射频芯片（RFIC）——5G 通信的核心

随着 5G 时代的到来，5G 通信已经成了人们非常关注和在乎的话题，然而，过去人们对手机的关注，往往集中在 CPU、GPU、基带、屏幕、摄像头上。近几年，随着 5G 技术的出现，也随着国产射频芯片的崛起，5G 射频芯片逐渐进入大众视野，我们知道，手机之所以能够和基站进行通信，靠的就是互相收发无线电磁波。手机里专门负责收发无线电磁波的一系列电路、芯片、元器件等，被统称为射频芯片（RFIC）。射频和基带，是手机实现通信功能的基石。

那么为什么说射频芯片对 5G 通信起着至关重要的作用呢？

5G 相比 4G，在性能指标上有了大幅的提升，5G 的 eMBB（增强型移动宽带）场景，将手机速率提升至千兆级甚至万兆级，是早期 LTE 速率（100Mbps）的近 100 倍。但在传输速度实现飞跃的同时，2G/3G/4G，加上 5G，加上 MIMO（多天线技术），加上双卡双待，手机的天线数量和支持频段翻倍增加。4G 早期只有不到 20 个频段组合。相比之下，5G 有超过 10000 个频段组合，复杂性堪称恐怖。同时又因为 5G 手机的厚度和重量不能增加，功耗不能增加，因此，射频芯片在 5G 通信起着举足轻重的作用。

射频前端核心组件

滤波器

滤波器可以说是射频前端的核心组件，是制造 5G 射频芯片的关键，目前射频滤波器最主流的实现方式是 SAW 和 BAW。SAW 是声表面滤波器，是一种利用压电效应和声表面波传播的物理特性而制成的滤波专用器件，具有频率选择性优良（可选频率范围 10MHz~3GHz）、输入输出阻抗误差小、传输损耗小、抗电磁干扰性能好等特点。BAW 滤波器不同于 SAW 滤波器，BAW 滤波器内的声波垂直传播，贴嵌于石英基板顶、底两侧的金属对声波实施激励，使声波从顶部表面反弹至底部，以形成驻声波。然而，滤波器的核心技术主要掌握在美国的手中，在全球市场方面，也是美国公司主导，SAW 滤波器的主要供应商是 TDK-EPCOS 及 Murata，两者合计占有 60-70% 市场份额；BAW 滤波器的主要供应商是 Broadcom 及 Qorvo，两者占有 90% 以上市场份额。这无疑给我国实现全自主制造射频芯片增加了不少难度。

功率放大器（PA）

射频功率放大器（PA）又经常被称为是射频器件皇冠上的明珠，其重要性不言而喻。PA 作为射频前端发射通路的主要器件，主要是为了将调制振荡电路所产生的小功率的射频信号放大，以获得足够大的射频输出功率。当 PA 应用于手机时，它直接决定了手机无线通信的距离、信号质量，甚至待机时间，是整个射频系统中除基带外最重要的部分。然而，放眼全球市场，PA 市场的领军人物依旧是 Skyworks，Broadcom，Qorvo，Murata。但是随着 5G 时代的到来，对射频 PA 的需求也会大大增加，这对国产射频 PA 来说，既是机遇，也是挑战。

射频开关

射频开关的作用是将多路射频信号中的任一路或几路通过控制逻辑连通，以实现不同信号路径的切换，包括接收与发射的切换、不同频段间的切换等。射频开关在前端模块中，虽然没有滤波器和 PA 那么重要，但是对于射频芯片来说也不可或缺的组成部分。不同于滤波器和 PA 的全球市场，2022 年全球射频开关市场规模为 225.58 亿元（人民币），同年，国内射频开关市场容量为 60.14 亿元，占全球射频开关市场的 26.66%，随着 5G 通信的发展，我国射频开关在全球市场占比仍有望提升。

图：射频前端结构图

全球 5G 芯片市场现状及前景分析

美国是全球较早推出 5G 服务的国家，目前，美国运营商们已经开始关注使用低频频谱以及 DSS（动态频谱共享）来加速进行 5G 网络的全国覆盖。由于美国先进的射频芯片制造技术，博通（Broadcom）和迅威（Qorvo）BAW 滤波器在全球市场占据的巨大份额，加之美国在高端射频前端模组（如 L-PAMiD）的研究和制造领先全球，目前全球的 L-PAMiD 只有美国的思佳讯 (Skyworks) 和迅威 (Qorvo) 作为主力供应，所以在未来几年内，美国应该会继续占据全球 5G 商用芯片市场的主导地位。

与美国不同，欧洲整体 5G 进度相对滞后，5G 覆盖人口目前仍然不足 10%，Vodafone 首席执行官 NickRead 在 2022 世界移动通信大会上表示，欧洲地区在未来的十年内，很难实现 5G 全地区覆盖的目标，但是随着欧洲运营商逐渐从疫情的影响中走出，未来欧洲运营商 90% 左右投资都将投向 5G，情况可能有所改善。据 GSMA 数据，2020 到 2025 年欧洲移动运营商将投资 1450 亿欧元，其中 90% 左右将投资在 5G，所以未来几年内，欧洲 5G 芯片在全球市场所占比重可能会有所增加。

近年来我国一直在大力支持 5G 毫米波相关产业的发展。工信部印发的《5G 应用「扬帆」行动计划（2021-2023 年）》，明确提出未来三年我国 5G 发展的目标，今年更是该计划的收官之年。在该计划中关于毫米波的相关规划包括：适时发布 5G 毫米波频率规划，探索 5G 毫米波频率使用许可实行招标制度，加快轻量化 5G 芯片模组和毫米波器件的研发及产业化等。在商用需求的驱动下，我国 5G 芯片市场需求持续旺盛。第一代 5G 商用芯片就采用了当时最先进的 7nm 工艺，很快，5G 手机规模商用芯片的工艺已从 7nm 快速提升至 4nm。从 2022 年开始，各大品牌旗舰机型开始搭载 4nm 芯片，2022 年 1-5 月国内采用 4nm 芯片的手机市场份额约为 8%，采用 7nm 及更先进工艺芯片的 5G 手机市场占比已高达 97%。芯片的工艺升级还未止步。

正如之前提到的，对 5G 芯片需求量增加是因为 5G 手机支持更多频段，有更多的射频通道和天线，使得射频芯片数量翻倍甚至四倍于 4G 时代，同时，由于 5G 时代更高的峰值速率和更低的处理时延，催生出更多元的技术融合与应用服务，所以 5G 时代需要的不仅仅是射频芯片，对存储类芯片和处理器芯片的需求也大量增加了。

国内 5G 射频芯片最新进展

射频芯片对 5G 通信起着至关重要的作用，但是国产射频芯片的研发一直是我国一项「卡脖子」的技术，5G 射频芯片真正实现商用也一直是我国希望尽早实现的目标，笔者总结了国内科研、企业、产品的先进进展，让我们一起了解一下。

国内射频前端科研进展

我们知道，表面声波（SAW）或体声波（BAW）滤波器都是基于压电材料能够在电场的作用下产生形变的特性而制成的，而互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容的氮化铝（AlN）压电材料沉积技术是未来滤波器的一个重要发展方向，在此基础上，武汉光电国家研究中心孙军强课题组（华中科技大学）在非压电的绝缘体上硅平台上沉积一层压电性能优异的铝钪氮（AlScN）压电薄膜，通过在压电薄膜上设计叉指换能器实现表面声波的激励，进而实现了在硅波导中的声光调制，可应用于窄带的微波光子滤波和宽光谱的声光调制，具有广阔的应用前景。基于射频滤波器的压电半导体材料需具有高本征电阻率（较宽的禁带宽度）和高压电系数这一特性，中山大学王钢课题组采用 MOCVD 方法，生长出具有高压电系数的宽禁带氧化镓（ԑ-Ga2O3）半导体薄膜，并基于此制备了声表面波压电谐振器, 首次实现了基于氧化镓薄膜的 SAW 射频谐振器，器件在 1-3GHz 范围内存在显著的压电谐振，进一步验证了氧化镓薄膜材料在 5G 射频波段的应用潜力。这些研究都对今后国产射频滤波器的发展也有着积极的影响。

图：基于ԑ-Ga2O3 薄膜的 SAW 射频谐振器工作特性

国产射频芯片产品

200MHz 宽带射频收发器芯片 B20 是我国首颗 100% 自研发高端 5G 射频芯片，可广泛应用于 5G 基站、工业互联网、车联网、天线以及卫星互联网通信等诸多领域。B20 性能参数与国际同类产品相当，可有效覆盖 75MHz-6GHz 频段，支持 2T2R，接收通道最大 200MHz 带宽，发送通道最大 450MHz 带宽，可以完全替代进口产品。GC080X 系列 SDR 射频收发机芯片于 2022 年 11 月推出，集成了 12bit 的模数转换器 ADC 和 12bit 的数模转换器 DAC，内置可编程模拟滤波器，采用直接变频架构，具有超低功耗、高调制精度、低噪声的优越性能，可广泛应用于现代化数字无线通信系统。

国产射频芯片企业情况

作为国内射频的龙头，卓胜微已初步实现射频前端产品全覆盖，目前，卓胜微正持续发力滤波器、PA 和模组等更高难度的射频前端产品，强化供应链把控能力，向国际射频厂商第一梯队迈进。SAW 滤波器方面，目前卓胜微、德清华莹、好达电子、麦捷科技等厂商已实现突破，其中麦捷科技与中电 26 所生产的 SAW 滤波器已进入华为、TCL 等手机供应链，好达电子的 SAW 滤波器已进入中兴、魅族等手机供应链。BAW 滤波器方面，能自主研发 BAW 滤波器的企业还是相对较少，仅有天津诺思、汉天下等公司。封测是国产射频芯片中规模最大的领域之一，国产射频芯片的封测厂商主要有：长电科技、华天科技等。目前，射频基板已完全实现国产化，主要的基板厂有：越亚半导体、深南电路等。值得一提的是，越亚半导体是全球首家利用「铜柱增层法」实现「无芯」封装基板量产的企业，同时在全球手机射频芯片封装基板市场占有率稳居前三。

综合这些角度分析，笔者认为我国 5G 芯片产业有望在未来几年迎来爆发，我国 5G 芯片在全球市场占比份额及国际市场竞争力也有望提升，总之，5G 射频芯片对实现 5G 覆盖起着至关重要的作用，随着 5G 时代的到来，市场对高性能 5G 芯片的大量需求一定是未来几年的发展趋势。