姓名：刘轩    学号：19020100412   学院：电子工程学院

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【嵌牛导读】华为P50系列手机不支持5G网络

【嵌牛鼻子】华为5G 射频前端

【嵌牛提问】中国企业能否在短期内解决先进射频芯片设计制造的难题？

【嵌牛正文】

前不久，万众期待的华为P50系列手机终于发布了，极具辨识度的外观和优秀的成像效果令人印象深刻，但是P50系列手机无论配置高低，都不支持5G，就连余承东也在发布会上无奈表示：因为美国的四轮制裁，现在华为的5G芯片只能当成4G来用。要想使用5G信号，除了需要5G基带之外，还需要5G射频芯片、5G基站等硬件的支持，这些硬件缺一不可。虽然麒麟9000芯片支持5G，但是在缺少5G射频芯片的情况下，还是无法使用5G网络。全球约80%的射频芯片市场被联发科、高通、三星等国外企业占据，可惜的是，目前国内还没有攻下5G射频芯片领域，所以华为P50系列手机只能支持4G信号。要知道全球第一台支持5G的手机就是由华为发布，却不曾想如今的华为旗舰手机却只能支持4G信号。所以，在这里简单介绍下射频前端的相关知识。

射频前端简介

射频前端是无线通信设备的一个核心部件，是将无线电磁波信号和二进制数字信号进行互相转化的基础部件。

1）组成

按照功能可分为发射端(TX)和接收端(RX)；

按照组成器件可分为功率放大器(PA)、低频噪声放大器(LNA)、滤波器(Filters)、开关(Switches)、双工器(Duplexes)和调谐器(Antenna Tuner)组成。

对于各个组成部件的功能，具体如下：

a）功率放大器负责发射通道的射频信号放大；

b）滤波器负责发射及接受信号的滤波；

c）低噪声放大器负责接受通道中的小信号放大；

d）射频开关负责接受、发射通道之间的切换；

e）双工器负责准双工切换、接受/发送通道的射频信号滤波；

f）调谐器负责射频信号的信道选择、频率变化和放大。

在5G时代，信号频段数量大幅增加，随之需要的组成部件数量也大幅增加，同时5G通讯设备需要向下兼容4G和3G，因此增量市场相当可观。

根据研究，每增加一个频段，需要增加1个PA，1个双工器，1个射频开关，1个LNA和2个滤波器。2G需支持4个频段，3G需支持6个频段，4G为20个，5G为80个。

那是不是可以简单理解5G时代的射频前端部件数量需要的是4G时代的4倍以上呢？也不是。这里引入载波聚合技术。

2）载波聚合技术

5G大致分为两个频段，分别为FR1和FR2，其中FR1为目前国内主流频率范围，频段号分为1至255。

从频段号图中可知，有几个频段既不属于FDD也不属于TDD，而是SUL和SDL。SUL和SDL频段又称辅助频段，而且频段相对低些，是为了充分利用低频率段传输距离长的特性。

通过载波聚合技术将频段内及跨频段的无线信道进行有序聚合，在不增加发射端功率的情况下加大传输带宽（最大带宽为100MHz），增加传输速度，降低延时，同时增加传输距离，降低基站的建造数量。

此外，载波聚合技术有个缺点，多个频段内无线信号间存在互相干扰。而这缺点的解决依赖于优秀的射频前端开关和滤波器设计，这要求两者具有极高的线性度。

3)潜在机会

介绍完载波技术后，可以知道5G时代实际的频带数量增加更多，并不是简单的4G时代的4倍。

总之，整体数量上多倍于4G时代，设计难度（新材料、新设计、新工艺）上也远高于4G，BOM表中的占比和价值也都远高于4G时代。

在几个主要器件里，滤波器为占比最大的业务板块，2017年占比约为54%(SAW约35%，BAW约15%），而且在5G时代占比将继续提高，至2022年有望到达66%，约200多亿美元；功率放大器PA占比约34%，射频开关约7%，调谐器约5%。

滤波器

首先，滤波器是一种选频装置，使信号中特定频率成分通过而极大衰减其他频率成分。

1）参数指标

射频滤波器的最主要指标有品质因数Q和插入损耗。

品质因数是指电路谐振程度的强弱。Q值越大，通带频率差识别能力越强，也就是说能够实现越窄的通带带宽，实现更好地选择性；

插入损耗是指通道信号被滤波器的衰减，即信号功率损耗。插入损耗1dB，代表信号功率被衰减20%；若插入损耗3dB，则信号功率衰减50%。插入损耗越低，说明能量利用率越高。

2）滤波器分类

在通信行业里，滤波器主要可以分为表面声波SAW、体声波BAW、MEMS滤波器。目前SAW和BAW是主流滤波器。

关于这三者，进化过程大抵是从SAW到TC-SAW到BAW再到MEMS。

SAW（Surface Acoustic Wave）是将电信号变为声信号，声波沿晶体表面传播，再转化成电信号输出，利用的机制主要是石英、铌酸锂、钛酸钡晶体的压电效应。

SAW技术成熟，成本低，插入损耗小，但频率上限为2.5~3GHz，频率高于1.5GHz时选择性降低；在2.5GHz时仅限于对性能要求不高的应用，同时SAW易受到温度变化影响；

TC-SAW（Temperature Compensated

SAW）是SAW的增强版，涂上了一层温度升高时刚度加强的涂层，修正了温度变化对性能的影响。

TC-SAW属于SAW和BAW的过渡产品，温度影响解决，高频性能未解决，胜在成本优势较大。

BAW（Bulk Acoustic Wave )也是将电信号转化为声信号再转化为电信号输出，但传递机制不同，采用了薄膜腔声波谐振器（FBAR），是两个金属电极夹着压电薄膜（2um）使得声波在压电薄膜里震荡形成驻波。

BAW制造工艺复杂，约是SAW的10倍，单位晶圆产出的BAW数量上也较SAW多4倍，成本自然也较SAW高。BAW适用于高频（1.5GHz~6GHz），插入损耗小，对温度变化不敏感，体积小，技术优势较大。

MEMS（微机电系统）是利用集成电路制造技术和未加工技术把小东西集成在芯片上的微型集成系统（毫米级）。

MEMS目前处于研发阶段，且体积尺寸在10mm*7mm，体积远大于SAW和BAW的0.8mm*0.6mm，因此MEMS滤波器暂时不能应用于终端，但MEMS滤波器是毫米波（24GHz以上）频段内的很好选择，所以后期技术突破后存在很大机会，而目前只能在基站上有可能使用。

3）关键工艺

对于高性能滤波器而言，设计和制造都是极大门槛。

设计方面，存在诸多难点，例如如何解决滤波器的温度漂移问题等。其他具体技术难题还有待继续学习。

制造方面，SAW的工作频率局限在2GHz以下，由电极条宽度和压电材料性质决定。电极条越窄，频率越高。如果配合半导体0.2um~0.35um的精细加工工艺则有望达到2~3GHz的工作频率，突破限制，这会给SAW带来更大的市场应用场景。

SAW大致流程为金属膜沉积、上胶及前烘、曝光、显影、漂洗及后烘、刻蚀和去胶。其中曝光设备和光刻技术影响最大。此外，传播速度更高的压电材料也是提高工作频率的另一种手段。

而BAW生产工艺复杂，生产成本高，良品率低，这直接导致BAW无法批量推出。目前BAW滤波器存在替代方案，采用高PA+陶瓷滤波器的方案。

陶瓷滤波器的低频段性能相对较好，高频段较差，因此以牺牲了功耗和信噪比为代价，增加前后级放大器PA的增益以达到相同的特征频段滤波，

最后，在射频滤波器制造工艺中有一门重要工艺LTCC（低温陶瓷共烧工艺），是高频通讯组件（微型）集成的必要工艺之一。

4）生产模式

目前滤波器设计模式最好为IDM（Integrated Device Manufacture），覆盖从设计、制造、封装测试到消费市场的全产业链，目前这种模式都被寡头公司采纳。

这种模式有利于资源整合，缩短开发周期，而且具备技术优势，能够保证较高的利润。

而目前国内大部分采用的是Fabless+Foundary模式。相较于IDM模式，Fabless能够快速响应市场，而且设计技术能够和Foundry制造技术同步发展。

此外，Fabless模式是轻资产，IDM模式是重资产，相对而言Fabless更适合国内现状。但Fabless模式存在被终端厂商替代的可能。

5）相关企业

目前SAW和BAW滤波器均被国际巨头垄断。

SAW滤波器市场以日企为主，Murate、TDK、EPCOS、村田等占了近95%全球市场份额；BAW滤波器市场以美企为主，其中Avago和Qorvo占了近87%全球市场份额。

功率放大器

功率放大器PA是射频前端发射通路的主要器件，是为了将调制振荡电路产生的小功率射频信号放大，获得足够大的射频输出功率，再通过天线上辐射出去，是用于放大射频信号的器件。

它决定了移动终端和基站的无线通信距离、信号质量等关键参数。

经预测，5G手机内的PA芯片达到16颗之多，比4G多模多频手机需要的PA芯片（5-7颗）多上一倍。4G基站采用4T4R方案，对应PA需求量12个，而5G基站采用64T64R方案，对应PA需求量192个，数量有望提升16倍。而且在5G时代，频率更高，PA工艺要求也越高，PA单价也有显著提高。

1）技术路线

终端用PA制作工艺的技术路径基本包括：硅单晶材料（Si CMOS，低端商用，2G PA）到砷化镓（GaAs，高端民用，3G PA）再到氮化镓（GaN，高端军用，4G PA）。此外，基站用PA适用于LDMOS技术，NB-loT用PA则可能采用CMOS和SOI（目前仍以GaAS为主）。

对于这几类技术，具体优劣势如下：

CMOS的优势在于将射频、基频与存储器等组件合二为一的高整合度，并降低了组件成本；

SOI的优势在于可集成逻辑与控制功能，不需要额外的控制芯片；

GaAs的优势在于高电子迁移速率，适合长距离长通信时间的高频电路，但热导率较低，散热性差，可承受功率低（低于50W），价格中等，因此适用于终端射频前端等小功率市场；

GaN的优势在于高热导率和高电子迁移速率，带宽更宽，适用于高功率和高频率（相比于LDMOS，功率提高约4倍），工作频率可达到40GHz，但成本较高，适用于5G宏基站和小基站；

LDMOS的优势在于低成本和大功率性能优势，但仅在不超过3.5GHz的频率范围内有效，在3.5GHz频段性能则开始出现明显下滑。

综合以上特性，移动端以GaAs射频器件为主，而宏基站端则是GaN逐渐替代Si LDMOS，微基站则是GaN逐渐替代GaAs。

射频开关

射频开关是将多路射频信号中的任一路或几路通过控制逻辑连通，以实现不同型号路径的切换，包括接收与发射的切换、不同频段间的切换等，以达到共用天线、节省终端产品成本的目的。

射频开关按照用途可分为移动通信传导开关、WiFi开关、天线开关；

按照结构可分为单刀双掷、单刀多掷、多刀多掷。

对于5G时代日益增加的信道数量，既要满足高功率高频率，又要配合更加复杂的射频信号路径，因此在设计和制造方面均需要进行提升，而在材料商射频开关多半采用化合物半导体工艺。

目前，SOI技术是射频开关的首选技术，近70%射频开关采用该技术，其他采用GaAs工艺而MEMS技术则是高端天线开关的下一步发展方向，预计未来几年内能保证近10%的年增长率。