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射頻前端模組，看這一篇就夠了
2022-03-17
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射頻前端(RFFE, Radio Frequency Front-End)芯片是實現手機及各類移動終端通信功能的核心元器件，全球市場超過百億美金級別。過去10年本土手機的全面崛起，為本土射頻前端產業的發展奠定了堅實的產業基礎；而5G在中國的率先商用化，以及全球貿易環境的變化，又給本土射頻行業加了兩捆柴火。射頻前端芯片產業在我國也已經有了15年以上的發展歷史，創新和創業活動非常活躍，各類企業數十家，也是市場和資本高度關注的領域。本文作者有幸在射頻芯片行業從業11年，從2G時代做到今天的5G，也在外企、民企、國企都工作過，直接開發并大量量產過射頻的每一類型產品。這篇文章總結了作者與一些行業朋友近些年的討論，嘗試對射頻模組產品的技術市場及商業邏輯進行梳理。同時，本土射頻發展了十余年，競爭是行業主線，合作與友誼是非常稀缺的資源。本文將會重點分享“模組化”的相關知識，也是希望更多的本土廠商去通過“合作”分享模組化的巨大機遇。
引言
根據魏少軍教授在“2020全球CEO峰會”的《人間正道是滄桑-關于大變局下的戰略定力》主題演講，統計得出對中國市場依賴度最高（依營收占比計算）的美國公司，如下圖。我們可以看到SKYWORKS、Qualcomm、Qorvo、Broadcom這四家美國射頻巨頭（其中SKYWORKS和Qorvo以射頻業務為主；Qualcomm和Broadcom包含了射頻業務）恰好占據了排行榜前4名。
射頻前端的國際情況
射頻前端技術主要集中在濾波器(Filter)、功率放大器(PA, Power Amplifier)、低噪聲放大器(Low Noise Amplifier)、開關（RF Switch）。目前全球射頻市場由引言提到的四家美國射頻公司Skyworks、Qualcomm、Qorvo、Broadcom與日本Murata這五大射頻巨頭寡占。
五家射頻巨頭在PA與LNA等市場占有率超過九成。濾波器方面，則分為聲表面波(SAW, Surface Acoustic Wave)與體表面波(BAW, Bulk Acoustic Wave)濾波兩種主要技術。目前，SAW濾波器市場由Murata占據一半，Skyworks約10%，Qorvo約4%，其余則被太陽誘電、TDK等大廠瓜分。BAW濾波器的市場則由美國企業占據9成市場。
由此可見，射頻前端是巨大的市場，能容納5家國際巨頭持續發展。國際巨頭的技術跨度大，模組化能力強；模組化產品是國際競爭的主賽道。每家巨頭都擁有BAW技術或其替代方案。
射頻前端的國內情況
關于射頻前端的國內情況有很多文章都曾提到，這里不贅述，只給幾個共識比較多的結論：
1.本土公司普遍以分立器件為主要方向；分立器件是當前本土競爭的主賽道。
2.本土公司缺乏先進濾波器技術及產品，模組化能力普遍不強。
5G模組化挑戰及機遇的來源
PCB布線空間及射頻調試時間的挑戰，下沉到了入門級手機，打通了國產模組芯片的迭代升級路徑。
射頻模組芯片，不是一個新生的產品系列。事實上，射頻模組芯片的使用幾乎與LTE商業化同時發生。過去10年內，各種復雜的射頻模組已經普遍應用在了各品牌的旗艦手機中；與此同時，在大量的入門級手機上，分立器件的方案也完全能夠滿足各方面的要求。因此在過去10年就出現了涇渭分明的兩個市場：旗艦機型用模組方案；入門機型用分立方案。模組方案要求“高集成度和高性能”，因而價格也很高；而分立方案要求“中低集成度和中等性能”，售價相對而言就低不少。兩種方案之間存在巨大的技術和市場差異，我們可以把這個稱作4G時代的“模組鴻溝”。
4G時代的“模組鴻溝”
5G的到來，徹底改變了這個狀況。
相比于4G入門級手機的2~4根天線，5G入門級手機的天線數目增加到了8~12根；需要支持的頻段及頻段組合也在4G的基礎上顯著增加。大家知道，射頻元器件的數目，與天線數目及頻段強相關，這就意味著射頻元器件的數目出現了急劇地增長。與此同時，由于結構設計的要求，5G手機留給射頻前端的PCB面積是無法增加的，因此分立方案的面積大大超過了可用的PCB面積。這是空間帶來的約束。
還有一個挑戰，來自于調試時間。4G使用分立器件方案的射頻調試時間，一般在一周以內。隨著5G射頻復雜度的顯著提升，假設使用分立方案，可能會帶來3~5倍的調試時間增加；從成本上來講，還需要消耗更貴的5G測試設備、熟悉5G測試的工程師資源。如果使用模組，大部分的調試已經在模組設計過程中在內部實現了，調試工作量將更多地移到軟件端，因此調試效率大大提升。這是時間帶來的約束。
時間和空間的約束，強烈而普遍。因此在入門級5G手機中，就天然出現了對“中低性能和高集成度”模組的需求，與旗艦手機的“中高性能和高集成度”模組形成了管腳統一。既然都需要高集成度的模組，只是指標要求不一樣，這樣國產的模組芯片就可以從“中低性能”（5G入門級手機）向“中高性能”(5G旗艦手機)迭代演進。因此，“模組鴻溝”便被填平了。
任何事情都是兩面的。“模組鴻溝”被填平以后，分立市場的空間也出現了風險；對專長于分立芯片的本土企業來講，也需要巨大的資源和力量去在模組產品中找到自身的位置；如果不能突破，就會在不遠的未來進入到瓶頸階段。
在5G的早期階段，目前市場上也出現了一種混合方案，即用分立器件和模組混搭的方案。這個方案的出現，有很多客觀的原因，其中就包括歷史上形成的“模組鴻溝”。這種方案是妥協的產物，犧牲了一些關鍵指標，而且面積上也做了讓步。如果沒有專注做國產化模組的芯片公司，就不會有優秀的國產模組芯片；如果沒有優秀的國產模組芯片，模組方案的價格永遠高高在上。
濾波器技術簡要分類
BAW 濾波器：即體聲波濾波器。具有插入損耗小、帶外衰減大等優點，同時對溫度變化不敏感，BAW濾波器的尺寸大小會隨著頻率升高而縮小，因此尤其適用于1.7GHz以上的中高頻通信，在5G與sub-6G的應用中有明顯優勢。
SAW濾波器：即聲表面波濾波器。采用石英晶體、鈮酸鋰、壓電陶瓷等壓電材料，利用其壓電效應和表面波傳播的物理特性而制成的一種濾波專用器件。SAW濾波器具有性能穩定、使用方便、頻帶寬等優點，是頻率在1.6GHz以下的應用主流。但存在插入損耗大、處理高頻率信號時發熱問題嚴重等缺點，因此在處理1.6GHz以上的高頻信號時適用性較差。
LC型濾波器：即電感電容型濾波器。LC濾波器一般是由濾波電容、電抗和電阻適當組合而成，電感與電容一起組成LC濾波電路。
射頻模組簡要分類
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，從而提高集成度和性能，并使體積小型化。根據集成方式的不同，主集天線射頻鏈路可分為：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）、LPAMiD（LNA、集成多模式多頻帶PA和FEMiD）等；分集天線射頻鏈路可分為：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)等。
主集天線射頻鏈路
分集天線射頻鏈路
射頻前端的“價值密度”
既然5G手機PCB面積是受限制的資源，同時我們需要在5G手機內“擠入”更多的射頻功能器件，因此我們評價每一類型射頻器件時，需要建立一個參數來進行統一描述，作為反映其價值與PCB占用面積的綜合指標。
ValueDensity=（平均銷售價格ASP）/（芯片封裝大小）
接下來，我們使用VD值這個工具，分別分析一下濾波器、功率放大器、射頻模組三類產品的情況。
1. 濾波器的VD值
首先說明一點，由于通常情況下濾波器還需要外部的匹配電路，實際的VD值比器件的VD值還要再低一些。我們先忽略這個因素。根據以上的數據，我們可以得到一些結論：從LTCC到四工器，VD值持續增加，從1.2到10.0，增加比較快速。
2. 功率放大器的VD值
根據以上數據，也可以看到:
a) 從2G到4G，VD值從0.6增加到了1.5。
b) 4G向CAT1演進的小型化產品，以及向HPUE或者Phase5N演進的大功率PA，VD值增加到了2附近。
3. 射頻模組的VD值
根據以上數據，可以觀察到：
a) 接收模組普遍的VD值在5附近；
b) 接收模組中的小封裝H/M/L LFEM，VD值非常突出，大于10；
c) 發射模組（除FEMiD以外），VD值在4~6之間；
d) FEMiD具有發射模組最高的VD值。因此當FEMiD與VD值較低的MMMB PA混搭時，也能達到合理的PCB布圖效率。
表格匯總的同時，我們也增加了技術國產化率和市場國產化率的參考數據。一般來講，市場國產化率較低的、或者技術國產化率遠遠超過國產化率數字的細分品類，VD值會虛高一些。在本土相應產品市占率提高以后，未來還會有比較明顯的降價空間。
射頻發射模組的五重山
發射1：PA與LC型濾波器的集成，主要應用在3GHz~6GHz的新增5G頻段，典型的產品是n77、n79的PAMiF或者LPAMiF。這些新頻段的5GPA設計非常有挑戰，但由于新頻段頻譜相對比較“干凈”，所以對濾波器的要求不高，因此LC型的濾波器（IPD、LTCC）就能勝任。綜合來看，這類產品屬于有挑戰但不復雜的產品，其技術和成本均由PA絕對掌控。
發射2：PA與BAW（或高性能SAW）的集成，典型產品是n41的PAMiF或者Wi-Fi的iFEM類產品，頻段在2.4GHz附近。這類產品的頻段屬于常見頻段，PA部分的技術規格有一定挑戰但并不高。由于工作在了2.4GHz附近，頻段非常擁擠，典型的產品內需要集成高性能的BAW濾波器來實現共存。這類產品由于濾波器的功能并不復雜，PA仍有技術控制力；但在成本方面，濾波器可能超過了PA。綜合來講，這類產品屬于有挑戰但不復雜的產品，PA有一定的控制力。
發射3：LowBand發射模組。LB (L)PAMiD通常集成了1GHz以下的4G/5G頻段(例如B5、B8、B26、B20、B28等等)，包括高性能功率放大器以及若干低頻的雙工器；在不同的方案里，還可能集成GSM850/900及DCS/PCS的2GPA，以進一步提高集成度。低頻的雙工器通常需要使用TC-SAW技術來實現，以達到最佳的系統指標。根據系統方案的需要，如果在LB PAMiD的基礎上再集成低噪聲放大器（LNA），這類產品就叫做LB LPAMiD。可以看到，這類產品的復雜度已經比較高：PA方面，需要集成高性能的4G/5GPA，有時候還需要集成大功率的2GPA Core；濾波器方面，通常需要3~5顆使用晶圓級封裝（WLP）的TC-SAW雙工器。總成本的角度來看（假設需要集成2GPA），PA/LNA部分和濾波器部分占比基本相當。LB (L)PAMiD是需要有相對比較平衡的技術能力，因此第三級臺階出現在了PA和Filter的交界處。
發射4：FEMiD。這類產品通常包含了從低頻到高頻的各類濾波器/雙工器/多工器，以及主通路的天線開關；并不集成PA。FEMiD產品通常需要集成LTCC、SAW、TC-SAW、BAW（或性能相當的I.H.PSAW）和SOI開關。村田公司定義了這類產品，并且過去近8年的時間內，占據了該市場的絕對主導權。三星、華為等手機大廠，曾經或正在大量使用這類產品在其中高端手機中。如前文所述，有競爭力的PAMiD供應商主要集中在北美地區；出于供應鏈多樣化的考慮，一些出貨量非常大的手機型號，就可能考慮使用MMMB（Multi-Mode Multi-Band） PA加FEMiD的架構。MMMB PA的合格供應商廣泛分布在北美、中國、韓國，而日本村田的FEMiD產能非常巨大（主要表現在LTCC和SAW）。又如前文所述，FEMiD的VD值非常高，整體方案的空間利用率也在合理范圍內。
發射5：M/H (L)PAMiD。這類產品是射頻前端最高市場價值也是綜合難度最大的領域，是射頻前端細分市場的巔峰。M/H通常覆蓋的頻率范圍是1.5GHz~3.0GHz。這個頻段范圍，是移動通信的黃金頻段。最早的4個FDDLTE 頻段Band1/2/3/4在這個范圍內，最早的4個TDD LTE頻段B34/39/40/41在這個范圍內，TDS-CDMA的全部商用頻段在這個范圍內，最早商用的載波聚合方案（Carrier Aggregation）也出現在這個范圍（由B1+B3四工器實現），GPS、Wi-Fi 2.4G、Bluetooth等重要的非蜂窩網通信也都工作在這個范圍。可以想象，這段頻率范圍最大的特點就是“擁擠”和“干擾”，也恰恰是高性能BAW濾波器發揮本領的廣闊舞臺。由于這個頻率范圍商用時間較長，該頻率范圍內的PA技術相對比較成熟，核心的挑戰來自于濾波器件。
先解釋一下為什么這段頻率是移動通信的黃金頻率。在很長的發展過程中，移動通信的驅動力來自移動終端的普及率，而移動終端普及的核心挑戰在于終端的性能和成本。過高的頻率，例如3GHz以上、10GHz以上，半導體晶體管的特性下降很快，很難做出高性能；而過低的頻率，例如800MHz以下、300MHz以下，需要天線的尺寸會非常巨大，同時用來做射頻匹配的電感值和電容值也會很大，在終端尺寸的約束下，超低頻段的射頻性能很難達到系統指標。簡而言之，從有源器件（晶體管）的性能角度出發，希望頻率低一些；從無源器件（電容電感和天線）的性能角度出發，希望頻率高一些。有源器件與無源器件從本質上的沖突，到應用端的折衷，再到模組內的融合，恰如兩股強大的冷暖洋流，在人類最波瀾壯闊的移動通信主航道上，相匯于1.5~3GHz的頻段，形成了終端射頻最復雜也最有價值的黃金漁場：M/HB (L)PAMiD。多么地美妙！
這類高端產品的市場，目前主要由美商Broadcom、Qorvo、RF360等廠商占據。下圖是Qorvo公司在其官方公眾號上提供的芯片開蓋分析。可以看到，該類產品包含10顆以上的BAW，2~3顆的GaAs HBT，以及3~5顆SOI和1顆CMOS控制器，具有射頻產品最高的技術復雜度。該類產品通常需要集成四工器或者五/六工器這類超高VD值的器件。
M/H LPAMiD開蓋圖
來源：Qorvo公眾號
射頻接收模組的五重山
接收模組的五重山模型，如上圖所述。
接收1：使用RF-SOI工藝在單顆die上實現了射頻Switch和LNA。雖然僅僅是單顆die，但從功能上也屬于復合功能的射頻模組芯片。這類產品主要的技術是RF-SOI，在4G和5G都有一些應用。
接收2：使用RF-SOI工藝實現LNA和Switch的功能，然后與一顆LC型（IPD或者LTCC）的濾波器芯片實現封裝集成。LC型濾波器適合3~6GHz大帶寬、低抑制的要求，適用于5G NR部分的n77/n79頻段。這類產品也是SOI技術主導，主要應用在5G。
接收3：從接收3往上走，接收模組開始需要集成若干SAW濾波器，集成度越來越高。通常需要集成單刀多擲（SPnT）或者雙刀多擲（DPnT）的SOI開關，以及若干通路支持載波聚合（CA）的SAW濾波器。封裝方式上，由于“接收3”的集成程度還不極限，因此有多種可能的路徑。其中國際廠商的產品主要以WLP技術為主，除了在可靠度及產品厚度方面有優勢，主要還是可以在更高集成度的其他產品中進行復用。
接收4：這類產品叫做MIMO M/H LFEM。主要是針對M/H Band的頻段（例如B1/3/39/40/41/7）應用了MIMO技術，增加通信速率，在一些中高端手機是屬于入網強制要求。看起來通信業對M/H這個黃金頻段果然是真愛啊。技術角度出發，這類產品以RF-SOI技術實現的LNA加Switch為基礎，再集成4~6個通路的M/H高性能SAW濾波器。國際廠商在這些頻段已經開始普遍使用TC-SAW的技術，以達到最好的整體性能。
接收5：接收芯片的最高復雜度，就是H/M/L的LFEM。這類產品以非常小的尺寸，實現了10~15路頻段的濾波（SAW Filter）、通路切換（RF-Switch）以及信號增強（LNA），具有超高的Value Density值（10左右），在5G項目上能幫助客戶極大地壓縮Rx部分占用的PCB面積，把寶貴的面積用在發射/天線等部分，提升整體性能。這類產品需要的綜合技能最高，也基本必須要用WLP形式的先進封裝方式才能滿足尺寸、可靠度、良率的要求。
總結
1.射頻模組的核心要求是多種元器件的小型化及模組集成。
2.無論是發射模組還是接收模組，純5G的模組是困難但不復雜，最有挑戰也最具價值的是4G/5G同時支持的高復雜度模組。
本土替代是黃金機遇，不需要賽道創新，核心是技術創新實現4G/5G射頻芯片的產品化、小型化、模組化。開元通信專注于射頻模組芯片的開發，在廈門、上海和臺北建立了研發中心，“all-in模組”，以射頻模組為目標配置關鍵資源，堅定地推進最高性價比和最實惠價格的模組芯片，以加速國產模組產品的量產，助力中國通信產業的健康發展。
射頻模組的產業化率先發端在西方企業，比中國早5到10年；如本文篇頭的圖片，國外射頻模組大量在中國市場銷售，中國還停留在分立器件產業的階段。中國產業當然應該奮起直追，而奮起直追的第一步，就是先要深入分析5G模組的相關知識，結合自身競爭優勢，尋找合適的切入點，最終全身心地擁抱模組化的產業潮流。只要全身心地擁抱潮流，我們有充分信心，用五年十年左右的時間，完成本土射頻模組的飛躍。
位于圣彼得堡的彼得大帝雕像
舉一個類似的成功例子。近代的工業革命率先發端在西歐，西歐已經開始工業化，而俄國還是落后的封建農業國家。1703年，羅曼諾夫王朝沙皇彼得一聲令下，要在波羅的海的港口建造新的首都，盡管眾人反對，哪怕萬千爭議，這位俄國歷史上數一數二的君王，這位喬裝成工匠在西歐游歷學習的君王，力排萬難要建造一個通往歐洲通往世界的俄國新首都（圣彼得堡），全面地擁抱歐洲、擁抱海洋、擁抱工業革命。歐洲、海洋、工業革命，就是18世紀國家的潮流；國產替代、5G、射頻模組，就是今天射頻前端行業的潮流。
彼得大帝出生時，俄國是砧板上的魚肉，去世時俄國已然是切肉之刃。在本土手機行業已經全面崛起的產業基礎上，希望我們中國的射頻行業能夠奮勇前行，擁抱國產替代、5G信息化、射頻模組化的歷史浪潮。如果說在我們入行時，中國的射頻行業還如砧板上的魚肉，那么希望在我們大家打算“退休”時，中國的射頻行業已經是切肉之刃。與諸君共勉！
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