本文從射頻前端小型化，高集成的趨勢出發，討論了射頻前端公司競爭態勢，特別是有射頻濾波器設計生產能力的企業在未來射頻模組的競爭中，可能具有的優勢和遇到的問題。

1. 射頻前端

射頻前端是各類通信系統的重要組成部分，其核心作用是實現基帶信號的射頻收發轉換，要求高效，低噪聲，濾除干擾信號和低功耗(移動設備)。其中移動終端的射頻前端功能器件主要包括功率放大器(PA)、低噪放大器(LNA)，射頻開關(Switch)、濾波器(Filter)、雙工器(Duplexer)及天線調諧器(Antenna tuner)，參見圖一。

圖一，射頻前端架構，來源：RF技術社區

其中：

· 功率放大器—負責發射通道的射頻信號放大。

· 濾波器—用于保留特定頻段內的信號，濾除干擾不需要的信號。

· 雙工器—由兩組不同頻率的帶阻濾波器組成，用于發射和接收信號的隔離。

· 射頻開關—用于實現射頻信號接收與發射的切換、不同頻段的切換。

· 低噪聲放大器—主要用于接收通道中小信號的放大。

· 天線調諧器—使發射機和天線之間阻抗匹配，改善天線在特定頻段上的效率。

取決于應用場景和中端設備集成度的需求，上述器件通常會按照收發功能要求和支持的頻段范圍進行一定程度的集成。從市場產品構成來看，上述功能器件組成：PA模組、RX FEM、分立式濾波器，構成射頻前端三大主體。以5G手機為例，其射頻前端器件參見圖二。

圖二，5G手機射頻前端舉例，射頻濾波器廣泛存在，來源：Qorvo

不同類型和級別的手機支持的頻段種類不同，數量不同，其射頻前端的數量也有所變化，參見圖三：

圖三，高端手機(左)和低端手機(右)射頻前端舉例，來源：Skyworks

源于對輕，薄，美觀(如全面屏)和續航能力的追求，移動終端是各類通信系統中集成化趨勢最強，集成度最高的產品。以手機為例，在經歷了功能機到智能機，3G手機到4G手機、再到5G手機的演進，手機芯片的集成度是非常高的。手機SoC芯片已經完成了對系統中絕大部分數字器件的集成：AP，基帶處理，視頻加速，音頻處理都已經逐步集成進SoC芯片。不僅僅是數字器件，這一過程中SoC芯片也吸收了各類ADC，DAC，驅動，接口等非純數字工藝的器件。然而，射頻前端在這整個集成過程中基本上是獨立于SoC沿著自己道路演進的。這主要是因為射頻前端采用的工藝和設計理念是相對獨立的。

射頻前端是手機的核心器件，直接影響著手機的信號收發。

2. 射頻濾波器

射頻濾波器本質上講是一種聲學濾波器，主要包括聲表面波濾波器(SAW)、體聲波濾波器(BAW)兩種。其原理是用壓電轉換材料將高頻信號轉為音頻信號，通過控制音頻信號在器件體表(SAW)或體內(BAW)的傳輸、反射，在輸出端有選擇的將目標信號通過壓電轉換材料恢復成電信號，從而實現信號濾波。相對SAW，BAW的工作頻率更高，成本也更高。射頻濾波器主要由MEMS工藝制成。

2.1 SAW濾波器

SAW全稱是Surface Acoustic Wave(SAW) filter，顧名思義是一種沿著固體表面(surface)傳播的聲波(acoustic wave)。一個基本的SAW filter由壓電材料(piezoelectric substrate)和2個Interdigital Transducers(IDT)組成，參見圖四，圖五。

圖四，IDT和壓電材料，來源：Qorvo

圖五，SAW濾波單元，來源：微波射頻網

IDT是由交叉排列的金屬電極組成，圖五中左邊的IDT把電信號(electrical signal)轉成聲波(acoustic wave)，右邊的IDT把接收到的聲波再轉成電信號。SAW filter常用的壓電材料有LiTaO3，LiNbO3，SiO2等。其基本結構中左邊IDT交叉排列的電極之間交流電壓產生壓電材料的mechanical stress并以SAW的形式沿著表面傳播，而在垂直方向上SAW幅度快速衰落。右邊的IDT也是同樣結構，只是接收SAW，輸出電信號。

SAW濾波器有兩個重要特點：

· IDT電極之間間距決定SAW濾波器工作頻率，因此SAW有工作頻率上限。根據Qorvo的研究，超過1GHz，SAW的性能開始下降，至1.9GHz情況SAW仍然可以有效應用于各類手機通信系統，但超過2.5GHz時已基本無法使用。

· SAW filter對溫度變化也敏感，性能隨著溫度升高變差。TC(temperature compensated)-SAW filter就是為了改善溫度性能，IDT上增加了保護涂層。增加的涂層使工藝變得復雜，成本也增加，不過相對BAW filter還是便宜一些。

2.2 BAW濾波器

BAW濾波器全稱為Bulk Acoustic Wave(BAW) filter，與SAW filter不同，聲波在BAW filter里是垂直傳播。BAW filter的最基本結構是兩個金屬電極夾著壓電薄膜，聲波在壓電薄膜里震蕩形成駐波，參見圖六。

圖六，BAW濾波器基本架構，來源：Qorvo

為了把聲波留在壓電薄膜里震蕩，震蕩結構和外部環境之間必須有足夠的隔離才能得到最小loss和最大Q值。聲波在固體里傳播速度為~5000m/s，也就是說固體的聲波阻抗大約為空氣的105倍，所以99.995%的聲波能量會在固體和空氣邊界處反射回來，跟原來的波(incident wave)一起形成駐波。而震蕩結構的另一面，壓電材料的聲波阻抗和其他襯底(比如Si)的差別不大，所以不能把壓電層直接deposit(沉積)在Si襯底上。

有一種方法是在震蕩結構下方形成Bragg reflector，把聲波反射到壓電層里面。Reflector由好幾層高低交替阻抗層組成，比如第一層的聲波阻抗大，第二層的聲波阻抗小，第三層聲波阻抗大，而且每層的厚度是聲波的λ/4，這樣大部分波會反射回來和原來的波疊加。這種結構整體效果相當于和空氣接觸，大部分聲波被反射回來，這種結構稱為BAW-SMR(Solidly Mounted Resonator)，見圖七右側。

圖七，BAW濾波器兩種主流技術，來源：Qorvo

還有一種方法叫FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator),是從substrate后面etch到表面(也就是bottom electrode面)，形成懸浮的薄膜(thin film)和腔體(cavity)。FBAR類似于BAW resonator的基本模型，兩面都是空氣，由于空氣的聲波阻抗遠低于壓電層的聲波阻抗，大部分聲波都會反射回來。不過薄膜結構需要足夠堅固以至于在后續工藝中不受影響。相比BAW-SMR，FBAR較少一部分跟底下substrate接觸，不好散熱。參見圖七左側。FBAR包括Membrane type和Airgap type。圖七為Membrane type。

BAW濾波器的特點：

· 上述兩種類型BAW濾波器的聲能密度都很高、其結構都能很好地導限聲波，它們的損耗都非常低。在微波頻率，BAW可實現的Q值、在可比體積下、比任何其它類型的濾波器都高，可達2500@2GHz。這使得即使在通帶邊緣的吃緊處，它也有極好的抑制和插入損耗性能。

· 雖然BAW和FBAR濾波器的制造成本更高，其性能優勢非常適合極具挑戰性的LTE頻帶以及PCS頻帶，后者的發送和接收路徑間只有20MHz的狹窄過渡范圍。濾波器 微信公眾號認為，BAW和FBAR濾波器的IDT可做得足夠大，以支持4W@2GHz的更高射頻功率。

· BAW濾波器的尺寸與其支持的頻率成反比，頻率越高尺寸越小。相反，頻率較低的頻段反而是SAW更方面支持。

· BAW器件對靜電放電有固有的高阻抗，抗靜電能力遠高于SAW。

前面提到SAW在1.9GHz頻段仍然可以有效支持應用場景，然而隨著5G的到來，大量超2GHz的頻段被啟用，頻譜擁擠導致縮窄甚至舍棄保護頻帶的趨勢，對于高性能濾波器的需求顯著增加。BAW技術使人們有可能設計出具有非常陡峭濾波器裙邊、高抑制性能以及溫漂很小的窄帶濾波器，它非常適合處理相鄰頻段之間非常棘手的干擾抑制問題。

SAW濾波器廠商也在不斷提高SAW的生產工藝。村田推出的IHP(Incredible High Performance)SAW，高通推出的ultraSAW，Qorvo的No/Low Drift SAW等等，都是優化了SAW在2GHz附近的性能，提供類似BAW，甚至更好的性能，以更好支持5G時代主要手機頻段。圖八展示了SAW和BAW各自支持的頻段，其中在2GHz附近兩者有交集。

圖八，SAW和BAW支持頻段，來源：Qorvo

BAW器件所需的制造工藝步驟是SAW的10倍，一般BAW的生產過程需要約20個Mask，而SAW只需要3~4個。但是BAW可以在更大晶圓上制造的，每片晶圓產出的BAW器件也多了約4倍。即便如此，BAW的成本仍高于SAW。在圖八中SAW和BAW有交集的部分，兩者是有競爭的，然而，對一些分配在2GHz以上極具挑戰性的頻段來說，BAW是唯一可用方案。因此，BAW濾波器在3G/4G/5G智能手機內所占的份額在迅速增長。

3. 射頻模組

射頻前端根據應用場景和中端設備集成度的需求，往往以某種集成度的射頻模組出現，圖九是提供了關于FEMiD和PAMiD的一個示例。注意在其中可以看到大量射頻濾波器的集成。

圖九，FEMiD，PAMiD，來源：新財富網站

3.1 FEMiD

FEMiD(Front End Modules integrated Duplexers)指把濾波器組、開關組和雙工器通過SIP封裝在一枚芯片中。FEMiD最早出現在3G時代是由于3G手機第一次有了多模多頻段(MMMB)的需求，當時主導FEMiD市場的是以Murata和TDK為代表的無源器件廠商，它們把開關器件和多個頻段的濾波器集成到一枚芯片當中打包出售，一方面為手機廠商降低設計和采購難度，另一方面也能夠為自身帶來更高的利潤。事實上從3G時代開始，整個RF前端方案的進化都是圍繞多模多頻段進行的。從技術的角度看，FEMiD的實現難度并不高。

圖十是FEMiD的一個示意圖。

圖十，Skyworks96000 FEMiD，來源：Skyworks，新財富網站

3.2 PAMiD

PAMiD(Power Amplifier Modules integrated Duplexers)把PA和FEM一起打包封裝，使得射頻前端的集成度再一次提高。PAMiD相對于FEMiD來說，有兩大優勢：一方面通過小尺寸集總元件進行匹配，提高集成度集成度，節省手機PCB面積;另一方面，PA的輸出匹配是整個射頻前端設計最繁瑣的步驟，PAMiD的出現使得PA的輸出匹配工作由RF器件供應商承擔。對于手機廠商(OEM)來說，PAMiD的出現讓射頻前端從以前一個復雜的系統工程變成了簡單的搭積木工作，手機廠商只需要根據設計規劃，采購相應頻段的PAMiD模塊，這樣一來，射頻前端的設計難度大大降低。圖十一是FEMiD的一個示意圖。

圖十一，Skyworks78113 PAMiD，來源：Skyworks，新財富網站

射頻前端發展的主線是從FEMiD(無源器件集成)邁向PAMiD(有源+無源器件集成)的過程。PAMiD雖然集成度高，節省手機PCB空間，但支持多頻段+載波聚合+MIMO的PAMiD成本高昂，一般手機廠商難以承受。目前主要是蘋果這樣出貨量大的高端品牌采用。對于其他大部分手機廠商來說，根據不同機型搭配不同的射頻方案，才是更為合理的選擇。目前射頻前端廠商推出的產品種類眾多，OEM廠商可以根據不同需求選擇搭配。

盡管射頻前端集成化是大勢所趨，這里也重點介紹了FEMiD和PAMiD，但由于低端手機的龐大出貨量，低集成度模組之間互相搭配的解決方案在短期內仍然會繼續存在。射頻前端還存其他一些常見的集成模組見表一。

表一，各類射頻模組，來源：新財富網站

4. 市場與競爭

Yole Development 2021年發布的最新射頻前端市場數據指出，整個手機射頻前端市場有望以8.3%復合增長率從2019年的124億美金增長到2026年的216億美金(見圖十二)。如我們在圖一中看到的，其中增長較大的PA模組和FEM模組中廣泛存在著射頻濾波器。

圖十二，射頻前端市場最新預測，來源：Yole Development

根據前瞻產業研究院估，以射頻功能器件為單位計算，射頻市場中濾波器的份額約為53%，遠高于其他相關器件，占射頻前端市場超半壁江山(見圖十三)。結合Yole的預測，射頻濾波器市場在接下來幾年中是個超百億美元量級的市場。

圖十三，濾波器占比，來源：前瞻產業研究院

如Yole預測的這樣大規模的增長，得益于通信技術從2G發展到5G，手機射頻前端支持的頻段不斷增加，從最多不超過5個，逐步增加到要支持50+個頻段。這一演進的過程，帶來的是射頻前端鏈路器件成倍增長，特別是射頻濾波器數量的大幅增長。表二是典型2G到5G手機支持的頻段數量以及相應濾波器個數，5G單支手機射頻濾波器的價值可以達到$10以上。

表二，濾波器數量增長，來源：好達電子招股書

全球射頻濾波器市場，約9成以上的市場份額被美、日兩國占據，形成壟斷的局面。主要生產SAW/BAW濾波器的廠商有Murata、TDK、Taiyo Yuden、Broadcom、Qorvo、Skyworks等廠商(參見圖十四)。

圖十四，射頻濾波器的壟斷，來源：前瞻產業研究院

據半導體觀察報道，2021年中國大陸射頻前端廠商銷售額約20億美金(合計130億元)，預估2021年全球射頻前端市場規模為190億美金(含手機和非手機)，國產射頻前端廠商約占比10.5%。國產廠家銷售額占比雖然較小，但增長速度較快。2018年，國產射頻前端芯片銷售額大約3億美金，全球市場占有率為5%。2020年，國產射頻前端芯片銷售額約9億美金，而2021年增長到了20億美金。國產射頻前端正處在快速發展器。2021年，國產分立射頻濾波器約12億元。

針對百億美金體量的射頻濾波器市場，目前國產濾波器創業公司多達30~40家，其中主要為SAW濾波器創業企業，這一方面是因為SAW在國內創業相對BAW較長積累一定技術和人員，另一方面也是因為BAW的生產門檻較高。射頻前端的國外廠商主要采取IDM模式，國產廠商起步較晚，主要采用代工生產為主。射頻前端廠商大體可以分為兩大陣營：射頻PA和射頻濾波器。業界眾多相關公司基本歸屬于這兩類陣營。國產PA和濾波器器件在設計和生產方面，有較大區別。國產PA重在設計，生產工藝主要由代工廠掌握和提供。以目前較為成熟的砷化鎵射頻PA工藝為例，全球76%的GaAs晶圓片代工由穩懋完成。而射頻濾波器則重在工藝優化對性能和質量的提升。在代工前提下，如何避開國外競爭對手在性能相關專利上的封鎖，將工藝優化措施成功導入代工廠實現量產迭代，并保護相關工藝的獨家使用，則是國產射頻濾波器廠商面對的主要任務。

PA和濾波器兩大陣營在競爭中都想抓住射頻前端集成的大趨勢。國際上射頻前端廠商在過去10年中不斷整合(參見圖十五)，帶來一些啟示，那就是要想在射頻模組的競爭中生存，龍頭企業必須沒有短板。其中Murata并購了瑞薩PA部門和pSemi，Broadcom(Avago)收購了英飛凌BAW濾波器業務，Skyworks和松下合資成立FilterCo涉足BAW濾波器并收購了全部股份，RFMD(PA)和TriQuint(SAW、BAW)于2014年合并為Qorvo，Qualcomm和TDK合資成立RF360后收購了RF360。

圖十五，業界整合，來源：Yole

射頻濾波器在射頻模組中占比很高，以Phase-5N PAMiD模組為例，濾波器共10顆，PA共3顆。而這一模組中濾波器的數量和面積與其他器件總和相當。如果PA廠商想做出這樣一個產品，需要另外購買濾波器，10顆濾波器的價格已經與模組相當。設想一下一個射頻PA公司在向射頻模組方向演進的時候就會遇到這樣的困難，而濾波器廠商向模組方向演進，有可能得益于其濾波器成本的優勢。

未來射頻濾波器公司，以BAW為例，如果既有設計能力又有一定產量專用產線保證，那么除了分離濾波器產品以外，還可以為其他射頻模組公司提供濾波器，又或是自己獲得PA技術團隊，獨立設計生產射頻模組。這樣的公司在未來競爭中進可攻退可守，具有較大的靈活度。

審核編輯：湯梓紅