國聯萬眾 | 智芯研報

1 以 SIW 為代表的新型導波結構可滿足集成需求

由於傳統波導結構和微帶線、帶狀線等微波傳輸媒介不滿足 5G 毫米波頻段基站天線與射頻系統對於體積、損耗、性能、集成度等方面的需求，基片集成波導（SIW）作為一種新型的導波結構有希望在 5G 毫米波射頻系統中廣泛應用。SIW 由加拿大蒙特利爾大學吳柯教授的課題組和東南大學毫米波國家重點實驗室洪偉教授的課題組提出，已成為國內外研究和產業應用的熱點。

SIW 利用金屬過孔在介質基片上實現波導的場傳播模式，並且同時具備了矩形波導和微帶線的優點，包括低插損、低輻射、高 Q 值、高功率容量、小型化，最重要的特點在於能通過現有的 PCB 或 LTCC工藝來製作，可以將無源器件、有源器件和天線等器件集成在同一襯底上，從而使系統體積減小。由於 SIW 與矩形波導相似，因而絕大多數毫米波器件可以由 SIW 結構實現，尺寸重量比腔體器件小，也不存在微帶器件的損耗問題，還具有成本低調試簡單的特點，適合大批量生產。為減少 SIW結構的尺寸，半模基片集成波導（HMSIW）在保存原基片集成波導特性的基礎上將尺寸減少了一半。

SIW 在 5G 毫米波射頻系統中具備廣泛應用的基礎，工藝是該技術的關鍵要素。在毫米波頻段，傳統的 PCB 技術因為成本低、設計便捷可廣泛應用於基於 SIW 器件的製作，金屬通孔可通過微型穿孔或激光切割實現，工藝技術方面需要使金屬孔縱向間隔尺寸滿足要求，避免高頻下輻射的問題。 LTCC 技術也是一種可應用製造 SIW 器件的工藝技術，適用於多層結構和超緊湊器件製作。3D 硅通孔技術和納米材料、次波長等離子體材料等的發展能使 SIW 技術向更高的頻段甚至太赫茲頻段發展。

2 射頻器件中將更多應用 MEMS 工藝技術

微機電系統 Micro-Electro-Mechanical Systems（MEMS）是利用集成電路製造技術和微加工技術把微結構、微傳感器、控制處理電路甚至接口、通信和電源等製造在一塊或多塊芯片上的微型集成系統。MEMS 不僅具有集成電路系統的優點，同時還具備微型化、集成化、多樣化、批量化等特點，MEMS 利用傳統半導體工藝和材料，通過微米技術在芯片上製造微型機械，並將其與對應電路集成為一個整體。運用MEMS 可生產傳感器包括硅麥克風、陀螺儀、加速度器等，可生產執行器包括射頻、微鏡、振動器、濾波器等。

根據 Yole Development 預計，2017-2022 年全球 MEMS 市場的複合年增長率為 8.9%，將從約 130億美元增長到250 億美元。預計按照產品線劃分占主導地位的仍是慣性傳感器和微流量傳感器，佔比都為 24%左右，其次是壓力傳感器，佔比為 13%，光學傳感器和噴墨頭，佔比都在 10%左右。但射頻 RF MEMS 市場增速較快，預計 2017 年-2022 年全球射頻MEMS 市場規模年複合增長率為 35%。

全球市、意法半導體、惠普、德州儀器、佳能、InvenSense、Avago 和 Qorvo、樓氏電子、松下等， BOS 場 MEMS 廠商主要包括博世CH 由於在汽車電子和消費電子市場的佈局，營收約佔前五大公司合計營收的三分之一，佔據行業第一的位置。據賽迪顧問的數據預計 2017 年中國 MEMS 市場規模將達到 400-450 億元，市場增速平均為 15%-20%，一直快於全球增速，也快於集成電路市場增速。中國 MEMS 設計環節主要公司包括海思半導體、展訊、RDA、全志科技、國民技術、瀾起科技等。

3 GaN 等化合物半導體市場具備快速增長前景

硅單晶材料是普通集成電路芯片的主要原料，但是由於材料特性所限，在高頻、高壓、大電流芯片中很難被廣泛應用。化合物半導體包括三五族和四族半導體包括氮化鎵（GaN）和砷化鎵（GaAs）具備優良的射頻性能，並具有禁帶寬度寬、截止頻率高、功率密度大等特點，已在某些民用、軍用高性能射頻集成電路中使用，在 5G 毫米波高頻段射頻系統中具備廣闊的應用前景。

例如在射頻器件 PA 芯片中，目前主要的工藝包括 Si CMOS、GaAs、GaN 等，GaAs 芯片已廣泛應用於手機/WiFi 等消費品電子領域，GaN PA 具有最高功率、增益和效率，但成本相對較高、工藝成熟度略低，目前在遠距離信號傳輸和軍工電子方面應用較多。根據 Yole Development 數據顯示，2010年全球 GaN 射頻器件市場規模僅為 6300 萬美元，2015 年 2.98 億美元，2019年 5G 將推動行業快速增長，預計 2020 年將達到約 6.2 億美元。

目前全球化合物射頻芯片設計業呈現 IDM 三寡頭的市場格局，2014 年 PA 市場傳統砷化鎵IDM 廠商 Skyworks、Qorvo、Avago 市場份額分別為 37%、25%、24%。中國化合物半導體市場在 PA Fabless設計領域已有包括銳迪科（RDA）、唯捷創芯（Vanchip）、漢天下（Huntersun）、國民技術、蘇州宜確等廠商，還有包括中電科 13 所、55 所等科研院所，代工環節包括三安光電等，封測領域也有長電科技、晶方科技、華天科技等優質企業。

4 鐵氧體旋磁材料在開關等器件中具備應用潛力

在 5G 毫米波頻段的基站天線射頻系統中，Massive MIMO、波束賦形以及載波聚合等技術的應用都需要 RF 天線開關器件。在低頻段三極管、FET 管搭建的開關可以滿足要求，但在高頻段可以選擇鐵氧體材料或者 PIN 二極管來搭建開關組件。相對於半導體開關，鐵氧體開關雖然在小型化、可集成性、開關速度方面有不足，但是在插入損耗與功率容量方面具有明顯優勢，並且具備很強的可靠性，已在雷達系統中廣泛應用，未來在 5G 毫米波頻段基站射頻系統器件中具備應用潛力。

鐵氧體是由鐵的氧化物及其他配料燒結而成，一般可分為永磁鐵氧體、軟磁鐵氧體和旋磁鐵氧體三種。旋磁鐵氧體是指具有旋磁特性的鐵氧體材料，旋磁性是指在兩個互相垂直的直流磁場和電磁波磁場的作用下，平面偏振的電磁波在材料內部按一定方向的傳播過程中，其偏振面會不斷繞傳播方向旋轉的現象。廣泛應用於微波通信領域的即是旋磁鐵氧體，按照晶體類型劃分，旋磁鐵氧體可分為尖晶石型、石榴石型和磁鉛石型（六角型）鐵氧體。鐵氧體在微波頻段有高電阻率和各向異性的特性，微波信號通過鐵氧體具有在不同方向上不同的傳播特性，利用該特性可製作方向性器件。隔離器是一個有單向傳輸特性的二端口器件，在規定方向上傳輸僅有很小的損耗，而在另一個方向上傳輸就有很大的損耗，由磁化的鐵氧體片、傳輸線和輸入輸出連接器組成。環行器是一個有單向傳輸特性的三端口器件，讓器件從 1 到 2，2 到 3，3 到 1 是導通的，而信號反過來從 2 到 1，從 1 到3，從 3 到 2 是隔離的，也由磁化的鐵氧體片、傳輸線和輸入輸出連接器組成。

隔離器和環行器的主要技術指標包括工作頻率範圍、插入損耗（Insertion Loss）、反向隔離（Isolation）、輸入/輸出電壓駐波比（VSWR）、輸入/輸出連接器形式、承受功率、工作溫度和尺寸等。隔離器常用在微波信號傳輸系統中，在功放的輸出級使用隔離器可防止設備輸出端過大的反射信號對前級的影響；環行器的四端口變形也稱為雙工器，環行器可用於雷達或通信系統裡使收/發信號相互隔離，收發可共用同一個天線。

國內微波鐵氧體材料和器件具備規模生產的廠商主要包括中國電子 9 所、14 所、航天 23 所、898廠、899 廠、607 所等軍工企業及一些民營合資公司，其中 898、899 廠主要從事鐵氧體材料的生產，器件研製主要是中電 9 所、14 所以及航天 23 所等廠商。國內廠商在磁性材料生產方面具備原材料供應、人力成本等優勢，在中低端產品市場具備較強競爭力，包括橫店東磁、天通股份、寧波韻升、中科三環等企業在永磁鐵氧體、軟磁鐵氧體等產品上已形成較大規模生產能力，但受限於工藝水平和生產設備，在中高端產品上與日本 TDK 公司、法國 Thomson 等世界一流企業還存在較大差距。

目前鐵氧體制造工藝與方法主要包括火花等離子燒結（SPS）、自燃燒合成法、自蔓延高溫合成法（SHS）、快速燃燒合成技術（FCT）、水熱合成法、新型水熱合成法、機械合金法、微波燒結工藝等。由於在微波鐵氧體器件的研製過程中，不僅包括器件產品研發設計、外殼結構件加工等工序，還存在旋磁鐵氧體材料生產、磨拋加工等工藝流程，器件生產涉及的工序流程涵蓋電子、通信、化學、材料、機械等多學科應用，加上目前微波鐵氧體器件大多面向軍工需求，國內市場主要研製生產的企業已經建立較高壁壘。

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