射頻前端（RFFE）晶片是實現手機及各種行動終端通訊功能的核心組件，全球市場規模超過數百億美元。過去十年國產手機的整體崛起為國產射頻前端產業的發展奠定了堅實的產業基礎；而中國率先實現5G商用，以及全球貿易環境的變化，又為國產射頻產業注入了新的活力。我國射頻前端晶片產業已有超過15年的發展歷史，創新創業活動十分活躍，各類企業林立，備受市場與資本關注。本文作者有幸在射頻晶片產業工作了11年，從2G時代一路走到今天的5G時代，先後在外資企業、民營企業和國有企業工作，直接參與了各類射頻產品的研發和量產。本文總結了作者近年來與業內朋友的討論，並嘗試梳理射頻模組產品的技術市場和商業邏輯。同時，本地射頻技術發展十餘年，競爭是產業主線，合作與友誼卻十分稀缺。本文將著重分享「模組化」的相關知識，也希望更多本地廠商能夠透過「合作」共享模組化帶來的巨大機會。

         

介紹

根據魏少軍教授在「2020全球CEO峰會」上發表的主題演講《世事變遷中的正道－大變局下的戰略抉擇》，統計數據顯示，對中國市場依賴程度最高的美國公司（按營收佔比計算）如下。我們可以看到，美國四大射頻巨頭——SKYWORKS、高通、Qorvo和博通（SKYWORKS和Qorvo主要專注於射頻業務；高通和博通則包含射頻業務）恰好佔據了排名前四的位置。

 

射頻前端的國際情勢

射頻前端技術主要集中在濾波器、功率放大器（PA）、低雜訊放大器（LN）和開關（RF Switch）等。目前，全球射頻市場由引言中提到的四家美國射頻公司主導：Skyworks、高通、Qorvo、博通以及日本的村田製作所，它們也是射頻領域的五大巨頭。

 

 

五大射頻巨頭佔據了功率放大器（PA）和低雜訊放大器（LNA）市場90%以上的份額。在濾波器方面，主要有兩種技術：表面聲波（SAW）濾波和體表面聲波（BAW）濾波。目前，SAW濾波器市場約一半的份額由村田製作所佔據，Skyworks約佔10%，Qorvo約佔4%。其餘份額則由太陽誘電（Taiyo Yuden）和TDK等主要廠商瓜分。 BAW濾波器市場則由美國公司主導，佔了90%的市場。

 

可以看出，射頻前端是一個龐大的市場，足以容納五大國際巨頭的持續發展。這些國際巨頭擁有廣泛的技術跨度和強大的模組化能力；模組化產品是國際競爭的主要方向。每家巨頭都擁有體聲波（BAW）技術或其替代方案。

射頻前端國內現狀

很多文章都提到國內射頻前端的發展現狀，這裡我就不贅述了，只給一些比較普遍認同的結論：

 

1. 本地企業一般專注於分立元件；分立元件是目前本地競爭的主要方向。

2. 本地企業缺乏先進的過濾技術和產品，其模組化能力普遍較弱。

             

5G模組化面臨的挑戰與機遇

PCB佈線空間和射頻調試時間的挑戰已經波及到入門級手機，為國產模組晶片開闢了一條迭代升級之路。

 

射頻模組晶片並非新興產品系列。事實上，射頻模組晶片的應用幾乎與LTE的商業化同步發生。過去十年間，各種複雜的射頻模組被廣泛應用於各品牌旗艦手機；同時，大量入門級手機採用分立元件方案即可完全滿足所有需求。因此，過去十年間出現了兩個截然不同的市場：旗艦機型採用模組方案，入門級機型採用分立元件方案。模組方案要求“高集成度、高性能”，因此價格也很高；而分立器件方案則要求“中低集成度、中等性能”，價格相對較低。兩種方案之間存在著巨大的技術和市場差異。我們可以稱之為4G時代的「模組鴻溝」。

   

4G時代的“模組差距”

 

5G的到來徹底改變了這種情況。

 

與4G入門手機的2到4根天線相比，5G入門手機的天線數量增加到了8到12根；需要支援的頻段和頻段組合也比4G大幅增加。眾所周知，射頻元件的數量與天線數量和頻段數量密切相關，這意味著射頻元件的數量也大幅增加。同時，由於結構設計的限制，5G手機射頻前端的PCB面積無法增加，因此分離式解決方案的面積遠遠超過了可用的PCB面積。這是空間限制帶來的必然結果。

 

另一個挑戰來自調試時間。採用分立元件方案的4G射頻調試時間通常在一週以內。隨著5G射頻複雜度的顯著增加，假設採用分立元件方案，調試時間可能會增加3到5倍；成本方面，還需要更昂貴的5G測試設備和熟悉5G測試的工程師資源。如果採用模組方案，大部分調試工作已在模組設計過程中內部完成，更多的調試工作將轉移到軟體層面，從而大大提高調試效率。這是時間上的一個限制因素。

 

時間和空間的限制是普遍存在的，因此，入門級5G手機自然需要「中低性能高整合度」的模組，這與旗艦手機「中高性能高整合度」的模組需求一致。由於它們都需要高整合度的模組，但指標要求不同，國產模組晶片可以迭代地從「中低性能」（5G入門級手機）演進到「中高性能」（5G旗艦手機），從而縮小「模組差距」。

 

 

凡事都有兩面性。 「模組缺口」填補後，分立晶片市場也出現了風險；對於專注於分立晶片的本土企業而言，它們也需要投入大量資源和實力才能在模組產品領域找到自己的定位；如果它們無法突破，不久的將來就會陷入瓶頸期。

 

在5G發展的早期階段，市場上出現了一種混合解決方案，它採用分立元件和模組相結合的方式。這種方案的出現有許多客觀原因，其中就包括歷史上形成的「模組缺口」。這種方案是妥協的產物，犧牲了一些關鍵指標，並在面積上做出了讓步。如果沒有專注於國產模組製造的晶片公司，就不會擁有優秀的國產模組晶片；如果沒有優秀的國產模組晶片，模組解決方案的價格就會一直居高不下。

             

過濾技術的簡要分類

體聲波濾波器（BAW濾波器）具有插入損耗小、帶外衰減大、對溫度變化不敏感等優點。 BAW濾波器的尺寸會隨著頻率的升高而減小，因此特別適用於1.7GHz以上的中高頻通信，在5G和Sub-6G應用中具有明顯的優勢。

 

 

SAW濾波器：表面聲波濾波器。它是一種特殊的濾波器元件，由石英晶體、鈮酸鋰、壓電陶瓷等壓電材料製成，利用壓電效應和表面波傳播的物理特性。 SAW濾波器具有性能穩定、使用方便、頻率範圍寬等優點，是1.6GHz以下頻率的主流應用。然而，它在處理高頻訊號時存在插入損耗大、發熱嚴重等缺點，因此在處理1.6GHz以上的高頻訊號時適用性較差。

 

 

LC型濾波器：即電感電容型濾波器。 LC濾波器通常由適當組合的濾波電容、電抗和電阻構成。電感和電容共同構成LC濾波電路。

 

             

射頻模組的簡要分類

射頻前端模組將射頻開關、低雜訊放大器、濾波器、雙工器和功率放大器等兩個或多個分立元件整合到一個模組中，從而提高集成度和性能，並縮小尺寸。依不同的整合方式，主天線射頻鏈路可分為：FEMiD（整合式射頻開關、濾波器和雙工器）、PAMiD（整合式多模多頻段功率放大器和FEMiD）、LPAMiD（整合低雜訊放大器、多模多頻段功率放大器和FEMiD）開關等；分集射頻電開關等電頻連接器。

 

主天線射頻鏈路

 

分集天線射頻鏈路

             

射頻前端的“價值密度”

由於 5G 手機的 PCB 面積是有限的資源，我們需要將更多的射頻功能裝置「塞進」5G 手機中，因此在評估每種射頻元件時，我們需要建立一個參數來統一描述它，作為反映其價值和 PCB 佔用面積的綜合指標。

 

價值密度=（平均售價ASP）/（晶片封裝尺寸）

 

接下來，我們使用 VD 值工具來分析三種類型的產品：濾波器、功率放大器和射頻模組。

 

1. 濾波器的VD值

 

 

首先，需要說明的是，由於濾波器通常需要外部匹配電路，因此實際的VD值會低於裝置的VD值。我們暫且忽略這項因素。基於以上數據，我們可以得出一些結論：從LTCC到四工器，VD值持續增加，從1.2增加到10.0，且成長速度相對較快。

 

2. 功率放大器的VD值

 

 

根據以上數據，我們也可以看出：

a) 從 2G 到 4G，VD 值從 0.6 增加到 1.5。

b) 對於從 4G 到 CAT1 演變而來的小型化產品，以及從 HPUE 或 Phase5N 演變而來的大型功率放大器，VD 值已增加到 2 左右。

 

3. 射頻模組的VD值

 

 

根據以上數據，可以得出以下結論：

a) 接收模組的常用VD值約為5；

b) 接收模組中的小型封裝 H/M/L LFEM 具有非常突出的 VD 值，大於 10；

c) 發射模組（FEMiD 除外），VD 值介於 4 和 6 之間；

d) FEMiD 是發射模組中 VD 值最高的。因此，當 FEMiD 與 VD 值較低的 MMMB PA 混合使用時，可以實現合理的 PCB 佈局效率。

 

在匯總表格時，我們也加入了技術本地化率和市場本地化率的參考資料。一般來說，對於市場本地化率較低或技術本地化率遠高於本地化率的子品類，VD值會偏高。隨著在地化對應產品市場佔有率的提升，未來降價空間也會更加明顯。

             

射頻發射模組的五大支柱

   

方案一：功率放大器（PA）與LC型濾波器的整合主要應用於3GHz~6GHz的新型5G頻段。典型產品為n77和n79頻段的PAMiF或LPAMiF。這些新型頻段的5GPA設計極具挑戰性，但由於新頻段的頻譜相對“乾淨”，對濾波器的要求不高，因此LC型濾波器（如IPD、LTCC）即可勝任。總而言之，這類產品設計難度高但並不複雜，其技術和成本完全由功率放大器控制。

 

第二階段：功率放大器（PA）與體聲波（BAW，或高性能聲表面波）的整合。典型產品包括n41的PAMiF或Wi-Fi的iFEM產品，其工作頻段接近2.4GHz。這類產品的頻段屬於常用頻段，功率放大器部分的技術規格要求較高但不嚴苛。由於工作頻段接近2.4GHz，此頻段競爭非常激烈，典型產品需要整合高性能體聲波濾波器才能實現共存。由於這類產品的濾波功能並不複雜，功率放大器仍有一定的技術控制能力；但在成本方面，濾波器可能會超過功率放大器。總的來說，這類產品具有挑戰性但不複雜，功率放大器有一定的控制能力。

 

發射模組3：低頻段發射模組。低頻段（LB）PAMiD通常整合1GHz以下的4G/5G頻段（例如B5、B8、B26、B20、B28等），包括高效能功率放大器和多個低頻雙工器；在不同的方案中，它還可以整合GSM850/900和DCS/PCS 2GPA，以進一步提高整合度。低頻雙工器通常需要採用TC-SAW技術來達到最佳系統效能。根據系統方案的需求，如果在LB PAMiD的基礎上整合低雜訊放大器（LNA），則此類產品稱為LB LPAMiD。可以看出，此類產品的複雜度已經相對較高：在功率放大器方面，需要整合高性能4G/5GPA，有時還需要整合高功率2GPA核心；就濾波器而言，通常需要3到5個採用晶圓級封裝（WLP）的TC-SAW雙工器。從總成本的角度來看（假設需要整合2GPA），PA/LNA部分和濾波器部分的成本佔比基本上相同。 LB(L)PAMiD對技術能力的要求相對均衡，因此在PA和濾波器的交界處出現了第三層級。

 

第四類產品：FEMiD。這類產品通常包含從低頻到高頻的各種濾波器/雙工器/多路復用器，以及主路徑上的天線開關；它們不整合功率放大器（PA）。 FEMiD 產品通常需要整合低溫共燒陶瓷（LTCC）、表面聲波（SAW）、熱電偶表面聲波（TC-SAW）、體聲波（BAW）（或性能相當的整合式高功率表面聲波（IHPSAW））和絕緣體上封裝（SOI）開關。村田製作所定義了這類產品，並在過去近八年中一直佔據市場主導地位。三星和華為等主要手機製造商在其中高階手機中已經或正在大量使用這類產品。如上所述，具有競爭力的 PAMiD 供應商主要集中在北美；出於供應鏈多元化的考慮，一些出貨量龐大的手機型號可能會考慮採用 MMMB（多模多頻段）PA 加 FEMiD 架構。合格的 MMMB PA 供應商廣泛分佈於北美、中國和韓國，而日本村田製作所的 FEMiD 產能非常龐大（主要採用 LTCC 和 SAW 晶片）。如前所述，FEMiD 的 VD 值非常高，整體解決方案的空間利用率也在合理的範圍內。

 

第五款產品：M/H (L)PAMiD。這類產品在射頻前端市場價值最高，也是最難全面整合的領域，堪稱射頻前端市場的巔峰之作。 M/H產品通常覆蓋1.5GHz~3.0GHz頻段，這是行動通訊的黃金頻段。最早的四個FDD LTE頻段Band1/2/3/4、最早的四個TDD LTE頻段B34/39/40/41、所有商用TDS-CDMA頻段都位於該頻段內，最早的商用載波聚合解決方案（Carrier Aggregation）也出現在該頻段內（由B1+B3四工器實現）。此外，GPS、Wi-Fi以及2.4G和藍牙等重要的非蜂窩網路通訊也能運作在該頻段內。正如您所想，該頻段最大的特點是“擁擠”和“幹擾”，同時也為高性能體聲波濾波器展現其性能提供了一個廣闊的舞台。由於此頻段已商業化應用多年，其功率放大器技術相對成熟，核心挑戰在於濾波器。

 

首先讓我解釋為什麼這個頻率是行動通訊的黃金頻率。在漫長的發展過程中，行動通訊的驅動力來自於行動終端的普及率，而行動終端普及的核心挑戰在於終端的效能和成本。在過高的頻率下，例如高於3GHz和高於10GHz，半導體電晶體的特性會迅速下降，難以實現高性能；而在過低的頻率下，例如低於800MHz和低於300MHz，所需的天線尺寸會非常大，用於射頻匹配的電感和電容值也會非常大。在終端尺寸的限制下，很難在超低頻段實現射頻性能的系統規格。簡而言之，從主動元件（電晶體）的性能角度來看，我們希望頻率越低越好；從被動元件（電容、電感和天線）的性能角度來看，我們希望頻率越高越好。從主動元件和被動元件之間的本質衝突，到應用方面的妥協，再到模組內部的集成，它們就像兩股強大的冷暖洋流在1.5~3GHz頻段匯聚，構成了人類行動通訊最輝煌的主幹道，形成了終端射頻領域最複雜、最有價值的黃金漁場：M/HB (L)PAMiD。多麼奇妙！

 

目前，此類高階產品的市場主要由博通（Broadcom）、Qorvo 和 RF360 等美國廠商佔據。下圖是 Qorvo 在其官方帳號上發布的晶片開箱分析圖。可以看出，這類產品包含超過 10 個體聲波（BAW）、2~3 個 GaAs HBT、3~5 個 SOI 封裝和 1 個 CMOS 控制器，是射頻產品中技術複雜度最高的。這類產品通常需要整合四路或五/六路等超高 VD 值的裝置。

 

M/H LPAMiD 開場圖片

來源：Qorvo官方帳號

             

射頻接收模組的五大支柱

   

接收此模組的吳中山型模型如上圖所示。

 

接收器 1：射頻開關和低雜訊放大器 (LNA) 採用射頻 SOI 技術整合在單一晶片上。雖然只是單一晶片，但它也是一個複合功能的射頻模組晶片。此類產品的主要技術是射頻 SOI，該技術在 4G 和 5G 網路中均有應用。

 

接收器2：採用RF-SOI技術實現低雜訊放大器（LNA）和開關功能，並與LC型（IPD或LTCC）濾波器晶片進行封裝整合。 LC型濾波器適用於3~6GHz頻段大頻寬、低抑制的要求，尤其適用於5G NR部分的n77/n79頻段。此類產品也以SOI技術為主，主要應用於5G領域。

 

接收模組3：從接收模組3開始，接收模組需要整合多個聲表面波（SAW）濾波器，整合度也越來越高。通常需要整合一個單刀多擲（SPnT）或雙刀多擲（DPnT）SOI開關，以及多個支援載波聚合（CA）的SAW濾波器。在封裝方式方面，由於「接收模組3」的整合度尚未達到上限，因此有許多可行的方案。其中，國際廠商的產品主要基於WLP（晶圓級封裝）技術。除了在可靠性和產品厚度方面具有優勢外，這些封裝還可以重複用於其他整合度更高的產品中。

 

接收4：這類產品稱為MIMO M/H LFEM。它主要將MIMO技術應用於M/H頻段（例如B1/3/39/40/41/7），以提高通訊速率。對於一些中高階手機而言，它是網路存取的必備條件。通訊業似乎對M/H這個黃金頻段情有獨鍾。從技術角度來看，這類產品基於採用RF-SOI技術的低雜訊放大器（LNA）加開關，並整合了4到6通道的M/H高性能聲表面波（SAW）濾波器。國際廠商已開始在這些頻段普遍採用TC-SAW技術，以實現最佳的整體效能。

 

接收晶片5：接收晶片中複雜度最高的是H/M/L型低頻電磁放大器（LFEM）。這類產品尺寸非常小，卻能實現10到15個頻段的濾波（聲表面波濾波器）、通道切換（射頻開關）和訊號增強（低雜訊放大器）。它具有極高的價值密度（約10）。在5G專案中，它可以幫助客戶大幅減少接收部分佔用的PCB面積，並將寶貴的空間用於發射/天線等其他零件，從而提升整體效能。這類產品對綜合技術要求極高，基本上需要採用先進的WLP封裝技術來滿足尺寸、可靠性和良率要求。

         

總結

1. 射頻模組的核心要求是各種組件的小型化和模組整合。

2. 無論是發射模組或接收模組，純5G模組雖然難度高但不複雜。最具挑戰性和價值的是同時支援4G/5G的高複雜度模組。

 

本土化替代品是一個絕佳的機會，無需在既定軌道上進行創新。其核心在於技術創新，實現4G/5G射頻晶片的產品化、小型化和模組化。凱源通訊專注於射頻模組晶片的研發，已在廈門、上海和台北設立研發中心，以「全模組」為目標，集中資源研發射頻模組，大力推進最具性價比的模組晶片的研發，加速國產模組產品的量產，助力中國通訊產業的健康發展。

   
   

射頻模組的產業化進程在西方企業中率先啟動，比中國早了5到10年。如本文開頭圖所示，目前中國市場上銷售的射頻模組大多來自國外，中國仍處於分立元件產業階段。當然，中國產業需要迎頭趕上，而迎頭趕上的第一步，就是深入分析5G模組的相關知識，結合自身競爭優勢，找到合適的切入點，最終全面擁抱模組化產業的發展趨勢。只要我們全力擁抱這一趨勢，我們完全有信心在未來五到十年內實現國產射頻模組的跨越式發展。

 

聖彼得堡的彼得大帝雕像

   

舉一個類似的成功案例。現代工業革命最初始於西歐。西歐已經開始工業化，而當時的俄羅斯仍然是一個落後的封建農業國家。 1703年，羅曼諾夫王朝的沙皇彼得一世下令在波羅的海沿岸的港口建造一座新都。儘管遭到各方反對，爭議不斷，這位俄羅斯歷史上最偉大的君主之一，曾喬裝成工匠遊歷西歐，克服重重困難，最終建成了通往歐洲乃至世界的新都城（聖彼得堡），它全面擁抱歐洲、擁抱海洋、擁抱工業革命。 18世紀，歐洲、海洋和工業革命是俄羅斯的發展趨勢；而如今，國產替代、5G和射頻模組則是射頻前端產業的發展趨勢。

 

彼得大帝出生時，俄羅斯就像砧板上的魚；當他去世時，俄羅斯已經變成了一把切肉刀。在本土手機產業全面崛起的基礎上，我們希望中國射頻產業能夠勇敢前行，擁抱國產化、5G資訊化、射頻模組化的歷史浪潮。如果我們剛入行時，中國射頻產業還像砧板上的魚，那麼我希望等到我們「退休」的時候，中國射頻產業已經變成了一把切肉刀。讓我們一起加油！

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