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5G产业链之射频前端深度分析报告

2019-06-30  小兔菲菲小

(温馨提示:文末有下载方式)

报告综述:

射频前端是移动通信设备的的关键部件,随着通信制式升级 而日益复杂。射频前端作用是接受和发送无线信号,进行数字信号和 模拟信号的转换。典型 4G 智能手机射频前端单机价值接近 20 美元, 随着 5G 升级,射频前端的价值量将继续提升。同时由于 5G 需要支 持更多的频段、实现更复杂的功能,这些均需要靠射频前端来完成, 射频前端在通信系统中的地位进一步提升。

三个维度看 5G 变化,射频前端迎来三大改变。5G 对通信系统的 改变可以从三个维度考察:基站侧与终端侧、SA 与 NSA、Sub-6GHZ与毫米波。在三个维度下,射频前端的变化各不一致,整体而言面临 三大方面的改变:1有源器件工艺转向GaAs/GaN/SOI 等,特别是在 基站侧,GaN 将成为主流技术;2滤波器在基站侧由金属滤波器转向 介质滤波器,在终端侧则由 SAW/TC-SAW 转为 BAW/FBAR ;3整 个射频前端模块来看,模组化程度日益复杂。

5G 驱动射频前端市场扩容,美日巨头寡头垄断之势持续。根据 Yole 的预测,智能手机射频前端市场将在 2023 年达到 352 亿美元, 复合年增长率为 14%。但是射频部件增速不一,其中份额最大的 滤波器市场预计将以 19%的复合增速增长,也是增速最快的部件。 射频前端一体化趋势下,整合各部件制造能力已经成为射频产业的必 然潮流,各巨头通过收购兼并补足短板。目前来看,射频前端市场基 本由美日两国巨头垄断,短期内这一态势仍将维持。国内企业在较低 端的 PA、滤波器等方面多有布局,但是突破美日垄断仍任重而道远

报告摘要:

一、 5G 驱动射频前端革命

(一) 射频前端是5G 设备的核心部件

射频前端(RFEE)是移动通信设备的的重要部件。其扮演着两个角色,在发射信 号的过程中扮演着将二进制信号转换成高频率的无线电磁波信号,在接收信号的过程 中将收到的电磁波信号转换成二进制数字信号。无线通信设备中的射频部分包括射频 前端和天线,射频前端包括发射通道和接收通道。具体的元器件包括滤波器(Filter)、 功率放大器(PA)、射频开关(Switch)、低噪声放大器(LNA)、天线调谐器等。射频 部分处于发射状态时,开关的接收支路关闭发射支路打开,低噪声放大器处于关闭状 态,从收发机(Tranceiver)发出的信号经过功率放大器(PA)放大,再通过滤波器滤 除杂波,通过双工器(由两个滤波器组成)后连接到开关的发射支路,信号通过天线 发射出去;当射频部分处于接收状态时,开关的接收支路打开发射通道关闭,功率放 大器关闭,从天线接收到的信号,通过开关的接收支路到双工器,经过滤波后传递给 低噪声放大器放大,放大后传递给收发机进行信号处理,完成信号接收。

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射频前端价值量随着通信制式升级而提升。从手机终端单机价值量来看,2G时代 射频前端价值量约3美元,4G时代达到18美金,到5G时代将增长至25美金,增幅近40%。 移动终端每增加一个频段,需要增加1个双工器,2 个滤波器,1个功率放大器和1个天 线开关。未来5G手机将需要实现更复杂的功能,包括多输入多输(MIMO)、智能天线 技术(如波束成形或分集)、载波聚合(CA)等,射频前端价值量还将持续提升。

射频前端在5G时代的重要性日益凸显。5G需要支持更多的频段、进行更复杂的信 号处理,射频前端在通信系统中的地位进一步提升。同时射频前端电路需要适应更高 的载波频率、更宽的通信带宽,更高更有效率和高线性度的信号功率输出,自身需要 升级以适应5G的变化,在整体结构、材质以及器件数量方面都需要巨大的革新。射频 前端将是5G极具挑战、又至关重要的领域,行业变革迫在眉睫。

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(二) 三个维度看5G 变化

我们从三个维度讨论5G对通信环境的改变,分别是基站侧与终端侧、SA与NSA、Sub-6GHZ与mmwave毫米波,以此来探讨5G对射频前端带来的影响。

1、基站侧与终端侧

基站与手机终端都需要射频前端,但是两者有所差异:1、市场规模方面,终端数 量远高于基站数量,相应的射频前端市场规模也高于后者。2、性能要求方面,手机终 端要求耗电量低、尺寸小、功率低,基站对应要求相对较低。对于移动智能终端,如 3G、4G智能手机要求射频前端具有高效率,使智能终端的通话时间延长,而基站系统 要求射频前端功放要有高输出功率,提高信号的传输距离。3、单机射频器件数量方面, 基站必须支持多频段多通道同时发射接收,支持32、64通道,如华为基站设备64T64R, 需要用到的滤波器与功率放大器更多。

对于基站射频,4G基站采用“BBU+RRU”的组网解决方案,Base Band Unit(BBU) 是基带处理单元,通常用于基带数字信号处理,通过传输设备直接与基站控制器相连; Radio Remote Unit(RRU)是射频拉远单元,包括收发信机的中频和射频模块,主要用于 处理中频和射频信号,射频前端就位于RRU当中。5G基站则采用“CU+DU+AAU”的结 构,射频前端位于AAU当中。

对于手机射频,一般集成在手机射频模块里,主要包括天线、射频前端和射频芯 片,目前手机射频芯片多与基带芯片集成在主芯片内,天线则设计为单独的模块,射 频前端因制作材料的不同难以与芯片集成,且射频前端器件种类较多,因此会分成多 个不同功能的射频前端模块。

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2、SA与NSA

随着Rel-15标准的冻结,摆在电信运营商的难题是究竟选择5G 独立(SA)网络, 或者是折中部署由LTE网络完善而来的非独立(NSA)网络。SA架构提供完善的5G体 验,而NSA预计资本支出相对较低,在5G大规模应用前,NSA可以作为风险较低的过 渡方案。

5G NSA作为过渡方案,增加了射频前端的复杂程度。5G NSA需要4G LTE和5G双 连接,采用主从结构,即以4G节点为主结构,5G接入节点为从结构,意味着存在频率 互相干扰的问题。在所有移动运营商转换为SA之前,NSA将是全球许多运营商的选择, 射频前端比SA架构更为复杂,至少在很长的一段时间内继续为终端射频设计带来挑战。

3、Sub-6GHZ与mmwave毫米波

Sub-6GHZ即低于6GHZ的5G新频段,是现有LTE频段的向上延续,一定程度上能 够利用现有的基站设施从而简化5G部署。Sub-6GHZ又可分为低频段(1GHZ以下)和 中频段(1~6GHZ),1 GHz 以下的超高频 (UHF) 频段非常适合高数据速率下的长距 离传输,是实现 5G大规模机器类型通信 (mMTC) 的理想选择;1到6GHZ的中频段 则适用于需要至少 100 MHz 通道带宽的 5G 增强型移动宽带 (eMBB) 。

mmwave毫米波指24GHZ~100GHZ的5G新频段,用于短距离、高数据速率的传输 和交换,对应的则是5G超高可靠低时延通信场景(URLLC)。

低高频段协同,Sub-6GHZ与mmwave毫米波合力促5G落地。一个关于5G发展的 共识就是,高低频段协同发展策略,以中低频(Sub-6GHZ)为基础,高频(mmwave 毫米波)为补充,同步开展研究验证,合力促进5G落地应用。6GHZ以下频谱面向广域 覆盖、高移动性服务等业务场景,作为5G的基础频段具有重要意义。而对于24GHZ以 上高频段,可以满足网络高速高容量需求,作为5G的补充频段。

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(三) 5G 给射频前端带来的三大改变

改变一:有源器件工艺转向GaAs/GaN/SOI

5G频谱提升带来射频器件材料和工艺的两大改变。射频前端的有源器件由于要承 接5G高频率,材料和工艺都要发生变化。传统的射频工艺以以LDMOS、SiGe、GaAs 为主,未来GaN、SOI等工艺将逐步成为主流。

对于功放PA,目前针对3G和4G市场的PA主要有基于Si的横向扩散金属氧化物半导 体(LDMOS)和砷化镓(GaAs)PA两种,其中又以GaAs PA为主流。基于GaAs工艺 的功放技术以其高耐压、高功率、纵向电流特性和良好的衬底特性而特别适合于射频 功率放大器应用,在3G、4G等移动通信终端和高端智能手机领域,GaAs功放芯片有着 不可撼动的地位。而在基站领域,GaN有望取代LDMOS,成为PA的主流技术。

对于天线开关/LNA,传统是以GaAs技术为主,随着通信世代更新,RF-SOI技术逐 渐成为主流。与GaAs相比,RF-SOI具有相同的性能和功耗,成本超过30%减少和50% 的模具面积。因此,RF-SOI逐渐取代GaAs。RF-SOI技术自2010年开始应用后,目前已 经几乎100%应用于智能手机,而且有望从射频开关向PA、LNA等部件渗透。

工艺进化在Sub-6GHZ和毫米波频段有所不同。对于Sub-6GHZ,由于与现有4G频 段接近,虽然结构更为复杂,但是射频工艺整体变化不大,基本工艺都可以作为可选 项,更多的是渐进式创新。而对于毫米波,由于射频前端集成度更高,更容易实现集 成的SOI技术应用更为广泛,同时技术可选项大为减少。

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5G带来的工艺改变在基站侧与终端侧也不一致,GaN有望成为基站射频的主流技 术。终端侧,GaAs技术由于成熟度高,性能足够且成本较低,5G时代也将占据主流地 位;而基站侧,GaN技术有望成为PA的主流技术。相较于基于Si的横向扩散金属氧化 物半导体(Si LDMOS)和GaAs,在基站端GaN射频器件更能有效满足5G的高功率、 高通信频段和高效率等要求。当频率扩展到Sub-6GHZ,适用于3GHZ以下的LDMOS不 再满足5G规范,GaN PA(以及部分LNA等)更有可能成为基站建设的主力。根据Yole 估计,大多数低于6GHz的宏网络单元实施将使用GaN器件,到2023年,GaN RF器件市 场规模达到13亿美元。

GaN在基站建设成本上亦有很大下降潜力。以基站的相控天线阵列为例,其成本 包括射频元件、PCB和天线本身,使用GaN前端可以使天线阵列大小减小8倍,也能大 大减少相应的材料成本。仅分析射频元件,目前在4英寸SiC晶圆上制备的GaN材料是8 英寸SiGe的4.5倍,随着6英寸GaN产线的大批量投产,GaN成本有望下降至SiGe的3倍。 两种工艺的成本比较如表。与全SiGe结构相比,6英寸GaN技术可以节省35%的整体原 材料成本。在SiGe工艺下,虽然每台设备的与硅相关的成本较低,但是整体系统成本 要高很多。

改变二:滤波器由SAW转向BAW,由金属转向介质

滤波器通过对通信链路中的信号频率进行选择和控制,抑止不需要的频率信号, 解决不同频段、不同形式通信系统之间信号干扰问题,提高通信质量。其主要参数包 括插入损耗、Q值、中心频率、通带带宽等。

5G背景下,基站端由金属腔体滤波器向陶瓷介质滤波器过渡。在3G/4G时代,金 属腔体滤波器凭借结构牢固、性能稳定的特征,Q值适中、高端寄生通带较远、散热性 能好,且较低的成本,较成熟的工艺成为通信基站首选。但由于移动通信频谱资源有 限,随着移动通信网络的发展商用无线频段非常密集,导致了高抑制的系统兼容问题。 基站进入Massive MIMO时代,RRU和天馈结合为AAU,对滤波器小型化、轻质化、集 成化、产量化、性能稳定方面提出更高要求。此时,陶瓷介质滤波器以更高Q值,更小 损耗,同时尺寸也更小的优点,有望成为基站滤波器主流。

手机端,滤波器的选型将由SAW/TC-SAW 转为 BAW/FBAR。BAW(体声波) 和SAW(声表面波)分别代表不同阶段的技术方向。声表面波(SAW)技术六十年代 末发展起来,其体积小、性能稳定、使用方便、选择性好、频带宽,一般工作1.9GHz 以下频段,应用上限为2.5GHz 左右,但存在工作频率不高、插入损耗较大、功率容量较 低等缺点。5G Sub-6GHz频段下,SAW无法适用。BAW滤波器中声波垂直传播,最大 可以工作到20GHz,功率接近40dBm(10W),具有对温度变化不敏感,插入损耗小,带 外衰减大等优点,适用于高频率场景,但由于高Q值,成本较高。目前阶段BAW和SAW会分别在中高频和低频发挥最优性能优势。FBAR是一种基于BAW的谐振技术,利用压 电薄膜的逆压电效应将电能量转换成声波形成谐振。FBAR滤波器综合了介质陶瓷的性 能优越和SAW体积较小的优势,并且克服两者的缺点,是替代SAW滤波器的下一代滤 波器。

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改变三:前端模组化程度日益复杂

5G时代射频前端模组化程度将越来越高。随着通信制式升级,频段变多,高一级 的通信系统要向下兼容,导致射频器件越来越多越来越复杂;同时要求增加电池容量, 压缩PCB板面积,决定了模组化是必然趋势:1、终端小型化。射频前端模组化降低了 对PCB面积的占用,这对于寸土寸金的手机终端内部尤为重要。2、大批量生产一致性。 如果用分立原件搭建复杂需求的射频电路,很难保证量产一致性,而模块化将电路内 化,可靠性更高。3、缩短研发周期。射频前端模组化提升了终端厂商的研发效率,缩 短了产品开发周期,使得后者能更快地推出新产品。Qorvo和Skyworks都推出了把多个 射频器件封装到一起的SiP封装产品,Qrovo的RF Fushion,skyworks的Skyone产品、高 通与TDK合资公司推出的RF360产品,国内锐迪科推出了集成功放、滤波器和开关的模 块,提供高度集成化的解决能力。

射频前端模块通常存在三种主流架构:PAMiD架构、MMMB PA+ASM架构、MMPA + TxFEM架构,对应了不同形式的模组化。MMMB PA集成2G/3G/4G PA,通过外部滤 波器和双工器与天线开关模块ASM连接,即MMMB PA+ASM架构;MMPA+ TxFEM是 目前国内应用最广泛的射频前端架构,MMPA只集成3G/4G PA,2G PA与ASM集成, 称为“TxFEM”。PAMiD集成度最高,集成了MMMB PA+ FEMiD。主流的旗舰机型因为 要支持全球大部分频段,大都采用PAMiD架构。

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二、 射频市场保持高增,竞争格局暗流涌动

(一) 5G 驱动射频器件高增长

基站侧:5G 基站天线进化为 Massive MIMO 带来射频器件成倍增加。传统4G基 站所配置 MIMO 天线基本是 2T2R、4T4R 和 8T8R,5G 毫米波频段,波长缩小到毫米 级, MIMO 进化为 Massive MIMO,可以达到 64T64R,甚至 128T128R。以 64T64R基站为例,每个通道需要一套射频器件来计算,则射频器件套数将为传统 2T2R 基站的16 倍。同时由于5G通信频段带宽将大幅增加,滤波器、PA 等设计更为复杂,单体价 值也会有较大提升。数量成倍增加叠加价值量提升,基站射频市场潜力巨大。

手机侧:5G 射频前端复杂化与 5G 换机潮,驱动射频前端市场成长。全球智能手 机市场已经趋于饱和,但是从 3G到 4G 以及未来 5G,射频器件单机价值量逐步提升; 加之 5G 驱动的换机潮,手机侧射频前端市场有望迎来加速成长。

根据 Yole 的预测,智能手机射频前端市场将在 2023 年达到352亿美元,复合年增 长率为 14%。但是射频部件增速不一,其中份额最大的滤波器市场预计将以19%的复 合增速增长,从2017到 2023 年几乎增长 3 倍;LNA 市场预计将以 16%的复合年增长 率增长;随着 4×4 及以上MIMO技术的普及,预计天线调谐器市场也将实现显著增长。

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(二) 美日角逐,射频前端格局初定

收购兼并热潮下,射频前端格局初定。传统的射频前端市场基本由美日巨头占据, 主要是四家厂商:Broadcom、Skyworks、Qorvo和Murata。随着通信制式的不断复杂化 与单机ASP提升,形成射频部分一体化射频解决能力才能占领最大的市场份额,自2014 年以来,海外巨头进行了一系列布局,来强化自己的射频芯片布局;海外射频芯片巨 头,通过一系列并购整合,完成了射频芯片和滤波器的布局。主要是进行了三方面的 布局:1、基带芯片厂商与射频芯片厂商之间的整合,形成基带和射频一体化提供方案。 典型的代表为Qualcomn与TDK设立RF360公司研发射频部分;2、射频芯片厂商收购滤 波器厂商,形成射频芯片与滤波器的一体化解决能力,典型的代表为skyworks收购 Panasonic的射频部门,组成新的skyworks; 3、巨头之间的强强联合与整合,提供射频 终端的整体解决能力,典型的代表为2014年RFMD与Triquint合并成立Qorvo,2014年 Murata收购Peregrine,增强射频前端的能力。海外巨头通过一系列整合,进一步拉高了 射频前端行业门槛,给后来者包括国产企业带来很大困难。

(三) 5G 毫米波引入新玩家

毫米波频段下,基带芯片厂商涉足射频前端。在毫米波频段下,由于可以根据 CMOS或SOI技术设计每个构建模块,这将使得许多以前几乎没有无线电制造经验的数 字芯片供应商有机会参与到集成射频SOC模块的开发。

典型代表是高通,其在2014年收购Blacksand进入PA市场,2016年同日本电子元器 件厂商TDK联合组建合资公司进入滤波器市场,为5G时代射频前端技术提前布局,同 时发布全球首款5G调制解调器骁龙X50。2017年2月,高通推出了全新的射频前端解决 方案RF360,提供了从调制解调器到天线的完整解决方案。

其后高通逐步完善了射频前端产品线,于2019年2月推出X50的后续版本X55,能 够实现高达7Gbps的下行、以及3Gbps的上行速率。同时推出了相配套的射频前端方案, 最突出的是支持全球毫米波频段(26GHz、28GHz、39GHz)的 QTM525毫米波天线 模组,其可以实现厚度小于8mm的5G手机(相比之下,iPhone XS和Galaxy S9分别为 7.7mm和8.5mm厚)。高通通过将收发器、开关等前端器件和天线阵列都集成在一个模 组当中, 极大地简化了5G手机开发难度,并且有效控制模组尺寸。

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三、重点公司梳理

(一) Skyworks

Skyworks(思佳讯)创立于 1962 年,总部位于美国马萨诸塞州,是世界上领先的 专注于射频及无线半导体解决方案的公司。其产品包括用于手机和无线基础设施的功 率放大器、前端模块等 RF 产品。工艺技术储备丰富,涵盖了 GaAs HBT、pHEMT、BiCMOS、SiGe、CMOS、SOI 及TC-SAW等各类数字与模拟工艺。受益于完善的产品 结构、在 IoT 及 WiFi 领域的拓展和在苹果手机中的广泛应用,Skyworks业绩快速增 长。Skyworks 在 SAW 滤波器、射频功率放大器、射频开关等产品上都有完善的产品 覆盖,并在将芯片集成为模组的方面有较强能力。

(二) Qorvo

Qorvo由 TriQuint 和 RF Micro Devices 两家公司于 2015 年合并组成。Qorvo 在射 频产品领域提供商中占据领导地位,在某些领域具备垄断优势。毛利率较为稳定,主 要客户有华为、三星等。公司4G时代获得快速发展。优势在于高端射频滤波器产品, 特别是是 BAW 滤波器方面,Qorvo 与Broadcom几乎主导了该市场。

(三) Boradcom

Broadcom是由原光电子厂商 Avago 以于 2015 年370亿美元收购网络芯片巨头 Broadcom 合并而成的公司。Broadcom 提供无线嵌入式解决方案和射频组件产品,包 括全套的射频前端产品。Broadcom 在射频前端领域的布局较久,在射频前端模块和射 频滤波器方面的实力较强。

(四) 三安光电

三安光电是 LED 芯片龙头,在 2014 年进入化合物半导体领域,目前已经搭建成 涵盖微波射频、高功率电力电子、光通讯等领域的化合物半导体制造平台,具备衬底 材料、外延生长、以及芯片制造的产业整合能力,拥有大规模、先进制程能力的 MOCVD 外延生长制造线。在微波射频领域,当前已推出具有国际竞争力的 GaAs HBT、pHEMT 以及GaN、SiC 等面向射频应用的先进制程工艺,已建成专业化、规模化的4寸、6 寸 化合物晶圆制造产线,来满足射频无线通信及毫米波客户的代工需求,是国内稀缺的 5G 射频器件代工商。

(五) 东山精密

公司旗下艾福电子是基站陶瓷滤波器生产商,产品主要包括陶瓷介质滤波器、双 工器等,间接或直接成为国内外通信运营商主力供应商。2018 年 10 月公司发布公告, 子公司艾福电子取得华为的滤波器采购订单,向其供应 5G 陶瓷介质滤波器等产品,订 单金额为 2538.08万元。据公司一季报业绩预告,艾福电子陶瓷介质滤波器产品已经对 主要客户开始批量供货。艾福电子是公司在5G通信设备市场领域的关键布局,盈利前 景较为广阔。

(六) 信维通信

公司是世界领先的射频零部件解决方案提供商,为客户提供移动终端天线及相关 模组、音射频模组、良好电磁兼容性能的连接器的研发、生产、销售与服务为一体的一站式创新技术解决方案。2017 年 6 月,公司出资1.1亿元入股德清华莹,成为德清 华莹的第二大股东。德清华莹成立于 1978 年,是国内最早研制生产声表面波滤波器产 品的企业。通过此次投资,信维通信也顺利打入 SAW 滤波器市场。结合自身的天线业 务,公司成为国内 5G 射频前端领域的重要标的。

(七) 麦捷科技

麦捷科技主营业务为研发、生产及销售片式功率电感、滤波器及片式 LTCC 射频 元器件等新型片式被动电子元器件和 LCD 显示屏模组器件,并为下游客户提供技术支 持服务和元器件整体解决方案。公司一体成型电感及 SAW 滤波器、LTCC 滤波器在国 内处于领先水平,目前已经批量出货导入终端品牌厂商,根据公司 2018 年业绩快报, 相关产品已经开始贡献业绩。其中 SAW 滤波器批量出货并成功 Design in 知名大客户 如 TCL、MOTO、伟创力、天珑、华勤、闻泰、中兴、华为等。

(八) 卓胜微电子

公司是国内重要的射频开关及 LNA Fabless 厂商,拥有完善的技术平台,覆盖 RF CMOS、SOI、锗硅、砷化镓各种材料工艺,实现了射频低噪声放大器在RF CMOS 工 艺下的量产。公司 2012 年成为三星供应商;2015 年年中,公司以较低成本对射频低 噪声放大器和开关集成的方案实现量产;2017 年,公司已实现平均单月稳定生产 1.7 亿颗芯片的供应链能力。目前客户覆盖了国内外众多知名移动智能终端厂商。

(九) 唯捷创芯

唯捷创芯是国内主要的 4G PA 供应商,出货量国内第一。公司是 Fabless 模式,早 期通过成功研发 TD PA 芯片而迅速发展,后来于 2015 年在新三板挂牌,于 2017 年摘牌。公司是中国移动5G联合创新中心的成员,计划于 2019 年发布其首款在 3.3GHz-3.6GHz 频段支持 HPUE 的5G射频前端模组。

(十) 汉天下

汉天下是国内重要的 2G/3G PA 供应商,依靠 CMOS 技术,2G/3G PA 市占率全球 第一。公司成立于 2012 年,截至到 2018 年底,公司应用于2G/3G/4G终端的芯片 6 年 累计销售量超过 27 亿颗,应用于蜂窝互联网模组的芯片全年累计销售量超过 5000 万 颗。

(十一) 飞骧科技

飞骧科技原为国民技术的无线 射频产品亊业部,2015 被独立分拆。2010 年开始 开发国产射频功率放大器和射频开关,核心产品有 4G/5G/WiFi 和NB-IoT 芯片, 客户覆盖知名手机品牌和 ODM 厂商,包括华为、中兴、小米、索尼、诺基 亚 、传 音 等 。公司在 5G方面也已经开始布局,已率先在 n78(3.5GHz)和 n79(4.5GHz) 两个特定频段展开独立 PA 以及射频前端模块研究,模块将集成功率放大器、低噪声放 大器、射频开关、滤波器等功能,满足系统输出功率、接收灵敏度、带外抑制等指标 要求。

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