射频前端滤波器产业105页深度研究报告

报告出品方/作者：方正证券，陈杭

滤波器是射频前端领域规模最大子行业。

市场规模预测：根据Resonant统计，2016-2020年全球射频滤波器市场规模从50亿美元增长至150亿美元。2016年至2020年平均复合增长率为31.6%，2020年至2025年平均复合增长率为15%，预计到2025年市场规模有望超过302亿美元。

滤波器竞争格局及演进推演

移动端：

SAW日本美国优势明显：Murata 、TDK 、Taiyo Yuden 、Skyworks、Qorvo 。
BAW美国优势明显：Broadcom（FBAR）、Qorvo（BAW-SMR）。
国内供需缺口较大，自给率低，本土企业竞争程度不高，相互促进。
目前本土厂商提供的产品主要集中于分立器件，并逐步向中高端射频模组渗透。
下游厂商华为、中兴、小米、OPPO、VIVO等助推滤波器国产化进程加速。

长期观点：以卓胜微（正在切入IDM）、汉天下、展锐等为主的Fabless企业采用自身设计，委外代工的模式布局滤波器领域，有望增强公司在射频模组趋势下的竞争实力。以德清华莹、好达电子、麦捷科技为主的设计生产厂商在实现滤波器国产替代的过程中，有望向国内上游公司释放订单空间，带动上游晶圆、材料领域厂商实现成长。

基站端：

海外基站滤波器厂商美国Powerwave、Andrew和CTS，韩国Partron和Sawnics，日本MuRata等。
3G时代，中国基站滤波器主要厂商包括世嘉科技、春兴精工、东山精密、大富科技等。
4G时代，大富科技和武汉凡谷已成为全球基站滤波器市场的龙头企业。

结合终端应用需求结构变化趋势，我们认为移动端滤波器未来的产品结构将发生如下变化：

IPD滤波器市场渗透率较快提升：受益于Sub 6G频段应用场景需求提升，性价比高。
BAW滤波器市场渗透率缓慢提升：目前价格偏贵，供应商少，BAW产品投资产出比需要持续改善。
LTCC滤波器需求较快提升：5G带来传输最大带宽提升（60Mhz→100Mhz），驱动宽频带的滤波应用需求。声学滤波器在毫米波频段存在一致性问题，预计支持更大带宽、更高频率的LTCC滤波器将会占据毫米波频段一定份额。

在以上未来预期的基础上，从时间维度进行进一步研判：

短期（2021-2022）：5G技术发展前期叠加BAW滤波器的成本劣势，SAW/IPD滤波器短期内仍将主导中低端滤波器产品市场。
中长期（2023-）：5G新增频段基本高于3GHz，5G发展中后期适合高性能、高频率和高功率的BAW产品，BAW滤波器需求上升，SAW/IPD/BAW滤波器市场份额会比较均衡。

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射频前端概览

1.1 射频、射频模块

射频：可以辐射到空间的电磁频率，频率范围在300KHz～300GHz之间。

射频模块：用于发射/接收两个装置之间的无线电信号，是无线通信设备实现信号收发的核心。

1.2 手机射频前端分立器件及功能

手机的通信模块主要由天线、射频前端、基带处理器等组成。

射频前端（RFFE）：包括接收通道和发射通道两大部分。一般由射频开关（Switch）、射频低噪声放大器(LNA, Low NoiseAmplifier)、射频功率放大器(PA，Power Amplifier)、双工器(Duplexers)、射频滤波器(Filter)、天线调谐器(AntennaTuners)等组成。

射频开关（Switch）：通过将多路射频信号中的任几路连通，实现不同信号路径的切换，包括接收与发射的切换、不同频段间的切换等，以达到共用天线、共用通道的目的。主要包括移动通信传导开关、WiFi开关、天线调谐开关等。

天线调谐器（Tuner）：连接发射系统与天线的一种阻抗匹配网络，使得天线在所应用频率上辐射功率最大。

低噪声放大器（LNA）：把天线接收的微弱射频信号放大，并尽量减少噪声的引入，能有效提高接收机的灵敏度，进而提高收发机的传输距离。

功率放大器（PA）：把发射通道的微弱射频信号放大，使信号获得足够高的功率，实现更高通信质量、更远通信距离。

滤波器（Filter）：通过信号中特定频率成分并极大衰减其他频率成分，提高信号抗干扰性与信噪比。

双工器（Diplexer）：

由两组不同频率的带通滤波器组成。利用高通\低通\带通滤波器的分频功能，使得两条信号路径可以使用同一天线或传输线，实现同一天线对两种不同频率信号的接收发送。滤波器的衍生产品不限于双工器，未来在射频前端还可整合为三工器、四工器、六工器等多工器。

1.3 接收通道、发射通道的射频前端器件构成

发射通道：基带芯片（将语音、视频、数据基带信号调制为中频信号）→混频器（将中频信号搬移到所需的发射频率）→射频收发器→开关→功率放大器→滤波器/双工器→开关→天线发射信号。

接收通道：发射通道的逆过程。天线（接收电磁波信号）→开关→滤波器（滤掉不需要接收的信号）→低噪声放大器（放大接收的微弱信号+最小化噪声影响）→解调器（把接收的信号解调到较低的频率）。

1.4 基站架构及其射频系统

通信基站：一般由BBU（基带处理单元）、RRU（远端射频模块）和反馈系统（天线、馈线等）组成。

RRU：负责基带到空中的发射/接收信号处理，完成数字信号和射频信号的转换，主要包括数字系统、射频收发系统（TRX)、功率放大器、滤波器，再通过馈线连接天线。

我们主要分析RRU与天线连接处的滤波器。

1.4.1RRU逻辑结构图

RRU：主要包括数字系统、射频收发系统（TRX)、功率放大器、滤波器等。

1.4.2 RRU内部逻辑框图

由移动端发射、基站接收的信号：基站天线将收到的信号发给RRU，首先经过滤波器滤除不需要的信号，再经LNA放大信号，然后信号经下变频转为中频信号，调节后进入BBU。

由基站发射、移动端接收的信号：信号经BBU处理后调制成中频信号，再经上变频为高频信号，功放放大后信号进入双工器，对不必要信号进行滤除，之后发向空中。

1.4.3基站架构及其射频系统

4G时代，基站RRU主要采用金属腔体滤波器。

5G时代初期，金属滤波器小型化是必然趋势。

5G时代后期，陶瓷介质滤波器会逐渐取代金属型滤波器成为主流。RRU将与天线合并成为有源天线单元AAU。

1.5 滤波器/双工器—射频前端最大子行业

1.5 .1滤波器/双工器—核心壁垒

移动端：

IDM为滤波器主要运营模式：半导体行业三种主要商业模式，IDM模式、Fabless模式和Fab-lite模式。

滤波器产业比较适合IDM模式：

滤波器属于技术和资本密集型行业，对于设计经验、专利布局及全产业链布局要求较高。滤波器的成本控制集中在晶圆和封测环节（特别是封测），Fabless模式难以体现成本优势。

国际龙头滤波器厂商基本采用IDM模式，兼具成熟的晶圆生产制造技术和后端封装技术从而带来技术成本双优势。

基站端：

三大进入壁垒：认证、技术积累、资金支持。
行业进入壁垒较高，竞争主体相对稳定。

1.6 行业发展总体趋势—5G驱动的量价齐升

我们对5G驱动的射频产业量价齐升的分析逻辑如下：

量价齐升：分别体现在移动端和基站端两大应用场景。

量：单机射频芯片用量、5G终端销量两个维度。

价：分立器件角度，探究单颗射频芯片价值量；模组产品角度，考虑技术难度提升带来的产品溢价。

1.6 行业发展总体趋势—滤波器产品高频化、模组化

BAW渗透率提升：2G/3G/4G时代，SAW滤波器凭借较低成本主导市场，BAW滤波器在高频市场更具优势。频带从低频向高频的发展促进BAW市场份额的提升。

模组化：将射频开关、低噪声放大器、滤波器、双工器、功率放大器等两种或者两种以上的分立器件集成为一个模组。

先进封装：4G通讯模组分为天线、射频前端、收发器和数据机等四个主要的模组。未来5G射频模组的重要发展趋势是毫米波天线AiP封装。

滤波器产品细分

2.1 射频滤波器产品细分总览

射频滤波器主要应用于移动端和基站端两大场景，技术、成本、功率要求不同。

• 手机滤波器对体积、价格较为敏感。

• 基站滤波器要求大功率和高稳定性。

• 手机滤波器主要为声学滤波器，基站滤波器主要包括金属腔体滤波器和介质滤波器。

2.2 衡量滤波器性能的主要指标

• Q值、带宽、阻带抑制度、插入损耗、延迟时间等是衡量滤波器性能的指标。

• Q值和插入损耗是选择滤波器的最常用、最主要的性能指标。

• 不同终端（手机、基站）对滤波器性能的要求不同。

• 市场对滤波器的选择往往是综合性能指标数值、终端应用要求和成本因素综合考量的结果。

2.3 移动端滤波器主流技术路径：声学滤波器

声学滤波器可细分为表声波滤波器（SAW滤波器）和体声波滤波器（BAW滤波器）两种。

• SAW滤波器可进一步细分为普通SAW、TC-SAW、I.H.P-SAW。

• BAW滤波器可进一步细分为BAW-SMR、FBAR、XBAR。

2.3 声学滤波器——SAW

原理：利用压电陶瓷、铌酸锂、石英等压电石英晶体振荡器材料的压电效应和声表面波传播的物理特性制成的一种换能式无源带通滤波器。

• 产品结构：在具有压电特性的基片材料抛光面上制作两个声电换能器－叉指换能器(Interdigital Transducer，IDT)，分别用作发射换能器和接收换能器。

• 工艺：以石英、铌酸锂或钎钛酸铅等压电晶体为基片，经表面抛光后在其上加一层金属膜，通过光刻工艺制成两组具有能量转换功能的交叉指型的金属电极，分别称为输入叉指换能器和输出叉指换能器。

• 产品运作流程：输入IDT接上交流电压信号时，压电晶体基片表面产生振动，并激发出与外加信号同频率的声波，此声波主要沿基片表面与叉指电极垂直的方向传播。其中一个方向的声波被吸声材料吸收，别一方向的声波则传送到输出叉指换能器，被转换为电信号输出。

声学滤波器——压电效应

压电晶体的原子排列不对称。一般情况下，正负电荷相互抵消，整体晶体不带电。

• 当晶体受到压力发生形变，原子间距离变化打乱原来的平衡，出现净电荷，晶体表面出现正电荷或负电荷，这种现象为正压电效应。

• 晶体两端施加电压时，为保持电荷平衡，原子来回震动使压电晶体形状轻微变形，这种现象为逆压电效应。

声学滤波器——SAW细分产品差异

声学滤波器——BAW

与SAW不同，声波在BAW里垂直传播。BAW使用石英晶体作为基板，贴嵌于石英基板顶、底两侧的金属对声波实施激励，使声波从顶部表面反弹至底部，以形成驻声波。

• 基本结构：两个金属电极夹着压电薄膜(在2GHz下厚度为2um)，声波在压电薄膜里震荡形成驻波。

• 板坯厚度和电极质量（mass）决定了共振频率。BAW谐振器应用MEMS工艺，以便将石英晶体的工作机理扩展到更高频率。BAW滤波器压电层的厚度必须在微米量级，因此需在载体基板上采用薄膜沉积和微机械加工技术实现谐振器结构。

声学滤波器——BAW更适合高频

与SAW相比，BAW更适合用于制作多工器：

随着频率上升，在上频谱中SAW的体积辐射声能比BAW大。
BAW滤波器通常在较高频率水平上具有更低的插入损耗。

SAW/BAW滤波器比较

SAW/BAW技术发展趋势

小型化：市场主流的缩小SAW/BAW滤波器体积的方法有三：

a. 优化器件用芯片设计，使其体积更小；

b. 改进器件的封装形式；

c. 将不同功能的SAW/BAW滤波器封装在一起，构成组合型器件以减小PCB的占用面积。

高频、带宽化：电子整机高频、宽带化趋势要求SAW/BAW滤波器必须提高工作频率和拓展带宽。对于适用频率较低的SAW滤波器，其常见改进方法如下：

a. 优化设计IDT的电极结构；

b. 提高曝光设备和光刻技术能力；

c. 利用声表面波传播速度更高的压电材料。

集成化：利用先进封装集成技术（SiP），基于各种元件的特点，将多个元件芯片封装集成在一个外壳中。如采用SOI工艺将滤波器模块和其他射频前端模块进行单片集成。

2.4 超高频场景：移动端滤波器其他技术路径

总体来看，TC-SAW用于低频段和中频段，BAW一般用于中频段和高频段。在5G Sub-6G频段中，BAW-SMR和FBAR为主流技术。

在超高频段，需要采用XBAR、LTCC、IPD（Integrated Passive Device）等技术。在更高频段进行过滤，超越其他BAW滤波器性能：Resonant2019年发布的原型XBAR滤波器在5GHz频率范围内工作同时具备约600MHz的带宽，比任何其他已公布的滤波器带宽宽约2倍。

低插入损耗：大约1dB的通带插入损耗，将带来更长的电池寿命。

功率处理能力强：在频带边缘的功率处理性能超过30dBm (1W)（随着频率的增加，发射距离会缩短，为了达到发射距离，需要增加RFFE的功率）。

高频下的Wi-Fi抑制能力强，相邻频段抗干扰能力强。允许5G和Wi-Fi在手机或设备中共存。

2.5 移动端滤波器产业趋势

结合终端应用需求结构变化趋势，我们认为移动端滤波器未来的产品结构将发生如下变化：

IPD滤波器市场渗透率较快提升：受益于Sub 6G频段应用场景需求提升，性价比高。
BAW滤波器市场渗透率缓慢提升：目前价格偏贵，供应商少，BAW产品投资产出比需要持续改善。
LTCC滤波器需求较快提升：5G带来传输最大带宽提升（60Mhz→100Mhz），驱动宽频带的滤波应用需求。声学滤波器在毫米波频段存在一致性问题，预计支持更大带宽、更高频率的LTCC滤波器将会占据毫米波频段一定份额。

在以上未来预期的基础上，从时间维度进行进一步研判：

短期（2021年-2022年）：5G技术发展前期叠加BAW滤波器的成本劣势，SAW/IPD滤波器短期内仍将主导中低端滤波器产品市场；

中长期（2023年-）：5G新增频段基本高于3GHz，5G发展中后期适合高性能、高频率和高功率的BAW产品，BAW滤波器需求上升，SAW/IPD/BAW滤波器市场份额会比较均衡。

2.6 基站端滤波器技术路径细分：金属滤波器

原材料：金属原材料主要包括铜材、钢材、铁镍合金、铝材等。

• 生产流程：检查、绕线、压脚、焊锡、组装以及电感测试。

• 性能：

✓ 优点：制作工艺成熟、性能稳定、Q值适中、价格较低

✓ 缺点：原材料为金属，较介质滤波器功率较高、体积较大、质量较重，不符合5G基站小型化、轻量化趋势。

• 安装介质谐振器可大幅提升传统金属腔体滤波器的Q值，降低损耗。介质谐振器目前已经成为具有低损耗、大功率、抗干扰等性能特点的高端腔体滤波器的核心部件，在频谱资源受限、带宽窄、边频抑制要求高的使用场景得到广泛应用。

射频前端模组化趋势

3.1 射频前端模组化

3.1 模组化原因及SiP封装

3.2 射频模组和分立器件的市场规模

整个射频前端市场包含分立器件与射频模组两大组成部分。4G较3G射频前端产品基本没有变化，4G通讯模组包含天线、射频前端、收发器和数据机等四个主要的模组。

5G大部分产品都是以模组化形式出现，分立器件市场份额将会减少。5G Sub-6GHz频段，射频前端模块将由分立器件转向模组形式。

据Yole预测，2025年射频前端整体市场规模达到258亿美元，射频模组市场将达177亿美元，占总市场规模68%，年均复合增长率为8%；分立器件仍将有81亿美元的市场规模，占总市场规模32%，复合年增长率将达到9%。

3.3 射频模组主要集成方案

H/M/L LFEM是接收模组五重山中的最高级别，拥有最高的整合度和最极致的复杂度。这类产品以非常小的尺寸，实现了高/中/低频的10-15路频段滤波（SAW Filter）、通路切换（RF-Switch）以及信号增强（LNA），在5G项目上能帮助客户极大地压缩Rx部分占用的PCB面积，把宝贵的面积用在发射/天线等部分，提升整体性能。

3.4 国产替代趋势

国内模组产品的发展情况：5G手机射频前端模组按频段分可分为4G部分（兼容3G及以下频段）和5G部分。4G部分、5G部分各自有自己的发射和接收模组。

接收\发射端角度：国内厂商暂时无法完全突破、量产双工器产品。在5G频段发射端模组领域还未实现大规模量产出货，目前出货主力在4G发射端+4G/5G接收端模组。

4G\5G角度：5G模组易，4G模组难：5G部分接收端模组国内较多厂商可以做，4G部分由于需要向下兼容3G、2G，国内少数公司可以实现完成。

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