#被动元件# $卓胜微(SZ300782)$ $泰晶科技(SH603738)$ $信维通信(SZ300136)$ 本系列前两篇文章，我们分别对被动元件，以及其中占比最大的RCL元件做了梳理。本文作为系列最后一篇文章，将对被动射频元件做一个全面解析。我们知道被动射频元件仅占被动元件市场的10%，具体到每一种被动射频元件的市场规模就更小了。此外，从产品角度来看被动射频元件和主动射频元件是不同的，但从投资角度来看，两者都在同一个产品赛道内竞争。
考虑以上两点，本文我们主要介绍被动射频元件中比较重要的品类，具体为滤波器和晶振，其他类别我们则简单带过；同时，我们在介绍中将主动射频元件和被动射频元件合起来介绍，以更好从投资实践的视角进行把握。
一、滤波器
滤波器，顾名思义，其主要功能就是是对波进行“过滤”的器件，即通过有用信号，阻挡干扰信息。按照工作频率来分，滤波器可以分为普通滤波器和射频滤波器，普通滤波器的有效滤波频率范围为数KHz到MHz，射频滤波器的有效滤波频率从数KHz到GHz以上。随着电子设备的工作频率的不断提高，由于电压或电流的频率越高，越容易产生辐射，电磁干扰的频率也随之变得越来越高。因此，射频滤波器的应用也越来越广泛。
除了抗电子设备的辐射干扰外，滤波器的最主要作用是实现各通信频谱的互不干扰。在射频通信系统中，“频谱”是非常宝贵且拥挤的资源。除了与我们生活息息相关的5G、4G、Wi-Fi、GPS及蓝牙信号外，还有通信卫星、军用卫星以及气象监测等信号。在实际生活中，无线信号无处不在，所以，就需要射频“滤波器”保留有效频谱，滤除无用信号。
滤波器的作用简单说来就是只允许一定频率范围内的信号成分正常通过，而阻止另一部分频率成分通过。我们知道任何周期信号都可以表示为正弦波和余弦波的组合，这意味着任何给定的周期信号都分解为某些频率的正弦波和余弦波组合，并且可以影响这些单独的频率以改变整个信号的特性。本质上，滤波器就是通过对信号不同频率分量的影响来实现作用的。
在进一步对滤波器进行介绍前，我们认为对无源滤波器和有源滤波器做一个区分说明是有益的。无源滤波器是由无源器件组成的，如LC滤波器可视作主要由电感、电容组成的，通过两者的阻抗特性实现滤波；有源滤波器则是由有源元件（如放大器、晶体管、振荡器等）和无源元件构建而成的，如电网中的有源滤波装置是由电力电子元件和DSP等构成的电能变换设备，可检测负载谐波电流并主动提供对应的补偿电流，补偿后的源电流几乎为纯正弦波，其行为模式为主动式电流源输出。
滤波器是射频系统中价值占比最大的元器件，是射频前端重要的组成元器件，也是射频前端中量产壁垒较高的器件（关于射频前端，参见我们此前的模拟芯片文章）。滤波器主要应用于移动端和基站端两大场景，其中移动端滤波器对体积、价格较为敏感，基站滤波器则要求大功率和高稳定性。除了这两大场景外，滤波器还广泛应用于空间站、通讯卫星、军用航空、军用发动机等领域。
滤波器的种类很多，可以按照多种方式分类。除了上面所说的按工作频率和采用的元器件是否有源进行分类外，滤波器还可以按选频作用、工作原理等进行分类。
按选频作用滤波器可分为低通滤波器（LPF，Low Pass Filter，允许低频或直流分量通过而抑制高频分量）、高通滤波器（HPF，High Pass Filter，允许高频分量通过而抑制低频或直流分量）、带通滤波器（BPF，Band Pass Filter，允许一定频段的信号通过）、带阻滤波器（BEF，Band Elimination filter，抑制一定频段内的信号）。
按工作原理移动端可以分为LC滤波器和压电滤波器（Piezoelectric Filter，也称声学滤波器），基站端可以分为金属腔体滤波器、介质腔体滤波器和介质滤波器。
其中LC滤波器按工艺可分为普通LC滤波器、LTCC（Low Temperature Co-fired Ceramic，低温共烧陶瓷工艺）滤波器和IPD（Integrated Passive Devices，集成无源器件）滤波器。压电滤波器可分为SAW（Surface Acoustic Wave，表面声波滤波器）、BAW（Bulk Acoustic Wave，体声波滤波器）。
SAW又可进一步分为普通SAW、TC-SAW（Temperature Compensated SAW，温度补偿型SAW）和TF-SAW（Thin-Film SAW，薄膜SAW），BAW可进一步分为BAW-SMR（BAW-Solidly Mounted Resonator，固体安装谐振器BAW）、FBAR（Film Bulk Acoustic Resonator，薄膜体声波滤波器）和XBAR（laterally-eXcited Bulk Acoustic Resonator，横向激励体声波滤波器）。
1. LC滤波器
LC滤波器是基于电感、电容的频率响应特性而设计的，它通过电容、电感固有的阻抗特性，对某一特定频率的谐波呈低阻抗，对其他频率的谐波呈现高阻抗以实现滤波。
如上所述普通LC滤波器、LTCC滤波器及IPD滤波器是按照工艺分类的，因此除滤波器外，这些工艺如SMD（Surface Mounted Devices，表面贴装器件）、LTCC、IPD也可以用于制造其他器件。
具体地，普通LC滤波器是采用分立的电感器、电容器的SMD工艺实现的；LTCC滤波器则是采用低温（低于1000摄氏度）陶瓷烧结工艺实现的；IPD滤波器则是利用半导体工艺实现的，不同的是将半导体工艺进行了简化（舍弃有源器件，只做无源器件）。
实际上如果严格区分的话，IPD根据制程技术可分为厚膜制程和薄膜制程，其中厚膜制程技术包括LTCC技术和基于HDI（高密度互连）的PCB埋入式无源元件（Embedded Passives）技术。本文中的IPD技术指的是薄膜IPD技术，采用半导体技术制作线路及RCL元件。
2. 压电滤波器
压电滤波器利用材料的压电特性进行工作。压电效应有正逆之分，压电材料可通过逆压电效应将电信号转化为机械的弹性波信号，处理之后，可再通过正压电效应将其转化为电信号输出。由于弹性波位于声波频率范围内，所以这种器件又叫声波器件（Acoustic Wave Device）。
压电滤波器一般由压电晶体、机械振动装置和耦合器等组成。当压电晶体收到输入信号时，产生的机械振动会引起晶体内部的电荷变化。由于晶体有电容和电感的特性，因此在一定的频率范围内，晶体可以出现谐振现象，以使输出的谐振信号增强，同时较好地滤除其他频率信号。
SAW和BAW都属于常见的声波器件，不过前者是使声波沿着固体表面传播，常用的压电材料有LiTaO3，LiNbO3，SiO2等；后者则是使声波在“体”内进行垂直传播，常用的压电材料有AlN，PZT，ZnO等。
一个基本的SAW滤波器是由压电材料和两个IDT(InterDigital Transducer，叉指换能器)组成。IDT核心作用是能量转换，在输入端把接收的电信号转变成声波，在输出端把接收的声波转变成电信号。这种转变主要依赖中间的压电材料。
IDT由输入、输出埠的IDT电极组成。当SAW滤波器工作时，输入端IDT接收电压信号使压电材料产生机械压力并以声波形式沿着表面传播，而垂直方向上的声波幅度快速衰落。表面声波与SAW谐振后滤波，输出端IDT接收水平方向的声波，将之转换为电信号。
SAW的谐振频率可参考公式：F=V/lambda，其中V是SAW的速率（约3100m/s），lambda指IDT电极间距。因此可见SAW滤波器的频率越高，IDT电极间距越小。然而在IDT小间距下，电流密度太大会导致电子迁移和发热问题，因此SAW不太适合2.5GHz以上的频率。此外SAW对温度变化也敏感，性能会随温度升高而变差。
TC-SAW滤波器就是为了改善普通SAW滤波器的温度性能而设计的升级产品，它在IDT上增加保护涂层改善其温度特性，使其在温度升高时，刚度增加，不过其改善温度特性的同时也会使得成本上升。
TF-SAW，是村田于2018年推出的新工艺SAW，村田称其为超高性能SAW（Incredible High Performance SAW，IHP SAW），国内将此技术称为TF-SAW。
TF-SAW是TC-SAW的演进版，使用新型散热材料和设计结构实现。它在压电晶体层下引入了高声速层和功能层。所谓功能层通常用于频率补偿，是可选项；高声速层则用于限制能量的传播，其存在提高了表面波的波速，一定程度上改善了SAW器件的频率表现。TF-SAW的频率可达3.5GHz。
BAW滤波器采用石英晶体作为基板，基本结构是两个金属电极夹着压电薄膜（石英基板在2GHz下厚度为2um）。上下电极施加周期电压时，压电层在面外方向产生周期性伸缩，形成体声波。声波在压电层内震荡形成驻波，共振频率由平板的厚度和电极的质量决定。
为把声波留在压电层内震荡，震荡结构与外界环境必须有足够的隔离才能得到较小的loss和较高的Q值。震荡结构的一面是空气，一般固体的声波阻抗约为空气的105倍，所以99.995%的声波能量会在固体和空气边界处反射回来，与原来的波（incident wave）一起形成驻波。而震荡结构的另一面，压电材料和其他衬底(如Si)的差别不大，因此不能把压电层直接沉积在衬底上。
因此为防止声波在另一面（震荡结构下方）进入基板层，一种方法是在此增加布拉格反射层(Bragg reflector)，把声波反射到压电层里面，这就是 Baw-SMR。
另一种方法是想办法使震荡结构两面都是空气，具体就是采用硅底板，借助MEMS技术和薄膜技术进行制造，这就是FBAR。FBAR有硅反面刻蚀型(Membrane type)和空气隙型(Airgap type)两种。
硅反面刻蚀型FBAR基于MEMS的体硅微加工技术，将硅片反面刻蚀，在压电震荡堆的下表面形成空气、金属交界面从而限制声波于压电震荡堆之内。其缺点是由于要大面积移除Si衬底，导致机械强度降低。
空气隙型FBAR基于MEMS的表面微加工技术，在硅片上表面形成一个空气隙以限制声波于压电震荡堆之内，通过先填充牺牲材料最后再移除之的方法制备空气腔以形成空气、金属交界面。
XBAR是一种相对较新的谐振器。其用于激发模式的叉指电极类似SAW，而悬空的薄膜又使其更像FBAR器件。XBAR是一种剪波BAW技术，具有场横向耦合的特性；但是这项技术还处于研发阶段，尚未投产。
3. 基站端滤波器
基站端滤波器中的金属腔体滤波器和介质腔体滤波器的工作原理是一样的，都是利用微波腔体的谐振模式来实现滤波。两者结构也类似，只不过一个是金属材料，一个使用介质材料。
腔体滤波器通过选择合适的腔体尺寸和几何形状，使得只有满足特定频率和带宽的微波信号能够在腔体中产生谐振，其他频率的信号则会被反射或吸收，从而实现滤波的效果。腔体滤波器具有工作频率范围宽、可实现高品质因数、抗干扰性能好等优点，但制作成本高，体积大，不易集成化。
介质滤波器则是一种利用介质材料的特殊性质来实现滤波的器件。介质滤波器通过在介质材料上制备金属电极和导线，使得微波信号在介质中传输时产生特定的传输特性，如反射、透射、吸收等，从而实现滤波的效果。
因为电磁波在高介质常数的物质里传播时，其波长可以缩短，正是利用这一特点可以构成微波谐振器。由于介质滤波器介质材料的介电常数比空气的高很多，因此它可以做的比腔体谐振器小很多，容易实现小型化。介质滤波器具有制作成本低、可集成化、体积小等优点，但受工作频率限制较大，品质因数低，易受温度、湿度等因素的影响。
对于移动端滤波器而言，IPD滤波器和LTCC滤波器，两者可处理高频信号，但选频能力相较压电滤波器更差，所以在干扰频段较少的5G sub-6GHz频段（目前主要为 n77、n78、n79）有不俗的发挥。
BAW滤波器虽成本高于SAW滤波器，但其而温度敏感性、插入损耗特性以及频段和宽带表现方面显著优于SAW 滤波器。目前，SAW主要应用场景为低频率频段，BAW则主要应用于高频率频段。其中，SAW较多应用在4G领域，单晶及多晶BAW滤波器在5G时代受到广泛应用。
对于基站端滤波器来说，3G/4G时期，金属腔体滤波器是国内射频的主要方案；同时期欧美日等国，开始采用介质腔体滤波器取代金属腔体滤波器，这两种滤波器由于腔体的存在，体积均较大。
进入5G时代，基于大规模信号传输的要求，将采用Massive MIMO AUU技术以提高系统频谱效率、保证高频频段的有效传播、提高信号可靠性。该技术将带来天线数量的指数级增长，铁塔的天面资源将变得稀缺。考虑到铁塔迎风面积、载重的限制，射频器件将向小型化轻量化发展，介质滤波器应运而生。
从市场规模来看，根据Yole数据，2022年全球射频滤波器市场为73.46亿美元，其中压电滤波器占比95.28%，该市场有望在2028年达到99.13亿美元，未来6年CAGR约为5.12%，占比预计为93.41%。
竞争格局方面，美日厂商主要布局BAW滤波器，根据前瞻产业研究院数据，2020年BAW滤波器市场主要的参与者为博通、威讯和太阳诱电，其中博通占据87%的市场份额，CR3高达98%。国内主要滤波器公司有卓胜微、麦捷科技。
二、晶振
晶振的核心是谐振器（Resonator），谐振器是一种能够将外部能量以最大效率地转化为内部能量，并在两个或多个系统之间传递能量的装置。谐振器的工作原理可以从“共振”这一理念来理解。
根据谐振器的结构、工作模式和应用范围不同，可以将谐振器分为许多种类，如机械谐振器、电子谐振器、光学谐振器等。其中，机械谐振器通常由弹簧、质量体等构成。电子谐振器则主要应用于射频与微波领域，如晶体谐振器、陶瓷谐振器等。而光学谐振器一般由反射镜、透镜组等构成，常见的有半导体激光器、微型谐振腔等。
注：实际上不只是晶振的核心是谐振器，上文所说的滤波器的核心也是谐振器。细心的朋友们可能发现了FBAR和XBAR的英文名里都有一个Resonator（谐振器），实际上指的就是这些滤波器是通过谐振器实现的，即它们是n个谐振器通过一定的拓扑结构组成的。我们在文中出于简便，直接翻译成滤波器。
振荡器（Oscillator）=谐振器+控制电路，是一种将直流电能转换为具有一定频率的交流电能的转换装置。振荡器是用来产生重复电子讯号（通常是正弦波或方波）的电子元件。
振荡器种类很多，按振荡激励方式可分为自激振荡器、他激振荡器；按电路结构可分为阻容振荡器、电感电容振荡器、晶体振荡器、音叉振荡器等；按输出波形可分为正弦波、方波、锯齿波振荡器等。
晶体谐振器和晶体振荡器合起来就是晶振，前者是无源晶振，后者是有源晶振。实际上晶振按材料可分为石英晶振和陶瓷晶振，由于石英晶振在电子中的应用更为广泛，本文所说的晶振指的就是石英晶振。
晶振的分类方式多种多样，可以按封装方式分为DIP型和SMD型；按是否有源分为有源晶振和无源晶振；按频率可分为低频、高频和高基频。
我们在系列的第一篇文章已经讲到，晶振是利用二氧化硅的压电效应制成的，无源晶振在电路中需要借助外部电路起振，自身无法起振；有源晶振不使用主芯片内部的振荡器，接通电源后可直接输出晶体振荡频率。
在二十多类具有压电效应的晶体中，石英晶体是无线通讯设备中最为满意的材料之一。它的机械强度高，物理化学性能稳定，内损耗低等，用它制成的器件被广泛运用于频率控制、频率稳定、频率选择和计时系统中，主要有无线数据传输和计时两种用途，是电路中必不可少的电子元器。
从产业链角度来看，晶振上游主要包括基座、晶片、封装材料、IC等，中游晶振制造包括传统的机械研磨工艺和光刻腐蚀工艺，下游广泛应用于移动通信、汽车电子、物联网等领域。
石英晶体的厚度越薄，晶体振荡频率越高。当前普遍使用的机械研磨工艺存在较大局限，其晶片AT切型厚度28μm（趋近60MHz）已近机械研磨加工工艺极限，难以批量生产高基频压电石英晶体元器件所需的石英晶片（5G通讯通常要求AT切型厚度为20~16μm甚至更薄，频率要求为80MHz～96MHz）。
另一方面，光刻腐蚀工艺可以将晶片的振荡部位的厚度加工到微米级，在保持芯片强度的同时，能够实现超高频基波振荡，是高基频、小型化石英晶振批量生产的关键工艺。因此掌握了核心光刻工艺，也就突破了高端技术壁垒。
从市场规模来看，根据QYResearch最新调研报告显示，2022年全球石英晶振市场销售额达到了39.88亿美元，预计2029年将达到67.09亿美元，2023年-2029年CAGR为12.07%。
从竞争格局来看，日本企业具有明显竞争优势，生产规模和技术水平全球领先；中国台湾受益于产业转移，产品生产能力大幅提升，技术更新速度快，成本优势明显，龙头企业TXC已处于行业头部；中国大陆企业起步较晚，生产能力还在逐步提升中，主要公司包括泰晶科技、惠伦晶体等。
三、其他射频元件
除了上面介绍的滤波器和谐振器外，其他射频元件如功分器、耦合器、天线、巴伦等我们也在系列首篇文章进行了简单介绍。在此我们再对天线做一个简单介绍。
天线是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。翻译过来就是，天线是在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。
无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线，同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。
天线之所以能高速地传递信息，就是因为它能把载有信息的电磁波发射到空气中，以光速进行传播，最终抵达接收天线。天线中产生电磁波的两根导线就叫做“振子”。一般情况下，振子的大小在半个波长的时候效果最好，所以也经常被称作“半波振子”。
通信领域使用的天线主要包括移动端手机天线和基站天线。其中手机天线除了主通信芯片用于访问运营商网络，手机还有Wi-Fi功能、蓝牙功能、GPS功能，以及NFC功能，都需要不同的天线。基站天线则逐步从传统建站的简单叠加、覆盖为主的单频天线，到多频的半有源天线，以及多发多收的Massive MIMO演进。
基站端天线市场强烈依赖通信基站的投资，手机端的天线市场规模也不大，因此很难支撑起一个大市值的公司。对于一个大公司来说，天线一般不会是其唯一的业务。国内的天线厂商主要包括信维通信等。
至此，我们已经完成了对整个被动元件行业的梳理，这个行业的技术壁垒并不如半导体那么高，但是其中某些细分领域的竞争格局还是很不错的，国内公司在这个领域的相对竞争力也较强，值得一看。好了，我们下次再见！