5G 基站射频集成度提高，价格有提升趋势：

工信部 6 月正式发布我国 5G系统频率使用征求意见方案，规划将 3.3GHz-3.6GHz、4.8GHz-5.0GHz，以及 24.75GHz-27.5GHz、37GHz-42.5GHz 应用于 5G，毫米波频段计划用于 5G 超出市场预期。在 5G 基站中，传统 BBU 与 RRU分离模式逐渐演变为射频模块与天线的融合。混合波束赋形的架构预计会成为 5G 基站天线射频系统的主流架构趋势，射频器件的使用数量大幅增加，为满足体积需求，射频系统集成度将会更高，整体价格有大幅提升趋势。

毫米波天线射频设计制造壁垒高，需大量技术积累：毫米波阵列天线相较于低频段的阵列天线具备体积小型化、重量轻量化、宽带化、固态化和集成化等特点，另外用于民用移动通信还需考虑规模化量产和低成本等一系列问题，厂商需要大量技术积累，具体体现在平面天线设计和工艺要求高、大量器件需要芯片集成、传统 PA 芯片半导体材料不适应高频、传统微波传输线不适应需求以及测量测试复杂等多种方面。我们估算在中性条件下，我国 5G 毫米波频段基站射频系统的市场规模 2019 年为 24 亿元，2020年为 72 亿元，2021 年达到 120 亿元。

毫米波频段射频器件主要技术工艺趋势：由于传统波导结构和微带线、带状线等微波传输媒介不满足体积、损耗、性能和集成度等方面的需求，基片集成波导（SIW）作为一种新型的导波结构有希望在 5G 毫米波射频系统中广泛应用。MEMS 射频器件有望在 5G 毫米波需求下快速增长，据 Yole Development 预计，RF MEMS 市场 2017 年-2022 年全球市场规模年复合增长率为 35%，显著高于同期 MEMS 市场的年复合 8.9%的增速。化合物半导体包括氮化镓（GaN）和砷化镓（GaAs）在 5G 毫米波高频段射频系统中具备广阔的应用前景，2010 年全球 GaN 射频器件市场规模仅 6300万美元，2019 年 5G 将推动行业快速增长，预计 2020 年将达到约 6.2 亿美元。毫米波射频开关等器件可选择铁氧体材料或者 PIN 二极管来搭建，铁氧体开关在插损、功率容量和可靠性方面具有明显优势，已在雷达系统广泛应用，具备广泛应用于 5G 毫米波器件的潜力。

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一、 毫米波频段及技术将引入 5G，用于热点覆盖场景

1.1 利用传播特性，在雷达与基站回传领域已广泛应用

毫米波（millimeter wave）通常是指频率在 30GHz-300GHz，波长为 1mm-10mm 的电磁波，在无线电波频段划分中属于极高频（EHF）频段。主要优点包括频段带宽极宽，高达 270GHz，超过从直流到微波全部带宽的 10 倍；波束窄，相同天线尺寸下毫米波波束窄，可以分辨相距更近或更清晰观察目标；传播相比激光受气候影响较小，具备全天候特性；另外毫米波元器件尺寸小，系统更容易小型化。毫米波主要缺点包括在大气中传播衰减严重以及对器件加工的精度要求高等。

毫米波目前在雷达、制导、遥感、射电天文和临床医学等领域广泛应用，军事领域上毫米波雷达具备频带宽、波长短、波束窄、体积小、功耗低和穿透性强的特点，相比于激光红外探测，穿透性强的特点可以保证雷达工作在雾雨雪以及沙尘环境中，相比于微波波段雷达，毫米波雷达可以有效减小系统体积和重量，并提高分辨率。在大气遥感方面代表性的有毫米波测云雷达，在云探测中表现出很高的测量精度和分辨率。在民用通信领域毫米波主要应用在实现大容量的卫星地面通信或者地面中继通信领域。卫星通信工作频段在 Ka、Ku 以及 L、S、C 波段上均有应用，地面微波中继通信主要应用方式为视距通信，一般需要 50 公里设置中继站，长距离微波通信干线可以经过几十次中继传至数千公里仍可以保持很高通信质量。

1.2 为满足应用场景需求，5G 无线变革引入毫米波技术

5G 并非仅来源于技术自身的更迭，更重要的是移动互联网和物联网等业务的发展，在不同场景下对多种通信业务都产生了现实的极致体验需求。5G 移动通信系统将能解决例如高流量密度、高连接数、高移动性等各类场景下的通信需求，用户体验速率、流量密度、时延、能效和连接数是不同场景下可能的挑战性指标。依据中国 IMT-2020（5G）推进组的《5G概念白皮书》，连续广域覆盖和热点高容量主要为了满足 2020 年及未来的移动互联网业务需求。连续广域覆盖场景以保证用户的移动性和业务连续性为目标，为用户提供无缝的高速业务体验，随时随地为用户提供 100Mbps 以上的体验速率；热点高容量场景面向局部热点区域，为用户提供极高数据传输速率，满足极高流量密度需求，达到 1Gbps 的用户体验速率、数十 Gbps 峰值速率和数十 Tbps/ km2的流量密度。低功耗大连接和低时延高可靠主要面向物联网业务，低功耗大连接场景具有数据包小、功耗低、海量连接等特点，要求网络具备超千亿连接的支持能力，满足 100 万/km2连接数密度指标，还要保证终端的超低功耗和超低成本。低时延高可靠场景主要面向车联网、工业控制等垂直行业特殊应用需求，需要为用户提供毫秒级的端到端时延和接近 100%的业务可靠性保证。

参考东南大学移动通信国家重点实验室、工信部电信研究院和中国工程院的学者于 2014 年发表在《中国科学》上的论文（尤肖虎,潘志文,高西奇等.5G 移动通信发展趋势与若干关键技术.中国科学:信息科学,2014），5G 移动通信标志性的关键技术主要体现在超高效能的无线传输技术和高密度无线网络(highdensity wireless network) 技术。其中基于大规模 MIMO 的无线传输技术将有可能使频谱效率和功率效率在 4G 的基础上再提升一个量级。针对无线传输上的关键技术，

5G 技术变革主要表现在以下方向：大规模天线阵列（Massive MIMO）、毫米波技术、超密集组网、高级编码技术、新多址技术、多载波技术、自组织网络等。无线传输的关键技术变革将对相关产业造成不同程度的影响，也为积累相关技术、规模优势和优秀商业模式的企业带来新的机遇。

1.3 毫米波频段初步划定，将结合 MIMO 覆盖热点场景

2017 年下半年我国 5G 技术研发试验将结束第二阶段工作，进入第三个阶段系统验证阶段。工信部6 月已正式发布我国 5G 移动通信系统频率使用征求意见方案，规划使用 3.3GHz-3.6GHz、 4.8GHz-5.0GHz，以及毫米波高频段 24.75GHz-27.5GHz、37GHz-42.5GHz 应用于 5G。此次征求意见的 3.3GHz-3.6GHz 频段已经在此前的 5G 试验中使用，属于意料之中会采用的频段，而高频段特别是24.75GHz-27.5GHz、37GHz-42.5GHz 毫米波频段将用于 5G 显著超出市场预期。毫米波频段及技术应用于 5G 移动通信网络主要有以下两点原因：

（1）由于 6GHz 以下频段在广域覆盖方面的优势，频谱已经被包括民用移动通信在内的领域大量使用，可用频段资源特别是大带宽资源已经十分有限，而 5G 对超高速率和大容量通信的要求需要大带宽的频段资源，需要往 6GHz 以上的频段开发未利用的频段资源，毫米波频段存在大量大带宽的频谱资源，可以被有效利用。

利用毫米波频段，5G 无线空口技术将计划由高频段新空口和低频段新空口两部分组成，高频段新空口联合低频空口将重点用于热点覆盖场景。国际上对于 5G 毫米波频段资源的分配已经快速推进，美国联邦通信委员会（FCC）已于 2015 年 10月发布了拟议规范公告，针对 28GHz、37GHz、39 GHz、 64-71GHz 频带提出了全新且灵活的服务规则。日本 NTT 也已提议将 3.5 GHz、4.5 GHz 和28 GHz频段作为 5G 服务的潜在备选频段。我国工信部在6 月征求毫米波频段意见方案发布以后，于 7 月已确定将毫米波高频段 24.75GHz-27.5GHz、37GHz-42.5GHz 用于 5G 研发试验。

（2）Massive MIMO 很适合在移动通信中与毫米波频段配合使用，毫米波波长较短的特点使其天线平面在理论上可以布置更多的天线单元，由于毫米波传播衰减较为严重，大规模天线阵列以及波束赋形（beamforming）能有效提升天线增益，来补偿高频通信的传输损失，使其在热点覆盖场景能形成 100-200 米的覆盖目标。

Massive MIMO 由贝尔实验室科学家 Thomas L.Marzetta 于 2010 年底提出，和 LTE 相比，同样占用 20MHz的带宽，Massive MIMO的小区吞吐率可以达到1200Mbit/s，频率利用率达到了60Bit/s/Hz/小区。MIMO 技术原先已经广泛应用于 LTE、WIFI 等领域，理论上天线越多，频谱效率和传输可靠性就会越高。4G 移动通信时代基站天线支持 4x4、8x8MIMO，下行峰值速率 100Mbps，LTE-A 已可支持 64x64 MIMO，下行峰值速率达到 1Gbps。MIMO 技术为实现在高频段上进行移动通信提供了广阔前景，可以成倍提升无线频谱效率，增强网络覆盖和系统容量，帮助运营商最大限度利用已有站址和频谱资源。从理论角度，假设有一个 20 平方厘米的天线物理平面，如果天线以 0.5λ的间距排列，那么如果工作频段在 3.5GHz，可以部署 16 根天线，而如果频段在 10GHz，可以部署 169根天线，如果在 20GHz，则可以部署 676 根天线。

二、 基站射频系统集成度大幅提升，毫米波产品壁垒更高

2.1 基站天线向有源演进，射频模块逐步集成

狭义移动通信基站设备主要包含三部分：基带处理单元（BBU）、射频处理单元（RRU）和天馈系统。 BBU 完成基带信号的调制解调、协议处理和信道编解码等；RRU 将接收/发送往 BBU 的数字/模拟信号进行数模转换、射频信号调制解调，并将射频模拟信号进行功率放大/低噪声放大，并传送至天馈系统。天馈系统包括天馈前端和室外的天线馈线和塔放等。基站天线的主要作用在信号发送过程中将调制后的射频电流转换为电磁波向预定区域辐射，在接收信号过程中将用户信息经调制后的电磁波接收转换为射频电流传输到主设备。从 2G 到 4G，基站天线经历了全向天线、定向单极化双极化天线、电调单极化双极化天线、多频双极化天线以及 MIMO 天线、有源天线等类型的发展过程。

射频处理单元和天馈前端主要由大量数模转换器（ADC、DAC）、功率放大器（PA）、合路器、隔离器、双工器、滤波器、耦合器、功分器、低噪声放大器（LNA）、移相器等射频器件组成。天馈前端将基站天线接入接口（ANT）以下的射频带通滤波器（RF BPF）和 LNA 等器件集成一体，完成发射信号在线性功放后的滤波、主集接收天线和分集接收天线接收到的信号的滤波、放大和功分，同时具有塔放告警、低噪放告警、发射天线驻波告警监控功能。随着网络结构演进，传统的 BBU 与RRU 分离模式逐渐演变为射频模块与天线融合的一体化有源天线方案（AAU），既可以简化站点部署，又能减少系统馈线损耗。

典型的 RRU 由高速接口模块、信号处理单元、功率放大器（PA）、双工器、低噪声放大器（LNA）等组成，天馈前端还包括合路器、隔离器、滤波器、耦合器、功分器、移相器等其他射频器件。天馈前端主要完成的工作为：发射路径由经线性功放放大后的 TX 信号经过混频器混频，由收/发双工器的 TX 端进入发射滤波器，经由 T 形头和耦合器，从天线发射；接收路径由天线端接收电磁波信号，经由 T 形头和耦合器，进入收/发双工器的接收端滤波器或分集滤波器，经过 LNA 放大，从功分器分配后输出或从分集输出端输出；控制电路可改变 LNA 放大倍数，由耦合器提取驻波比信号反馈到控制台。

射频器件在不同的工作条件下，包括工作频率、体积大小、功率容量、温度、插入损耗、Q 值等，需要对应生产不同生产工艺和技术的器件产品。例如 PA 就有硅工艺的 CMOS PA 以及化合物工艺的砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）PA 等；滤波器按照谐振器不同可以分为同轴滤波器、介质滤波器、波导滤波器、高温超导滤波器、微带线滤波器、集总元件滤波器等；耦合器也包括微带线耦合器、带状线耦合器、波导耦合器等不同种类的产品。4G 基站中的整体射频系统价格约在 5000 元左右，在 5G 网络下基站射频系统的整体价格有大幅提升趋势。

2.2 实现波束赋形架构，射频器件数量大幅增长

2015 年国际电信联盟（ITU）将 Massive MIMO 技术确立为 IMT-2020，成为 5G 网络的关键技术之一。传统 MIMO 技术已经广泛应用于 LTE 及其他系统中，4G 网络已应用8x8 MIMO，Massive MIMO天线单元数量持续增加，并基于多用户波束赋形原理，在基站端布置几百根天线，对几十个目标接收机调制各自的波束，在同一频率资源上同时传输几十条信号。Massive MIMO 优势在于一是能大幅度提升频谱效率和网络容量，二是由于大量天线单元形成的信号叠加增益将使得每根天线以较小的功率发射信号。三是由于大数定律造就的平坦衰落信道使得低延时通信成为可能，传统通信系统需要使用信道编码和交织器来解决信道深度衰落，导致接收机需完整接收所有数据才能获得信息，从而造成时延，Massive MIMO 得益大数定理，对抗深度衰落的过程大大简化，时延可以大幅降低。

MIMO 技术经历了 SU-MIMO（单用户 MIMO）向 MU-MIMO（多用户MIMO）的发展过程，SU-MIMO的特点是只服务单一终端，终端受限于天线数量和设计复杂性，而 MU-MIMO 将多个终端联合起来空间复用，多个终端的天线同时使用，形成大规模的虚拟MIMO 信道系统，多天线的引入导致信号交叉会带来干扰，所以

需要预处理和波束赋形（BeamForming）技术。Massive MIMO 下，基站需要收集所有用户的信道状态信息（CSI）来进行预编码和调度，将用户信号有效分离，对抗用户间干扰。并且，波束赋形也并非简单地波束直线指向用户终端，而是可以从多个方向指向终端，预处理算法可以为波束安排最佳路由，在精确协调下将数据流甚至经由障碍物反射路径发送到指定的用户。

波束赋形在实现架构上目前大致可分为三种：模拟波束赋形（AnalogBeamForming）、数字波束赋形（Digital BeamForming）和模拟/数字混合型波束赋形（Hybrid BF）。

模拟波束赋形中，移相器工作在 RF 频带且在主信号路径上，优点是架构比较简单，缺点是移相器工作在高频，损耗较大且主信号路径损耗大，而且缺乏灵活性，只能处理一个数据流。数字波束赋形中，移相器在数字处理侧，优点是场型实现的自由度最高，缺点则是每一路都需要 RF 链（Chain），另外每一路都需要 ADC/DAC来处理信号，更加耗电，尤其当系统带宽越宽时更为严重。混合波束赋形中移相器在数字及射频路径，将波束赋形在两种架构中取得优化，此架构为近期发展，在 Massive MIMO 系统中将更为常见。

由于 5G 网络广泛应用Massive MIMO，混合波束赋形的架构预计会成为基站天线射频系统的架构主流趋势，从 HBF 的架构来看 n 个天线单元将至少对应 n 个 PA、n 个移相器、m 个 LNA、2n 个天线开关、m 个 DAC/ADC，以及其他一些包括放大器或滤波器在内的电路。相较于 4G 基站天线和射频系统，我们预计 5G 基站天线实现架构中射频器件的使用数量将大幅增加。

假设 5G 网络广泛使用的大规模阵列天线每个基站天线有 256 个天线单元、128 个射频通道，相应的每个基站天线的射频系统就至少需要包含 256 个 PA、256 个移相器、128 个 LNA、512 个天线开关、128 个 DAC/ADC，射频器件从使用数量上看增长迅猛，而且还需要满足阵列天线对于体积大小的需求，电路与器件的集成度将会更高。

2.3 毫米波天线器件设计制造壁垒高，需要大量技术积累

运营商方面三大运营商于 2017 年逐步推动 Massive MIMO 的分阶段商用，初步阶段基于现有网络建设，未来通过软件升级在2020 年左右正式服务于 5G 网络。中国移动计划从2017 年开始实现Massive MIMO 全网热点区域的分阶段商用，中国联通于 2016 年底和 2017 年初分别与中兴华为完成了 FDD Massive MIMO 商用样机的初步测试，中国电信针对 FDDMassive MIMO 提出了模块化的解决方案，积极推动 FDD Massive MIMO 的商用进程。国际上在 Massive MIMO 的试验方面，瑞典隆德大学 5G 技术研究团队设计的 Massive MIMIO SDR 原型系统，实现了在 20MHz 窄频带范围内 22 个客户端 145.6bps/Hz 的数据传输速率。

设备商包括中兴、华为、大唐、爱立信和诺基亚均已推出了 Massive MIMO 产品及解决方案，由于TDD 和 FDD 制式在信道信息获取方面的先天差异，现阶段基于 TDD 的阵列天线进展更快。

中兴于2014 年在业内首家发布了基于 TDD 的 Massive MIMO 基站，2016 年 12 月推出基于 FDDLTE 制式的 Pre5G Massive MIMO 产品并联手中国联通完成了外场验证。华为于 2016 年与沃达丰进行了欧洲第一个 2.6GHz Massive MIMO 试验，2017 年 1 月推出 FDDMassive MIMO 产品并与联通在上海完成外场测试，2 月联手日本软银在东京采用 3.5GHz 频段完成了下行 1.4Gbps 的速率验证。大唐移动 2016 年 4 月推出 256 大规模阵列天线，开发了 3.5GHz 频段的 Massive MIMO 预商用设备，实现 20 流数据的并行传输，速率超过 4Gbps，相较 4G 技术实现 5-10 倍的频谱效率提升。爱立信 2016 年 6 月推出全球首个 5GNR 无线设备，支持 64 天线的 Massive MIMO 技术，8 月发布全球第一款 5G NR 基站，预计 2017 年 Q3 投入商用。诺基亚2017 年推出 Air Scale Massive MIMO自适应天线系统，并在 MWC 上与移动联合演示了技术和产品。

国际上包括美国和日本在毫米波的技术储备方面相对更为成熟，前期也较早对毫米波用于 5G 进行了快速的频段分配推进工作，综合我国针对毫米波用于 5G 的研发试验的频段来看，国际国内对毫米波 5G 的频谱资源的分配主要集中在 30GHz 和 40GHz 左右。在毫米波阵列天线的研发测试上，高通已于 2015 年 11 月展示了28GHz 频段运行的毫米波基站和设备系统，其天线设计原型包括 128个单元，16 个可控射频信道，终端包括 4 个天线阵列，在曼哈顿进行的户外密集城市环境下测试结果可实现 150 米的覆盖。

NEC 于 2016 年底发布 28GHz 基站天线，是日本首家发布该频段 5G 基站天线的设备厂商。天线系统实现极高密度封装，每个天线元件都具备模拟前端电路和 AD/DA 转换器并采用数字波束赋形，仿真结果显示天线可在 16 个方向实现最远 1km 的长距离通信。我国华为在 28GHz、40GHz 进行了毫米波工程天线阵列研发，尺寸可以做到 12cm x 10cm。

毫米波阵列天线相较于低频段的阵列天线具备体积小型化、重量轻量化、宽带化、固态化和集成化等特点，另外用于民用移动通信还需要考虑规模化量产和低成本等一系列问题，具备很高的技术难度和壁垒，我们尝试从平面天线、电路集成化、功率放大器芯片、传输媒介、测试设备等方面概述毫米波天线与射频系统设计和制造的难度提升。

（1）平面天线设计和工艺要求高。传统毫米波一般采用波导结构，波导结构是一种立体较大型的复杂结构，不便于电路的集成化，如需实现天线与其他毫米波单片电路以及无源器件混合集成，形成价格低廉、结构紧凑的前端系统，需要利用平面天线结构设计易集成的毫米波平面天线单元。在平面天线单元的结构下，仍需要满足低损耗、高效率和高增益等一系列重要的天线性能指标，而平面结构天线也存在增益较低、损耗较大的缺陷。在工作频率为毫米波频段时，平面天线的介质损耗、导体损耗、表面波损耗增加，成为影响天线损耗和辐射效率的主要因素。为消除这些损耗，在平面天线的设计中就需要在结构设计和加工工艺上提供有效的方案。

（2）大量器件要求实现较高的芯片集成度。传统毫米波系统是分立器件构建，尺寸较大成本较高，每个器件分别使用不同的工艺技术，使分立器件都有较优性能。而对于毫米波系统，微波器件需要安装在天线基板背面，要求芯片的集成度大大提高。由于半波阵子间距约为波长的一半，28GHz 的天线单元间距约为 5mm，芯片或封装尺寸成为重要考虑因素，在实际情况下至少应将 RF 前端集成到单个 RFIC 中。例如一个 4 x4 阵列，天线组装时就需要将 16 个芯片均匀排放在面板上。

（3）传统功放芯片半导体材料不适合高频需求。制作普通集成电路芯片的硅单晶材料受限材料特性，不适用于高频、高压和大电流的芯片应用，毫米波射频器件需要选择采用其他化合物半导体材料包括砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）、硅锗（SiGe）、碳化硅（SiC）等，由于化合物半导体的材料特性、外延方式、制作环境要求和普通硅 CMOS 工艺截然不同，需要使用专门的生产工艺流程和产线设备，另外化合物半导体在与标准硅工艺的兼容、生产的良率以及产能、器件成本方面也面临着一系列的挑战。

（4）金属波导、微带线等微波传输线不再适应新需求。微波传输线是用以传输微波信息和能量的各种形式的传输系统，作用是引导电磁波沿着一定方向传输，包括同轴线、微带线、金属波导等。金属波导电路广泛应用于军事通信、地面雷达等领域，具有很高的品质因数、极低的损耗和较好的温度特性，并且有牢固的机械结构和高功率容量，在当今很多特殊领域是首选部件，但是缺点是体积大、加工工艺和调试过程都很复杂，因而造价昂贵。微带线传输可以完全在平面上实现，机构紧凑，体积小且重量轻，而且造价较低，微带电路的发展使得大量有源器件可以集成到一个集成电路中，大大减小了器件体积，提高了功能和加工可靠性，降低了器件加工成本，使得微波无线通信的市场化民用化成为可能。但是在毫米波频段微带电路中电磁波的泄漏和辐射比较严重，电路插入损耗大、 Q 值比较低，在毫米波电路设计中这一现象非常明显，因此为了实现毫米波集成电路和系统大批量制造，需要发展新型的导波结构。

（5）毫米波器件测量测试难度大幅提升。测试测量也是毫米波器件生产制造过程中困难的一环，与低频段射频芯片相比，传统的射频芯片测试用一根线缆将射频芯片与测试设备连起来，而在毫米波频段由于集成度较高，很可能射频前端器件封装就将天线集成在一起，在器件上没有射频接口和端子来连接测试设备，传统的采用线缆连接测试方法对于毫米波不适用，需要用更加复杂的测试方案。毫米波频段的信号带宽很宽，量产测试方案较成熟，但是调制测试还比较难，矢量信号分析仪（VNA）在测试射频芯片某些参数上存在难题，如果没有很好的测试手段，器件产品规模化量产的质量问题就难以保证。

参考我国 4G 移动通信基站的建设规模和组成结构，2014-2016 年三大运营商 4G 基站共建成约 300万个，按照发改委工信部印发的《信息基础设施重大工程建设三年行动方案》描述的16-18 年新增200 万个 4G 基站的建设目标，2014-2018 年期间 4G 移动通信基站新增建设总数量约为 400 万个。按照 5G 通信基站整体建设规模约为 4G 基站规模的 2.5 倍左右的水平估算，5G 基站的建设规模将约为 1000 万个，假设其中需要毫米波频段通信的基站数量约为 500 万个。以毫米波高频射频系统产品的价格 8000 元、1.2 万元、1.8 万元的三种情况，我们对 5G 毫米波频段基站射频系统的市场规模进行了相应的估算。中性条件下，我们预计 2019年基站高频射频系统的市场规模为 24 亿元， 2020 年为 72 亿元，2021 年达到 120 亿元。

三、 毫米波频段射频器件的主要技术工艺趋势

3.1 以 SIW 为代表的新型导波结构可满足集成需求

由于传统波导结构和微带线、带状线等微波传输媒介不满足 5G 毫米波频段基站天线与射频系统对于体积、损耗、性能、集成度等方面的需求，基片集成波导（SIW）作为一种新型的导波结构有希望在 5G 毫米波射频系统中广泛应用。SIW 由加拿大蒙特利尔大学吴柯教授的课题组和东南大学毫米波国家重点实验室洪伟教授的课题组提出，已成为国内外研究和产业应用的热点。

SIW 利用金属过孔在介质基片上实现波导的场传播模式，并且同时具备了矩形波导和微带线的优点，包括低插损、低辐射、高 Q 值、高功率容量、小型化，最重要的特点在于能通过现有的 PCB 或 LTCC工艺来制作，可以将无源器件、有源器件和天线等器件集成在同一衬底上，从而使系统体积减小。由于 SIW 与矩形波导相似，因而绝大多数毫米波器件可以由 SIW 结构实现，尺寸重量比腔体器件小，也不存在微带器件的损耗问题，还具有成本低调试简单的特点，适合大批量生产。为减少 SIW结构的尺寸，半模基片集成波导（HMSIW）在保存原基片集成波导特性的基础上将尺寸减少了一半。

SIW 在 5G 毫米波射频系统中具备广泛应用的基础，工艺是该技术的关键要素。在毫米波频段，传统的 PCB 技术因为成本低、设计便捷可广泛应用于基于 SIW 器件的制作，金属通孔可通过微型穿孔或激光切割实现，工艺技术方面需要使金属孔纵向间隔尺寸满足要求，避免高频下辐射的问题。 LTCC 技术也是一种可应用制造 SIW 器件的工艺技术，适用于多层结构和超紧凑器件制作。3D 硅通孔技术和纳米材料、次波长等离子体材料等的发展能使 SIW 技术向更高的频段甚至太赫兹频段发展。

3.2 射频器件中将更多应用 MEMS 工艺技术

微机电系统 Micro-Electro-Mechanical Systems（MEMS）是利用集成电路制造技术和微加工技术把微结构、微传感器、控制处理电路甚至接口、通信和电源等制造在一块或多块芯片上的微型集成系统。MEMS 不仅具有集成电路系统的优点，同时还具备微型化、集成化、多样化、批量化等特点，MEMS 利用传统半导体工艺和材料，通过微米技术在芯片上制造微型机械，并将其与对应电路集成为一个整体。运用MEMS 可生产传感器包括硅麦克风、陀螺仪、加速度器等，可生产执行器包括射频、微镜、振动器、滤波器等。

根据 Yole Development 预计，2017-2022 年全球 MEMS 市场的复合年增长率为 8.9%，将从约 130亿美元增长到250 亿美元。预计按照产品线划分占主导地位的仍是惯性传感器和微流量传感器，占比都为 24%左右，其次是压力传感器，占比为 13%，光学传感器和喷墨头，占比都在 10%左右。但射频 RF MEMS 市场增速较快，预计 2017 年-2022 年全球射频MEMS 市场规模年复合增长率为 35%。

全球市、意法半导体、惠普、德州仪器、佳能、InvenSense、Avago 和 Qorvo、楼氏电子、松下等， BOS 场 MEMS 厂商主要包括博世CH 由于在汽车电子和消费电子市场的布局，营收约占前五大公司合计营收的三分之一，占据行业第一的位置。据赛迪顾问的数据预计 2017 年中国 MEMS 市场规模将达到 400-450 亿元，市场增速平均为 15%-20%，一直快于全球增速，也快于集成电路市场增速。中国 MEMS 设计环节主要公司包括海思半导体、展讯、RDA、全志科技、国民技术、澜起科技等。

3.3 GaN 等化合物半导体市场具备快速增长前景

硅单晶材料是普通集成电路芯片的主要原料，但是由于材料特性所限，在高频、高压、大电流芯片中很难被广泛应用。化合物半导体包括三五族和四族半导体包括氮化镓（GaN）和砷化镓（GaAs）具备优良的射频性能，并具有禁带宽度宽、截止频率高、功率密度大等特点，已在某些民用、军用高性能射频集成电路中使用，在 5G 毫米波高频段射频系统中具备广阔的应用前景。

例如在射频器件 PA 芯片中，目前主要的工艺包括 Si CMOS、GaAs、GaN 等，GaAs 芯片已广泛应用于手机/WiFi 等消费品电子领域，GaN PA 具有最高功率、增益和效率，但成本相对较高、工艺成熟度略低，目前在远距离信号传输和军工电子方面应用较多。根据 Yole Development 数据显示，2010年全球 GaN 射频器件市场规模仅为 6300 万美元，2015 年 2.98 亿美元，2019年 5G 将推动行业快速增长，预计 2020 年将达到约 6.2 亿美元。

目前全球化合物射频芯片设计业呈现 IDM 三寡头的市场格局，2014 年 PA 市场传统砷化镓IDM 厂商 Skyworks、Qorvo、Avago 市场份额分别为 37%、25%、24%。中国化合物半导体市场在 PA Fabless设计领域已有包括锐迪科（RDA）、唯捷创芯（Vanchip）、汉天下（Huntersun）、国民技术、苏州宜确等厂商，还有包括中电科 13 所、55 所等科研院所，代工环节包括三安光电等，封测领域也有长电科技、晶方科技、华天科技等优质企业。

3.4 铁氧体旋磁材料在开关等器件中具备应用潜力

在 5G 毫米波频段的基站天线射频系统中，Massive MIMO、波束赋形以及载波聚合等技术的应用都需要 RF 天线开关器件。在低频段三极管、FET 管搭建的开关可以满足要求，但在高频段可以选择铁氧体材料或者 PIN 二极管来搭建开关组件。相对于半导体开关，铁氧体开关虽然在小型化、可集成性、开关速度方面有不足，但是在插入损耗与功率容量方面具有明显优势，并且具备很强的可靠性，已在雷达系统中广泛应用，未来在 5G 毫米波频段基站射频系统器件中具备应用潜力。

铁氧体是由铁的氧化物及其他配料烧结而成，一般可分为永磁铁氧体、软磁铁氧体和旋磁铁氧体三种。旋磁铁氧体是指具有旋磁特性的铁氧体材料，旋磁性是指在两个互相垂直的直流磁场和电磁波磁场的作用下，平面偏振的电磁波在材料内部按一定方向的传播过程中，其偏振面会不断绕传播方向旋转的现象。广泛应用于微波通信领域的即是旋磁铁氧体，按照晶体类型划分，旋磁铁氧体可分为尖晶石型、石榴石型和磁铅石型（六角型）铁氧体。铁氧体在微波频段有高电阻率和各向异性的特性，微波信号通过铁氧体具有在不同方向上不同的传播特性，利用该特性可制作方向性器件。隔离器是一个有单向传输特性的二端口器件，在规定方向上传输仅有很小的损耗，而在另一个方向上传输就有很大的损耗，由磁化的铁氧体片、传输线和输入输出连接器组成。环行器是一个有单向传输特性的三端口器件，让器件从 1 到 2，2 到 3，3 到 1 是导通的，而信号反过来从 2 到 1，从 1 到3，从 3 到 2 是隔离的，也由磁化的铁氧体片、传输线和输入输出连接器组成。

隔离器和环行器的主要技术指标包括工作频率范围、插入损耗（Insertion Loss）、反向隔离（Isolation）、输入/输出电压驻波比（VSWR）、输入/输出连接器形式、承受功率、工作温度和尺寸等。隔离器常用在微波信号传输系统中，在功放的输出级使用隔离器可防止设备输出端过大的反射信号对前级的影响；环行器的四端口变形也称为双工器，环行器可用于雷达或通信系统里使收/发信号相互隔离，收发可共用同一个天线。

国内微波铁氧体材料和器件具备规模生产的厂商主要包括中国电子 9 所、14 所、航天 23 所、898厂、899 厂、607 所等军工企业及一些民营合资公司，其中 898、899 厂主要从事铁氧体材料的生产，器件研制主要是中电 9 所、14 所以及航天 23 所等厂商。国内厂商在磁性材料生产方面具备原材料供应、人力成本等优势，在中低端产品市场具备较强竞争力，包括横店东磁、天通股份、宁波韵升、中科三环等企业在永磁铁氧体、软磁铁氧体等产品上已形成较大规模生产能力，但受限于工艺水平和生产设备，在中高端产品上与日本 TDK 公司、法国 Thomson 等世界一流企业还存在较大差距。

目前铁氧体制造工艺与方法主要包括火花等离子烧结（SPS）、自燃烧合成法、自蔓延高温合成法（SHS）、快速燃烧合成技术（FCT）、水热合成法、新型水热合成法、机械合金法、微波烧结工艺等。由于在微波铁氧体器件的研制过程中，不仅包括器件产品研发设计、外壳结构件加工等工序，还存在旋磁铁氧体材料生产、磨抛加工等工艺流程，器件生产涉及的工序流程涵盖电子、通信、化学、材料、机械等多学科应用，加上目前微波铁氧体器件大多面向军工需求，国内市场主要研制生产的企业已经建立较高壁垒。

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