在射频前端各部件中，滤波器是射频前端增长最快的部分。滤波器占比约50%（SAW占35%，BAW占15%），功率放大器占比约30%，开关与低噪声放大器合计占比约20%，目前各细分市场均为日美巨头垄断，市场集中度较高。
继上期《通信基站滤波器产业链分析》之后，本期智芯研报梳理了手机射频前端滤波器的市场规模与格局，欢迎大家留言交流。
▼5G相比于4G对手机中收发机架构的影响
对于5G中的3.5-6.0GHz新频段，频率与当前的4G高频段接近，因此更有可能采用直接下变频的无线电解决方案。但较高的频率依然会给高频段无线器件性能带来压力，但是基本的直接下变频架构将保持不变。
从滤波器的角度来看，更高的频率会给表面声波（SAW）滤波器的带来不小阻碍，其高频劣势在2.5GHz频带上已经体现了出来。
因此3.5-6.0GHz更有可能采用BAW和温度补偿BAW（TC-BAW）滤波器。不过高频率的影响也会对BAW滤波器起作用，因为声学损失随频率的平方在急剧增加。
在毫米波频率下，声学滤波器不再适用，这是由于毫米波频率下声学损失增加，并且缩放尺寸不切实际。其波长开始变得足够小，因此毫米波的滤波器技术是基于EM技术的。
射频滤波器，又名“射频干扰滤波器”，主要功能是通过电容、电感、电阻等元器件的组合移除信号中不需要的频率分量，同时保留需要的频率分量，从而保障信号能在特定的频带上传输，消除频带间相互干扰。
SAW&BAW目前手机中使用的主流滤波器主要有声表面波滤波器（SurfaceAcousticWave，SAW）和体声波滤波器（BulkAcousticWave，BAW）。
声表面波滤波器（SAW）
声表面波滤波器（SAWF）是一种采用石英晶体、压电陶瓷等压电材料，利用其压电效应和声表面波传播的物理特性而制成的一种滤波专用器件，广泛应用于电视机及录像机中频电路中。
SAW滤波器具有性能稳定、使用方便、频带宽等优点，是频率在1.6GHz以下的应用主流。但存在插入损耗较大、处理高频率信号时发热问题严重等缺点，因此在处理1.6GHz以上的高频信号时适用性较差
SAW滤波器被广泛应用在2G和3G接收机前端、双工器以及接收机滤波器。SAW滤波器具有低插入损耗、高抑制和宽带的特点，相比于传统腔体滤波器和陶瓷滤波器尺寸也非常小。
由于SAW滤波器采用晶圆制作的方式，还具有量产低成本的优势。不同频带的滤波器和双工器可以通过SAW技术直接集成在单个芯片上。
此处不得不提的是压电效应，压电效应存在于具有一定对称性的晶体中。压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压，则产生机械应力（称为逆压电效应）。
电能和机械能之间的转换可以说是十分高效的，能量损失非常微小。
在固态材料中，交替的机械变形可以产生速度为3000到12000米每秒速度传播的声波。在声波滤波器中，如果品质因子Q值可以高达几千，则可以形成驻波。这些高Q谐振是声学滤波器实现的频率选择性和低损耗的基础。
在SAW滤波器上，电信号输入，通过交错金属叉指换能器（IDTs）在压电材料衬底上转换为声波。常见的压电材料基材有石英，钽酸锂（LiTaO3）或铌酸锂（LiNbO3）。
SAW滤波器可以覆盖高达1.9GHz的频率应用，适用于GSMCDMA2G和部分4G频带。除此之外，WLP封装也已用来封装SAW，使得它的体积小巧，可以同时与双工器或者多带形式集成。
但是SAW滤波器在高频应用下的劣势是很明显的，1GHz以上其选择性下降明显，超过2.5GHz时，SAW只能满足一般性应用需求而难以满足高性能要求。同时，它的工作状态对温度敏感，基材的刚性在高温时会下降从而导致声速减弱。
温度上升时SAW滤波器的频率响应可能会下降4MHz之低。随着保护带（guardband）变窄、在消费设备应用的宽温度范围要求（通常，-20°C至85°C）下，这种限制变得更加显着。
Qorvo推出的LowDrift和NoDriftSAW滤波器可以解决其温度漂移的问题，通过在IDT结构上增加涂料层，可以提高压电材料在高温下的刚性。
通常普通的SAW滤波器的频率温度系数为-45ppm/℃，LowDrift技术可以减小到-15到-25ppm/℃。在更苛刻的应用条件中，NoDriftSAW滤波器可以进一步把这个指标提高到0ppm/℃。
然而，由于制造工艺的复杂化，掩膜版的数量会是普通SAW滤波器的两倍，因此LowDrift和NoDriftSAW滤波器制作难度更高，成本也更高，但是相比于BAW滤波器依然有成本优势，下面我们来看BAW滤波器。
体声波滤波器（BAW）
BAW滤波器采用3D腔体结构，具有插入损耗小、带外衰减大等优点，同时对温度变化不敏感，因此尤其适用于2GHz以上的高频通信，在5G与sub-6G的应用中有明显优势。但BAW制造成本显著高于SAW。
BAW将成为高频通信的主流
由于成本的限制，SAW与BAW将在近几年内仍将保持共存。2GHz以下SAW的市场占有率较高，2GHz以上BAW的市场占有率较高。不过随着未来5G高频通信的普及，BAW将占据主导地位。
▼BAW滤波器技术
BulkAcousticWave(BAW)滤波器也叫做体声波滤波器，不同于SAW滤波器，BAW滤波器的声波传播方向是垂直的。
BAW谐振器通过石英晶体作为衬底，在上层和下层覆盖金属贴片来激发声波，从顶部表面反弹到底部表面形成驻波声波。
谐振频率是由衬底板厚度和电极质量决定的。高频的BAW滤波器中压电层必须做的很薄，几微米的厚度，这要求谐振结构必须使用载体基板上的薄膜沉积和微加工。
BAW滤波器具有低插入损耗，因此有助于弥补与单个智能手机中支持多频段带来的高损耗。除了改善信号接收外，更低的损耗也有助于延长电池寿命。
BAW在上行链路和下行链路分离最小的应用以及紧密压缩的相邻频带中需要衰减的应用中表现优异。
▼BAW滤波器基础
为了防止能量从衬底处损失，可以通过交替堆叠不同刚性和密度的薄层来形成声学布拉克反射器。这种方法就称为固定安装的谐振器BAW。
布拉格反射器是由具有不同折射率的多层交替材料形成的结构。另一种称为薄膜体声谐振器（FBAR）的方法是在有源区域下方蚀刻空腔，从而形成悬浮膜。
FBAR滤波器是filmbulkacousticresonator滤波器的简称，不同于以前的滤波器，FBAR是使用硅底板、借助MEMES技术以及薄膜技术而制造出来的，现阶段的FBAR滤波器已经具备了略高于普通SAW滤波器的特性。
两种类型的BAW滤波器都可以实现非常低的损耗，因为它们的声能密度非常高并且可以非常好地捕获声波。
它们可实现的Q值在2GHz时仍然可以高达2500，高于在其他类型的微波滤波器。即使在要求苛刻的通带边缘，带外抑制和插入损耗性能方面依然表现优秀。
▼BAW滤波器横截面示意图
FBAR和BAW-SMR之间的根本区别在于如何捕获声能。对于FBAR，谐振器的两个空气/晶体界面确保适当的声波捕获。
在BAW-SMR中，谐振器下方的布拉格反射器可以有效地捕获声波。二者之间另一个主要区别是器件产生的热量的热路径。
在BAW-SMR中，热量具有进入基板的传导路径，从该传导路径可以传播。在FBAR中，因为谐振器的每一侧都存在气腔，所以热传导能力较弱。
两种BAW滤波器构造方法使得它们可以处理比SAW滤波器更高的射频功率。与SAW器件相比，它们的性能随温度变化较小。
反射器中使用的SiO2将BAW的整体温度漂移降低，远低于传统SAW或FBAR滤波器所能达到的温度漂移。
BAW器件能够实现更高的功率密度，使紧凑型器件能够处理高达10W的功率，为小型蜂窝基站应用提供充足的功率处理能力。
滤波器一直是射频信号处理的重要部件，并且随着通信时代的更迭用量在不断增加。3G网络的通信频段有5个，而根据3GPP的更新，4GLTE已经增加到了52个波段，5G的标准还没有最终确定，但是5G的加入会让已经很密集的频谱更加拥挤。
虽然对于单个手机来说要做到支持全球所有频段很不实际，但是想要做到国际通用的功能丰富的机型，就需要在2G、3G和4G的发射和接收路径上做到多达15个频段的支持，同时也要支持WiFi、蓝牙和全球导航卫星系统（GNSS）。像这样的4GLTE手机就需要30到40个滤波器。在5G时代，这个数字将会增加到60个以上。
滤波器的作用是通过特定频率的信号，让其他频率的信号受阻。按照可以通过信号的类型可以分为四种类型：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器以及带阻滤波器。带阻滤波器也叫做陷阻滤波器。
▼滤波器按通频分类
▼滤波器按材料分类
▼滤波器的各项指标
▼Q值对滤波器的影响
根据Skyworks数据，预计到2022年终端射频市场将达到227亿美元，复合年增长率将达到14；但各组件增速不一，滤波器的复合年增长率为21，开关的复合年增长率为12，而射频功率放大器和低噪声放大器（PAs&LNAs）的复合年增长率仅为1。
5G的频段数的增加、天线数的增加以及载波聚合等因素，预计5G终端射频的单机价值量将超过50美元；但射频前端占手机成本的9，而滤波器为手机射频前端的最大价值点，其次为功率放大器和开关。
▼典型智能手机射频前端价值分布
滤波器在无线通信中发挥着重要作用，占据射频前端模块总体市场的50%以上。随着5G频段的增加，预计滤波器的市场规模也将从2017年的80亿美元增加到2023年的225亿美元。
根据Yole统计，2017年全球手机滤波器市场规模80亿美金，预测随着5G的成功部署，2023年可达225亿美金，复合增速接近20，其中，单个手机中滤波器的成本将达10美元。
排名前5的SAW厂商为：村田(47)、TDK(21)、太阳诱电(14)、Skyworks(9)、Qorvo(4)。
排名前4的BAW厂商为：Avago(87)，Qorvo(8)，太阳诱电(3)，TDK(2)，其中Avago和Qorvo两者占有95的市场份额。
国内厂商整体实力较薄弱，滤波器技术目前仍是公司甚至国家的核心技术，代表公司有麦捷科技、德清华莹、无锡好达电子。
▼终端滤波器市场规模预测
▼SAW滤波器市场格局
▼BAW滤波器市场格局
全球射频器件厂商不断通过并购重组争夺滤波器市场，声波滤波器领域在多轮并购洗牌后，形成了寡头垄断的新局面。
滤波器市场高度集中日美企业垄断主要份额：
- 传统SAW滤波器市场的主要供应商为Murata、TDK、太阳诱电等几家日本厂商，总计占据了全球市场份额的80%以上。
- BAW滤波器市场被博通和Qorvo垄断。安华高和博通并购重组后，博通拥有了最具有竞争力的产品组合，其推出的FBAR滤波目前在高端智能手机应用市场中占据统治地位。
- 在声表面波技术发展的浪潮中，我国涌现了一批从事滤波器设计制造的企业，在滤波器领域打下了一定基础。但因为起步时间较晚，无论在技术方面还是配套产业方面，国产厂商与国外IDM厂商之间的差距还是比较明显，国内滤波器产业仍处于发展早期。
Broadcom（来自Avago）和Qorvo（来自TriQuint）是智能手机领域中仅有的两家批量供应商，因此BAW滤波器的供应商的规模要小得多。
Broadcom凭借其FBAR技术在滤波器体积和器性能方面处于领先地位。Qorvo拥有SMR技术，并且与FBAR的性能差距很小。两家公司在过去十年中都增加了大量产能以满足滤波器市场的增长。
并且这两家公司都将其制造工艺从150毫米晶圆转变到200毫米晶圆，且两家公司都积极并购硅晶圆厂以满足未来的预期需求。
由于BAW工艺的复杂性，BAW技术的进入壁垒明显高于SAW。除了工艺流程的复杂性之外，两家公司都拥有涵盖该技术的知识产权IP。
2009年至2012年期间，Avago和TriQuint就BAW技术专利进行了大的法律诉讼，最终达成了交叉许可协议。之后两家公司积极增加各自的专利组合，这进一步提高了技术门槛。
然而，BAW滤波器市场的前景依然非常可观，Skyworks，RF360Holdings和TaiyoYuden也宣布将会提供基于BAW的产品。
初创公司Akoustis通过使用单晶AlN开发了一种非常高性能的BAW技术，在此前其他供应商使用的则是多晶AlN方案。
Akoustis技术公司(前称为Danlax,Corp.)是根据美国内华达州法律于2013年4月10日注册成立，总部设在北卡罗来纳州的亨茨维尔。2015年4月15日，公司更名为Akoustis技术公司。2017年3月，登陆纳斯达克。
目前Akoustis已经宣布推出了三款商用滤波器产品：第一款是用于三频WiFi路由器应用的商用5.2GHzBAWRF滤波器；第二款是针对雷达应用的3.8GHzBAWRF滤波器；第三款AKF-1652是针对未来4GLTE和5G移动设备5.2GHzBAWRF滤波器。
▼AkousticXBAW单晶体滤波器在1-7GHz频率的应用
5G制式下声学滤波器的限制显得更加关键。BAW滤波器目前应用在2.5-3.5GHz，5G制式下将会占领3.5-6.0GHz。
随着频率增加到6.0GHz，性能挑战将会非常明显。为了避免滤波器性能在高频时的下降，必须开发改进型声学谐振器技术。
SAW滤波器将会沿用当前工艺，在改进的同时继续在低频区域占据成本优势。SAW滤波器将主导5G中新出现的600-700MHz频段。
依据目前的技术现状，还没有可以替代SAW和BAW滤波器的其他可用的先进滤波器技术，因此在未来5年之内目前的手机收发机架构不会发生本质性变化。
对于27GHz以上的毫米波频率，滤波器的挑战将是巨大的。
目前的高性能毫米波滤波器确实存在，但大多数的尺寸和重量并不适用于与移动设备。小型化EM波导和腔体滤波器的新技术开始出现。
腔体滤波器的预期性能应高于EM波导滤波器，但是EM波导滤波器可以使用薄膜工艺，有低成本优势。
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