射頻芯片（RFIC）——5G通信的核心

隨著5G時(shí)代的到來，5G通信已經(jīng)成了人們非常關(guān)注和在乎的話題，然而，過去人們對(duì)手機(jī)的關(guān)注，往往集中在CPU、GPU、基帶、屏幕、攝像頭上。近幾年，隨著5G技術(shù)的出現(xiàn)，也隨著國產(chǎn)射頻芯片的崛起，5G射頻芯片逐漸進(jìn)入大眾視野，我們知道，手機(jī)之所以能夠和基站進(jìn)行通信，靠的就是互相收發(fā)無線電磁波。手機(jī)里專門負(fù)責(zé)收發(fā)無線電磁波的一系列電路、芯片、元器件等，被統(tǒng)稱為射頻芯片（RFIC）。射頻和基帶，是手機(jī)實(shí)現(xiàn)通信功能的基石。

那么為什么說射頻芯片對(duì)5G通信起著至關(guān)重要的作用呢？

5G相比4G，在性能指標(biāo)上有了大幅的提升，5G的eMBB（增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶）場景，將手機(jī)速率提升至千兆級(jí)甚至萬兆級(jí)，是早期LTE速率（100Mbps）的近100倍。但在傳輸速度實(shí)現(xiàn)飛躍的同時(shí)，2G/3G/4G，加上5G，加上MIMO（多天線技術(shù)），加上雙卡雙待，手機(jī)的天線數(shù)量和支持頻段翻倍增加。4G早期只有不到20個(gè)頻段組合。相比之下，5G有超過10000個(gè)頻段組合，復(fù)雜性堪稱恐怖。同時(shí)又因?yàn)?G手機(jī)的厚度和重量不能增加，功耗不能增加，因此，射頻芯片在5G通信起著舉足輕重的作用。

01、射頻前端核心組件

濾波器

濾波器可以說是射頻前端的核心組件，是制造5G射頻芯片的關(guān)鍵，目前射頻濾波器最主流的實(shí)現(xiàn)方式是SAW和BAW。SAW是聲表面濾波器，是一種利用壓電效應(yīng)和聲表面波傳播的物理特性而制成的濾波專用器件，具有頻率選擇性優(yōu)良（可選頻率范圍10MHz~3GHz）、輸入輸出阻抗誤差小、傳輸損耗小、抗電磁干擾性能好等特點(diǎn)。BAW濾波器不同于SAW濾波器，BAW濾波器內(nèi)的聲波垂直傳播，貼嵌于石英基板頂、底兩側(cè)的金屬對(duì)聲波實(shí)施激勵(lì)，使聲波從頂部表面反彈至底部，以形成駐聲波。然而，濾波器的核心技術(shù)主要掌握在美國的手中，在全球市場方面，也是美國公司主導(dǎo)，SAW濾波器的主要供應(yīng)商是TDK-EPCOS及Murata，兩者合計(jì)占有60-70%市場份額；BAW濾波器的主要供應(yīng)商是Broadcom及Qorvo，兩者占有90%以上市場份額。這無疑給我國實(shí)現(xiàn)全自主制造射頻芯片增加了不少難度。

功率放大器（PA）

射頻功率放大器（PA）又經(jīng)常被稱為是射頻器件皇冠上的明珠，其重要性不言而喻。PA作為射頻前端發(fā)射通路的主要器件，主要是為了將調(diào)制振蕩電路所產(chǎn)生的小功率的射頻信號(hào)放大，以獲得足夠大的射頻輸出功率。當(dāng)PA應(yīng)用于手機(jī)時(shí)，它直接決定了手機(jī)無線通信的距離、信號(hào)質(zhì)量，甚至待機(jī)時(shí)間，是整個(gè)射頻系統(tǒng)中除基帶外最重要的部分。然而，放眼全球市場，PA市場的領(lǐng)軍人物依舊是Skyworks，Broadcom，Qorvo，Murata。但是隨著5G時(shí)代的到來，對(duì)射頻PA的需求也會(huì)大大增加，這對(duì)國產(chǎn)射頻PA來說，既是機(jī)遇，也是挑戰(zhàn)。

射頻開關(guān)

射頻開關(guān)的作用是將多路射頻信號(hào)中的任一路或幾路通過控制邏輯連通，以實(shí)現(xiàn)不同信號(hào)路徑的切換，包括接收與發(fā)射的切換、不同頻段間的切換等。射頻開關(guān)在前端模塊中，雖然沒有濾波器和PA那么重要，但是對(duì)于射頻芯片來說也不可或缺的組成部分。不同于濾波器和PA的全球市場，2022年全球射頻開關(guān)市場規(guī)模為225.58億元（人民幣），同年，國內(nèi)射頻開關(guān)市場容量為60.14億元，占全球射頻開關(guān)市場的26.66%，隨著5G通信的發(fā)展，我國射頻開關(guān)在全球市場占比仍有望提升。

圖：射頻前端結(jié)構(gòu)圖

美國是全球較早推出5G服務(wù)的國家，目前，美國運(yùn)營商們已經(jīng)開始關(guān)注使用低頻頻譜以及DSS（動(dòng)態(tài)頻譜共享）來加速進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)的全國覆蓋。由于美國先進(jìn)的射頻芯片制造技術(shù)，博通（Broadcom）和迅威（Qorvo）BAW濾波器在全球市場占據(jù)的巨大份額，加之美國在高端射頻前端模組（如L-PAMiD）的研究和制造領(lǐng)先全球，目前全球的L-PAMiD只有美國的思佳訊(Skyworks)和迅威(Qorvo)作為主力供應(yīng)，所以在未來幾年內(nèi)，美國應(yīng)該會(huì)繼續(xù)占據(jù)全球5G商用芯片市場的主導(dǎo)地位。

與美國不同，歐洲整體5G進(jìn)度相對(duì)滯后，5G覆蓋人口目前仍然不足10%，Vodafone首席執(zhí)行官NickRead在2022世界移動(dòng)通信大會(huì)上表示，歐洲地區(qū)在未來的十年內(nèi)，很難實(shí)現(xiàn)5G全地區(qū)覆蓋的目標(biāo)，但是隨著歐洲運(yùn)營商逐漸從疫情的影響中走出，未來歐洲運(yùn)營商90%左右投資都將投向5G，情況可能有所改善。據(jù)GSMA數(shù)據(jù)，2020到2025年歐洲移動(dòng)運(yùn)營商將投資1450億歐元，其中90%左右將投資在5G，所以未來幾年內(nèi)，歐洲5G芯片在全球市場所占比重可能會(huì)有所增加。

近年來我國一直在大力支持5G毫米波相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。工信部印發(fā)的《5G應(yīng)用“揚(yáng)帆”行動(dòng)計(jì)劃（2021-2023年）》，明確提出未來三年我國5G發(fā)展的目標(biāo)，今年更是該計(jì)劃的收官之年。在該計(jì)劃中關(guān)于毫米波的相關(guān)規(guī)劃包括：適時(shí)發(fā)布5G毫米波頻率規(guī)劃，探索5G毫米波頻率使用許可實(shí)行招標(biāo)制度，加快輕量化5G芯片模組和毫米波器件的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化等。在商用需求的驅(qū)動(dòng)下，我國5G芯片市場需求持續(xù)旺盛。第一代5G商用芯片就采用了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的7nm工藝，很快，5G手機(jī)規(guī)模商用芯片的工藝已從7nm快速提升至4nm。從2022年開始，各大品牌旗艦機(jī)型開始搭載4nm芯片，2022年1-5月國內(nèi)采用4nm芯片的手機(jī)市場份額約為8%，采用7nm及更先進(jìn)工藝芯片的5G手機(jī)市場占比已高達(dá)97%。芯片的工藝升級(jí)還未止步。

正如之前提到的，對(duì)5G芯片需求量增加是因?yàn)?G手機(jī)支持更多頻段，有更多的射頻通道和天線，使得射頻芯片數(shù)量翻倍甚至四倍于4G時(shí)代，同時(shí)，由于5G時(shí)代更高的峰值速率和更低的處理時(shí)延，催生出更多元的技術(shù)融合與應(yīng)用服務(wù)，所以5G時(shí)代需要的不僅僅是射頻芯片，對(duì)存儲(chǔ)類芯片和處理器芯片的需求也大量增加了。

射頻芯片對(duì)5G通信起著至關(guān)重要的作用，但是國產(chǎn)射頻芯片的研發(fā)一直是我國一項(xiàng)“卡脖子”的技術(shù)，5G射頻芯片真正實(shí)現(xiàn)商用也一直是我國希望盡早實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，筆者總結(jié)了國內(nèi)科研、企業(yè)、產(chǎn)品的先進(jìn)進(jìn)展，讓我們一起了解一下。

國內(nèi)射頻前端科研進(jìn)展

我們知道，表面聲波（SAW）或體聲波（BAW）濾波器都是基于壓電材料能夠在電場的作用下產(chǎn)生形變的特性而制成的，而互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝兼容的氮化鋁（AlN）壓電材料沉積技術(shù)是未來濾波器的一個(gè)重要發(fā)展方向，在此基礎(chǔ)上，武漢光電國家研究中心孫軍強(qiáng)課題組（華中科技大學(xué)）在非壓電的絕緣體上硅平臺(tái)上沉積一層壓電性能優(yōu)異的鋁鈧氮（AlScN）壓電薄膜，通過在壓電薄膜上設(shè)計(jì)叉指換能器實(shí)現(xiàn)表面聲波的激勵(lì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了在硅波導(dǎo)中的聲光調(diào)制，可應(yīng)用于窄帶的微波光子濾波和寬光譜的聲光調(diào)制，具有廣闊的應(yīng)用前景?；谏漕l濾波器的壓電半導(dǎo)體材料需具有高本征電阻率（較寬的禁帶寬度）和高壓電系數(shù)這一特性，中山大學(xué)王鋼課題組采用MOCVD方法，生長出具有高壓電系數(shù)的寬禁帶氧化鎵（?-Ga2O3）半導(dǎo)體薄膜，并基于此制備了聲表面波壓電諧振器,首次實(shí)現(xiàn)了基于氧化鎵薄膜的SAW射頻諧振器，器件在1-3GHz范圍內(nèi)存在顯著的壓電諧振，進(jìn)一步驗(yàn)證了氧化鎵薄膜材料在5G射頻波段的應(yīng)用潛力。這些研究都對(duì)今后國產(chǎn)射頻濾波器的發(fā)展也有著積極的影響。

圖：基于?-Ga2O3薄膜的SAW射頻諧振器工作特性

國產(chǎn)射頻芯片產(chǎn)品

200MHz寬帶射頻收發(fā)器芯片B20是我國首顆100%自研發(fā)高端5G射頻芯片，可廣泛應(yīng)用于5G基站、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、天線以及衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信等諸多領(lǐng)域。B20性能參數(shù)與國際同類產(chǎn)品相當(dāng)，可有效覆蓋75MHz-6GHz頻段，支持2T2R，接收通道最大200MHz帶寬，發(fā)送通道最大450MHz帶寬，可以完全替代進(jìn)口產(chǎn)品。GC080X系列SDR射頻收發(fā)機(jī)芯片于2022年11月推出，集成了12bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC和12bit的數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC，內(nèi)置可編程模擬濾波器，采用直接變頻架構(gòu)，具有超低功耗、高調(diào)制精度、低噪聲的優(yōu)越性能，可廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化數(shù)字無線通信系統(tǒng)。

國產(chǎn)射頻芯片企業(yè)情況

作為國內(nèi)射頻的龍頭，卓勝微已初步實(shí)現(xiàn)射頻前端產(chǎn)品全覆蓋，目前，卓勝微正持續(xù)發(fā)力濾波器、PA和模組等更高難度的射頻前端產(chǎn)品，強(qiáng)化供應(yīng)鏈把控能力，向國際射頻廠商第一梯隊(duì)邁進(jìn)。SAW濾波器方面，目前卓勝微、德清華瑩、好達(dá)電子、麥捷科技等廠商已實(shí)現(xiàn)突破，其中麥捷科技與中電26所生產(chǎn)的SAW濾波器已進(jìn)入華為、TCL等手機(jī)供應(yīng)鏈，好達(dá)電子的SAW濾波器已進(jìn)入中興、魅族等手機(jī)供應(yīng)鏈。BAW濾波器方面，能自主研發(fā)BAW濾波器的企業(yè)還是相對(duì)較少，僅有天津諾思、漢天下等公司。封測是國產(chǎn)射頻芯片中規(guī)模最大的領(lǐng)域之一，國產(chǎn)射頻芯片的封測廠商主要有：長電科技、華天科技等。目前，射頻基板已完全實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，主要的基板廠有：越亞半導(dǎo)體、深南電路等。值得一提的是，越亞半導(dǎo)體是全球首家利用“銅柱增層法”實(shí)現(xiàn)“無芯”封裝基板量產(chǎn)的企業(yè)，同時(shí)在全球手機(jī)射頻芯片封裝基板市場占有率穩(wěn)居前三。

綜合這些角度分析，筆者認(rèn)為我國5G芯片產(chǎn)業(yè)有望在未來幾年迎來爆發(fā)，我國5G芯片在全球市場占比份額及國際市場競爭力也有望提升，總之，5G射頻芯片對(duì)實(shí)現(xiàn)5G覆蓋起著至關(guān)重要的作用，隨著5G時(shí)代的到來，市場對(duì)高性能5G芯片的大量需求一定是未來幾年的發(fā)展趨勢。

特邀作者:陳智超? ?南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院