以第三代半導體材料氮化鎵(GaN) 為核心的射頻半導體材料，支撐著5G基站及工業互聯網系統的建設。今天，我們就一起來看看射頻芯片產業的現狀。
什麼是射頻芯片？
射頻（ RF ， Radio Frequency） ， 表示可以輻射到空間的電磁頻率， 頻率範圍從300kHz～300GHz之間。射頻是一種高頻交流變化電磁波的簡稱。
射頻芯片， 是能夠將射頻信號和數字信號進行轉化的芯片， 具體而言， 包括RF收發機、 功率放大器（PA） 、 低噪聲放大器（LNA） 、 濾波器、 射頻開關（Switch） 、 天線調諧開關（Tuner） 等。
▲ 手機射頻芯片邏輯關係圖
射頻前端器件均有由半導體工藝製備，用於手機端的功率放大器和低噪聲放大器主要基於GaN、 GaAs、 SOI、 SiGe、 Si（用於基站端的大功率功率放大器主要採用GaAs和GaN）。濾波器主要品類有SAW和BAW兩種，均採用壓電材料做基底。RF開關主要基於CMOS、 Si、 GaAs和GaN材料。
射頻前端器件均有由半導體工藝製備，用於手機端的功率放大器和低噪聲放大器主要基於GaN、 GaAs、 SOI、 SiGe、 Si（用於基站端的大功率功率放大器主要採用GaAs和GaN）。濾波器主要品類有SAW和BAW兩種，均採用壓電材料做基底。RF開關主要基於CMOS、 Si、 GaAs和GaN材料。
▲ 射頻前端器件的工藝技術和應用
典型的4G手機需要支持約40個頻段，如B1、 B3、 B5、 B8、 B38、 B41等，每個頻段都需要有1路發射和2路接收。發射通路上需要濾波器、功率放大器、開關等，接收通路需要開關、低噪放、濾波器等器件。
在4G LTE頻段劃分中，有部分頻率相近或重合的頻段，可以形成射頻前端器件共用，業界通常將4G頻段劃分為低頻（698~960Mhz）、中頻（1710~2200MHz）和高頻（2400~3800MHz），相應的，對應射頻前端器件可以形成低頻模組、中頻模組和高頻模組。
▲4G手機射頻架構
由於5G增加了新頻段，支持新頻段就需要增加配套的射頻前端芯片。
簡化來看，射頻發射通路主要是PA和濾波器，接收通路主要是LNA和濾波器，其他如射頻開關、 RFIC、電阻、電容、電感均為核心芯片的配套。
▲5G手機射頻架構
▲ 簡化示意圖
射頻芯片市場
據Yole Development數據， 2018年全球移動終端射頻前端市場規模為150億美元， 預計2025年有望達到258億美元， 7年CAGR達到8%。
▲ 2018~2025年射頻前端芯片市場空間（十億美元）
▲市場空間擴大來自於單機價值量提升
射頻開關（Switch）。射頻開關的作用是將多路射頻信號中的任一路或幾路通過控制邏輯連通， 以實現不同信號路徑的切換，包括接收與發射的切換、 不同頻段間的切換等， 以達到共用天線、 節省終端產品成本的目的。射頻開關的主要產品種類有移動通信傳導開關、 WiFi開關、 天線調諧開關等， 廣泛應用於智能手機等移動智能終端。
以智能手機為例， 由於移動通信技術的變革， 智能手機需要接收更多頻段的射頻信號。2011年及之前智能手機支持的頻段數不超過10個， 而隨著4G通信技術的普及， 至2016年智能手機支持的頻段數已經接近40個。5G應用支持的頻段數量將新增50個以上， 全球2G/3G/4G/5G網絡合計支持的頻段將超過91個。因此， 移動智能終端中需要不斷增加射頻開關的數量以滿足對不同頻段信號接收、 發射的需求。
據Yole Development預測， 分立射頻開關開關的市場規模將從2018年的6億美元增長至2025年的9億美元，年均複合增長率為5%。
▲典型射頻開關的原理圖
▲ 2018-2025年分立式普通射頻開關市場空間（億美元）
天線調諧開關（Tuner）。Tuner主要給天線做配套。全面屏的普及， 緊湊的機身設計， 智能手機留給天線的空間尺寸不斷受到限制， 這導致天線系統的整體效率降低， 需要天線調諧開關提高天線對不同頻段信號的接收能力， 天線調諧開關的重要性和需求也日益增長。相較普通開關， 天線調諧開關有著極高的耐壓要求， 同時導通電阻和關斷電容對性能影響極大， 由此對產品提出了極高的設計和工藝要求。
4G手機一般需要4~6個天線， 而5G手機至少需要6~10個天線， 對應的天線Tuner需求適配性增長。據Yole Development預測， 天線調諧開關的市場規模將從2018年的5億美元增長至2025年的12億美元， 年均複合增長率為13%。
▲典型Tuner的原理圖
▲ 2018-2025年Tuner市場空間（億美元）
濾波器（Filter）。射頻濾波器的作用是保留特定頻段內的信號， 將特定頻段外的信號濾除， 從而提高信號的抗干擾性及信噪比。以聲表面波濾波器為例， 其工作原理：輸入電信號被輸入叉指換能器轉換成同頻率聲波， 經過輸出叉指能換器轉換成電信號， 實現頻率選擇。
濾波器的市場驅動主要源於新通信制式對額外濾波的需求。在4G以及5G頻段的逐步實現， MIMO和載波聚合的應用支持， Wi-Fi、 藍牙、 GPS等無線技術的普及等， 導致射頻濾波器的需求增長迅速。
據Yole Development預測， 從2018年至2025年， 分立射頻濾波器及雙工器等市場規模將從約31億美元增長至51億美元， 其中濾波器從約17億美元增長至27億美元， 年均複合增長率為7%；雙工器從約10億美元增長至16億美元， 年均複合增長率為7%；多工器的市場增長最快， 將從約1億美元增長至5億美元， 年均複合增長率為20%。
▲射頻濾波器原理圖
▲2018-2025年濾波器市場空間（億美元）
低噪聲放大器（LNA）。低噪聲放大器的功能是把天線接收到的微弱射頻信號放大， 儘量減少噪聲的引入， 在移動智能終端上實現信號更好、 通話質量和數據傳輸率更高的效果。根據適用頻率的不同， 分為全球衛星定位系統射頻低噪聲放大器、 移動通信信號射頻低噪聲放大器、 電視信號射頻低噪聲放大器、 調頻信號射頻低噪聲放大器。
低噪聲放大器的工作原理：輸入的射頻信號被輸入匹配網絡轉化為電壓， 經過放大器對電壓進行放大，同時在放大過程中最大程度降低自身噪聲的引入， 最後經過輸出匹配網絡轉化為放大後功率信號輸出。
隨著5G逐漸普及， 智能手機中天線和射頻通路的數量增多， 對射頻低噪聲放大器的數量需求迅速增加，據Yole Development預測， 分立射頻低噪聲放大器市場規模將從2018年的約3億美元增長至2025年的8億美元， 年均複合增長率將達到16%。
▲LNA原理圖
▲ 2018-2025年LNA市場空間（億美元）
功率放大器（PA）。功率放大器（ PA， Power Amplifier） ， 是各種無線發射機的重要組成部分， 將調製振盪電路所產生的射頻信號功率放大， 以輸出到天線上輻射出去。PA的性能直接決定了無線終端的通訊距離、 信號質量和待機時間， 也是射頻前端功耗最大的器件。
根據QYR Electronics Research 數據， 2011-2018 年， 全球射頻功率放大器的市場規模從25.33億美元增長至31.05億美元， 年均複合增長率2.95%；預計至2023年， 市場規模將達35.71億美元。PA市場整體增速較其他射頻前端芯片增速低， 主要是因為高端4G和5G PA市場將保持增長， 但是2G/3G PA市場將會逐步衰退。
▲ PA芯片引腳功能框圖
▲ 2011-2023年年PA市場空間（億美元）
射頻芯片：分立式和模組 。射頻前端模組是將射頻開關、低噪聲放大器、濾波器、雙工器、功率放大器等兩種或者兩種以上的分立器件集成為一個模組，從而提高集成度與性能並使體積小型化。根據集成方式的不同可分為DiFEM（集成射頻開關和濾波器）、 LFEM(集成射頻開關、低噪聲放大器和濾波器)、 FEMiD（集成射頻開關、濾波器和雙工器）、 PAMiD（集成多模式多頻帶PA和FEMiD）等模組組合。
持續增加的射頻前端器件數量和PCB板可用面積趨緊之間的矛盾促進射頻前端模組化發展， 越來越多的分立式射頻前端芯片通過SiP技術封裝在同一顆大芯片裡面。從Broadcom的發展來看， 2007~2010年主要是分立的射頻前端器件， 2011~2013年是單顆PA模組， 2014年以來持續升級， 已經實現多頻段PA模組整合。與此同時， Skyworks、 Qorvo、 村田、 高通等射頻前端芯片大廠均已推出多品類射頻前端模組產品。
射頻芯片：分立式和模組 。據Yole Development的統計與預測， 分立器件與射頻模組共享整個射頻前端市場。2018年射頻模組市場規模達到105億美元， 約佔射頻前端市場總容量的70%。到2025年， 射頻模組市場將達到177億美元， 年均複合增長率為8%；2018年分立器件市場規模達到45億美元， 約佔射頻前端市場總容量的30%。到2025年， 分立器件仍將保留81億美元的市場規模。
▲2018-2025年射頻前端芯片分立式和模組的市場規模對比（百萬美元）
接收模組（FEM）。接收模組主要指承擔下載功能的射頻模組， 不含PA。以手機為例， 與基站通信的過程中，分為上行（上傳） 和下行（下載） ， 手機上傳數據需要手機PA將信號放大， 基站處於接收狀態；下載數據需要基站方面的PA將信號放大， 手機處於接收狀態。接收模組主要是射頻開關、 濾波器、 LNA等芯片產品的排列組合。
據Yole Development數據， 預計射頻前端接收模組市場空間將從2018年的25億美元增長到2025年的29億美元， 年均複合增長率為2%。
▲小米10中用到的接收模組
▲ 2018-2025年接收模組市場空間（億美元）
功率放大器模組（PAM）。功率放大器模組主要指承擔上傳信號功能的射頻模組， 包含PA。以手機為例， 與基站通信的過程中， 分為上行（上傳） 和下行（下載） ， 手機上傳數據需要手機PA將信號放大， 基站處於接收狀態；下載數據需要基站方面的PA將信號放大， 手機處於接收狀態。功率放大器模組主要是射頻開關、 濾波器、 PA等芯片產品的排列組合。以Qorvo某款M/HB PA模組為例， 在一顆大SiP封裝內， 包含有12個濾波器、 3個PA、 1個控制芯片、 1個天線開關和3個射頻開關。
據Yole Development數據， 預計功率放大器模組模組市場空間將從2018年的60億美元增長到2025年的104億美元， 年均複合增長率為8%。
▲射頻濾波器原理圖
▲ 2018-2025年功率放大器模組市場空間（億美元）
AiP模組（毫米波天線模組）。由於毫米波頻率高， 傳輸損耗大， 因此天線和射頻前端集成化， 典型設計上， 將毫米波天線與毫米波芯片封裝在一起， 業內稱之為AiP（antenna-in-package） 。
現階段美國5G網絡主推毫米波建設， 三星美國版搭載AiP模組支持美國5G頻段。預計2020年iPhone新品美國版本同樣需要配置AiP模組。
據Yole Development數據， AiP模組於2019年開始產生銷售， 主要是美國市場， 預計到2025年市場空間將達到13億美元， 年均複合增長率為68%。
▲AiP模塊構成
▲ 2018-2025年濾波器市場空間（億美元）
WiFi模組 。WiFi功能是智能手機的必備， 最新一代標準為WiFi 6， 小米10、 華為P40、 iPhone SE 2代等2020年新上市手機全面支持。每一次標準升級都會帶動相關芯片創新和價值量提升， 隨著WiFi 6新標準的普及滲透， 據Yole Development數據， 預計WiFi模組市場規模將從2018年的20億美元增長到2025年的31億美元， 年均複合增長率為6%。
▲iPhone SE主板，黃色框為USI 339S00648 WiFi/藍牙 SoC，支持最新WiFi 6
▲ 2018-2025年濾波器市場空間（億美元）
競爭格局
射頻器件本質上是半導體器件， 4G普及高峰過後，射頻器件廠商成長性衰退， 2014年以來，射頻器件廠商收購兼併持續進行。2014年TriQuint與RFMD合併成為Qorvo，2016年高通與TDK共同出資建立RF360， Avago收購Broadcom， 傳統半導體芯片大廠持續整合，通過收購或者共同投資將各自優勢產品結合，尋求產業鏈更有力地位，爭取做到多品類器件供應。
總體而言，海外寡頭佔據絕對份額 。全球射頻前端芯片市場主要被Murata、 Skyworks、 Broadcom、 Qorvo、 Qualcomm等國外領先企業長期佔據。根據Yole Development數據， 2018年， 前五大射頻器件提供商佔據了射頻前端市場份額的八成， 其中包括Murata 26%， Skyworks 21%， Broadcom 14%， Qorvo 13%，Qualcomm 7%。
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， 並在高端產品的研發實力雄厚。另一方面，大部分企業以IDM模式經營， 擁有設計、 製造和封測的全產業鏈能力， 綜合實力強勁。
從旗艦機型拆解看， Tuner用量最多 。參考iPhone Xs、 三星S20、 華為P30、 小米8、 OPPO Find X等各品牌旗艦手機拆解信息， 除Murata、 Skyworks、 Broadcom、 Qorvo、Qualcomm五大廠商之外， 主流供應商還有英飛凌、華為海思、 索尼、 安森美、 STM、 NXP等。
而在射頻產品細分品類中， 天線調諧開關（Antenna Tuner） 數量佔比最多， 達到33%， 其他為發射模組（包含HB PAMiD、 MB PAMiD、 HB/MB PAMiD、 PAM） 、 接收模組（包含FEM、 開關低噪放模組） 、 射頻開關和LNA。
▲旗艦智能手機射頻前端芯片供應商分佈
▲ 旗艦智能手機射頻前端芯片細分種類分佈
國內廠商起步晚，從分立式起步 。相比之下， 國內射頻芯片公司由於起步較晚， 基礎薄弱， 並且主要集中在無晶圓設計領域。較之國際領先企業在技術積累、 產業環境、 人才培養、 創新能力等方面仍有明顯滯後， 與美國、 日本、 歐洲等廠商仍存在較大差距。
國內射頻芯片廠商從相對成熟的分立射頻芯片起步， 在5G手機廣泛普及前的窗口期， 逐步實現中低端機型射頻前端進口替代， 同時積累模組能力， 逐步走向全品類供應。
▲ 濾波器和射頻開關組成FEM， FEM加上PA組成PAM，從分立到模組，循序漸進
以iPhone X為例，用到了一顆Broadcom的發射模組芯片，內部包含多個分立的芯片，通過SiP封裝為一顆大芯片。在這顆大芯片之中，具體包含2顆PA， 12顆BAW濾波器， 2顆射頻開關，一顆控制IC。除此之外，還有10顆電感和30顆電容。
目前本土射頻廠商提供的產品主要集中於分立器件，搶佔中低端市場份額，且所提供的產品趨於同質化，從而導致市場價格下降、行業利潤縮減等狀況。結合芯片設計行業的特點，唯有在新技術、新產品等方面持續投入，構建具有自主發展能力和核心競爭力的產業鏈，才能逐步縮減與國際領先企業的距離。
▲ 射頻模組內部由多個射頻分立芯片組成
從華為射頻芯片供應商變遷看自主可控 。2018年之前， 華為P系列和Mate系列的旗艦機型， 射頻芯片的主要供應商是Murata、Skyworks、 Qorvo和Epcos。2018年美國製裁之後， 華為供應鏈逐步放棄美國供應商， 採用海思自研和加快引入國內供應商， 在2019Q4的Mate 30手機中， 射頻芯片主要來自於Murata、海思和卓勝微。
▲2015Q4~2019Q4，華為旗艦機型（P和Mate系列）中，主要射頻芯片供應商變化
▲2015年以來華為旗艦機射頻芯片供應商
每一次通信制式升級， 都是射頻芯片價值量提升的機遇。5G手機必然要兼顧2/3/4G， 因此5G手機在保留2/3/4G射頻芯片的同時， 支持5G新頻段的射頻芯片為全新增量。雖然射頻芯片一直以來都是由國外巨頭壟斷， 但 國內射頻芯片廠商從相對成熟的分立射頻芯片起步， 在5G手機廣泛普及前的窗口期， 逐步實現中低端機型射頻前端進口替代， 同時積累模組能力， 逐步走向全品類供應。
本文轉自公眾號“可汗投研”，轉自“廣東半導體協會”
