射頻器件的案例
智芯研報 | 氮化鎵（GaN）射頻器件市場：2026年預計達到24億美元以上
▲不同應用領域主流射頻器件技術路線演進
全球 GaN射頻器件
產業鏈競爭格局
目前，射頻器件的主要市場如下：手機和通訊模塊市場，約占80%；WIFI路由器市場，約占9%；通訊基站市場，約占9%；NB-IoT市場，約占2%。
▌境外 GaN射頻器件產業鏈重點公司及產品進展
GaN 微波射頻器件產品推出速度明顯加快。目前微波射頻領域雖然備受關注，但是由于技術水平較高，專利壁壘過大，因此這個領域的公司相比較電力電子領域和光電子領域并不算很多，但多數都具有較強的科研實力和市場運作能力。GaN 微波射頻器件的商業化供應發展迅速。
Qorvo 產品工作頻率范圍最大，Skyworks 產品工作頻率較小。Qorvo、CREE、MACOM 73%的產品輸出功率集中在 10W～100W 之間，最大功率達到 1500W（工作頻率在 1.0-1.1GHz，由 Qorvo 生產），采用的技術主要是 GaN/SiC GaN 路線。
此外，部分企業提供 GaN 射頻模組產品，目前有 4家企業對外提供 GaN 射頻放大器的銷售，其中 Qorvo 產品工作頻率范圍最大，最大工作頻率可達到 31GHz。Skyworks 產品工作頻率較小，主要集中在 0.05-1.218GHz 之間。
Qorvo 射頻放大器的產品類別最多。
展開 5G預商用，哪些射頻器件廠商先行一步？
主要產品：手機及移動終端射頻前端、WiFi射頻前端、物聯網射頻前端
小結：
目前，國內除了上文提到的6家射頻器件廠商，還有蘇州宜確（長盈精密）、Airoha（中國臺灣）、重慶聲光電（中電24、26、44所）、無錫好達電子、麥捷科技等
射頻器件是無線連接的核心，凡是需要無線連接的地方必備射頻器件。5G 通信使用了多種關鍵技術提升容量及速率，在多天線技術、載波聚合及毫米波頻段的應用下，移動終端的射頻前端模塊設計變得越來越復雜，我們看好射頻前端模塊技術變革帶來的行業性機遇。
預計未來3-5 年，射頻濾波器、射頻開關、PA 芯片(功率放大器芯片)三大細分領域將掀起一大波產業資本投資浪潮，并帶動相應的國產替代進程。
來源：芯師爺
展開 天線和射頻器件的無參數形狀優化技術
</span></p><p><span style="color: rgb(0, 0, 0);"> 為了探索形狀優化的最優解，達索2024探索之旅第二季系列會議“天線和射頻器件的無參數形狀優化技術”將為大家介紹形狀優化新技術：無參數形狀優化，2024年7月12日線上直播，</span><strong style="color: rgb(0, 86, 134);">了解電磁仿真新技術，學習如何進行無參數形狀優化，下滑免費預約本場研討會！</strong><span style="color: rgba(0, 0, 0, 0.9);"> </span></p><h2 class="ql-align-center"><strong>研討會主題介紹</strong></h2><p><strong style="color: rgb(0, 86, 134);"> 7月12日下午14:00，</strong><span style="color: rgb(0, 0, 0);">達索系統特別邀請達索系統SIMULIA品牌電磁技術顧問馬斌為您帶來“天線和射頻器件的無參數形狀優化技術”線上研討會，無參數優化技術是達索系統結合其自身優勢，跨學科聯合CST和Tosca開發的一項有趣且實用的功能。它使工程師優化結構時脫離復雜公式的約束，.探索結構形狀的更多維度變化帶來的電磁結果影響，本次會議將介紹其在天線和射頻器件方面的應用。</span><strong style="color: rgb(0, 86, 134);">下方掃碼或文末點擊閱讀原文免費預約。
展開 曾經的LED領頭羊Cree剝離照明業務，對我國發展化合物半導體有何啟示？
2015年9月，Cree公司將旗下功率和射頻部門（Power & RF）分拆為獨立的“Wolfspeed”公司。新成立后的Wolfspeed公司是全球最大的SiC襯底材料供應商，是美國軍用雷達可靠的GaN射頻器件供應商和全球前三大的SiC功率器件企業。預計2019年，Wolfspeed公司的銷售額將達到5.9億美元，是2015年分拆時的3.3倍。
圖2 2016-2019財年Wolfspeed公司營業收入（單位：百萬美元）
數據來源：公司財報，賽迪智庫整理和預測
二、Cree在化合物半導體領域的布局策略
（一）以SiC材料為核心延伸價值鏈
Cree是全球最大的SiC襯底材料供應商，2018年，Cree將SiC材料產能增加了一倍，市場份額近60%，并與Infineon和ST兩大汽車電子半導體供應商簽訂了多年供貨協議。在用于制造GaN-on-SiC射頻器件的高純半絕緣SiC襯底市場，Cree的市場份額可達90%。Cree依托SiC襯底材料領域的核心競爭力，向GaN-on-SiC射頻器件和SiC功率器件領域延伸。2016-2019財年，GaN射頻器件和SiC功率器件的年均增速分別達到29%和51%。
（二）通過并購打通通信市場渠道
Cree的GaN射頻器件部門早期主要服務于美國軍工，產品曾裝載在“薩德”彈道導彈防御系統中。隨著移動通信基站對高頻率和高功效的要求進一步提高，GaN射頻器件成為基站功率放大器的優選解決方案。Cree公司主要通過為NXP/Freescale、Infineon、RFHIC等基站射頻器件企業代工的途徑進入GaN射頻器件市場，在基站領域的市場份額不及華為的供應商日本住友電工公司。
展開 
智芯研報 | 中國5G氮化鎵PA產業及市場分析
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GaN 材料外延
射頻器件主要以GaN-on-SiC為主要技術路線，主流尺寸是4英寸和6英寸，預計到2020年，隨著6英寸SiC襯底價格不斷下降，6英寸外延將成為重點。此外，基于高阻硅的GaN-on-Si未來有望在高頻-低功率市場打破GaN-on-SiC在射頻器件的壟斷局面，例如未來5G將大規模應用的小基站市場，美國MACOM公司主要采用GaNon-Si技術制造射頻器件。
GaN射頻外延企業主要有比利時的EpiGaN、英國的IQE、日本的NTT-AT。中國廠商有蘇州晶湛、蘇州能華和世紀金光，蘇州晶湛2014年就已研發出8”硅基外延片，現階段已能批量生產。蘇州能華主要面向太陽能發電、電力傳輸等電力領域。世紀金光在SiC、GaN領域的粉料、單晶、外延、器件和模塊都有涉及。
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GaN 器件設計與制造
GaN射頻器件主要有HEMT和HBT兩大工藝。射頻工藝主要跟柵長及偏置電壓（Bias）有關，工藝制程越低，器件頻率越高。0.5μm柵長和高偏置(40到50V)，主要瞄準高功率、頻率Sub-8GHz器件；0.25μm柵長和中偏置(28到30V)，主要瞄準更高頻率(約18GHz)的器件； 0.15μm-0.1μm柵長，主要瞄準毫米波器件(30GHz以上)。現階段GaN射頻器件主流工藝制程正從0.25μm-0.5μm向0.15μm-0.1μm過渡。Qorvo正在進行90nm工藝的研發，Cree及穩懋主要制程工藝在0.25-0.5μm之間。 粉料、單晶、外延、器件和模塊都有涉及。
展開 關注 | GaN：高頻性能優越，成為 5G 器件關鍵材料
5G 時代GaN 射頻市場占比進一步上升，未來將不斷占領LDMOS 市場空間。5G 時代高速增長的數據流量使得調制解調難度不斷增加，需要的頻段越來越多，對射頻前端器件的性能要求也越來越高。目前在射頻前端應用中，硅基LDMOS器件和GaAs 仍是主流器件。通常來說，LDMOS 適用于3.5GHz 以下的應用，GaAs 適用于40GHz 以下的場景，但器件尺寸較大。GaN 在高頻環境下能夠保持高功率輸出，可以有效減少晶體管的數量，從而縮小器件尺寸。從電壓角度來看，LDMOS 的工作電壓約為6V，GaAs 為10V，GaN 可以工作于28V 或更高
的電壓，工作性能優于LDMOS 與GaAs，潛在市場空間巨大。據YoleDevelopment 數據，2015 年射頻功率放大器市場中，LDMOS 市場有率為第一，占比約為50%，GaN 射頻器件約占20%，預計到2025 年，GaN 射頻器件將以55%的占有率取代LDMOS 第一的市場地位，LDMOS 市場占有率則下降至11.8%。GaN 發展勢頭良好，5G 時代中GaN 射頻器件的市場占比將進一步上升。
5G 基站+數據中心：“新基建”重要組成部分，GaN 應用前景明朗
5G 基站射頻系統非常復雜，GaN 器件的小尺寸、高效率和大功率密度等特點可實現高集化的解決方案。
展開 智芯研報 | 5G 手機給射頻前端帶來巨大產業機遇
▼行業模式示意圖
目前射頻前端行業仍然以IDM模式為主導。射頻與功率器件集成度不高，設計變化不多，設計環節附加值較低，而且材料結構與工藝密切相關，而工藝又決定了產品最終的電學性能，材料、設計、制造與封測一體相關，這幾個因素是射頻器件競爭的主導性因素。所以全球成功的射頻或功率器件公司，多數都采用IDM模式。
隨著通信技術的不斷發展，手機等移動終端對于射頻前端的要求也越來越高。一方面，手機等終端需要的射頻前端的數量在上升，射頻前端在手機成本的比重也越加上升；另一方面，隨著對便攜性和輕薄化的要求越來越高，而需求的射頻前端數量也在不斷增長，這時射頻前端廠商只能增加集成度以把整個射頻系統的實際尺寸控制在合適的范圍內。
目前，已經有一些廠商在研發把低噪聲放大器和開關模組集成在一起的方案，例如Skyworks的SkyOne模組（集成了PA，開關，多路器在同一模組上）。未來隨著通信技術和生產工藝的不斷發展，我們可望看到集成度更高的射頻前端。
▼集成了PA，開關，多路器在同一模組上的Skyworks的SkyOne射頻前端模組
射頻前端行業兼并收購不斷，巨頭不斷擴大業務版圖。越來越多的廠商也在紛紛加大在射頻前端方面的投入，希望在未來的5G浪潮中分一杯羹。
例如聯發科計劃收購絡達科技布局射頻PA，紫光展訊整合銳迪科買入射頻PA行業，而國際巨頭Skyworks聯手松下組建合資公司開發SAW濾波器，而巨頭Qorvo則由主營濾波器的RFMD和主營射頻PA的Triquint合并而成。
有很多特殊的半導體產品適用IDM而不是代工模式，例如模擬器件。模擬器件和數字器件不一樣。數字器件的敏感度一般來說不那么高，它追求摩爾定律，要求線寬越來越小、功耗越來越少、成本越來越低，而單位面積上晶體管的數目要越來越多，它需要最先進的工藝和技術。
展開 5G核心，天線與射頻篇！
今天主要講天線的射頻！
射頻前端芯片
5G應用均可歸為eMBB（增強移動寬帶）、mMTC（5G時代的萬物互聯）與uRLCC（高可靠性、零時延應用）三種應用場景，這些場景的延伸會促進很多額外射頻器件的產生，無論是在基礎設施領域還是在移動終端智能手機領域。
射頻前端模塊組成示意圖
射頻前端芯片市場大致分為兩個方向：
一、是移動終端市場，分為兩個部分
1， 手機
盡管智能手機滲透率接近飽和，增長率逐漸放緩，但是多天線陣列導致內部射頻前端芯片的數量和價值持續提高。
2，物聯網（IOT）
作為5G最重要的應用場景，物聯網產業借助5G落地，成為驅動射頻前端芯片市場發展的最大引擎。市場預計至2019年，市場總規模將超過200億美元，年復合增長率超過15%；
二、基站
相比終端市場，此領域市場規模較小，但5G核心技術Massive MIMO、微基站、毫米波將會首先在這一市場得到應用，預計先于終端市場進入產業化階段，率先收益。
根據頻譜劃分，移動的5G基站建設可能遠少于電信和聯通。
移動終端市場，5G射頻器件的主戰場！
對于以智能手機為代表的移動終端設備來說，在由4G到5G的演進過程中，射頻模塊需要處理的頻段數量大幅增加、以及高頻段信號處理難度的增加都會進一步提升終端內部射頻器件復雜度，各類射頻器件將更廣泛地使用于 5G 新技術中，天線以及濾波器、功率放大器、開關等射頻器件將迎來新的快速增長期。
展開 揭秘第三代芯片材料：SiC
其中牽引變流器是機車大功率交流傳動系統的核心裝備，碳化硅器件的應用可以提高牽引變流器裝置效率，提升系統整體效能。2014 年，日本小田急電鐵新型通勤車輛配備了三菱電機3300V/1500A 全碳化硅功率模塊逆變器，開關損耗降低 55%、體積和重量減少 65%，電能損耗降低 20%至 36%。
▲光伏逆變器中碳化硅滲透率有望在 2025 年達到 50%
▲軌道交通中碳化硅滲透率將在 2050 年達到 90%
碳化硅使功率器件突破了傳統硅基器件性能的上限，未來具備廣闊的市場空間。根據 Yole 報告，2019年全球碳化硅功率器件市場規模為 5.41 億美元，預計 2025 年將增長至 25.62 億美元，年化復合增速約30%。
▲2019-2025 年碳化硅功率器件市場規模將快速增長（單位：美元）
2、射頻器件（軍工及通訊領域）
射頻器件是無線通信的核心部件，包括射頻開關、LNA、功率放大器和濾波器等。其中功率放大器是對信號進行放大的器件，直接影響著基站信號傳輸距離及信號質量。硅基 LDMOS 器件已經應用多年，但主要應用于 4GHz 以下的低頻領域。
5G 通訊高頻、高速和高功率的特點對功率放大器性能也提出了更高的要求，碳化硅基氮化鎵具有良好的導熱性能、高頻率、高功率等優勢，成為 5G 移動通訊系統、新一代有源相控陣雷達等系統的核心射頻器件，有望替代硅基 LDMOS。根據 Yole 的預測，2025 年功率在 3W 以上的射頻器件中，砷化鎵器件市場份額保持不變，碳化硅基氮化鎵將替代大部分硅基LDMOS，占市場 50%左右的份額。
展開 一文對比RF和微波仿真軟件ADS vs. AWR
AWR在器件建模和傳輸線分析方面具有豐富的經驗，支持特定的射頻器件模型。
2
非線性分析
ADS以其強大的非線性分析功能而聞名，支持多種非線性模型，如MOS、BJT、GaN等。
它能夠進行諧波平衡分析，以模擬非線性電路如混頻器、振蕩器和功率放大器。
ADS的非線性分析可用于預測高功率工作狀態下的電路性能。
AWR同樣支持非線性分析，主要專注于射頻和微波電路的非線性仿真。
針對高頻電路的特定需求，AWR在非線性分析方面提供了專門的工具和模型，如功率放大器模型和諧波平衡仿真。
3
電磁仿真分析
電磁仿真引擎：ADS內置了Momentum電磁仿真引擎，可以進行三維電磁場分析。它能夠對微帶線、傳輸線、微波元器件等進行高精度的電磁仿真。
元器件建模：ADS支持元器件級別的電磁建模，例如微帶線、耦合器、濾波器等。
電磁-電路聯合仿真：ADS具有電磁-電路聯合仿真能力，允許工程師在電磁仿真的基礎上進行電路仿真，以更好地分析整體系統性能。
電磁仿真引擎：AWR使用了AXIEM電磁仿真引擎，也是一種強大的三維電磁場仿真工具。它可以分析微帶線、傳輸線、高頻器件等的電磁行為。
射頻器件模型：AWR提供豐富的射頻器件模型，以便工程師可以在電磁仿真中準確建模射頻器件的特性。
布局優化：AWR強調布局優化，可以幫助工程師在電磁仿真的基礎上優化布局，以最大程度地提高電路性能。
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軟件構架
模塊化設計：ADS采用了模塊化的設計方法，將不同的功能分解為各種模塊，例如線性仿真、非線性仿真、電磁仿真等。這種模塊化的設計使得用戶可以根據需要選擇特定的功能，從而減少了不必要的復雜性。
展開 GaN產業鏈—射頻通信大顯身手，功率器件或后來居上
來源：平安證券
氮化鎵正在改變世界，中國企業發力強勁
圖5 氮化鎵領域國外企業代表（來源：智慧芽整理）
圖6 氮化鎵領域中國企業代表（來源：智慧芽整理）
在這些企業中，日本住友全球率先量產氮化鎵襯底，是全球氮化鎵射頻器件主要供應商，同時也是華為GaN射頻器件主要供應商之一。住友聚焦于襯底和器件方面的研究，其中，器件方面近幾年側重于氮化鎵FET器件。該公司的氮化鎵襯底單晶生長技術側重HVPE法，重點解決襯底缺陷、尺寸等難題。此外，住友在氮化鎵FET器件上，側重外延工藝和芯片工藝突破。
美國Cree依靠其技術儲備支撐氮化鎵功率器件的市場化。2019年，Cree逐步剝離LED業務，專注于碳化硅電力電子器件和用于GaN射頻器件，并于2021年正式更名為Wolfspeed（原Cree旗下的功率&射頻部門）。在技術分布上，發光二極管LED和GaN基FET器件兩大方向是Cree重要的專利布局領域。其中，前者的研發熱度在近幾年明顯衰退，而Cree在后者的細分領域中則探索了較多的技術難題，注重器件多性能發展。
德國英飛凌持續深耕功率器件領域，且重點關注美國市場。其前身作為西門子集團的半導體部門，英飛凌主要生產IGBT、功率MOSFET、HEMT、DC-DC轉換器、柵極驅動IC、AC-DC電源轉換器等功率半導體器件，曾連續10年居全球功率半導體市場之首。在氮化鎵領域，英飛凌的技術分布于集中產業鏈中游——器件模組，持續關注GaN基FET、IGBT等功率元器件，以及由多個功率元器件集成的功率模塊（如電源轉換器）的研發。總體而言，英飛凌在功率模塊、GaN基FET器件上布局的專利最多。
國內LED龍頭“三安光電”在氮化鎵領域有一定技術儲備。三安光電是目前國內規模最大的LED外延片、芯片企業。
展開 碳化硅，究竟貴在哪里？
碳化硅半導體，是新近發展的寬禁帶半導體的核心材料，以其制作的器件具有耐高溫、耐高壓、高頻、大功率、抗輻射等特點，具有開關速度快、效率高的優勢，可大幅降低產品功耗、提高能量轉換效率并減小產品體積，主要應用于以5G通信、國防軍工、航空航天為代表的射頻領域和以新能源汽車、“新基建”為代表的電力電子領域，在民用、軍用領域均具有明確且可觀的市場前景。我國“十四五”規劃已將碳化硅半導體納入重點支持領域，隨著國家“新基建”戰略的實施，碳化硅半導體將在5G基站建設、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁、大數據中心等新基建領域發揮重要作用。因此，以碳化硅為代表的寬禁帶半導體是面向經濟主戰場、面向國家重大需求的戰略性行業。
碳化硅在制造射頻器件、功率器件等領域具有明顯優勢。但是在射頻器件、功率器件領域，碳化硅襯底的市場應用瓶頸為其較高的生產成本。影響碳化硅襯底成本的制約性因素在于生產速率慢、產品良率低，主要系：目前主流商用的PVT 法晶體生長速度慢、缺陷控制難度大。相較于成熟的硅片制造工藝，碳化硅襯底短期內依然較為高昂。例如，目前碳化硅功率器件的價格仍數倍于硅基器件，下游應用領域仍需平衡碳化硅器件的高價格與因碳化硅器件的優越性能帶來的綜合成本下降之間的關系，短期內一定程度上限制了碳化硅器件的滲透率，其成本高限制了其在下端市場的應用場景以及市場滲透，那么碳化硅具體貴在什么地方呢？
展開 智芯研報 | 新基建帶動下的第三代半導體產業發展機遇
與Si材料相比，SiC和GaN禁帶寬度約為Si的3倍，擊穿場強超過10倍，具有低導通損耗，適用于高壓高功率器件；
SiC熱導率約為Si的3.3倍，具有良好的散熱特性，可以減少器件體積，適用于高溫器件；
GaN 的電子漂移飽和速率為 Si 的 2.5倍，有利于簡化外圍組件降低成本，適用于高頻率器件。
因此，在應用領域，如圖所示，GaN的優勢在高頻領域 ，目前主要集中在1000V以下，例如通信基站、消費電子等；
SiC的優勢在高溫和1200V以上的高壓電力領域 ，包括智能電網、光伏逆變器、高鐵、新能源汽車、工業電機等；
在中低頻、中低功率領域，GaN 和 SiC 都可以應用，與傳統Si基器件進行競爭。
按器件功能分，如圖所示，第三代半導體主要應用在功率器件、微波射頻器件、光電子器件中。
功率器件（Power De‐vice）也稱電力電子器件，主要用于電氣工程、電力系統，根據負載要求處理電路中電力轉換，具有處理高電壓、大電流的能力，電壓處理范圍從幾十伏~幾千伏，電流能力最高可達幾千安，典型的功率處理功能包括變頻、變壓、變流、功率放大和功率管理。
射頻器件（Radio Frequency De‐vice）指頻率范圍在 300kHz～300GHz 之間，具有遠距離傳輸能力的器件，在無線通訊中扮演數字信號和電磁波信號轉換的角色，是無線通訊設備中的基礎性零部件，包括濾波器、功率放大器（PA）、雙工器、射頻開關、低噪放大器、天線等。
展開 微波射頻電路、IC及微系統設計領域有哪些前沿技術挑戰？
微波射頻電路是雷達、通信、導航、測控、電子對抗及數據傳輸等系統中重要的組成部分。在科技以及5G技術發展的推動下，雷達和無線通信系統的指標如發射功率、接收靈敏度、帶寬、通道一致性等不斷提高，不斷推動射頻微波技術向毫米波和太赫茲，寬帶和超寬帶，高功率發射，高靈敏度等方向發展，此外新的器件和工藝如MMIC、LTCC、SiP、SoC等持續涌現，這些都為微波射頻電路設計帶來了新的挑戰。
另外，隨著系統小型化和高集成度的要求，射頻集成微系統已經成為射頻電路發展的熱門方向。射頻微系統通過半導體和封裝工藝集成無源和有源器件，集成度高、設計難度大，一旦設計指標未達到要求，重新設計成本非常高。
因此在需求推動和新技術引領下，微波射頻電路設計必須充分挖掘射頻器件的性能潛力，充分考慮電路版圖中互連結構的高頻耦合效應和寄生效應，充分考慮射頻電路與天線互相影響，才能降低設計風險，提高設計成功率，確保以較低的成本、較短的周期完成最終設計。
Ansys以電磁場仿真為基礎，結合電路與系統仿真和多物理場仿真，能夠對微波射頻電路與系統進行全方位的虛擬仿真設計與優化。基于Ansys工具，通過系統仿真，研究射頻電路與數字調制之間的指標分配；通過電路和器件仿真，實現高性能的微波電路和器件設計；通過場路協同仿真，更準確地評估射頻天線系統的整體性能；通過芯片-封裝-系統的微系統級仿真，評估復雜工況和極小尺寸下的產品性能。Ansys仿真技術最終實現微波射頻電路與系統的高效率、高質量設計。
Ansys微波射頻電路、IC及微系統解決方案以三維全波電磁場仿真軟件HFSS為基礎，結合電路仿真及電-熱-結構多物理場仿真技術，提供完整的仿真設計與優化方案。
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