射频微波技术:军民应用需求旺盛

物互联大幕开启,民用射频市场空间大。长期.

物互联大幕开启,民用射频市场空间大。长期以来通信是射频微波在民用市场的主要应用领域,目前 5G 技术正逐渐成熟并实现商用化。5G 基站采用的MIMO 技术大幅增加了微波器组件的用量,5G 通信覆盖毫米波波段,高频器件单价更高,5G 基站建设直接推动了射频微波市场扩容。

据 Yole 预测 2022 年射频领域半导体微波器件市场规模有望达 25 亿美元;另一方面 5G 也为自动驾驶、物联网等奠定了基础,拓展了射频微波的应用领域。除通信外车载毫米波雷达、卫星导航定位终端、商业航天用抗辐照微波器组件等应用也将共同支撑起民用射频微波在中长期巨大的市场空间。

射频前端是无线电设备中用于模拟信号处理的部分,具体由频率源、发射机、 接收机和 TR 组件等微波器组件构成。随着国防信息化持续推进,以及民用市 场 5G 通信等应用的拓展,军民领域无线电设备将加速升级列装,驱动微波器 组件市场快速扩张。目前中国微波技术正在加速追赶国际一流水平,未来有望 在相控阵等领域实现弯道超车,并带动微波产业链迎来发展拐点。

微波器组件处理模拟信号,是无线电设备的核心。无线电设备是利用收发电磁 波,实现通信、探测、对抗等功能的设备,射频前端是无线电设备中对模拟信号 进行调制解调、功放、滤波等处理的部分,在军民各个领域得到广泛应用。射频 前端主要由频率源、发射机、接收机和 TR 组件等微波组件构成:频率源用于产 生稳定的高频电信号载波;发射机主要功能为低频信号的调制并放大;接收机能 够滤除杂波,同时解调高频信号。TR 组件通常用于相控阵,位于天线和接收机、 发射机之间,作用是调整单个阵元的相位。相控阵是由大量相同的阵元组成的阵 列,可利用阵元间相位差来合成需要的波形。

国内微波起步晚差距大,相控阵领域有望取得突破。微波技术诞生于一二战之 间,此后近百年保持了快速发展,中国微波技术起步于建国后,目前在高频器件、 产业化和系统设计三个领域和国际先进水平存在较大差距,导致产业竞争力弱, 军用微波器组件性能不足,民用市场市占率偏低。随着微波技术的发展,相控阵 应用领域不断拓展,中国有望借助该技术实现弯道超车。科研院所和民营企业是 中国微波市场的主要参与者,科研院所中 13 所和 55 所是市场主力军,部分信 息化主机院所也会内部配套;民营企业业务规模较小,产品相对单一,但公司治 理更为灵活,“十四五”期间随着下游信息化装备加速列装,民营企业业绩弹性 或将更大。

国防信息化持续深入,军用微波器组件市场加速扩张。信息化是“十四五”国 防建设重点,预计中国将加大对导弹、通信、雷达等领域的投入。中美导弹数量 差距大,随着实战化水平提升,导弹或将加速补库存,其中装备相控阵导 引头的空空导弹将是列装重点;新型号战机装备先进有源相控阵雷达,微波器组 件价值量将得到提升;军用通信对带宽要求大幅增加,宽带无线通信设备有望得 到重点发展,高价值的高频微波器组件预计需求旺盛。预计通信、雷达、导航、 电子对抗等信息化装备在“十四五”期间将加速列装,带动军用微波器组件市场 实现扩张。

万物互联大幕开启,民用射频市场空间大。长期以来通信是射频微波在民用市 场的主要应用领域,目前 5G 技术正逐渐成熟并实现商用化。5G 基站采用的 MIMO 技术大幅增加了微波器组件的用量,5G 通信覆盖毫米波波段,高频器件 单价更高,5G 基站建设直接推动了射频微波市场扩容,据 Yole 预测 2022 年射 频领域半导体微波器件市场规模有望达 25 亿美元;另一方面 5G 也为自动驾驶、 物联网等奠定了基础,拓展了射频微波的应用领域。除通信外车载毫米波雷达、 卫星导航定位终端、商业航天用抗辐照微波器组件等应用也将共同支撑起民用射 频微波在中长期巨大的市场空间。

射频前端对模拟信号进行频率变化,是无线电设备中必不可少的部件。无线电设备是 利用收发电磁波,实现通信、探测、对抗等功能的设备。天线振子在长度为无线 时工作效率最高,为了实现设备的小型化,无线电信号往往波长较短即频率较高,而 受限于后端数字信号处理机能力,原始电信号频率往往较低,因此无线电设备需要对模拟 信号进行频率变化,射频前端便是执行这一变化过程的部件。以数字信号转化为无线电信 号为例,数据处理机(DSP)对数字信号进行分类、合并、计算等处理,数据转换模块将 处理后的数字信号转化为模拟信号,射频前端对模拟信号进行调制、功率放大等一系列处 理,最后经天线将模拟信号转化为无线电信号。

随着无线电设备的普及,射频前端在军民各个领域得到广泛应用。受无线电技术进步 以及人类经济活动范围扩大等因素影响,无线电设备在军民领域逐渐普及,带动射频前端 应用领域不断增加。在军用领域,射频前端主要应用于雷达、军用通信设备、军用无线电 侦察和电子干扰等设备上;在民用领域,射频前端主要应用于包括基站、手机和平板电脑 等在内的移动通信终端以及 ADAS(高级驾驶辅助系统)上,在 ADAS 中的应用主要为汽 车毫米波雷达,未来在物联网领域,射频前端也有广大的应用前景。

微波器组件是射频前端构成要素,各自承担不同功能。射频前端由微波组件构成,主 要包括频率源、发射机、接收机和 TR 组件等,不同微波组件又包含各类微波器件。频率 源用于产生稳定的高频电信号载波,核心器件为振荡器;发射机的核心器件包括调制器、 功率放大器(PA)和电源,调制器实现对低频信号的调制,PA 用于放大高频电信号;接 收机的核心器件主要包括低噪声放大器、滤波器、解调器,能够滤除杂波,同时解调高频 电信号;接收机有传统接收机和数字接收机两种,前者通过电路解调,成本低但时间长, 后者集成了数模转换模块,将模拟信号先转换为数字信号再进行解调,时间短但成本高;TR 组件是相控阵中必需的微波组件,传统无源 TR 组件主要功能是信号的收发控制,核心 器件包括环形器、移相器等,新型有源 TR 组件已将发送机的功率放大等部分功能集成进 TR 组件。

芯片是集成电路方法的应用,而非某种特定功能的器件。芯片是根据特定目的和用途, 用集成电路的方法制造电路中的器件、组件、模块甚至系统。集成电路是电子学中一种将 电路(主要包括半导体设备、被动组件等)集中制造在半导体晶圆表面上的小型化方式。芯片在制造过程中根据特定需求进行设计,通过集成电路的方法得以实现,不同功能的器 件、组件、模块乃至系统均可通过集成电路的方法集成于芯片中。

多层级射频芯片大幅提高小型化和集成化程度,在无线电设备中应用逐步拓宽。射频 芯片是把射频前端中的器件、组件、模块,甚至整个射频前端通过集成电路的方法集成芯 片。射频前端已实现多层级芯片化,器件级有功放芯片、开关芯片(移动通信传导开关、 WiFi 开关、天线调谐开关)等;组件级有 TR 芯片等;模块级有数模转换芯片、电源芯片 等;系统级有手机中的射频前端芯片。芯片集成工艺在射频前端的应用大幅降低器件尺寸, 提高模块的集成。

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