字器件，這一過程中SoC芯片也吸收了各類ADC，DAC，驅(qū)動，接口等非純數(shù)字工藝的器件。然而，射頻前端在這整個集成過程中基本上是獨立于SoC沿著自己道路演進的。這主要是因為射頻前端采用的工藝和設(shè)計理念是相對獨立的。

射頻前端是手機的核心器件，直接影響著手機的信號收發(fā)。

2. 射頻濾波器

射頻濾波器本質(zhì)上講是一種聲學濾波器，主要包括聲表面波濾波器(SAW)、體聲波濾波器(BAW)兩種。其原理是用壓電轉(zhuǎn)換材料將高頻信號轉(zhuǎn)為音頻信號，通過控制音頻信號在器件體表(SAW)或體內(nèi)(BAW)的傳輸、反射，在輸出端有選擇的將目標信號通過壓電轉(zhuǎn)換材料恢復成電信號，從而實現(xiàn)信號濾波。相對SAW，BAW的工作頻率更高，成本也更高。射頻濾波器主要由MEMS工藝制成。

2.1 SAW濾波器

SAW全稱是Surface Acoustic Wave(SAW) filter，顧名思義是一種沿著固體表面(surface)傳播的聲波(acoustic wave)。一個基本的SAW filter由壓電材料(piezoelectric substrate)和2個Interdigital Transducers(IDT)組成，參見圖四，圖五。

圖四，IDT和壓電材料，來源：Qorvo

圖五，SAW濾波單元，來源：微波射頻網(wǎng)

IDT是由交叉排列的金屬電極組成，圖五中左邊的IDT把電信號(electrical signal)轉(zhuǎn)成聲波(acoustic wave)，右邊的IDT把接收到的聲波再轉(zhuǎn)成電信號。SAW filter常用的壓電材料有LiTaO3，LiNbO3，SiO2等。其基本結(jié)構(gòu)中左邊IDT交叉排列的電極之間交流電壓產(chǎn)生壓電材料的mechanical stress并以SAW的形式沿著表面?zhèn)鞑ィ诖怪狈较蛏蟂AW幅度快速衰落。右邊的IDT也是同樣結(jié)構(gòu)，只是接收SAW，輸出電信號。

SAW濾波器有兩個重要特點：

· IDT電極之間間距決定SAW濾波器工作頻率，因此SAW有工作頻率上限。根據(jù)Qorvo的研究，超過1GHz，SAW的性能開始下降，至1.9GHz情況SAW仍然可以有效應(yīng)用于各類手機通信系統(tǒng)，但超過2.5GHz時已基本無法使用。

· SAW filter對溫度變化也敏感，性能隨著溫度升高變差。TC(temperature compensated)-SAW filter就是為了改善溫度性能，IDT上增加了保護涂層。增加的涂層使工藝變得復雜，成本也增加，不過相對BAW filter還是便宜一些。

2.2 BAW濾波器

BAW濾波器全稱為Bulk Acoustic Wave(BAW) filter，與SAW filter不同，聲波在BAW filter里是垂直傳播。BAW filter的最基本結(jié)構(gòu)是兩個金屬電極夾著壓電薄膜，聲波在壓電薄膜里震蕩形成駐波，參見圖六。

圖六，BAW濾波器基本架構(gòu)，來源：Qorvo

為了把聲波留在壓電薄膜里震蕩，震蕩結(jié)構(gòu)和外部環(huán)境之間必須有足夠的隔離才能得到最小loss和最大Q值。聲波在固體里傳播速度為~5000m/s，也就是說固體的聲波阻抗大約為空氣的105倍，所以99.995%的聲波能量會在固體和空氣邊界處反射回來，跟原來的波(incident wave)一起形成駐波。而震蕩結(jié)構(gòu)的另一面，壓電材料的聲波阻抗和其他襯底(比如Si)的差別不大，所以不能把壓電層直接deposit(沉積)在Si襯底上。

有一種方法是在震蕩結(jié)構(gòu)下方形成Bragg reflector，把聲波反射到壓電層里面。Reflector由好幾層高低交替阻抗層組成，比如第一層的聲波阻抗大，第二層的聲波阻抗小，第三層聲波阻抗大，而且每層的厚度是聲波的λ/4，這樣大部分波會反射回來和原來的波疊加。這種結(jié)構(gòu)整體效果相當于和空氣接觸，大部分聲波被反射回來，這種結(jié)構(gòu)稱為BAW-SMR(Solidly Mounted Resonator)，見圖七右側(cè)。

圖七，BAW濾波器兩種主流技術(shù)，來源：Qorvo

還有一種方法叫FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator),是從substrate后面etch到表面(也就是bottom electrode面)，形成懸浮的薄膜(thin film)和腔體(cavity)。FBAR類似于BAW resonator的基本模型，兩面都是空氣，由于空氣的聲波阻抗遠低于壓電層的聲波阻抗，大部分聲波都會反射回來。不過薄膜結(jié)構(gòu)需要足夠堅固以至于在后續(xù)工藝中不受影響。相比BAW-SMR，F(xiàn)BAR較少一部分跟底下substrate接觸，不好散熱。參見圖七左側(cè)。FBAR包括Membrane type和Airgap type。圖七為Membrane type。

BAW濾波器的特點：

· 上述兩種類型BAW濾波器的聲能密度都很高、其結(jié)構(gòu)都能很好地導限聲波，它們的損耗都非常低。在微波頻率，BAW可實現(xiàn)的Q值、在可比體積下、比任何其它類型的濾波器都高，可達2500@2GHz。這使得即使在通帶邊緣的吃緊處，它也有極好的抑制和插入損耗性能。

· 雖然BAW和FBAR濾波器的制造成本更高，其性能優(yōu)勢非常適合極具挑戰(zhàn)性的LTE頻帶以及PCS頻帶，后者的發(fā)送和接收路徑間只有20MHz的狹窄過渡范圍。濾波器 微信公眾號認為，BAW和FBAR濾波器的IDT可做得足夠大，以支持4W@2GHz的更高射頻功率。

· BAW濾波器的尺寸與其支持的頻率成反比，頻率越高尺寸越小。相反，頻率較低的頻段反而是SAW更方面支持。

· BAW器件對靜電放電有固有的高阻抗，抗靜電能力遠高于SAW。

前面提到SAW在1.9GHz頻段仍然可以有效支持應(yīng)用場景，然而隨著5G的到來，大量超2GHz的頻段被啟用，頻譜擁擠導致縮窄甚至舍棄保護頻帶的趨勢，對于高性能濾波器的需求顯著增加。BAW技術(shù)使人們有可能設(shè)計出具有非常陡峭濾波器裙邊、高抑制性能以及溫漂很小的窄帶濾波器，它非常適合處理相鄰頻段之間非常棘手的干擾抑制問題。

SAW濾波器廠商也在不斷提高SAW的生產(chǎn)工藝。村田推出的IHP(Incredible High Performance)SAW，高通推出的ultraSAW，Qorvo的No/Low Drift SAW等等，都是優(yōu)化了SAW在2GHz附近的性能，提供類似BAW，甚至更好的性能，以更好支持5G時代主要手機頻段。圖八展示了SAW和BAW各自支持的頻段，其中在2GHz附近兩者有交集。

圖八，SAW和BAW支持頻段，來源：Qorvo

BAW器件所需的制造工藝步驟是SAW的10倍，一般BAW的生產(chǎn)過程需要約20個Mask，而SAW只需要3~4個。但是BAW可以在更大晶圓上制造的，每片晶圓產(chǎn)出的BAW器件也多了約4倍。即便如此，BAW的成本仍高于SAW。在圖八中SAW和BAW有交集的部分，兩者是有競爭的，然而，對一些分配在2GHz以上極具挑戰(zhàn)性的頻段來說，BAW是唯一可用方案。因此，BAW濾波器在3G/4G/5G智能手機內(nèi)所占的份額在迅速增長。

3. 射頻模組

射頻前端根據(jù)應(yīng)用場景和中端設(shè)備集成度的需求，往往以某種集成度的射頻模組出現(xiàn)，圖九是提供了關(guān)于FEMiD和PAMiD的一個示例。注意在其中可以看到大量射頻濾波器的集成。

圖九，F(xiàn)EMiD，PAMiD，來源：新財富網(wǎng)站

3.1 FEMiD

FEMiD(Front End Modules integrated Duplexers)指把濾波器組、開關(guān)組和雙工器通過SIP封裝在一枚芯片中。FEMiD最早出現(xiàn)在3G時代是由于3G手機第一次有了多模多頻段(MMMB)的需求，當時主導FEMiD市場的是以Murata和TDK為代表的無源器件廠商，它們把開關(guān)器件和多個頻段的濾波器集成到一枚芯片當中打包出售，一方面為手機廠商降低設(shè)計和采購難度，另一方面也能夠為自身帶來更高的利潤。事實上從3G時代開始，整個RF前端方案的進化都是圍繞多模多頻段進行的。從技術(shù)的角度看，F(xiàn)EMiD的實現(xiàn)難度并不高。

圖十是FEMiD的一個示意圖。

圖十，Skyworks96000 FEMiD，來源：Skyworks，新財富網(wǎng)站

3.2 PAMiD

PAMiD(Power Amplifier Modules integrated Duplexers)把PA和FEM一起打包封裝，使得射頻前端的集成度再一次提高。PAMiD相對于FEMiD來說，有兩大優(yōu)勢：一方面通過小尺寸集總元件進行匹配，提高集成度集成度，節(jié)省手機PCB面積;另一方面，PA的輸出匹配是整個射頻前端設(shè)計最繁瑣的步驟，PAMiD的出現(xiàn)使得PA的輸出匹配工作由RF器件供應(yīng)商承擔。對于手機廠商(OEM)來說，PAMiD的出現(xiàn)讓射頻前端從以前一個復雜的系統(tǒng)工程變成了簡單的搭積木工作，手機廠商只需要根據(jù)設(shè)計規(guī)劃，采購相應(yīng)頻段的PAMiD模塊，這樣一來，射頻前端的設(shè)計難度大大降低。圖十一是FEMiD的一個示意圖。

圖十一，Skyworks78113 PAMiD，來源：Skyworks，新財富網(wǎng)站

射頻前端發(fā)展的主線是從FEMiD(無源器件集成)邁向PAMiD(有源+無源器件集成)的過程。PAMiD雖然集成度高，節(jié)省手機PCB空間，但支持多頻段+載波聚合+MIMO的PAMiD成本高昂，一般手機廠商難以承受。目前主要是蘋果這樣出貨量大的高端品牌采用。對于其他大部分手機廠商來說，根據(jù)不同機型搭配不同的射頻方案，才是更為合理的選擇。目前射頻前端廠商推出的產(chǎn)品種類眾多，OEM廠商可以根據(jù)不同需求選擇搭配。

盡管射頻前端集成化是大勢所趨，這里也重點介紹了FEMiD和PAMiD，但由于低端手機的龐大出貨量，低集成度模組之間互相搭配的解決方案在短期內(nèi)仍然會繼續(xù)存在。射頻前端還存其他一些常見的集成模組見表一。

表一，各類射頻模組，來源：新財富網(wǎng)站

4. 市場與競爭

Yole Development 2021年發(fā)布的最新射頻前端市場數(shù)據(jù)指出，整個手機射頻前端市場有望以8.3%復合增長率從2019年的124億美金增長到2026年的216億美金(見圖十二)。如我們在圖一中看到的，其中增長較大的PA模組和FEM模組中廣泛存在著射頻濾波器。

圖十二，射頻前端市場最新預測，來源：Yole Development

根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院估，以射頻功能器件為單位計算，射頻市場中濾波器的份額約為53%，遠高于其他相關(guān)器件，占射頻前端市場超半壁江山(見圖十三)。結(jié)合Yole的預測，射頻濾波器市場在接下來幾年中是個超百億美元量級的市場。

圖十三，濾波器占比，來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院

如Yole預測的這樣大規(guī)模的增長，得益于通信技術(shù)從2G發(fā)展到5G，手機射頻前端支持的頻段不斷增加，從最多不超過5個，逐步增加到要支持50+個頻段。這一演進的過程，帶來的是射頻前端鏈路器件成倍增長，特別是射頻濾波器數(shù)量的大幅增長。表二是典型2G到5G手機支持的頻段數(shù)量以及相應(yīng)濾波器個數(shù)，5G單支手機射頻濾波器的價值可以達到$10以上。

表二，濾波器數(shù)量增長，來源：好達電子招股書

全球射頻濾波器市場，約9成以上的市場份額被美、日兩國占據(jù)，形成壟斷的局面。主要生產(chǎn)SAW/BAW濾波器的廠商有Murata、TDK、Taiyo Yuden、Broadcom、Qorvo、Skyworks等廠商(參見圖十四)。

圖十四，射頻濾波器的壟斷，來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院

據(jù)半導體觀察報道，2021年中國大陸射頻前端廠商銷售額約20億美金(合計130億元)，預估2021年全球射頻前端市場規(guī)模為190億美金(含手機和非手機)，國產(chǎn)射頻前端廠商約占比10.5%。國產(chǎn)廠家銷售額占比雖然較小，但增長速度較快。2018年，國產(chǎn)射頻前端芯片銷售額大約3億美金，全球市場占有率為5%。2020年，國產(chǎn)射頻前端芯片銷售額約9億美金，而2021年增長到了20億美金。國產(chǎn)射頻前端正處在快速發(fā)展器。2021年，國產(chǎn)分立射頻濾波器約12億元。

針對百億美金體量的射頻濾波器市場，目前國產(chǎn)濾波器創(chuàng)業(yè)公司多達30~40家，其中主要為SAW濾波器創(chuàng)業(yè)企業(yè)，這一方面是因為SAW在國內(nèi)創(chuàng)業(yè)相對BAW較長積累一定技術(shù)和人員，另一方面也是因為BAW的生產(chǎn)門檻較高。射頻前端的國外廠商主要采取IDM模式，國產(chǎn)廠商起步較晚，主要采用代工生產(chǎn)為主。射頻前端廠商大體可以分為兩大陣營：射頻PA和射頻濾波器。業(yè)界眾多相關(guān)公司基本歸屬于這兩類陣營。國產(chǎn)PA和濾波器器件在設(shè)計和生產(chǎn)方面，有較大區(qū)別。國產(chǎn)PA重在設(shè)計，生產(chǎn)工藝主要由代工廠掌握和提供。以目前較為成熟的砷化鎵射頻PA工藝為例，全球76%的GaAs晶圓片代工由穩(wěn)懋完成。而射頻濾波器則重在工藝優(yōu)化對性能和質(zhì)量的提升。在代工前提下，如何避開國外競爭對手在性能相關(guān)專利上的封鎖，將工藝優(yōu)化措施成功導入代工廠實現(xiàn)量產(chǎn)迭代，并保護相關(guān)工藝的獨家使用，則是國產(chǎn)射頻濾波器廠商面對的主要任務(wù)。

PA和濾波器兩大陣營在競爭中都想抓住射頻前端集成的大趨勢。國際上射頻前端廠商在過去10年中不斷整合(參見圖十五)，帶來一些啟示，那就是要想在射頻模組的競爭中生存，龍頭企業(yè)必須沒有短板。其中Murata并購了瑞薩PA部門和pSemi，Broadcom(Avago)收購了英飛凌BAW濾波器業(yè)務(wù)，Skyworks和松下合資成立FilterCo涉足BAW濾波器并收購了全部股份，RFMD(PA)和TriQuint(SAW、BAW)于2014年合并為Qorvo，Qualcomm和TDK合資成立RF360后收購了RF360。

圖十五，業(yè)界整合，來源：Yole

射頻濾波器在射頻模組中占比很高，以Phase-5N PAMiD模組為例，濾波器共10顆，PA共3顆。而這一模組中濾波器的數(shù)量和面積與其他器件總和相當。如果PA廠商想做出這樣一個產(chǎn)品，需要另外購買濾波器，10顆濾波器的價格已經(jīng)與模組相當。設(shè)想一下一個射頻PA公司在向射頻模組方向演進的時候就會遇到這樣的困難，而濾波器廠商向模組方向演進，有可能得益于其濾波器成本的優(yōu)勢。

未來射頻濾波器公司，以BAW為例，如果既有設(shè)計能力又有一定產(chǎn)量專用產(chǎn)線保證，那么除了分離濾波器產(chǎn)品以外，還可以為其他射頻模組公司提供濾波器，又或是自己獲得PA技術(shù)團隊，獨立設(shè)計生產(chǎn)射頻模組。這樣的公司在未來競爭中進可攻退可守，具有較大的靈活度。

審核編輯：湯梓紅