李儒章 付東兵

對(duì)于5G的研發(fā)與布局，在政府層面，我國(guó)已宣布2020年實(shí)現(xiàn)5G商用。在市場(chǎng)層面，運(yùn)營(yíng)商以及設(shè)備廠商對(duì)5G的態(tài)度更為積極。去年已有運(yùn)營(yíng)商啟動(dòng)了5G外場(chǎng)試驗(yàn)，今年準(zhǔn)備實(shí)現(xiàn)預(yù)商用試驗(yàn)，明年完成預(yù)商用規(guī)模試驗(yàn)。

要實(shí)現(xiàn)5G的高頻段應(yīng)用，高頻器件發(fā)展的基礎(chǔ)作用就日益凸顯。正因?yàn)?G使用的頻段較高，加之受無線電波繞射能力和傳播距離的影響，將采用站點(diǎn)更多、密度更大的微基站來代替大型宏基站。

5G高頻器件的發(fā)展方向

與上述相對(duì)應(yīng)，5G除了要用6GHz以內(nèi)的頻率外，開始使用24GHz以上的毫米波頻段。使用毫米波頻段后，天線尺寸也變?yōu)楹撩准?jí)，通信基站轉(zhuǎn)為采用大規(guī)模陣列天線，實(shí)現(xiàn)多載波聚合，極大地提升頻率效率和傳輸性能。同時(shí)，天線尺寸的大幅縮小將對(duì)天線的材料和加工精細(xì)度提出更高的要求。

引入陣列天線后，又給Massive MIMO（Multiple Input Multiple Output即多輸入多輸出）技術(shù)的實(shí)現(xiàn)帶來了新的可能，從而實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的并行通信，成倍提高速率，提升系統(tǒng)容量和覆蓋范圍。相對(duì)于傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)僅支持8個(gè)天線端口，在Massive MIMO系統(tǒng)中，基站配置的天線數(shù)將會(huì)是幾百甚至幾千根，對(duì)目標(biāo)接收機(jī)調(diào)制相匹配的波束，信號(hào)隔離致互不干擾。

利用通信基站的陣列天線，通過對(duì)射頻信號(hào)的相位控制來實(shí)現(xiàn)波束賦形，所帶來的容量增加就變得非常有價(jià)值。

高頻段的特性決定了高頻段器件的發(fā)展方向。5G商用則帶來了高頻段器件的市場(chǎng)新機(jī)遇。

具體來說，為組建多功能、高寬帶、高集成度、低功耗的微基站，需要配套射頻收發(fā)綜合一體化系統(tǒng)集成芯片，包括低功耗多通道射頻收發(fā)系統(tǒng)芯片RF-TRxSoC，以及可編程射頻收發(fā)系統(tǒng)芯片RF-ADC/RF-DAC+eFPGA全可編程RF-SoC。

5G所用的射頻集成電路，包括采用數(shù)字MIMO和模擬波束賦形，可降低高路徑損耗，并提高頻譜效率的硅基毫米波波束賦形芯片的性能，以及作為系統(tǒng)中的本振頻率源和同步時(shí)鐘電路——頻率合成器的性能。射頻器件模塊是5G通信必備的基礎(chǔ)性零部件，由功率放大器（PA）、濾波器、雙工器、射頻開關(guān)、低噪聲放大器、接收機(jī)、發(fā)射機(jī)等射頻無源器件與射頻前端有源芯片組成。5G射頻器件作為高頻器件必須采用高頻電路，相比于中低頻電路，需要從材料到器件，從基帶芯片到整個(gè)射頻電路進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

5G所用光收發(fā)器件，必須滿足5G通信的數(shù)據(jù)傳輸要求。收發(fā)器件用于基站數(shù)據(jù)互連傳輸，單信道傳輸速率從6Gbps/8Gbps要提高到25Gbps。為保證基站與手機(jī)之間的定向傳輸，就要借助集成移相器、相位控制器等有源器件。其中移相器用來對(duì)波的相位進(jìn)行調(diào)整和改變，用于調(diào)節(jié)交流電壓相位。相位控制器用來控制手機(jī)天線的相位。

5G必須匹配高性能濾波器。對(duì)應(yīng)毫米波頻段的是毫米波MEMS濾波器，要求低功耗內(nèi)插、小型化及SIW封裝。對(duì)應(yīng)Sub6G頻段的是FBAR濾波器，要求寬帶、高回波損耗和帶外抑制、小型化?？傮w特征是高頻化、寬帶化、高功率化和小型化。衡量濾波器性能的指標(biāo)有兩個(gè)：Q值和插入損耗。Q值越高，表明濾波器可以實(shí)現(xiàn)越窄的通帶帶寬，即可以實(shí)現(xiàn)較好的濾波功能。插入損耗是指通帶信號(hào)經(jīng)過濾波器之后的信號(hào)功率衰減，當(dāng)插入損耗達(dá)到1dB，則信號(hào)功率衰減達(dá)到20%。從這兩大指標(biāo)來看，SAW（Surface Acoustic Wave）和BAW（bulk acoustic wave）濾波器憑借優(yōu)良的頻帶選擇性、高Q值、低插入損耗等特性，已成為射頻濾波器的主流選擇，但目前仍為歐美日廠家壟斷。

另外，還要有適于5G應(yīng)用的磁性器件。主要是環(huán)行器/隔離器，YIG磁調(diào)諧器。環(huán)行器/隔離器主要用于基站的收發(fā)單元中，分別起收發(fā)雙工和隔離去耦作用。要求損耗低、精度高、尺寸小等，功率隨基站的不同會(huì)有相應(yīng)的差異。5G通信中的頻譜分析儀、信號(hào)源等儀器需覆蓋從低頻到微波毫米波頻率范圍，YIG調(diào)諧器主要用于寬帶調(diào)諧源和連續(xù)可調(diào)本振。

5G高頻器件研發(fā)方案及計(jì)劃

ADC/DAC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器/數(shù)模轉(zhuǎn)換器）、RFIC（射頻集成電路）的研發(fā)，就重慶聲光電來說，目前能達(dá)到的水平是，ADC ：12～16位百M(fèi)SPS級(jí)；DAC ：12～16位GSPS級(jí)；波束賦形芯片的工作頻率為18GHz；RF Tx/RX：6GHz；頻率合成器（PLL）：8GHz；一體化系統(tǒng)集成芯片：3GHz。

A/D、D/A轉(zhuǎn)換器。5G宏基站需要GHz高中頻采樣寬帶數(shù)字化器件，5G微基站需要“RF收發(fā)機(jī)+ADC/DAC”多路收發(fā)全集成的軟件無線電RF-SoC系統(tǒng)芯片，而5G移動(dòng)終端中的基帶和射頻SoC需要低功耗寬帶ADC/DAC IP作為內(nèi)核，因此，ADC/DAC在各種5G設(shè)備中均為關(guān)鍵核心器件。重慶聲光電計(jì)劃從2018年至2020年，逐步完成宏基站中頻采樣，宏基站高中頻寬帶采樣、射頻直采。

射頻集成電路芯片。主要采用GaAs/GaN工藝研制。在2017年起步的基礎(chǔ)上，從2018年至2020年，射頻收發(fā)一體化系統(tǒng)集成芯片的頻率、噪聲系數(shù)、輸出功率、采樣帶寬等性能指標(biāo)梯次進(jìn)步，在2020年頻率為3～20GHz、噪聲系數(shù)≤3dB、輸出功率≥15dBm、采樣帶寬為GHz；波束賦形芯片在2017年完成集成度4收4發(fā)、移相精度5°、發(fā)射效率12%的基礎(chǔ)上，預(yù)計(jì)2020年達(dá)到，集成度32收32發(fā)+變頻、移相精度2°、發(fā)射效率20%；頻率合成器2017年已實(shí)現(xiàn)頻率0.03～8GHz、底板相位噪聲-223dBc/Hz（小數(shù)）與-226dBc/Hz（整數(shù)）、最高鑒相頻率70MHz（小數(shù)）與150MHz（整數(shù)）。全部性能指標(biāo)逐年提高。

光電收發(fā)芯片及模塊。激光器芯片在2018年、2020年、2025年，分別完成10Gbps （10Gbps高頻封裝）、25Gbps（25Gbps高頻封裝）、50Gbps（25Gbps高頻封裝）；探測(cè)器芯片在2018年、2020年、2025年，分別完成25Gbps（25Gbps高頻封裝）、4×25Gbps（陣列）（多路微光學(xué)集成封裝）、4×50Gbps（陣列）（多路微光學(xué)集成封裝）；光收發(fā)器件在2018年、2020年、2025年，分別完成25Gbps（25Gbps高頻封裝）、4×25Gbps（多路微光學(xué)集成封裝）、400Gbps（集成封裝）。保證穩(wěn)步提升傳輸速率及封裝工藝。

高性能濾波器。MEMS的工作頻率與相對(duì)帶寬，在2018年分別為10GHz～30GHz、5%～30%；在2019年分別為30GHz～50GHz、2%～30%；在2020年分別為50GHz～100GHz、2%～30%。FBAR的工作頻率、相對(duì)帶寬、功率容量、封裝形式、產(chǎn)品形式，在2020年分別為：1GHz-8GHz、1%～8%、10W、系統(tǒng)級(jí)封裝（SIP）、FEM模組。從2018年至2020年，每年都有進(jìn)步，逐步改進(jìn)性能指標(biāo)。

高性能磁性器件。SIW環(huán)行器/隔離器2018年達(dá)成小型集成化；2020年在尺寸上進(jìn)一步縮小為：5×5×3/3.5×3.5×2.5；2025年更進(jìn)一步達(dá)到4×4×2.5/3×3×2。波導(dǎo)環(huán)行器/隔離器2018年實(shí)現(xiàn)寬帶化、低損耗設(shè)計(jì)，2020年完成高功率設(shè)計(jì)，a波段實(shí)現(xiàn)500W（CW），V波段300W；2025年完成小型化。微帶環(huán)行器/隔離器2018年達(dá)到環(huán)行器24～30GHz、帶寬10%、插損0.6dB、 隔離度16dB、駐波1.5等指標(biāo)；2020年實(shí)現(xiàn)小型化、集成化；2025年掌握并應(yīng)用薄膜環(huán)行器設(shè)計(jì)技術(shù)。YIG磁調(diào)諧器在2018年研制出LTCCYIG調(diào)諧器件、表貼式Y(jié)IG調(diào)諧器件、表貼式Y(jié)IG定頻器件、多功能YIG一體集成組件、50GHz YIG帶通濾波器、星載YIG帶通濾波器；2020年研制出LTCC集成YIG器件、LTCC＼芯片驅(qū)動(dòng)集成YIG調(diào)諧器件、LTCC集成YIG器件、YIG薄膜器件、超寬帶低相位噪聲YIG振蕩器；2025年研制出表貼式高Q YIG定頻器件（MEMS）、表貼式Y(jié)IG薄膜器件、陣列化YIG薄膜集成器件、低功耗毫米波YIG濾波器、S-Ku波段可調(diào)瞬時(shí)帶寬YIG帶通濾波器、星載YIG功能模塊、高可靠YIG薄膜器件。

5G高頻器件市場(chǎng)前瞻

據(jù)中國(guó)信通院2017年6月13日發(fā)布的《5G經(jīng)濟(jì)社會(huì)影響白皮書》預(yù)測(cè)，2030年5G帶動(dòng)的直接產(chǎn)出和間接產(chǎn)出將分別達(dá)到6.3萬億和10.6萬億元。

在直接產(chǎn)出方面，按照2020年5G正式商用算起，預(yù)計(jì)當(dāng)年將帶動(dòng)約4840億元的直接產(chǎn)出，2025年、2030年將分別增長(zhǎng)到3.3萬億、6.3萬億元，十年間的年均復(fù)合增長(zhǎng)率為29%。值得關(guān)注的是，2025年中國(guó)5G市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)3.3萬億元。

在間接產(chǎn)出方面，2020年、2025年、2030年，5G將分別帶動(dòng)1.2萬億、6.3萬億和10.6萬億元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為24%（參見圖5圖6）。

5G高頻器件在其中占有重要位置。具體到射頻器件，隨著5G試用或商用，由于頻段的增加，器件數(shù)量也隨之增加。僅就手機(jī)使用的射頻前端模塊（由功率放大器（PA）、濾波器、雙工器、射頻開關(guān)、低噪聲放大器、接收機(jī)、發(fā)射機(jī)等組成），每增加一個(gè)頻段，一般需要增加 1個(gè)功率放大器（PA）、1個(gè)雙工器、1個(gè)天線開關(guān)、2個(gè)濾波器、1個(gè)低噪放大器（ LNA）。以多模多頻的LTE 手機(jī)來說，每一部都需要 20～30 個(gè)射頻器件，5G手機(jī)所需要的射頻器件會(huì)更多。同時(shí)，5G通信所需要的射頻器件的復(fù)雜程度上升，濾波器和雙工器等器件必須升級(jí)，結(jié)果是帶來射頻前端模塊所需器件總體價(jià)值的提升。支持11個(gè)頻段的4G手機(jī)，射頻前端價(jià)值約為11美元。對(duì)于5G手機(jī)來說，射頻前段的價(jià)值只會(huì)更高。射頻前端的量?jī)r(jià)齊升，則會(huì)帶來射頻器件行業(yè)，從射頻設(shè)計(jì)、射頻制造、射頻封裝到射頻測(cè)試，整條產(chǎn)業(yè)鏈新的發(fā)展與市場(chǎng)機(jī)遇。

從SAW（Surface Acoustic Wave）濾波器與BAW （bulk acoustic wave）濾波器細(xì)分領(lǐng)域來看，市場(chǎng)仍有不斷提升的空間。以手機(jī)為例，4G手機(jī)的頻段為41個(gè)，而5G手機(jī)的頻段數(shù)會(huì)多達(dá)91個(gè)以上。以每個(gè)頻段使用兩個(gè)濾波器計(jì)算，5G手機(jī)需要使用一百個(gè)以上的濾波器。iPhone 7的射頻前端配用了3顆PA芯片（高中低頻段）、2顆濾波器組、2顆射頻開關(guān)、2顆PA-濾波器一體化模組。同時(shí)，拓展帶寬的載波聚合技術(shù)，需要在前端使用更多的多工器，而多工器則由多個(gè)不同頻率的濾波器合組，最終增加了濾波器的數(shù)量。數(shù)量的增長(zhǎng)帶來的是整體價(jià)格的抬升。數(shù)量增長(zhǎng)與手機(jī)有限空間的矛盾，要由技術(shù)進(jìn)步來解決，這就是濾波器的集成化、小型化。技術(shù)難度的增加，通暢意味著價(jià)值的提升。

據(jù)Mobile Experts預(yù)測(cè)，全球射頻濾波器市場(chǎng)規(guī)模到2020年有望達(dá)到130億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為21.06%。無獨(dú)有偶，高通預(yù)測(cè)濾波器的市場(chǎng)規(guī)模到2020年將達(dá)到130億美元左右。

由于SAW/BAW濾波器的設(shè)計(jì)制造極為復(fù)雜，目前仍無法使用集成度最高的CMOS工藝進(jìn)行批量化制造，為保證性能必須使用特殊工藝進(jìn)行生產(chǎn)。因此，全部為日美廠商所主導(dǎo)與壟斷，技術(shù)壁壘很難打破。但隨著技術(shù)的不斷積累，我國(guó)濾波器廠商取得突破的內(nèi)外部條件已經(jīng)具備，尤其是在聲表濾波器上存在著突破的更大可能。

在天線細(xì)分領(lǐng)域，由于5G微基站的大量部署，基站天線大規(guī)模采用MIMO技術(shù)，陣列天線應(yīng)用已明顯出現(xiàn)加速趨勢(shì)。陣列天線的尺寸、陣列部署、有源器件、芯片等的技術(shù)難度大幅提升，加工工藝也更加復(fù)雜。僅以天線的尺寸來說，5G高頻段的電磁波的波長(zhǎng)縮小，天線的尺寸也隨之縮小。天線尺寸的縮小意味著在材料的選擇上，在制造的設(shè)計(jì)上，以及在加工的精細(xì)度上，都要符合更高的要求。例如，30～40GHz的5G天線，F(xiàn)PC以及注塑沖壓制作已經(jīng)不符要求，需要采用LTCC、高介電、陶瓷等技術(shù)。如果是60GHz及以上的天線，尺寸更小，就需要微電子加工技術(shù)。如果陣列天線與射頻芯片相結(jié)合，就不是天線廠家或芯片廠家，一家可以獨(dú)立完成的任務(wù)了。那么，陣列天線的價(jià)值水平將隨著技術(shù)與工藝水平的提升，得以大幅提升。國(guó)內(nèi)廠商基于多年的研究開發(fā)經(jīng)驗(yàn)積累，再加上足夠的技術(shù)與資本支撐，在5G天線的未來市場(chǎng)中將占據(jù)一席之地，與國(guó)際市場(chǎng)領(lǐng)先者進(jìn)行同場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。

在功率放大器細(xì)分領(lǐng)域，據(jù)Yole發(fā)布的報(bào)告，2016年全球RF PA市場(chǎng)規(guī)模約為15億美元，到2022年將達(dá)到25億美元。COMS、GaAs和GaN作為功率放大器的三種制備工藝，傳統(tǒng)的LDMOS將逐漸被新興的氮化鎵（GaN）取代，但GaN工藝的成熟度還不足。目前來看，砷化鎵（GaAs）的市場(chǎng)占比相對(duì)穩(wěn)定。原因在于，GaAs射頻功率放大器具有比硅（Si）器件擁有更高的工作頻率和工作電壓，對(duì)于滿足5G高頻、高效、高功率的需求具備優(yōu)勢(shì)。那么，GaAs、GaN工藝將推動(dòng)化合物半導(dǎo)體需求量的增加。以GaAs、GaN為代表的化合物半導(dǎo)體也將成為PA射頻器件的主流材料。目前，在6GHz以下所使用的主要是GaAs HBT，28～39GHz頻段主要是GaAs HEMT和GaN HEMTs，而5G高頻毫米波段主要是InP HBT、GaN HEMT和GaAs HEMT?；衔锇雽?dǎo)體技術(shù)主要被國(guó)外廠商壟斷，但中國(guó)化合物射頻半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)初步形成，緊緊跟隨并蓄勢(shì)待發(fā)。從PA產(chǎn)業(yè)鏈設(shè)計(jì)、制造再到封測(cè)，各個(gè)環(huán)節(jié)均可以看到中國(guó)廠商的身影。舉例來說，2017年8月，國(guó)民技術(shù)公司與成都邛崍市人民政府，簽署了《化合物半導(dǎo)體生態(tài)產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目投資協(xié)議書》，總投資不少于80億元（一期50億元，二期30億元），共同打造化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)圈。

存在的問題及建議

存在的問題可以歸納為以下三個(gè)方面：

一是核心技術(shù)有待突破，包括針對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用需求的芯片頂層架構(gòu)、核心模擬電路單元和數(shù)字校正算法等設(shè)計(jì)、測(cè)試等技術(shù)；同時(shí)，缺乏系統(tǒng)應(yīng)用方案和套片的設(shè)計(jì)能力；

二是先進(jìn)制造工藝支持有待加強(qiáng)，即先進(jìn)RF/AMS IC標(biāo)準(zhǔn)工藝的定制化器件、外殼建模、封裝工藝加工的支持；

三是研發(fā)經(jīng)費(fèi)投入不足。主要緣于先進(jìn)工藝的使用，芯片研發(fā)經(jīng)費(fèi)越來越高（已達(dá)數(shù)千萬元級(jí)），一方面經(jīng)費(fèi)投入不足，另一方面市場(chǎng)回收周期長(zhǎng)，其投資力度更受影響。

基于以上問題，提出以下建議：

一是加強(qiáng)先進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新和高端人才的引進(jìn)，以高起點(diǎn)快速切入高端產(chǎn)品研發(fā)；加強(qiáng)各領(lǐng)域技術(shù)融合，從應(yīng)用、方案到元器件研發(fā)協(xié)調(diào)發(fā)展，以應(yīng)用和市場(chǎng)定義產(chǎn)品，促進(jìn)產(chǎn)品性能、可靠性滿足工程應(yīng)用需求；

二是建立產(chǎn)業(yè)鏈上下游（設(shè)計(jì)、晶圓代工、封測(cè)、應(yīng)用）戰(zhàn)略合作聯(lián)盟，確保5G生態(tài)環(huán)境共同發(fā)展，各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)共贏。

三是在國(guó)家加大高端芯片研發(fā)投入的同時(shí)，多層面、多模式籌措資金，風(fēng)險(xiǎn)共擔(dān)，效益共享。

總體來說，5G作為電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)，需要針對(duì)5G通信發(fā)展的短板，在國(guó)家政策統(tǒng)籌下，通過制造商、運(yùn)營(yíng)商、投資商在科研開發(fā)、關(guān)鍵材料、關(guān)鍵部件等方面通力合作，臥薪嘗膽，方能實(shí)現(xiàn)我國(guó)5G移動(dòng)通信的快速發(fā)展，形成國(guó)際領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。