梁訓(xùn)波 鄒敏

北京航天萬源科技有限公司 北京 100176

引言

射頻芯片、射頻前端與基帶是無線通信系統(tǒng)的核心部分（如圖1所示）。射頻芯片在無線通信中負(fù)責(zé)射頻收發(fā)、頻率合成、功率放大等。應(yīng)用領(lǐng)域主要有移動(dòng)電話、電視、廣播、雷達(dá)、自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)等。天線、射頻前端和射頻芯片共同構(gòu)成的射頻模塊在發(fā)射信號(hào)過程中，能將二進(jìn)制信號(hào)轉(zhuǎn)換成高頻率的無線電磁波信號(hào)，在接收信號(hào)的過程中，能將收到的電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。射頻芯片發(fā)揮著無線通信系統(tǒng)“接收機(jī)”和“發(fā)射機(jī)”的作用，通過對(duì)通訊信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、合路、過濾、消除干擾、放大，最終實(shí)現(xiàn)無線信號(hào)接收和發(fā)射。射頻芯片的性能直接決定了終端可以支持的通信模式，以及接收信號(hào)強(qiáng)度、通話穩(wěn)定性、發(fā)射功率等重要性能指標(biāo)，直接影響終端的通信質(zhì)量。射頻芯片作為無線通信系統(tǒng)的重要組成部分，探討其發(fā)展趨勢(shì)具有重要意義。對(duì)本文將從市場(chǎng)規(guī)模與技術(shù)發(fā)展兩個(gè)方面來探究射頻芯片的發(fā)展趨勢(shì)。

圖1 無線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1 市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)

1.1 量價(jià)齊升，市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)增長

移動(dòng)電話為射頻芯片的主要應(yīng)用領(lǐng)域，隨著移動(dòng)通信5G時(shí)代的來臨，射頻芯片的需求量及價(jià)值量都將有所提升[1]。移動(dòng)通信從2G到5G的發(fā)展過程中，手機(jī)頻段數(shù)由4個(gè)增至50個(gè)，射頻開關(guān)、射頻低噪聲放大器、射頻功率放大器、雙工器、射頻濾波器在內(nèi)的射頻前端器件數(shù)量和價(jià)值急劇增加，射頻芯片的需求量及價(jià)值量隨之攀升。

根據(jù)YoleDevelopment的預(yù)測(cè)，2020-2025年5G智能手機(jī)的年均復(fù)合增長率將高達(dá)30%，整體手機(jī)市場(chǎng)將因?yàn)?G手機(jī)的強(qiáng)勢(shì)滲透而逐步恢復(fù)。與此同時(shí)，5G手機(jī)出貨量的快速增長以及5G通信復(fù)雜技術(shù)和應(yīng)用所帶來的價(jià)值量提升將帶動(dòng)射頻前端市場(chǎng)規(guī)模迅速提升，到2025年有望達(dá)到254億美元，2020-2025年年均復(fù)合增長率將達(dá)到11%。受5G通信下移動(dòng)終端需求增加和單機(jī)射頻芯片價(jià)值增長的雙重驅(qū)動(dòng)，射頻前端芯片行業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)快速增長[2]。

1.2 國產(chǎn)射頻芯片迎來黃金機(jī)遇期

全球射頻前端芯片市場(chǎng)被美日廠商長期占據(jù)，市場(chǎng)集中度較高。射頻前端領(lǐng)域設(shè)計(jì)及制造工藝復(fù)雜、門檻極高，現(xiàn)階段主要被Murata、Skyworks、Broadcom、Qorvo、Qualcomm等國外領(lǐng)先企業(yè)長期占據(jù)。一方面，國際領(lǐng)先企業(yè)起步較早，底蘊(yùn)深厚，在技術(shù)、專利、工藝等方面具有較強(qiáng)的領(lǐng)先性，同時(shí)通過一系列產(chǎn)業(yè)整合擁有完善齊全的產(chǎn)品線，并在高端產(chǎn)品的研發(fā)實(shí)力雄厚。另一方面，大部分國際企業(yè)以IDM模式經(jīng)營，擁有設(shè)計(jì)、制造和封測(cè)的全產(chǎn)業(yè)鏈能力，綜合實(shí)力強(qiáng)勁。

我國射頻前端芯片廠商依然在起步階段，市場(chǎng)話語權(quán)有限，但在國產(chǎn)自制芯片的政策鼎力支持和國內(nèi)手機(jī)品牌占有率持續(xù)增長的背景下，國內(nèi)供應(yīng)鏈廠商有望迎來重大發(fā)展機(jī)遇[3]。其中卓勝微在射頻開關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平，在LNA和接收端射頻模組產(chǎn)品上也具備一定實(shí)力，唯捷創(chuàng)芯在射頻PA領(lǐng)域表現(xiàn)出色，目前已經(jīng)占據(jù)全球4G中低端PA市場(chǎng)的三成以上，紫光展銳和韋爾股份同樣在細(xì)分領(lǐng)域具備一定技術(shù)實(shí)力，國內(nèi)廠商未來有望上升至第一梯隊(duì)，擴(kuò)大市場(chǎng)份額，成長空間廣闊。

2 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

2.1 多頻段與多技術(shù)推動(dòng)射頻前端模組化發(fā)展

無線通信頻段逐年增加，高低頻段呈現(xiàn)整合趨勢(shì)。5G網(wǎng)絡(luò)的部署采用FR1和FR2兩種頻段，其中FR1是低頻段Sub-6GHz（頻率范圍450～6GHz），F(xiàn)R2是高頻段mmWave（頻率范圍24.25～52.60GHz）。相比于4G，5GNR除了包含部分LTE頻段外，同時(shí)新增部分頻段，而隨著移動(dòng)通信制式的增加以及頻率不斷提升，這意味著濾波器、PA等器件的數(shù)量要持續(xù)增加。與此同時(shí)，高低頻段之間呈現(xiàn)整合模塊化的趨勢(shì)。最開始用于低（大約<1.5GHz）、中（1.5～2GHz）和高頻（2～3GHz）頻率的射頻器件被封裝在三個(gè)單獨(dú)的模塊中，之后低頻段模塊擴(kuò)展到600MHz，中頻和高頻模塊合二為一。當(dāng)前，超高頻（3～6GHz）模塊將會(huì)支持現(xiàn)有的LTE頻段和5G帶來的新頻段，毫米波則將會(huì)是顛覆性的變化，與天線和射頻前端集成在一個(gè)模塊當(dāng)中，如圖2所示。

圖2 高低頻段整合趨勢(shì)

5G獨(dú)立組網(wǎng)(SA)就是建立包括基站、回程鏈路和核心網(wǎng)在內(nèi)的端到端的5G網(wǎng)絡(luò)，非獨(dú)立組網(wǎng)(NSA)則利用現(xiàn)有4G基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行部署。目前認(rèn)為，SA模式的確是5G的未來發(fā)展方向和最終形態(tài)，但由于建設(shè)成本頗高，所以在未來相當(dāng)長的一段時(shí)間里，NSA會(huì)作為過渡方案與SA共存，這也給終端射頻設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)。5GNSA是依靠LTE作為核心網(wǎng)，射頻前端比SA架構(gòu)更為復(fù)雜，需要4GLTE和5G雙連接，采用主從結(jié)構(gòu)，所有的語音通信層面、控制層都是LTE上完成，而數(shù)據(jù)層面走的則是5GNR，即以4G節(jié)點(diǎn)為主結(jié)構(gòu)，5G接入節(jié)點(diǎn)為從結(jié)構(gòu)。這意味著在射頻前端，必須首先要有一個(gè)支持LTE的通道，此外，無論是在哪一個(gè)頻段，還必須要有一個(gè)5G的通道在同時(shí)上下行工作，否則會(huì)存在頻率互相干擾的問題。

2.2 多技術(shù)驅(qū)動(dòng)射頻前端復(fù)雜度提升

多天線收發(fā)（MIMO）和載波聚合（CA）技術(shù)在5G時(shí)代繼續(xù)延續(xù)，使得射頻前端復(fù)雜度大大上升。CA和MIMO技術(shù)常被用來提高容量和數(shù)據(jù)下行/上行速度。其中MIMO技術(shù)可以使用多個(gè)收發(fā)天線來提高手機(jī)的傳輸速度、提升手機(jī)信號(hào)質(zhì)量，同時(shí)天線數(shù)量的增加要求射頻前端增加信號(hào)通路數(shù)量和提高通路復(fù)用能力。從系統(tǒng)架構(gòu)的角度看，因?yàn)?G需要更快速的速率，那就需要更多的MIMO，在4GLTE時(shí)代，已經(jīng)做到了4個(gè)下行鏈路，也就是4×4的MIMO，而到5G階段，4×4行MIMO或者是上行2×10的MIMO可能會(huì)成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，即必須要支持四個(gè)下行鏈路的和兩個(gè)上行鏈路，這對(duì)射頻前端的設(shè)計(jì)也是一種挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，在5G時(shí)代為了實(shí)現(xiàn)高帶寬，載波聚合技術(shù)的路數(shù)必須上升。載波聚合技術(shù)是指使用多個(gè)不相鄰的載波頻段，每個(gè)頻段各承載一部分的帶寬，這樣總帶寬就是多個(gè)載波帶寬之和。載波聚合路數(shù)的上升也意味著頻帶數(shù)量的上升，從而催生出對(duì)更多濾波器的需求。

5G時(shí)代使用FDD/TDD雙工方式全面提升網(wǎng)絡(luò)性能，而在現(xiàn)網(wǎng)2G、3G和4G網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)網(wǎng)絡(luò)只使用一種雙工模式。頻分雙工（FDD）和時(shí)分雙工（TDD）是兩種不同的雙工方式，其中TDD模式的移動(dòng)通信系統(tǒng)中接收和傳送是在同一頻率信道即載波的不同時(shí)隙，用保證時(shí)間來分離接收與傳送信道，F(xiàn)DD模式的移動(dòng)通信系統(tǒng)的接收和傳送是在分離的兩個(gè)對(duì)稱頻率信道上，用保證頻段來分離接收與傳送信道。相較而言，F(xiàn)DD頻段頻率較低，覆蓋能力強(qiáng)，傳輸時(shí)無額外等待時(shí)延，但帶寬通常較??；TDD頻段帶寬大，而且上下行均成熟應(yīng)用MIMO技術(shù)，但覆蓋和時(shí)延方面相對(duì)弱。5G網(wǎng)絡(luò)中，通過上下行通道的TDD（時(shí)分雙工）與FDD（頻分雙工）協(xié)同，高頻和低頻互補(bǔ)、時(shí)域和頻域聚合，充分發(fā)揮3.5G大帶寬能力和FDD頻段低、穿透能力強(qiáng)的特點(diǎn)，既提升了上行帶寬，又提升了上行覆蓋。正是由于對(duì)兩類雙工方式的同步支持，射頻前端發(fā)射端的復(fù)雜程度再度提高[4]。

3 挑戰(zhàn)及風(fēng)險(xiǎn)

3.1 挑戰(zhàn)

射頻芯片領(lǐng)域技術(shù)壁壘高，需長期積累經(jīng)驗(yàn)。射頻芯片設(shè)計(jì)是集成電路領(lǐng)域中相對(duì)難度較高的技術(shù)方向，其面臨的難題包括設(shè)計(jì)者理論及經(jīng)驗(yàn)方面的主觀因素以及工藝及封裝的客觀限制因素。

射頻芯片設(shè)計(jì)涉及的理論知識(shí)繁多復(fù)雜，由于其主要用于處理物理層面的連續(xù)高頻信號(hào)，過程中需要滿足各種物理指標(biāo)的折中均衡，多取決于產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用要求，沒有定論，因此相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的累積至關(guān)重要。

很多射頻芯片的指標(biāo)要求都是要挑戰(zhàn)工藝極限，需要很多創(chuàng)新性的電路結(jié)構(gòu)，例如噪聲抵消、交調(diào)分量抵消以及為了提高功放效率采用的動(dòng)態(tài)偏置和為了降低功耗進(jìn)行的電流復(fù)用。此外，關(guān)鍵的還是工藝及封裝的物理限制或者模型的不準(zhǔn)確性導(dǎo)致的難題。

3.2 風(fēng)險(xiǎn)

射頻芯片的發(fā)展除了面臨上述在技術(shù)方面的挑戰(zhàn)，同時(shí)在其市場(chǎng)規(guī)模的發(fā)展中還面臨著諸多風(fēng)險(xiǎn)，如下游需求不及預(yù)期風(fēng)險(xiǎn)、行業(yè)競爭加劇風(fēng)險(xiǎn)、原材料供應(yīng)及加工風(fēng)險(xiǎn)、相關(guān)產(chǎn)品國產(chǎn)化替代進(jìn)程不及預(yù)期的風(fēng)險(xiǎn)等。