我国5G高频器件的发展方向与市场前瞻

李儒章 付东兵

对于5G的研发与布局，在政府层面，我国已宣布2020年实现5G商用。在市场层面，运营商以及设备厂商对5G的态度更为积极。去年已有运营商启动了5G外场试验，今年准备实现预商用试验，明年完成预商用规模试验。

要实现5G的高频段应用，高频器件发展的基础作用就日益凸显。正因为5G使用的频段较高，加之受无线电波绕射能力和传播距离的影响，将采用站点更多、密度更大的微基站来代替大型宏基站。

5G高频器件的发展方向

与上述相对应，5G除了要用6GHz以内的频率外，开始使用24GHz以上的毫米波频段。使用毫米波频段后，天线尺寸也变为毫米级，通信基站转为采用大规模阵列天线，实现多载波聚合，极大地提升频率效率和传输性能。同时，天线尺寸的大幅缩小将对天线的材料和加工精细度提出更高的要求。

引入阵列天线后，又给Massive MIMO（Multiple Input Multiple Output即多输入多输出）技术的实现带来了新的可能，从而实现一对多的并行通信，成倍提高速率，提升系统容量和覆盖范围。相对于传统MIMO系统仅支持8个天线端口，在Massive MIMO系统中，基站配置的天线数将会是几百甚至几千根，对目标接收机调制相匹配的波束，信号隔离致互不干扰。

利用通信基站的阵列天线，通过对射频信号的相位控制来实现波束赋形，所带来的容量增加就变得非常有价值。

高频段的特性决定了高频段器件的发展方向。5G商用则带来了高频段器件的市场新机遇。

具体来说，为组建多功能、高宽带、高集成度、低功耗的微基站，需要配套射頻收发综合一体化系统集成芯片，包括低功耗多通道射频收发系统芯片RF-TRxSoC，以及可编程射频收发系统芯片RF-ADC/RF-DAC+eFPGA全可编程RF-SoC。

5G所用的射频集成电路，包括采用数字MIMO和模拟波束赋形，可降低高路径损耗，并提高频谱效率的硅基毫米波波束赋形芯片的性能，以及作为系统中的本振频率源和同步时钟电路——频率合成器的性能。射频器件模块是5G通信必备的基础性零部件，由功率放大器（PA）、滤波器、双工器、射频开关、低噪声放大器、接收机、发射机等射频无源器件与射频前端有源芯片组成。5G射频器件作为高频器件必须采用高频电路，相比于中低频电路，需要从材料到器件，从基带芯片到整个射频电路进行重新设计。

5G所用光收发器件，必须满足5G通信的数据传输要求。收发器件用于基站数据互连传输，单信道传输速率从6Gbps/8Gbps要提高到25Gbps。为保证基站与手机之间的定向传输，就要借助集成移相器、相位控制器等有源器件。其中移相器用来对波的相位进行调整和改变，用于调节交流电压相位。相位控制器用来控制手机天线的相位。

5G必须匹配高性能滤波器。对应毫米波频段的是毫米波MEMS滤波器，要求低功耗内插、小型化及SIW封装。对应Sub6G频段的是FBAR滤波器，要求宽带、高回波损耗和带外抑制、小型化。总体特征是高频化、宽带化、高功率化和小型化。衡量滤波器性能的指标有两个：Q值和插入损耗。Q值越高，表明滤波器可以实现越窄的通带带宽，即可以实现较好的滤波功能。插入损耗是指通带信号经过滤波器之后的信号功率衰减，当插入损耗达到1dB，则信号功率衰减达到20%。从这两大指标来看，SAW（Surface Acoustic Wave）和BAW（bulk acoustic wave）滤波器凭借优良的频带选择性、高Q值、低插入损耗等特性，已成为射频滤波器的主流选择，但目前仍为欧美日厂家垄断。

另外，还要有适于5G应用的磁性器件。主要是环行器/隔离器，YIG磁调谐器。环行器/隔离器主要用于基站的收发单元中，分别起收发双工和隔离去耦作用。要求损耗低、精度高、尺寸小等，功率随基站的不同会有相应的差异。5G通信中的频谱分析仪、信号源等仪器需覆盖从低频到微波毫米波频率范围，YIG调谐器主要用于宽带调谐源和连续可调本振。

5G高频器件研发方案及计划

ADC/DAC（模数转换器/数模转换器）、RFIC（射频集成电路）的研发，就重庆声光电来说，目前能达到的水平是，ADC ：12～16位百MSPS级；DAC ：12～16位GSPS级；波束赋形芯片的工作频率为18GHz；RF Tx/RX：6GHz；频率合成器（PLL）：8GHz；一体化系统集成芯片：3GHz。

A/D、D/A转换器。5G宏基站需要GHz高中频采样宽带数字化器件，5G微基站需要“RF收发机+ADC/DAC”多路收发全集成的软件无线电RF-SoC系统芯片，而5G移动终端中的基带和射频SoC需要低功耗宽带ADC/DAC IP作为内核，因此，ADC/DAC在各种5G设备中均为关键核心器件。重庆声光电计划从2018年至2020年，逐步完成宏基站中频采样，宏基站高中频宽带采样、射频直采。

射频集成电路芯片。主要采用GaAs/GaN工艺研制。在2017年起步的基础上，从2018年至2020年，射频收发一体化系统集成芯片的频率、噪声系数、输出功率、采样带宽等性能指标梯次进步，在2020年频率为3～20GHz、噪声系数≤3dB、输出功率≥15dBm、采样带宽为GHz；波束赋形芯片在2017年完成集成度4收4发、移相精度5°、发射效率12%的基础上，预计2020年达到，集成度32收32发+变频、移相精度2°、发射效率20%；频率合成器2017年已实现频率0.03～8GHz、底板相位噪声-223dBc/Hz（小数）与-226dBc/Hz（整数）、最高鉴相频率70MHz（小数）与150MHz（整数）。全部性能指标逐年提高。

光电收发芯片及模块。激光器芯片在2018年、2020年、2025年，分别完成10Gbps （10Gbps高频封装）、25Gbps（25Gbps高频封装）、50Gbps（25Gbps高频封装）；探测器芯片在2018年、2020年、2025年，分别完成25Gbps（25Gbps高频封装）、4×25Gbps（阵列）（多路微光学集成封装）、4×50Gbps（阵列）（多路微光学集成封装）；光收发器件在2018年、2020年、2025年，分别完成25Gbps（25Gbps高频封装）、4×25Gbps（多路微光学集成封装）、400Gbps（集成封装）。保证稳步提升传输速率及封装工艺。

高性能滤波器。MEMS的工作频率与相对带宽，在2018年分别为10GHz～30GHz、5%～30%；在2019年分别为30GHz～50GHz、2%～30%；在2020年分别为50GHz～100GHz、2%～30%。FBAR的工作频率、相对带宽、功率容量、封装形式、产品形式，在2020年分别为：1GHz-8GHz、1%～8%、10W、系统级封装（SIP）、FEM模组。从2018年至2020年，每年都有进步，逐步改进性能指标。

高性能磁性器件。SIW环行器/隔离器2018年达成小型集成化；2020年在尺寸上进一步缩小为：5×5×3/3.5×3.5×2.5；2025年更进一步达到4×4×2.5/3×3×2。波导环行器/隔离器2018年实现宽带化、低损耗设计，2020年完成高功率设计，a波段实现500W（CW），V波段300W；2025年完成小型化。微带环行器/隔离器2018年达到环行器24～30GHz、带宽10%、插损0.6dB、 隔离度16dB、驻波1.5等指标；2020年实现小型化、集成化；2025年掌握并应用薄膜环行器设计技术。YIG磁调谐器在2018年研制出LTCCYIG调谐器件、表贴式YIG调谐器件、表贴式YIG定频器件、多功能YIG一体集成组件、50GHz YIG带通滤波器、星载YIG带通滤波器；2020年研制出LTCC集成YIG器件、LTCC＼芯片驱动集成YIG调谐器件、LTCC集成YIG器件、YIG薄膜器件、超宽带低相位噪声YIG振荡器；2025年研制出表贴式高Q YIG定频器件（MEMS）、表贴式YIG薄膜器件、阵列化YIG薄膜集成器件、低功耗毫米波YIG滤波器、S-Ku波段可调瞬时带宽YIG带通滤波器、星载YIG功能模块、高可靠YIG薄膜器件。

5G高频器件市场前瞻

据中国信通院2017年6月13日发布的《5G经济社会影响白皮书》预测，2030年5G带动的直接产出和间接产出将分别达到6.3万亿和10.6万亿元。

在直接产出方面，按照2020年5G正式商用算起，预计当年将带动约4840亿元的直接产出，2025年、2030年将分别增长到3.3万亿、6.3万亿元，十年间的年均复合增长率为29%。值得关注的是，2025年中国5G市场规模将达3.3万亿元。

在间接产出方面，2020年、2025年、2030年，5G将分别带动1.2万亿、6.3万亿和10.6万亿元，年复合增长率为24%（参见图5图6）。

5G高频器件在其中占有重要位置。具体到射频器件，随着5G试用或商用，由于频段的增加，器件数量也随之增加。仅就手机使用的射频前端模块（由功率放大器（PA）、滤波器、双工器、射频开关、低噪声放大器、接收机、发射机等组成），每增加一个频段，一般需要增加 1个功率放大器（PA）、1个双工器、1个天线开关、2个滤波器、1个低噪放大器（ LNA）。以多模多频的LTE 手机来说，每一部都需要 20～30 个射频器件，5G手机所需要的射频器件会更多。同时，5G通信所需要的射频器件的复杂程度上升，滤波器和双工器等器件必须升级，结果是带来射频前端模块所需器件总体价值的提升。支持11个频段的4G手机，射频前端价值约为11美元。对于5G手机来说，射频前段的价值只会更高。射频前端的量价齐升，则会带来射频器件行业，从射频设计、射频制造、射频封装到射频测试，整条产业链新的发展与市场机遇。

从SAW（Surface Acoustic Wave）滤波器与BAW （bulk acoustic wave）滤波器细分领域来看，市场仍有不断提升的空间。以手机为例，4G手机的频段为41个，而5G手机的频段数会多达91个以上。以每个频段使用两个滤波器计算，5G手机需要使用一百个以上的滤波器。iPhone 7的射频前端配用了3颗PA芯片（高中低频段）、2颗滤波器组、2颗射频开关、2颗PA-滤波器一体化模组。同时，拓展带宽的载波聚合技术，需要在前端使用更多的多工器，而多工器则由多个不同频率的滤波器合组，最终增加了滤波器的数量。数量的增长带来的是整体价格的抬升。数量增长与手机有限空间的矛盾，要由技术进步来解决，这就是滤波器的集成化、小型化。技术难度的增加，通畅意味着价值的提升。

据Mobile Experts预测，全球射频滤波器市场规模到2020年有望达到130亿美元，年复合增长率为21.06%。无独有偶，高通预测滤波器的市场规模到2020年将达到130亿美元左右。

由于SAW/BAW滤波器的设计制造极为复杂，目前仍无法使用集成度最高的CMOS工艺进行批量化制造，为保证性能必须使用特殊工艺进行生产。因此，全部为日美厂商所主导与垄断，技术壁垒很难打破。但随着技术的不断积累，我国滤波器厂商取得突破的内外部条件已经具备，尤其是在声表滤波器上存在着突破的更大可能。

在天线细分领域，由于5G微基站的大量部署，基站天线大规模采用MIMO技术，阵列天线应用已明显出现加速趋势。阵列天线的尺寸、阵列部署、有源器件、芯片等的技术难度大幅提升，加工工艺也更加复杂。仅以天线的尺寸来说，5G高频段的电磁波的波长缩小，天线的尺寸也随之缩小。天线尺寸的缩小意味着在材料的选择上，在制造的设计上，以及在加工的精细度上，都要符合更高的要求。例如，30～40GHz的5G天線，FPC以及注塑冲压制作已经不符要求，需要采用LTCC、高介电、陶瓷等技术。如果是60GHz及以上的天线，尺寸更小，就需要微电子加工技术。如果阵列天线与射频芯片相结合，就不是天线厂家或芯片厂家，一家可以独立完成的任务了。那么，阵列天线的价值水平将随着技术与工艺水平的提升，得以大幅提升。国内厂商基于多年的研究开发经验积累，再加上足够的技术与资本支撑，在5G天线的未来市场中将占据一席之地，与国际市场领先者进行同场竞争。

在功率放大器细分领域，据Yole发布的报告，2016年全球RF PA市场规模约为15亿美元，到2022年将达到25亿美元。COMS、GaAs和GaN作为功率放大器的三种制备工艺，传统的LDMOS将逐渐被新兴的氮化镓（GaN）取代，但GaN工艺的成熟度还不足。目前来看，砷化镓（GaAs）的市场占比相对稳定。原因在于，GaAs射频功率放大器具有比硅（Si）器件拥有更高的工作频率和工作电压，对于满足5G高频、高效、高功率的需求具备优势。那么，GaAs、GaN工艺将推动化合物半导体需求量的增加。以GaAs、GaN为代表的化合物半导体也将成为PA射频器件的主流材料。目前，在6GHz以下所使用的主要是GaAs HBT，28～39GHz频段主要是GaAs HEMT和GaN HEMTs，而5G高频毫米波段主要是InP HBT、GaN HEMT和GaAs HEMT。化合物半导体技术主要被国外厂商垄断，但中国化合物射频半导体产业链已经初步形成，紧紧跟随并蓄势待发。从PA产业链设计、制造再到封测，各个环节均可以看到中国厂商的身影。举例来说，2017年8月，国民技术公司与成都邛崃市人民政府，签署了《化合物半导体生态产业园项目投资协议书》，总投资不少于80亿元（一期50亿元，二期30亿元），共同打造化合物半导体产业链生态圈。

存在的问题及建议

存在的问题可以归纳为以下三个方面：

一是核心技术有待突破，包括针对系统应用需求的芯片顶层架构、核心模拟电路单元和数字校正算法等设计、测试等技术；同时，缺乏系统应用方案和套片的设计能力；

二是先进制造工艺支持有待加强，即先进RF/AMS IC标准工艺的定制化器件、外壳建模、封装工艺加工的支持；

三是研发经费投入不足。主要缘于先进工艺的使用，芯片研发经费越来越高（已达数千万元级），一方面经费投入不足，另一方面市场回收周期长，其投资力度更受影响。

基于以上问题，提出以下建议：

一是加强先进技术创新和高端人才的引进，以高起点快速切入高端产品研发；加强各领域技术融合，从应用、方案到元器件研发协调发展，以应用和市场定义产品，促进产品性能、可靠性满足工程应用需求；

二是建立产业链上下游（设计、晶圆代工、封测、应用）战略合作联盟，确保5G生态环境共同发展，各个环节实现市场共赢。

三是在国家加大高端芯片研发投入的同时，多层面、多模式筹措资金，风险共担，效益共享。

总体来说，5G作为电子信息产业的发展重点，需要针对5G通信发展的短板，在国家政策统筹下，通过制造商、运营商、投资商在科研开发、关键材料、关键部件等方面通力合作，卧薪尝胆，方能实现我国5G移动通信的快速发展，形成国际领先优势。