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在本報告中,我們深入探討了三大問題:1 5G 技術將如何影響智慧型手機射 頻前端?2這些變化對不 同器件的潛在價值 變化如何?3這 些變化會對競爭 格局帶來怎樣的影響?
1、射頻前端:終端通信核心組成
射 頻前端介 於天線和 射頻收發 之間,是 終端通信 的核心組 成器件 。手機通 信模塊主要由 天線、射 頻前端、 射頻收發 、基帶構 成,其中 射頻前端 是指介於 天線與射頻收發之間的通信元件,包括:濾波器、LNA((低噪聲放大器,Low Noise Amplifier)、PA(功率放大器,PowerAmplifier)、開關、天線調諧。
從具體信號傳輸路徑來說:
2、通信技術升級,射頻前端價值量倍增
每一代蜂窩技術都會帶來新技術和新的射頻前端價值量。回顧從 2G 到 4G 技術的發展,每一代蜂窩都帶來了新的技術,從2G 到 3G 增加了接收分集, 3G 到 4G 增加了載波聚合,更高的頻段和 wifi 的 2x2 MIMO(Multi-input Multi- output),4.5G 的進一步升級由增加了超高頻,4x4 MIMO,更多的載波聚合。 更多的頻段,更多的技術帶來了相應的射頻前端元器件的價值量不斷增加。
價值量來看:1)2G 到 4G,射頻前端單機價值量增長超 10 倍,2)4G 到 5G, 射 頻 前端單機價值量增長有望 超三倍。
3、5G 網絡分步演進,終端晶片走向集成
網絡端,從 NSA(非獨立組網)到獨立組網(SA)。5G 網絡建設分兩步, 早期 5G 部署將會使用非獨立組網的方式,即利用4G 的核心網絡進行 5G 的覆 蓋,同時兼容 4G,該架構將逐漸升級到獨立組網(SA)。
為了節省成本、空間和功耗,5G SoC 和 5G 射頻晶片的集成將會是趨勢, 而 5G 智能型手機設計有三個演進階段:
4、2019 年是 5G 手機元年,2020年有望加速滲透
2019 年是 5G 手機元年, sub 6G 手機 2020年開始加速滲透。在營運商 網絡部署初期 ,毫米波 手機使用 效益相對 較低,同 時由於成 本與體積 問題的存 在,預計 2019-2022 年將以 Sub 6G 為主。
為什麼看好 2020 年 5G 加速滲透?
需 求 端:2019 年下半年的換機需求有一部分會遞延到明年購買 5G 手機;
供給端:2019 年下半年的去庫存和明年補庫存。2019 年下半年手機廠商 一定會大規模的去4G 手機的庫存,因為到明後年這部分機型很難賣出去了;同時,到明後年,5G 手機相對成熟,又要開始一波補庫存。
價格端:5G 手機售價往中低端滲透推動 5G 手機加速滲透,華為 Mate 20 X 5G 手機售價六千多價格低於預期,我們認為這是一個很好的信號,預計國內5G 手機的滲透到 2020 年中有望到 3000 元以上的機型,到 2020 年底 2021 年 將滲透到 2000 元以上的機型。
儘管手機整 體市場增 長放緩, 但由於射 頻元件隨 著網絡升 級是累加 的,隨 著 LTE-A Pro 複雜度的提升和 5G 射頻元件的增加,射頻前端市場仍然會持續 高增長。
在中性假設下,假設 5G 手機滲透率與 4G 同步,2020 年全球的 5G 手機 銷量 1.8-1.9 億部,國內至少 8000 萬以上。樂觀假設下:參考目前國內各廠商 的 forecast 和假設蘋果三款 5G 手機,國產品牌 2020 年 5G 手機加總超過 1.5 億部,樂觀情況下,2020 年全球的 5G 手機銷量將接近 2.5 億部,5G baseband/ap 和 射頻前端半導體, 有可能準備 2.8-3.0 億顆。
1、5G 核心技術:CA、MIMO、調製方案
5G 技術變化比較多,我們會聽到很多相關名詞,比如載波聚合、massive MIMO,高階 QAM(正交振幅調製,rature Amplitude Modulation)等等。事 實上整個通信 技術的升 級都是圍 繞著香農 定理,而 相關的技 術升級也 是圍繞是 香農公式提高係數123信道容量 C,具體來說:
2、sub 6G:核心技術給射頻前端帶來的變化
(1)MIMO:增加獨立射頻通道,增加天線調諧和天線開關
M IM O:是一種使用多 根天線 發送 信號和 多根 天線來 接收 信號的 傳輸技 術。 實現在相同頻 帶內的同 一載波上 傳輸不同的 信息。這 種技術又 被稱為空 間復用, 每個天線單獨饋點。5G-Sub 6G 將增加更多的 MIMO,4x4 下行鏈路 MIMO 將 是 5G 的強制要求。
對射頻器件的影響:
5G sub 6G 手機端,4x4 下行鏈路 MIMO 將是強制要求,可能會是 1T4R(NSA)或者 2T4R(SA),這對已經支持可選下行 4x4 LTE MIMO 的手機設計,這種改變並不明顯,對於其他許多手機需要大幅 增加射頻器件(LNA,開關、濾波器等)、信號路 由複雜性和天線帶寬, 需要 4 根天線和 4 個獨立的射頻通道。如果考慮上行 MIMO,增加的 元器件更多(PA,開關,濾波器等)。
更多的 MIMO 需要增加更多的天線,但是由於手機空間有限,單台手 機可裝載的 天線數量 有限, 因此需要 使每根 天線能夠 高效地支 持更寬 的頻率範圍,將天線數量保持在可承受範圍內。1更多的 antenna tuner 來提高輻射效率;2由於增加的天線數量有限,需要高性能天線 轉換開關能 夠最大化 信號連接 的數量 ,因此天 線開關的 數量也會 增加。
(2)更多的 CA和更高的頻段:頻段數不斷增加
根據本章第 一小節的 分析,提 升頻譜寬 度能提高 信道容量 ,進而提 升傳輸 速率。而提升頻譜寬度有兩種方式,一種是 通過載波聚合(C A)提高頻譜使用 效率;另一種是發展新的頻譜。
載波聚合(CA)
載波聚合(CA)提升頻譜使用效率。 CA 是將多個載波聚合成一個更寬的 頻譜,同時可 以把不連 續的頻譜 碎片聚合 到一起, 提高傳輸 速率和頻 譜使用效 率。可分為:帶間載波聚合、帶內載波聚合(連續/不連續)。
載波聚合帶來頻段數的大幅增加。從 4G LTE4G 到 4G LTE-Advanced Pro, 載波聚合組合的數量呈指數級增長,頻段數也快速增加,從4G LTE 的 66 個增 加到 4G LTE-Advanced Pro 1000 多個,5G 將帶來更多的載波聚合,預計總頻 段數將超過 1 萬個。
載 波 聚 合對射頻前端 的影響:
天線開關數增加;
由於載波聚 合帶來了 頻段數 量的大幅 度增加 ,但是不 會帶來天 線數量 的增加,因此天線開關數量會增加。
濾波器數量大幅增加;
發展新頻譜使用資源
發展新頻譜使用資源是通信技術發展的持續推動的方向。例如 2G 僅使用 900MHz、1800MHz 兩個頻段,3G 新增 1.9GHz、2.1GHz、2.6GHz 等幾個主 要頻段,而 4G 通訊發展至今已定義多達 60 多個頻段。5G NR 已定義的頻譜 範圍則提高至 6GHz(FR1),及過去蜂巢式行動網絡從未使用過的毫米波段 (FR2)。
新的頻譜資源開發有朝更高頻段、更大頻譜使用範圍發展的趨勢,5G 通 訊使用更高的 頻段,一 方面是尋 求更多可 作為全球 通訊使用 的頻段, 二方面是 高頻段擁有更寬廣的頻譜資源,能提供 Gbps 級傳輸應用服務。如 4G LTE 移 動通信技術使用頻段從 700MHz 橫跨至 3.5GHz,而在 Rel.15 版本的 5G NR 已定義的頻譜範圍則提高至 6GHz(FR1),及過去蜂巢式行動網絡從未使用過的 毫米波段(FR2)。
5G 新頻譜對射頻前端的影響:
1)更多更高的頻段:
2)更大的帶寬:最大單通道帶寬由 4G 的 20 MHz 變為 5G sub6 的 100 MHz。
3)更高階 的 QAM 調製:射頻前端性能提升
QAM 調製又叫正交幅度調製,把多進位與正交載波技術結合起來,進一步 提高頻帶利用率。更高階的QAM 調製可以提升傳輸速率,256QAM 調製的速 度是 64QAM 調製的 1.3 倍。5G 將會使用更高階的 QAM 調製。
更高階的 QAM 調製對射頻前端的影響:
PA等射頻器件需要更高線性度等性能。
QAM 調製點的數量越多,發送的信息越多,頻譜效率越高。但點數越 多,它們在載波上的幅度越接近,信號越可能受到噪音或干擾。RF 組 件的性能必須提高。比如 QAM256 調製將需要更高的 PA 線性度。此 外滿足這些 PA 性能要求可能會帶來功耗上的挑戰。
3、 毫 米 波:革命性的變化
毫米波射頻前端和天線整合成毫米波(mmWave)天線模塊。毫米波射頻 模塊不僅可以集成 PA,濾波器,開關和 LNA,還可以集成天線和天線調諧器, 最終通過 AiP 或 AoP 技術封裝成毫米波天線模組,在這個模組內把天線預先整 合好,提前做 好天線的 調整工作 ,讓所有 器件都能 更智能地 協同工作 ,從而很 容易形成波束,保障信息傳輸質量。
毫米波帶來工藝和材料升級。濾波器:由於 BAW 目前一般支持頻段 6G 以內,因此毫米波段有望使用 IPD 或者陶瓷等技術;PA&LNA&開關:毫米波 段的應用將會採用更多advanced SOI 技術。
4、射頻前端半導體:模塊化是必然趨勢
射 頻前端半 導體模 塊化是趨 勢。由於智能型手機空間有 限,而元件 增加, 射頻前端元件模塊化是必然趨勢。4G 時代集成度不同的射頻前端模組種類較多, 比如 ASM,FEMiD,PAMiD 等等。目前模組化程度最高的是 PAMiD,由於 PA 使用 GaAs HBT,LNA 和射頻開關使用的 RFSOI 等,濾波器採用 MEMS 工藝, 因此濾波器的集成是難點。
復 雜 度 提升,空間有 限,促進模塊化趨勢
隨著通信技術的升級,手機射頻前端的複雜度不斷提升。如下圖 iPhone 和 Android LTE RFFE 的設計演變。LTE 演進的下一步功能更高設備中引入更 高階調製(256QAM),將 3x20MHz 系統的最大理論吞吐量推至 600mbps 或 速度提高 33%。此外,不久之後實施了 4x4 MIMO 天線布局。同樣,這些進步 增加了 RFFE 整體的複雜性。
分配給射頻前端的 PCB 板面積沒有增加,模塊化成必然趨勢。儘管射頻 前端的用量和複雜性急劇增加,但分配給該功能的 PCB 空間量卻不斷下降,通 過模塊化提高前端器件的密度成為趨勢。
目前射頻組件中模塊占市場的 30%,未來比例會逐漸上升。根據 Navian 估計模塊現在占 RF 組件市場的約 30%,在模塊化趨勢下,該比率將在未來逐 漸上升。從村田濾波器出貨來看,模塊中濾波器出貨占比目前超過了50%,預 計未來比例也將逐步增加。
蘋果,三星,華為,小米等大部分手機都有不同程度的模塊化。按面積來 看,以 iPhone X為例,模塊化射頻器件的面積占比接近了百分之五十。以三星 為例,2012 年三星 Galaxy SIII 中只有 6%的主要射頻元件集成在模塊中,而 這些元件占射頻前端 BOM 成本的 26%(不包括 RF 收發器)。相比之下,模塊 化組件占三星 Galaxy S8 Plus 中射頻前端 BOM 的 87%。
不 同材料的 模塊化以 及減少射 頻器件 之間的干 擾是難點 。射頻前端器件總 體分為兩種工藝,一種是半導體工藝(PA/LNA/開關),另一種是 MEMS 工藝(濾波器)。由於 PA 使用 GaAs HBT,LNA 使用 GaAs/SiGe,射頻開關使用 RF SOI 都是屬於半導體工藝,而濾波器採用 MEMS 工藝,因此濾波器的集成 是難點。
3G/4G 會是分立式和模塊式並存,5G 增量部分大部分都是模塊
3G/4G 時代射頻前端集成度取決於設計和性價比,分立式和模塊並存。出 於空間的考慮,4G 高端機需要部分射頻器件採取模塊形式,但是射頻前端模塊 成本相對會高,因此低端機主要是分立式的。一般來說射頻集成度與其他類似 設計和定價的智慧型手機中的射頻部分的成本是直接相關的。
5G 時代新增的大部分是模塊,且集成度將不斷提升。
PA 模塊 skyworks 占領先,avago 在高端 PA 模塊中保持著強勢地位, 接收分集模塊村田出貨最大。由於 PA 市場主要是由 Qorvo,Avago, skyworks 占據,因此 PA 模塊這三家占比最高,其中 skyworks 中低頻模塊出 貨量較大,而 avago 則在中高頻高端 PA 模塊市場占據強勢地位,而接收分集 模塊村田出貨最大。
1、整體高增長:元件數量+複雜度大增,市場空間翻倍增長
全球射頻前端市場空間到 2022 年將超 300億美元,復合增速高達14%。 正如我們前一章討論的,5G 技術的升級和變化帶來射頻前端行器件數量和價值 量的提升,全球射頻前端市場將由 2017 年的 151 億美元,增加到 2023 年的 352 億美元,年復合增速高達 14%。
2、 結 構 性:濾波器>LNA/開 關 /調諧>PA
射 頻前端價 值量增長 具有結構 性,濾波 器、開關 等未來增 速最快 。射頻前 端器件雖然整 體是高增 長的,但 是不同的 射頻前端 器件增長 也是結構 性的。其 中濾波器由於 跟頻段數 相關,增 加頻段就 要增加濾 波器,因 此濾波器 未來幾年 復合增速高達 19%,而 PA 由於是化合物半導體工藝,帶寬較寬,因此可以多 個頻段共用一個 PA,數量上增速相對緩慢。
(1)濾波器:增速最快,貢獻了射頻前端 70%的增量
聲學濾波器 SAW 和 BAW 濾波器目前是主流,SAW 成本低占據 73%市場, BAW 更高頻率。手機端的濾波器主要以聲學濾波器為主,包括 SAW,TC- SAW(溫度性能改進的 SAW),BAW/FBAR 等。在 SAW 和 BAW 之間,成本 和高頻性能是兩個主要參考因素, BAW 因為在高頻下具有更好的隔離度和插 損,因此高頻性能較好,SAW 由於成本更低價格更便宜,目前仍然占據濾波器 市場的大部分,根據 Resonant 的預測數據,SAW 濾波器目前占終端濾波器市 場高達 73%。
Avago 等美系廠商占比 90%以上 BAW 的市場,SAW 則由村田為代表的 日系廠商主導。在供應格局方面,BAW 濾波器領域 Avago 是龍頭,市占率 60% 左右,其次是 Qorvo 占比 30%。而 SAW 濾波器領域,村田是龍頭占據了 50% 的份額,另外兩家日本供應商 Taiyo Yuden 和 TDK 緊隨其後。
5G sub 6G增量:sub 6G主要以 LTCC和 BAW為主要的增量。5G新頻 段有兩個特點,一個頻率更高,另一個帶寬更寬,因此對於 5G 新增濾波器, BAW / FBAR 濾波器可以處理高達 6GHz 的頻率,具有低損耗特性,帶外抑制 好,適用於相 鄰的頻譜 之間的濾 波。而傳 統的聲學 濾波器目 前不適應 極寬的帶 寬,需要更寬頻寬的情況下 LTCC 濾波器將會是選擇方案。
核心 驅動:CA+頻 段 增加,濾 波器用量 跟頻段線 性相關, 一個頻段 對應至 少 1-2 個以上的濾波器。濾波器不論從數量和價值量上來看都是增長最快的。1從價值量上 來看,濾 波器增長 強勁,雙 工器和多 工器占比 提升,整 個濾波器 價值量將由 2018 年的 92 億美金增加到 2025 年的 280 億美金,2025 年將占 射頻市場的 70%。2從量上來看,增長也非常快,出貨量將占2025 年射頻市 場的 72%。
5G 毫米波增量: IPD 和陶瓷濾波器將可能會是選擇。Skyworks 在其 5G 白皮書中有提 到類似觀 點,並不 認為聲學 濾波器也 可以解決 毫米波的 問題,將 無源器件集成到矽,玻璃或陶瓷襯底中的 IPD(集成無源器件)濾波器將會是 選擇。
(2)PA:整體增長相對平緩
PA 數量增加有限,價值量有提升。PA 主要是對發射的射頻信號進行功率 放大,因此 5G 增加信號發射鏈路就需要增加 PA,但是因為 PA 帶寬較寬,可 以多個頻段共用,比如採用多模多頻的 PA,因此,1從量上來看,PA 沒有什 麼增長,主要多模多頻 PA 的整合程度提高以及低端手機市場(2G 手機)的減 少。2整體價值量有一定增長,因為多模多頻 PA 價值量更高,PA 的價值量將 由 2018 年的 44.5 億美金增加到 2022 年的 50 億美金。
Skyworks,Avago,Qorvo 是 PA 的三大玩家。PA 是屬於射頻前端中的 有源器件,設計製造難度較大,目前 skyworks 是全球第一大供應商,Avago 和 Qorvo 位列二三,三家公司占據了全球手機 PA 市場的 80-90%,成為寡頭 壟斷。
GaAs 將仍然是高端 PA的首選技術,毫米波可能採用 SOI PA。目前砷化 鎵 PA 依然是主流,隨著 LTE Pro 和 5G Sub 6G 的要求的提升,GaAs 滲透率 也將提升。雖然 CMOS PA 越來越成熟並有集成的優勢但是因為參數性能的影 響,它只適用於低端市場,而毫米波可能會採用SOI PA。
5G 對 PA 提出了新的要求。為了支持 5G Sub 6G 新技術,需要新增超高 頻的 PA,比如 2T4R 中 2x2 的上行 MIMO 就需要增加額外的 PA,5G 更大的 帶寬對 PA 提出了新的功耗要求,同時需要更高的線性度,PA 的功耗控制,結 構封裝中的熱管理也變得更加重要。
(3)開關:快速增長,SOI 是首選技術
手機中天線 開關用量 非常多, 種類也很 多,按結 構可以分 為單刀雙 擲,單 刀多擲,多刀多擲開關,按用途可以分為 Tx-Rx 開關,Atenna Cross 開關, Rx 開關等。
射頻開關將迎來強勁的增長,無論是僅用於 Rx還是用於 Rx / Tx。不論是 價值量和數量,射頻開關都將迎來高增長,全球射頻開關市場空間將由2018 年的 14.5 億美金增加到 2025 年 23 億美金,其中 Rx / Tx 開關的增長將來自 MIMO 的分集天線處的 Tx 使用和由於 CA 和更多頻段帶來的天線切換數增加。
SOI 仍然是射頻開關的首選技術,RF MEMS 技術將進入高端天線開關市 場。從技術上來看,目前 SOI 仍然是射頻開關的首選技術,由於 Bulk-CMOS 為了可能會逐漸退出市場,而 RF MEMS 技術將在 2019 年開始滲透,並在高 端天線開關市場穩步增長。
( 4) 天 線調諧:隨著天線數 量和複雜度提升高速增長
天線設計挑戰增多,天線調諧用量增加。14G 時代由於全面屏的推廣, 攝像頭增多等 ,使得天 線凈空變 小,天線 設計難度 增長效率 變低,需 要越來越 多的調諧開關提升天線性能。25G 給天線設計帶來更多的挑戰,從 4G 開始到 現在的 5G,MIMO 逐漸增加,頻段也越來越多,這就帶來天線的增加,在 Sub-6Ghz 的時候,需要 8 到 10 個天線,但到了毫米波時代,手機天線會增加 到 10 到 12 根甚至更多,在天線數量增加的同時,留給天線的空間卻越來越小, 需要類似孔徑調諧(Aperture Tuning)、阻抗調諧(Impedance Matching)和更 小的天線解決方案和低損耗的調諧來解決。
天線調諧用量快速增長。隨著 5G 4x4 MIMO 和 8x8 MIMO 架構帶來的更 多的天線數量 和天線設 計難度增 加,天線 調諧開關 用量快速 增加,需 要更多的 孔徑調諧提升 天線帶寬 ,更多的 阻抗調諧 提升天線 輻射效率 。天線調 諧開關市 場將從 2018 年的 4.5 億美金增加到 2025 年的 12.3 億美金。目前孔徑調諧器 占總體積的 75%以上,但阻抗調諧市場將迅速增長,2025 年將占整個天線調 諧開關市場的 70%。
天線調諧開關技術路徑 SOI 是主流,RF MEMS 份額也將逐漸提升。SOI 是主流技術,被 Qorvo(Qorvo 占目前調諧市場 70%)和 Skyworks 等大廠商 所使用。Cavendish Kinetics(CK)等廠商的 RF MEMS 工藝損耗非常低,獲 得市場認可,份額也在逐漸提升。
( 5) LNA: 隨 著 接收通路增加穩定增長
LNA 市場將穩步增長,特別是因為新增了接收通路。LNA 主要是用於接收 信號時進行小信號放大,以便降低到收發器的線路上的SNR。3G/4G 時,有部 分 LNA 是集成在射頻收發裡面的,沒有單獨的 LNA,因此 LNA 市場空間較小, 2017 年開始快速增長,由於 LTE Adv Pro 和 5G Sub-6 GHz 更嚴高的要求,主 頻段通信被要求具有 LNA。
LNA 目前以 SiGe 為主,長期來看,特別是毫米波,基於 SOI 的 LNA 將 成為主流。目前 iPhone 等主流手機上的 LNA 主要來自英飛凌和 Skyworks,並 且由 SiGe 製成, SOI LNA 由於良好的性能和更低的成本,並且更好整合,將 有可能成本 LNA 的趨勢,特別是毫米波。SOI LNA 與 SOI 開關的模組已於 2017 年開始使用。
3、5G 手機射頻前端半導體價值量拆分以及測算
5G 射頻端變化
4G 高端機和旗艦機目前射頻前端價值量是12-20 美元。據 Gartner 的數 據,4G 高端手機射頻前端價值量約 12.5 美元,4G 旗艦級的射頻前端價值量約 為 19.2 美元,LTE 旗艦/高端智慧型手機的 RF 前端美元總內容約為 12-20 美元
5G 智慧型手機的射頻成本最初很高,明年有望降到30 美金以下。5G 射頻 前端初期價格很高,按目前價格,5G sub 6 的 2T4R 旗艦機,射頻前端價值量 將高達 37 美金,根據測算,2020 年年中中高端手機有望降到 28 美金,到 2020 年底或 2021 年,5G 滲透率持續下沉,射頻前端價值量有望降到 20 美元 出頭。
1、併購不斷:射頻前端模塊化趨勢+基帶廠商向前端延伸
模 塊化趨勢 帶動射頻 前端廠 商產品品 類擴張 。模塊化趨勢下,各射 頻廠商 通過各種收併購完善自己的產品線,比如Murata 收購 Peregrine,Qorvo 由 RFMD 與 TriQuint 合併而成,Skyworks 收購 Panasonic 子公司及韓國 MEMS solution 獲得 TC-SAW 及 FBAR 技術等。
高通、聯發科、展訊等 AP/基帶晶片公司紛紛布局射頻前端。高通 2014 年併購 PA 廠商 Black sand,2016 年與 TDK 成立合資公司 RF360;聯發科早 期曾成立射頻 PA 子公司,2015 投資 PA 公司 Airoha,2019 年入股 vanchip, 並解散 Airoha;展訊與銳迪科合併等。
2、當前競爭格局:美日企業寡頭壟斷,占據 90%份額
射頻前端目前以IDM 為主,美系廠商占據主導。前五大:Murata(IDM)、 Skyworks( ID M)、Qorvo( ID M)、Broadcom/Avago(Fabless,除濾波器外)、Qualcomm/TDK Epcos( Fabless )。
3、未來格局判斷:模組優於分立式,毫米波帶來新玩家,國內廠商迎來機會
5G 等技術升級帶來射頻前端難度增加,龍頭廠商整體來說地位相對穩定。 射頻前端模組 化趨勢下 ,多產品 品類布局 廠商將具 有更大優 勢,技術 和客戶壁 壘更高。
五、投資建議(略)
附 錄: 國內外射頻 前端公司介紹(略)
……
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(報告來源:國金證券;分析師:樊志遠)