5G将开启新时代，射频前端准备好了吗？

大数据，无人驾驶和物联网的兴起，让产业链对5G的渴求达到了前所未有的高度。考虑到大家热议的新一代移动通信在速度、带宽和延迟方面的优势，这种关注度便不足为奇。

从技术层面看，5G移动网络是继目前4G  LTE部署后移动电信标准的下一个主要阶段。根据ITU的定义，5G的峰值速率可以达到20Gbit/S，用户的体验速率也能达到100Mbit/s，延迟更是达到了毫米级别等特点。

ITU定义的5G性能（source：IUT）

虽然产业界上下游都对5G充满了厚望，但直到今天，5G相关的标准依然还没有落实。根据IHS 的报告显示，大量5G标准工作正按计划开展。

3GPP正努力制定Release 15，将于2018年完成，并有望成为全新5G无线空口（ 5G NR）和新一代网络架构（ 5G NextGen）的首个规范。 5G开发工作将延续到3GPP Release 16及以后，但是Release 15将为2019年开始的5G商用提供全球规范。同时，目前3GPP正在开展的工作将在IMT-2020规范正式发布之前提交至ITU，而IMT-2020规范将于2020年完成。 值得注意的是，在这些规范正逐步完成的同时，预标准的5G商用部署将更早启动。

5G标准化时间表（source：IHS）

可以预见的是，在这么高速度的应用环境下，5G对上游半导体供应商来说，将会是一个艰难的挑战，如速度更快的处理器、适合的基带和射频器件等。

5G给射频前端带来大挑战

在谈5G的挑战之前，我们先来了解一下什么是射频前端。

从定义上来看，RF FEM是指从天线到Modem之间的整个系统。在这一部分，包含了滤波器、LNA、PA、开关和双工器等等

手机通信系统结构示意图 (source:国信证券)

回顾1G到4G的发展历程，无线网络的上下行速度在不断加快，设备的射频也在逐步演进。到了4G时代，由于多模多频的需求，射频前端的复杂度已经大幅增加，面对即将到来的5G，这个挑战更是空前的。因为从4G到5G，无线传输速度跨越式提升。

根据无线通讯的相关理论，这样的速度提升可以通过增加频谱利用率或者频谱带宽来实现。但从目前的无线应用现状看来，由于常用的5Ghz以下频段已经非常拥挤。为了获取频谱资源，业界只有将目光投向了更高频率的毫米波。在解决了频段问题，射频也要齐头并进。

毫米波的相关定义（source：Qualcomm）

知名的射频供应商Qorvo表示，为了满足5G的需求，射频前端必须要覆盖所有所有的频段；同时还需要充分利用碎片化频段的载波聚合（Carrier Aggregation，CA）、更高的调制方案和Massive MIMO、另外也需要推进5G标准的落实，因为只有这样，才能让产业链更有的放矢的做开发；当然，基础设施的支持是必须的。

载波聚合技术原理图（source：Qorvo）

我们可以通过对以上技术要求进行拆分，了解5G时代射频面临的挑战。

首先谈一下载波聚合。

由于ITU为5G制定了最高50Gbps的下行速率标准，那么相较于4G中最高支持5个20Mhz的载波聚合，进入5G时代，载波聚合的数量可能会高达32或者64。对于射频厂商来说，就是需要解决串扰的问题。这就给滤波器带来新的需求。除了滤波器外，这种多载波聚合还会对PA和开关器件的线性度提出更高的需求。

Band 1 和 Band 3 双载波聚合频率串扰示意图（source：Qorvo）

其次高频率对滤波器的转变也是一个挑战。

在4G以前，由于频率相对较低，SAW滤波器已经能够满足设备的需求。但跨入了5G高频时代，SAW的局限性就凸显。在高频仍然保持较高Q值的BAW滤波器就成为了业界的新宠。

BAW和SAW的对比（source： Qorvo）

第三，5G引致PA的转变。

在5G毫米波时代，高频段让传统PA的LDMOS工艺捉襟见肘，但天生的性能缺陷让其在未来的高频应用中优势尽失，基站亟需高功率密度、高运行电压、高频率和高带宽的新工艺产品，于是拥有材料性能优势的氮化镓就成为业界追逐的新爆发点。而5G的高频特性，使得信号很容易被阻碍，因此使用微基站来进行信号覆盖，就成为了业界的共识。氮化镓PA恰好也能完美契合微基站的需求。

5G 移动通信基站技术演进路线图

传统巨头强势布局

根据Mobile Experts LLC报告预测，到2020年，移动设备射频前端的市场会高达190亿美元，考虑到5G带来微基站的爆发，对于射频前端厂商来说，这是一个新的成长动力。传统的巨头早就已经在相关领域布局，期待分一杯羹。

移动设备射频前端的2016到2020年间的增长（source：Mobile Experts LLC）

先谈一下传统巨头的布局。

过去的多年里，射频前端市场经历了一系列的收购和兼并，在Avago收购博通成立新博通，RFMD和Triquint兼并成为新的Qorvo以后，射频前端的巨头格局基本已经定下来。

这些厂商之中，有以村田、太阳诱电和TDK为代表的SAW滤波器厂商；在未来5G所需的，能满足高频特性的baw滤波器，目前有Qorvo和新博通，两者几乎瓜分了目前所有的baw市场；在PA市场，则是Qorvo、新博通和Skyworks三分天下；我们着重谈一下滤波器和PA：

Source：国信证券

在一个射频电路中，滤波器的作用就是让特定频率的信号通过，然后尽量地抑制其他频率的信号干扰。通常频率在1900Mhz以下的频率就用SAW，更高的频段就用BAW。

SAW是声表面波滤波器，在输入端由压电效应把无线信号转换为声信号在介质表面传播，在输出端由逆压电效应将声信号转换为无线信号。SAW滤波器集低插入损耗和良好的抑制性能于一身，不仅可实现宽频宽，其体积还比传统的腔体甚至陶瓷滤波器小得多，但是由于SAW滤波器有局限性。，高于1Ghz时，其选择性降低，在2.5Ghz时，就只能满足对性能要求不高的应用，这时候就需要BAW了。

SAW滤波器

BAW 是体声波的简称，这种滤波器内的声波垂直传播，具有很好的高频特性。据介绍，BAW因拥有有意的性能与陡峭的抑制曲线，能解决复杂的滤波问题，如在相同时间启用相邻频带中的射频频谱，却不会受到干扰。在面对多载波，频谱较劲的未来5G高频通信，BAW滤波器成为了必然的选择。Qorvo就是BAW滤波器的两大代表之一。

BAW滤波器

在2017年初举办的“易维讯年度中国ICT论坛暨2017产业和技术展望研讨会”上，Qorvo中国区移动产品销售总监江雄表示，Qorvo的高集成度Baw滤波器能够支持Power Class2 标准，不但可提高30%的发射范围，还能够提升手机射频3db的功率。

不同地区对滤波器的要求（source：Qorvo）

Qorvo总裁Bob Bruggeworth在接受微波杂志采访的时候提到，Qorvo独有的的LowDrift™ BAW滤波器技术相比其他声学滤波器技术具有本质上的性能优势，可以帮助下一代智能手机用户显著改进移动数据服务。高性能BAW滤波器能满足严苛的技术要求，如高度的频率选择性、收发频段的狭窄缝隙，确保温度性能一致性等。

Qorvo的Baw解决方案（source：Qorvo）

我们也可以看到，Qorvo的先进滤波器解决方案在增加性能之余，还将其尺寸大幅度降低，让开发者在将其在和PA、开关和其他RF前端集成的时候，大大提高了灵活度。

射频电路中另一个关键组成则PA(Power Amplifier)，也就是功率放大器，它的主要功能在于将讯号放大推出。从目前的应用上看，功率放大器主要由砷化镓功率放大器(GaAs PA)和互补式金属氧化物半导体功率放大器(CMOS PA)组成，其中又以GaAs PA为主流。但随着5G的到来，砷化镓器件将无法满足在如此高的频率下保持集成度，于是GaN成为了下一个热点。

Qorvo 预测， 8GHz 以下砷化镓仍是主流， 8GHz 以上氮化镓替代趋势明显。砷化 镓作为一种宽禁带半导体，可承受更高工作电压，意味着其功率密度及可工作温度更高，因而具有高功率密度、能耗低、适合高频率、支持宽带宽等特点，包括Qorvo在内的几个业界先驱已经在GaN上投入了巨额资金研究。

GaAs、 Si-LDMOS、 GaN 方案面积对比（source：Qorvo）

Qorvo表示，由于GaN具有高功率密度、宽频性能、高功率处理、输入功率稳定、减少零件尺寸和数量等特点，让其受到功率放大器和无线基础设施等市场的青睐。

据测试显示，GaN可以在一个微小的面积上发射很大的功率，且单位面积上收到的热度是GaAsDE 的十倍以上，因非常适合于5G正在追逐的毫米波频段。

我们需要清楚一点，GaN器件并不是一种新东西，它其实一早就被应用到军事雷达和有线电视等相关设施。但受限于成本问题，过去才一直没有被推广到民用领域。但在经过了Qorvo和Macom这些企业的努力，GaN材料的成本和制造成本开始下降。

如Qorvo早前宣布将其重心转移到6英寸SiC基GaN上，这些都有效的提高了其成本竞争优势。不过我们也要看到，其带来的功耗问题，也需要厂商去解决。

Qorvo无线基础设施产品部总经理Sumit Tomar认为，LDMOS器件物理上已经遇到极限，这就是氮化镓器件进入市场的原因。而基站应用需要更高的峰值功率、更宽的带宽以及更高的频率，这些因素都促成了基站接受氮化镓器件。但是GaN在进入手机的过程中，碰到了一些阻碍。Qorvo方面表示，氮化镓器件工作在低电压环境、必须设计新封装形式以满足散热要求和成本太高是制约GaN器件走向手机的关键。

除了产品外，我们还需要重点关注一个问题，那就是标准。因为无论你做什么器件，都需要严格参照3GPP制定的标准，才能开发出高质量的、符合需求的产品。对很多企业来说，如果能参与都标准的制定中去，不但能将自己的研究成果推进到标准制定方，从某个角度看也能让自己受益。很多厂商也参与到当中去，Qorvo在这方面也走得比较早。

作为领先的RF 供应商，Qorvo 认为，依照频谱和移动或固定无线接入两种特性，将网络容量的这种扩张分类两类。从短期看，在 2.6 Ghz 至 6 Ghz 之间运行的手机基站 (4.5G) 升级将通过额外的通道带宽，提升客户体验。从长期看，真正的 5G 毫米波固定式无线接入将推动并大幅提升固定用户的带宽。两种应用都给行业带来了巨大的 RF 挑战。

Qorvo 作为拥有充分表决权的 3GPP 成员，可以向该标准机构提供有关 4.5 和5G RF 解决方案的建议。随着 5G 标准的发展和全球频谱的划分，这让他们处于优势地位，能够提供广泛的 5G 连接解决方案。而目前他们采取的战略是：支持 4.5G 部署以及不断发展的 5G 生态系统。

虽然5G 毫米波仍处于早期技术验证阶段。Qorvo 也积极与全球网络提供商合作，共同开展 5G 现场试验，以便为将于 2020 年部署初步网络做好准备。截止目前，Qorvo 已参加过20 多场客户现场试验。例如在今年2月。Qorvo加入了中移动的5G联创中心，这是首家被中移动吸纳的射频前端公司。这对于未来5G射频的产品化和商业化大有帮助。

中国厂商任重而道远

在射频前端这个市场，高端领域基本被外国厂商垄断这是毫无疑问的，但近几年中国厂商的进步也是有目共睹的。

根据国信证券的报告显示，在 SAW 器件的制备中，制造成本以及难度高。因此该行业存在着较高进入门槛。 目前国内厂商大部分 SAW 滤波器厂商仍停留在公频波段（较低频率，低于 1GHz）的产品生产中。而对于更高的射频工作频率（如目前 LTE 波段覆盖的高于 2GHz 频段），对工艺有着更高的技术要求，国内暂时无法追赶。在BAW领域国内更是几近一片空白，所以在未来的5G时代，将长时间保持对国外的依赖是一个必然的现象。

国内声学滤波器（主要是 SAW 工艺）科研、生产单位（source:国信证券）

在PA产业，则进展较为顺利。涌现出、汉天下、国民飞骧、中科汉天下、唯捷创芯和苏州宜确等一批厂商，但和滤波器面临同样的问题，那就是高端依然是心头之痛。

射频领域，中国依然还有很长的一段路要走。