射頻芯片發展趨勢分析

梁訓波 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的核心部分（如圖1所示）。射頻芯片在無線通信中負責射頻收發、頻率合成、功率放大等。應用領域主要有移動電話、電視、廣播、雷達、自動識別系統等。天線、射頻前端和射頻芯片共同構成的射頻模塊在發射信號過程中，能將二進制信號轉換成高頻率的無線電磁波信號，在接收信號的過程中，能將收到的電磁波信號轉換成二進制數字信號。射頻芯片發揮著無線通信系統“接收機”和“發射機”的作用，通過對通訊信號進行轉換、合路、過濾、消除干擾、放大，最終實現無線信號接收和發射。射頻芯片的性能直接決定了終端可以支持的通信模式，以及接收信號強度、通話穩定性、發射功率等重要性能指標，直接影響終端的通信質量。射頻芯片作為無線通信系統的重要組成部分，探討其發展趨勢具有重要意義。對本文將從市場規模與技術發展兩個方面來探究射頻芯片的發展趨勢。

圖1 無線通信系統結構圖

1 市場發展趨勢

1.1 量價齊升，市場規模持續增長

移動電話為射頻芯片的主要應用領域，隨著移動通信5G時代的來臨，射頻芯片的需求量及價值量都將有所提升[1]。移動通信從2G到5G的發展過程中，手機頻段數由4個增至50個，射頻開關、射頻低噪聲放大器、射頻功率放大器、雙工器、射頻濾波器在內的射頻前端器件數量和價值急劇增加，射頻芯片的需求量及價值量隨之攀升。

根據YoleDevelopment的預測，2020-2025年5G智能手機的年均復合增長率將高達30%，整體手機市場將因為5G手機的強勢滲透而逐步恢復。與此同時，5G手機出貨量的快速增長以及5G通信復雜技術和應用所帶來的價值量提升將帶動射頻前端市場規模迅速提升，到2025年有望達到254億美元，2020-2025年年均復合增長率將達到11%。受5G通信下移動終端需求增加和單機射頻芯片價值增長的雙重驅動，射頻前端芯片行業的市場規模持續快速增長[2]。

1.2 國產射頻芯片迎來黃金機遇期

全球射頻前端芯片市場被美日廠商長期占據，市場集中度較高。射頻前端領域設計及制造工藝復雜、門檻極高，現階段主要被Murata、Skyworks、Broadcom、Qorvo、Qualcomm等國外領先企業長期占據。一方面，國際領先企業起步較早，底蘊深厚，在技術、專利、工藝等方面具有較強的領先性，同時通過一系列產業整合擁有完善齊全的產品線，并在高端產品的研發實力雄厚。另一方面，大部分國際企業以IDM模式經營，擁有設計、制造和封測的全產業鏈能力，綜合實力強勁。

我國射頻前端芯片廠商依然在起步階段，市場話語權有限，但在國產自制芯片的政策鼎力支持和國內手機品牌占有率持續增長的背景下，國內供應鏈廠商有望迎來重大發展機遇[3]。其中卓勝微在射頻開關領域已經達到國際先進水平，在LNA和接收端射頻模組產品上也具備一定實力，唯捷創芯在射頻PA領域表現出色，目前已經占據全球4G中低端PA市場的三成以上，紫光展銳和韋爾股份同樣在細分領域具備一定技術實力，國內廠商未來有望上升至第一梯隊，擴大市場份額，成長空間廣闊。

2 技術發展趨勢

2.1 多頻段與多技術推動射頻前端模組化發展

無線通信頻段逐年增加，高低頻段呈現整合趨勢。5G網絡的部署采用FR1和FR2兩種頻段，其中FR1是低頻段Sub-6GHz（頻率范圍450～6GHz），FR2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，同時新增部分頻段，而隨著移動通信制式的增加以及頻率不斷提升，這意味著濾波器、PA等器件的數量要持續增加。與此同時，高低頻段之間呈現整合模塊化的趨勢。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單獨的模塊中，之后低頻段模塊擴展到600MHz，中頻和高頻模塊合二為一。當前，超高頻（3～6GHz）模塊將會支持現有的LTE頻段和5G帶來的新頻段，毫米波則將會是顛覆性的變化，與天線和射頻前端集成在一個模塊當中，如圖2所示。

圖2 高低頻段整合趨勢

5G獨立組網(SA)就是建立包括基站、回程鏈路和核心網在內的端到端的5G網絡，非獨立組網(NSA)則利用現有4G基礎設施對5G網絡進行部署。目前認為，SA模式的確是5G的未來發展方向和最終形態，但由于建設成本頗高，所以在未來相當長的一段時間里，NSA會作為過渡方案與SA共存，這也給終端射頻設計帶來挑戰。5GNSA是依靠LTE作為核心網，射頻前端比SA架構更為復雜，需要4GLTE和5G雙連接，采用主從結構，所有的語音通信層面、控制層都是LTE上完成，而數據層面走的則是5GNR，即以4G節點為主結構，5G接入節點為從結構。這意味著在射頻前端，必須首先要有一個支持LTE的通道，此外，無論是在哪一個頻段，還必須要有一個5G的通道在同時上下行工作，否則會存在頻率互相干擾的問題。

2.2 多技術驅動射頻前端復雜度提升

多天線收發（MIMO）和載波聚合（CA）技術在5G時代繼續延續，使得射頻前端復雜度大大上升。CA和MIMO技術常被用來提高容量和數據下行/上行速度。其中MIMO技術可以使用多個收發天線來提高手機的傳輸速度、提升手機信號質量，同時天線數量的增加要求射頻前端增加信號通路數量和提高通路復用能力。從系統架構的角度看，因為5G需要更快速的速率，那就需要更多的MIMO，在4GLTE時代，已經做到了4個下行鏈路，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可能會成為一個標準，即必須要支持四個下行鏈路的和兩個上行鏈路，這對射頻前端的設計也是一種挑戰。與此同時，在5G時代為了實現高帶寬，載波聚合技術的路數必須上升。載波聚合技術是指使用多個不相鄰的載波頻段，每個頻段各承載一部分的帶寬，這樣總帶寬就是多個載波帶寬之和。載波聚合路數的上升也意味著頻帶數量的上升，從而催生出對更多濾波器的需求。

5G時代使用FDD/TDD雙工方式全面提升網絡性能，而在現網2G、3G和4G網絡中每個網絡只使用一種雙工模式。頻分雙工（FDD）和時分雙工（TDD）是兩種不同的雙工方式，其中TDD模式的移動通信系統中接收和傳送是在同一頻率信道即載波的不同時隙，用保證時間來分離接收與傳送信道，FDD模式的移動通信系統的接收和傳送是在分離的兩個對稱頻率信道上，用保證頻段來分離接收與傳送信道。相較而言，FDD頻段頻率較低，覆蓋能力強，傳輸時無額外等待時延，但帶寬通常較小；TDD頻段帶寬大，而且上下行均成熟應用MIMO技術，但覆蓋和時延方面相對弱。5G網絡中，通過上下行通道的TDD（時分雙工）與FDD（頻分雙工）協同，高頻和低頻互補、時域和頻域聚合，充分發揮3.5G大帶寬能力和FDD頻段低、穿透能力強的特點，既提升了上行帶寬，又提升了上行覆蓋。正是由于對兩類雙工方式的同步支持，射頻前端發射端的復雜程度再度提高[4]。

3 挑戰及風險

3.1 挑戰

射頻芯片領域技術壁壘高，需長期積累經驗。射頻芯片設計是集成電路領域中相對難度較高的技術方向，其面臨的難題包括設計者理論及經驗方面的主觀因素以及工藝及封裝的客觀限制因素。

射頻芯片設計涉及的理論知識繁多復雜，由于其主要用于處理物理層面的連續高頻信號，過程中需要滿足各種物理指標的折中均衡，多取決于產品的實際應用要求，沒有定論，因此相關設計經驗的累積至關重要。

很多射頻芯片的指標要求都是要挑戰工藝極限，需要很多創新性的電路結構，例如噪聲抵消、交調分量抵消以及為了提高功放效率采用的動態偏置和為了降低功耗進行的電流復用。此外，關鍵的還是工藝及封裝的物理限制或者模型的不準確性導致的難題。

3.2 風險

射頻芯片的發展除了面臨上述在技術方面的挑戰，同時在其市場規模的發展中還面臨著諸多風險，如下游需求不及預期風險、行業競爭加劇風險、原材料供應及加工風險、相關產品國產化替代進程不及預期的風險等。