隨著蜂窩移動技術(shù)進入5G時代，移動帶寬不斷增加，更多的頻段被開發(fā)使用，這些帶寬中的每一個頻段都需要濾波器來將其信號與其他頻段分開。對于使用頻分雙工(FDD)的信道，有兩個相鄰的鏈路——一個用于發(fā)送，一個用于接收。兩者之間存在一個保護頻段。這些頻段或每一個子頻段中都需要一個帶通濾波器。隨著頻段數(shù)量的激增，所需的濾波器數(shù)量也呈爆炸式增長。

“5G智能手機中頻段數(shù)量增加至50多個，對實現(xiàn)通信功能扮演關(guān)鍵角色的射頻前端芯片帶來了極大的機遇和挑戰(zhàn)。作為智能手機中最核心的兩個射頻前端器件之一，現(xiàn)在一臺手機中濾波器+雙工器的數(shù)量最高已達(dá)120顆左右。”諾思設(shè)計兼市場總監(jiān)蔣興勇指出，“每年出貨量超過數(shù)十億的智能手機和各種智能移動終端，以及單部手機中用量的激增，為濾波器帶來龐大的需求。同時，射頻前端帶來的設(shè)計復(fù)雜度提升也推動著濾波器走向下一代技術(shù)。”

5G時代濾波器的新挑戰(zhàn)

隨著通信技術(shù)演進，終端廠商對智能手機功能多樣化、機身輕薄化的要求，使得射頻前端芯片要不斷進行工藝研發(fā)以縮減產(chǎn)品尺寸，尤其是對具有收發(fā)特定頻率作用、使用數(shù)量極大的濾波器、雙工器等小型化需求急切。

當(dāng)前主流的濾波器包括表面聲波技術(shù)（SAW）、體聲波技術(shù)（BAW）。SAW技術(shù)經(jīng)歷了較長的發(fā)展時間已經(jīng)十分成熟，從普通SAW到I.H.P.SAW，技術(shù)難度逐漸增大，加工成本逐漸上升，國產(chǎn)替代難度逐步攀升。低端SAW濾波器市場有限且利潤低，而高端SAW濾波器需要長期投入，專利壁壘高。BAW技術(shù)近幾年逐漸興起，以單個器件性能為核心競爭力，開始在部分應(yīng)用領(lǐng)域與SAW濾波器爭奪市場，然而隨著I.H.P.SAW的出現(xiàn)和日趨成熟，傳統(tǒng)BAW濾波器在性能上已經(jīng)不占有絕對優(yōu)勢。

終端市場對各類聲波濾波器提出了新的需求和挑戰(zhàn)。蔣興勇表示，一是更小的器件尺寸，以便于更多濾波器集成在一起；二是更寬、更高的工作頻率范圍，以適應(yīng)5G高頻和大帶寬的應(yīng)用；三是更高功率容量；四是更高的機電耦合系數(shù)及Q值，以滿足低插入損耗，高滾降要求。

在輕薄化需求下，5G天線需要凈空保證信號、未來全面屏對于空間的擠占等因素，使得射頻前端中PA、濾波器、雙工器、天線開關(guān)、LNA等幾大模塊的高度集成成為趨勢。

蔣興勇表示，5G手機采用集成化模組方案是大勢所趨。“將這么多不同頻段的濾波器放在一起本身就是一大挑戰(zhàn)，相互之間的干擾、抑制和信號串?dāng)_對系統(tǒng)帶來了極大的設(shè)計挑戰(zhàn)。其次，濾波器設(shè)計緊湊以盡量減小模組尺寸，這些要求都極高，對模組廠商是一大考驗。”他解釋，“諾思微系統(tǒng)開發(fā)的BAW產(chǎn)品采用WLP(晶圓級封裝)，厚度僅有 0.23mm，非常適合應(yīng)用到模組產(chǎn)品。”

射頻芯片濾波器從研發(fā)到商業(yè)化需要多年積累，如今形成博通、skyworks、Qorvo、村田、TDK等美日廠商高度壟斷市場的局面，博通和Qorvo兩家在BAW濾波器市場占有率超過95%；而SAW濾波器市場也基本被村田、高通等巨頭壟斷。這些國際一線品牌都采用IDM運營模式，從而他們在新技術(shù)創(chuàng)新和新產(chǎn)品開發(fā)迭代上就具有領(lǐng)先優(yōu)勢。

蔣興勇強調(diào)，“諾思作為國內(nèi)唯一一家BAW濾波器IDM公司，能夠整合晶圓制造階段的工藝創(chuàng)新配合電路設(shè)計創(chuàng)新。制造、工藝與設(shè)計三個方面協(xié)同聯(lián)動才是知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)生的源頭，諾思經(jīng)過十余年的積累，已經(jīng)擁有505個發(fā)明專利和146個國際PCT專利，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。在此基礎(chǔ)上如何通過大批量量產(chǎn)、設(shè)計的成熟度以及小型化技術(shù)來實現(xiàn)成本優(yōu)化，對企業(yè)的設(shè)計、工藝和制造能力也提出了更高的要求。”

“濾波器嚴(yán)重依賴進口，國產(chǎn)化率極低，但也意味著國產(chǎn)化空間十分巨大。”蔣興勇強調(diào)，“盡管頭部國外廠商提供完整產(chǎn)品種類，但是客戶在部分產(chǎn)品上在‘去’集成化，將不同的射頻前端器件拆分采購，以避免出現(xiàn)供應(yīng)商一家獨大的局面，尤其是在當(dāng)前復(fù)雜的國際環(huán)境下，供應(yīng)鏈安全考量使得更多客戶有愿意盡快導(dǎo)入有優(yōu)勢的國產(chǎn)廠家。”

下一代濾波器技術(shù)

5G和物聯(lián)網(wǎng)的雙驅(qū)動，使得射頻前端器件呈現(xiàn)大幅增長。市場研究機構(gòu)Yole數(shù)據(jù)顯示，到2023年全球濾波器市場規(guī)模將超過352億美元。作為射頻前端里芯片數(shù)量占比最多、價值最高、國產(chǎn)化率最低的濾波器產(chǎn)業(yè)，成為了射頻前端里面最重要的增長點。

以雙工器（Duplexer）為例，又稱為天線共用器，可以把它看作一個比較特殊的雙向三端濾波器，負(fù)責(zé)FDD系統(tǒng)雙工切換及接收/發(fā)送通道的信號濾波，保證在共用天線時接收和發(fā)射都能同時正常工作。通常雙工器由兩組濾波器組成，各諧振于發(fā)射和接收頻率。接收端濾波器諧振于發(fā)射頻率，并防止發(fā)射功率串入接收機，發(fā)射端濾波器諧振于接收頻率。

蔣興勇解釋，射頻系統(tǒng)具有較大復(fù)雜度和較高成本的一個主要部件就是雙工器。雙工器的性能指標(biāo)包括尺寸、帶寬、插入損耗、隔離度、工作頻率、功率等等，是業(yè)界致力于提升性能的產(chǎn)品路線。

“諾思在雙工器領(lǐng)域目前出貨量已做到國內(nèi)領(lǐng)先。常用雙工器中包括Band 1/2/3/5/7/8等頻段，諾思Band 3（RSFD1702C）產(chǎn)品以高性價比的優(yōu)勢，成為眾多客戶設(shè)計首選。”他解釋，國產(chǎn)廠商在突破市場份額上面臨的最大挑戰(zhàn)，就是美日廠商在成熟市場的壟斷地位。隨著國產(chǎn)雙工器設(shè)計水平不斷提高，為國產(chǎn)濾波器帶來了發(fā)展良機。

繼村田、高通后，諾思在國內(nèi)率先發(fā)布新一代的新小型化雙工器產(chǎn)品，采用下一代標(biāo)準(zhǔn)1612封裝（1.6x1.2x0.6mm）尺寸，為日漸小型化的終端客戶設(shè)計提供更靈活、緊湊的選擇。蔣興勇介紹，相比當(dāng)前型號1814尺寸，新一代產(chǎn)品面積縮小約24%，大大提高板面積利用率和布局的靈活性，在減少尺寸的同時，依然可以提供有競爭力的性能。

左：BAW雙工器1814尺寸

右：新一代BAW雙工器1612尺寸

他表示，諾思通過特有的設(shè)計和小型化技術(shù)，徹底改進芯片設(shè)計和封裝方法，在國內(nèi)率先推出超小尺寸雙工器，性能與當(dāng)前市面上的一線品牌產(chǎn)品相當(dāng)，在成本方面優(yōu)勢更為突出。 “在新一代產(chǎn)品的開發(fā)上，諾思在內(nèi)部架構(gòu)、設(shè)計精度、工藝精度、產(chǎn)品材料和封裝形式等多方面進行了革新，目前B1/B3/B7樣品可供客戶驗證，預(yù)計到今年底系列產(chǎn)品可實現(xiàn)量產(chǎn)。”

結(jié)語

濾波器市場前景廣闊，在蔣興勇看來，越來越多的生產(chǎn)廠家進入此行業(yè)，將有利于行業(yè)整體技術(shù)提高，加速行業(yè)發(fā)展壯大。但是目前國內(nèi)也存在部分廠家低于成本價競爭的情況，這樣不健康的商業(yè)模式無法對客戶保持長期穩(wěn)定供應(yīng)，必將對客戶造成傷害，也不利于整個濾波器行業(yè)發(fā)展。射頻濾波器行業(yè)應(yīng)遵循客觀規(guī)律去發(fā)展，國外大企業(yè)都是經(jīng)自有IDM產(chǎn)線積累了大量研發(fā)技術(shù)和知識產(chǎn)權(quán)，才成長為今天非常有競爭力的企業(yè)。蔣興勇強調(diào)，未來諾思將繼續(xù)加大研發(fā)投入力度，在保持技術(shù)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，為客戶提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)和更可靠的高質(zhì)量產(chǎn)品，為我國射頻濾波器芯片事業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)自己的力量。（薩米）

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