滤波器爆炸式增长，诺思下一代双工器如何突破美日厂商垄断？

随着蜂窝移动技术进入5G时代，移动带宽不断增加，更多的频段被开发使用，这些带宽中的每一个频段都需要滤波器来将其信号与其他频段分开。对于使用频分双工(FDD)的信道，有两个相邻的链路——一个用于发送，一个用于接收。两者之间存在一个保护频段。这些频段或每一个子频段中都需要一个带通滤波器。随着频段数量的激增，所需的滤波器数量也呈爆炸式增长。

 

“5G智能手机中频段数量增加至50多个，对实现通信功能扮演关键角色的射频前端芯片带来了极大的机遇和挑战。作为智能手机中最核心的两个射频前端器件之一，现在一台手机中滤波器+双工器的数量最高已达120颗左右。”诺思设计兼市场总监蒋兴勇指出，“每年出货量超过数十亿的智能手机和各种智能移动终端，以及单部手机中用量的激增，为滤波器带来庞大的需求。同时，射频前端带来的设计复杂度提升也推动着滤波器走向下一代技术。”

 

5G时代滤波器的新挑战
 

随着通信技术演进，终端厂商对智能手机功能多样化、机身轻薄化的要求，使得射频前端芯片要不断进行工艺研发以缩减产品尺寸，尤其是对具有收发特定频率作用、使用数量极大的滤波器、双工器等小型化需求急切。
 

当前主流的滤波器包括表面声波技术（SAW）、体声波技术（BAW）。SAW技术经历了较长的发展时间已经十分成熟，从普通SAW到I.H.P.SAW，技术难度逐渐增大，加工成本逐渐上升，国产替代难度逐步攀升。低端SAW滤波器市场有限且利润低，而高端SAW滤波器需要长期投入，专利壁垒高。BAW技术近几年逐渐兴起，以单个器件性能为核心竞争力，开始在部分应用领域与SAW滤波器争夺市场，然而随着I.H.P.SAW的出现和日趋成熟，传统BAW滤波器在性能上已经不占有绝对优势。
 

终端市场对各类声波滤波器提出了新的需求和挑战。蒋兴勇表示，一是更小的器件尺寸，以便于更多滤波器集成在一起；二是更宽、更高的工作频率范围，以适应5G高频和大带宽的应用；三是更高功率容量；四是更高的机电耦合系数及Q值，以满足低插入损耗，高滚降要求。

在轻薄化需求下，5G天线需要净空保证信号、未来全面屏对于空间的挤占等因素，使得射频前端中PA、滤波器、双工器、天线开关、LNA等几大模块的高度集成成为趋势。
 

蒋兴勇表示，5G手机采用集成化模组方案是大势所趋。“将这么多不同频段的滤波器放在一起本身就是一大挑战，相互之间的干扰、抑制和信号串扰对系统带来了极大的设计挑战。其次，滤波器设计紧凑以尽量减小模组尺寸，这些要求都极高，对模组厂商是一大考验。”他解释，“诺思微系统开发的BAW产品采用WLP(晶圆级封装)，厚度仅有 0.23mm，非常适合应用到模组产品。”
 

射频芯片滤波器从研发到商业化需要多年积累，如今形成博通、skyworks、Qorvo、村田、TDK等美日厂商高度垄断市场的局面，博通和Qorvo两家在BAW滤波器市场占有率超过95%；而SAW滤波器市场也基本被村田、高通等巨头垄断。这些国际一线品牌都采用IDM运营模式，从而他们在新技术创新和新产品开发迭代上就具有领先优势。
 

蒋兴勇强调，“诺思作为国内唯一一家BAW滤波器IDM公司，能够整合晶圆制造阶段的工艺创新配合电路设计创新。制造、工艺与设计三个方面协同联动才是知识产权产生的源头，诺思经过十余年的积累，已经拥有505个发明专利和146个国际PCT专利，具有完全自主知识产权。在此基础上如何通过大批量量产、设计的成熟度以及小型化技术来实现成本优化，对企业的设计、工艺和制造能力也提出了更高的要求。”
 

“滤波器严重依赖进口，国产化率极低，但也意味着国产化空间十分巨大。”蒋兴勇强调，“尽管头部国外厂商提供完整产品种类，但是客户在部分产品上在‘去’集成化，将不同的射频前端器件拆分采购，以避免出现供应商一家独大的局面，尤其是在当前复杂的国际环境下，供应链安全考量使得更多客户有愿意尽快导入有优势的国产厂家。”
 

下一代滤波器技术
 

5G和物联网的双驱动，使得射频前端器件呈现大幅增长。市场研究机构Yole数据显示，到2023年全球滤波器市场规模将超过352亿美元。作为射频前端里芯片数量占比最多、价值最高、国产化率最低的滤波器产业，成为了射频前端里面最重要的增长点。
 

以双工器（Duplexer）为例，又称为天线共用器，可以把它看作一个比较特殊的双向三端滤波器，负责FDD系统双工切换及接收/发送通道的信号滤波，保证在共用天线时接收和发射都能同时正常工作。通常双工器由两组滤波器组成，各谐振于发射和接收频率。接收端滤波器谐振于发射频率，并防止发射功率串入接收机，发射端滤波器谐振于接收频率。
 

蒋兴勇解释，射频系统具有较大复杂度和较高成本的一个主要部件就是双工器。双工器的性能指标包括尺寸、带宽、插入损耗、隔离度、工作频率、功率等等，是业界致力于提升性能的产品路线。
 

“诺思在双工器领域目前出货量已做到国内领先。常用双工器中包括Band 1/2/3/5/7/8等频段，诺思Band 3（RSFD1702C）产品以高性价比的优势，成为众多客户设计首选。”他解释，国产厂商在突破市场份额上面临的最大挑战，就是美日厂商在成熟市场的垄断地位。随着国产双工器设计水平不断提高，为国产滤波器带来了发展良机。
 

继村田、高通后，诺思在国内率先发布新一代的新小型化双工器产品，采用下一代标准1612封装（1.6x1.2x0.6mm）尺寸，为日渐小型化的终端客户设计提供更灵活、紧凑的选择。蒋兴勇介绍，相比当前型号1814尺寸，新一代产品面积缩小约24%，大大提高板面积利用率和布局的灵活性，在减少尺寸的同时，依然可以提供有竞争力的性能。
 

 

左：BAW双工器1814尺寸

右：新一代BAW双工器1612尺寸

 

他表示，诺思通过特有的设计和小型化技术，彻底改进芯片设计和封装方法，在国内率先推出超小尺寸双工器，性能与当前市面上的一线品牌产品相当，在成本方面优势更为突出。 “在新一代产品的开发上，诺思在内部架构、设计精度、工艺精度、产品材料和封装形式等多方面进行了革新，目前B1/B3/B7样品可供客户验证，预计到今年底系列产品可实现量产。”
 

结语

滤波器市场前景广阔，在蒋兴勇看来，越来越多的生产厂家进入此行业，将有利于行业整体技术提高，加速行业发展壮大。但是目前国内也存在部分厂家低于成本价竞争的情况，这样不健康的商业模式无法对客户保持长期稳定供应，必将对客户造成伤害，也不利于整个滤波器行业发展。射频滤波器行业应遵循客观规律去发展，国外大企业都是经自有IDM产线积累了大量研发技术和知识产权，才成长为今天非常有竞争力的企业。蒋兴勇强调，未来诺思将继续加大研发投入力度，在保持技术优势的基础上，为客户提供更优质的服务和更可靠的高质量产品，为我国射频滤波器芯片事业发展贡献自己的力量。（校对/萨米）