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2019-2020年5G天线行业专题报告

2020-03-31  由是而之焉
行研君说


导语

国内天线厂商除了在全球天线市场享有一定份额的立讯精密、信维通信、硕贝德以外,还有电连技术、合力泰、瑞声科技等公司。

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来源:川财证券

一、天线——信号收发的重要关卡

天线的应用包括基站侧与终端侧,而无论在基站还是在终端,天线都是信号发射与接收的关卡,天线性能的好坏,直接影响通信的质量。

1、终端天线概况

手机终端的通信模块主要分为天线、射频前端模块、射频收发模块、基带信号处理。射频前端介于天线与射频收发之间,可以分为接收通道和发射通道, 从线路看信号传输:

其接收通道:信号—天线—天线开关—滤波器/双工器—LNA—射频开关—射频收发—基带;

其发射通道:基带—射频收发—射频开关—PA—滤波器/双工器—天线开关— 天线—信号。

天线用于无线电波的收发,连接射频前端,是接收通道的起点与发射通道的终点。随着信息技术的不断发展,无线网络频段增加、频率升高,驱使手机天线的使用增加,同时,为实现高速、多频率、少损耗的传输,终端天线通过材料、结构、工艺的不断改进实现性能的提升。

天线整体经历了从金属片到 FPC 到 LDS 的演变,目前 LDS 在高端机上使用比较广泛。而按功能分类,天线主要包括主天线、GPS 定位天线、Wifi 天线、NFC 天线、FM 天线等。

2、基站天线概况

基站天线与终端天线相似,也是信号的转换器,但基站天线连接基站设备与终端用户。基站天线的功能包括无线电波的发射与接收,信号发射时,基站调制的导行波经天线转换为电磁波信号发送;信号接收时,终端调制后的电磁波信号经天线转换为导行波,传送到主设备。

天线的主要工作原理为控制导线的距离改变辐射的强弱。天线导线间存在交变电流时,将辐射出电磁波,而辐射能力与导线的形状与长度相关。导线形状变化时,当导线间距离较近时,电场被束缚在两导线之间,辐射微弱;两导线张开时,电场散播在周围空间中,辐射增强。导线长度变化时,当导线长度远小于辐射电磁波波长时,辐射微弱;当导线长度与辐射的电磁波波长相似时,辐射较强。上述能产生显著辐射的直导线称为振子,振子就是一个简单的天线。天线按不同的分类方式有多种种类。

3、5G 时代,天线迎双频段市场

5G 具备三大应用场景:增强移动宽带(eMBB)、海量物联网业务(mMTC)、超高可靠性与超低时延业务(uRLLC)。5G 技术在数据传输速率、移动性、传输时延及终端连接数量等具备优势,将进一步推动万物互联。其 8 个技术指标相比 4G 有所跃升。据德勤研究数据预测,2020-2035 年全球 5G 产业链投资将达到 3.5 万亿美元,中国占比约 30%,达 1.05 万亿美元。全球行业受5G 驱动将创造超 12 万亿美元的销售额,涵盖制造、信息通信、批发零售、基础设施等多个行业。

5G 核心技术主要包括增加基站密度、采用 MIMO 技术与载波聚合技术、提高频段、高阶调制提高频谱效率等。其技术变化围绕香农定理展开,

其中,C 为最大信息传送速率,BW 为信道宽度,S 为信道内所传信号的平均功率,N 为信道内部的高斯噪声功率,S/(N 1)为信噪比,m 为传输和接收天线的数量,1/n 为基站网络密度。

为了改善数据传输效果,可分别在以下技术改进:1)降低 n 值:提高网络密度,增加小型基站数量,减少每个基站的用户数量;2)增加 M 值:利用 MIMO 技术,提高 MIMO 阶数,增加天线发射与接收数量;3)增加 BW 值:拓宽信道宽度,可以采取增加频段与载波聚合的方式;4)提高信噪比:采用高阶调制提高频谱效率。5G 技术的变化促使基站天线与终端天线使用数量增加。

二、终端天线可能发生的变化?

1、材料变化:天线应用趋向 LDS LCP 方向

天线未来将走向 LCP LDS 方向。在基材变迁上,天线经历了从金属片—PI(聚酰亚胺)—LCP(液晶聚合物)的过程,LCP 材质具有低介电常数、低介电损耗的特质,适用于高频信号的传输;低吸湿率的特质保证手机的防水 性。LCP 天线可以实现射频传输、射频传输线与天线集成,以及部分替代 FPC、PCB 的功能。但 LCP 成本较高,目前在中高端机中使用较为常见。

另外,为改善 PI 的缺点,MPI(改性 PI)目前使用也较为广泛,MPI 性能介于 PI 与 LCP 间,成本较 LCP 低廉,未来有望在中低频扩大使用。

在手机天线工艺技术变迁上,天线经历了从金属弹片—FPC—LDS 的变化, LDS(Laser-Direct-Structuring)激光直接成型技术是利用激光镭射技术,按数位线路烧除表面抗蚀刻阻剂,再在支架上化镀形成金属,完成将天线直接打印于手机外壳的目的。LDS 天线不占用手机内部空间,增加了空间使用率;同时避免了内部元器件的干扰,保证手机信号;此外,天性性能较为稳定, 精确度较高。目前除 LDS 技术外,还有泛友科技提出的 LRP 技术,它通过三维印刷工艺,将导电银浆高速精准地涂敷到工件表面,形成天线形状,然后通过三维控制激光修整,以形成高精度的电路互联结构。

2、数量变化:5G 频段增加,单机天线数量提升

5G 网络的部署采用两种频段 FR1 和 FR2,FR1 是低频段 Sub-6GHz(频率范围450MHz-6GHz),特征是传输距离远、覆盖面积大;FR2 是高频段 mmWave(频率范围 24.25GHz-52.60GHz),特征是传输速度快,容量大,但覆盖面积有限。相比于 4G,5GNR 除了包含部分 LTE 频段外,同时新增部分频段。为实现高速、海量连接与低时延的体验,5G 网络无法使用 3G/4G 的固定广播波束,5G波束是一组有合适宽度与多方向的窄波束,而创建此种特征的波束意味着 5G 天线必须支持全频段,全频段则需增加大量天线阵列。根据射频器件公司Skyworks 预测,到 2020 年,5G 应用支持的频段数量将实现翻番,新增 50 个以上通信频段,全球 2G/3G/4G/5G 合计支持的频段将达到 91 个以上。

5G 在我国的布局大致分为三个阶段,4.5G 阶段(4G 向 5G 过渡的阶段,NSA 与 SA 网络并存)、5G 初步阶段(以 Sub-6GHz 频段为主的 5G 阶段)、5G 深入阶段(mmWave 商用,Sub-6GHz 与 mmWave 共存)。当前我国 5G 仍处在 4GLTE 到 5GNR 的过渡阶段,频段的利用以 FR1 为主。2018 年 12 月 6 日,工信部公布了运营商 5G 试验频率,中国移动分配得到 N41、N79 频段、中国联通为 N78 频段、中国电信为 N78 频段,全网通手机则涵盖 N41、N78、N79 频段,5G 频段数量确定性增加。

5G 商用初期,智能手机仍将以支持低频段为主,Sub-6GHz 拥有更强的覆盖能力。3GPPTS38.213 协议中说明,5G 波束需满足 5 个边带(SSB),其中,对于 3GHz 以下的频段,SSB 波束的上限为 4 个,对于 3-6GHz 的频段,上限为 8 个。为满足 5G 下不同场景高低频段需求,5G 天线支持全频段波束赋,5G 形成形波束的生成至少需要 2 个天线阵列。若手机需支持全频段,至少需要 4 个天线,采用 4T4RMIMO 技术,频段数量增长将直接驱动天线数量大幅增长。

综合来看,典型 4G 手机天线数量为 2-4 个,包括 2 个通信天线,1 个 Wifi 天线,1 个 GPS 天线。而 5G 手机天线数量预计为 8-10 个,包括 2 个 4G 通信天线,4 个 5G 通信天线,2 个 Wifi 天线,1 个 GPS 天线等。

3、布局变化:设计难度提升,AiP 封装加快应用

5G 手机功能增加,促使手机内部功能模块增多;此外,手机应用增多使得 5G 手机耗电量大幅提升,为满足日常需求,电池体积扩大;而手机整体体积提升有限,因此内部空间如何实现合理布局是 5G 手机的一大难题。为配合 5G 手机设计合理化,内部天线的设计布局难度增加,制备复杂度提升,同时内部模块集成化的趋势愈加明确,助推手机内部天线价值上升。

尤其发展至后期,5G 毫米波段使用成熟。毫米波作为高频段,将以大带宽实现数据的高速传输,还可利用极密的空间复用度来增加容量。传统通信利用基站与手机间单天线到单天线进行电磁波传播,5G 时代为满足大容量与高速率的需求,引入波束成形技术,在基站侧采用阵列天线,自动调节各天线发射信号的相位,使手机侧可以收到叠加的电磁波增强信号强度。

毫米波手机天线有多种应用模式:一个手机对两个基站、一个基站对一个手机、一个基站对几个手机模式等不同应用场景,影响终端手机天线布局。高频毫米波的传输损耗大,因此毫米波手机可能会呈现以下布局特征:一是协同化设计,天线与芯片位置靠近,将天线与射频前端集成化,即采用基于 SiP 封装的 AiP(Antenna-in-Package),减少高频短波下的信号损耗;二是采用两组线性相控阵,可以同时寻找新信号与识别旧信号。

这将使得手机内部设计布局难度提升,AiP 封装加快应用,射频前端芯片价值提升。据 Yole Development 统计预测,高端 LTE 智能手机中射频芯片价值为 15.30 美元,5G 制式下智能手机内射频前端芯片价值将继续上升,5G 低频段单机手机射频芯片价值预计达 32 美元,毫米波单机手机射频芯片价值预计达 38.50 美元。

4、终端天线市场 2022 年达到 30 亿美元

5G 手机渗透率的提升,以及 5G 频段增加带来的天线数量的增加,以及频率升高,空间减小带来的天线工艺的升级,天线行业有望迎来高增长。根据 Bcc research 的预测,2021 年全球天线市场规模在 225 亿美元,智能型天线市场规模在 76 亿美元;而根据 Yole Development 的预测,终端天线市场空间将由 2018 年的 22.3 亿美元增加到 2022 年的 30.8 亿美元,复合增速达到 8.4。随着 2021 年后毫米波手机放量,预计截至 2025 年,手机市场中将存在 34连接 5GSub-6GHz 网络,20连接 5G 毫米波网络(数量预计为 5.64 亿部)。长远来看,手机端天线行业市场空间广阔。

我国企业在天线市场的市场份额占比相比射频器件境况较好,信维通信、硕贝德、立讯精密均占据一定比例的市场份额,但在高端技术天线生产上仍以美系厂商 Amphenol 安费诺和日系厂商 Murata 村田领先。安费诺的 LCP 天线模组以进入苹果手机产业链,2018 年占据供应商份额 65左右;村田的 LCP 天线曾供应 iPhoneX,在毫米波天线模组方面已经实现商业化。

三、 新基建发力,基站天线享增量空间

1、5G 基站实现架构重组,运营商资本开支回暖

5G 定义了三类典型业务场景,为了满足 5G 网络大带宽和低时延的要求, 无线接入网(Radio Access Network,RAN)的体系架构需要进行改进。4G LTE 网络中BBU RRU 两级架构将过渡至 5G 网络的 CU DU AAU 架构。4G 基站中天线单独存在,而 5G 基站中天线与原 BBU 中部分物理层处理功能以及原 RRU 合并成为 AAU。

4G 基站=BBU(负责信号调制) RRU(负责射频处理) 天线5G 基站=BBU AAU=CU(非实时) DU(实时) AAU(包括天线)

其中,原 BBU 的非实时部分被分割出来成为 CU,用于处理非实时协议与服务;原 BBU 中剩余部分功能被定义为 DU,负责处理物理层协议与实时服务;原 BBU 中的部分物理层功能与原 RRU 合并成为 AAU。因此,5G 相应的承载网也分为三个部分,AAU 和 DU 间构成前传环节,CU 以上为回传环节,另外新增加了 CU 和 DU 间的中传环节。

2020 年 5G 建设加速,“新基建”的提出将 5G 基础建设推向高峰。根据 Gartner 预测,2020 年全球 5G 基础设施收入将从 2019 年的 22 亿美元增长89%,到 2021 年达到 68 亿美元。目前国内疫情缓和,5G 基建将加快建设,3 月 24 日,工信部发布《关于推动 5G 加快发展的通知》,明确要求“进一步优化设备采购、查勘设计、工程建设等工作流程,抢抓工期,最大程度消除新冠肺炎疫情影响”。

三大运营商资本开支结束 5 年下跌趋势,2019 年资本支出回暖,行业景气回升。三大运营商 2019 年资本开支合计 2999 亿元,同比去年增长 5%,其中,中国移动、中国联通、中国电信 2019 年分别投入资本开支 1659 亿元、564 亿元、776 亿元。

运营商 5G 资本开支翻倍增加,占 2020 年全部资本开支比例超 50%。目前三大运营商均已发布 2019 年度业绩报告,三大运营商 2020 年资本开支计划合计达 3348 亿元,同比去年增长 12%,其中 5G 资本开支计划达 1803 亿元,占总资本开支计划的 54%,同比去年增长 3.38 倍。

2、基站数量与单体价值提升,天线投资规模扩大

5G 时代天线投资规模相比 4G 时期将会有大幅提升。在 5G 基站天线特征方面,5G 天线通道数量会比 4G 有所提升,4G 时期多以 4 通道为主,而 5G 时期将扩至 64 通道。5G 宏基站中AAU 设备适用于中频频段与毫米波频段,在 Sub-6G 频段,AAU 设备包括 64T64R、32T32R、16T16R 三种类型, 64T64R AAU 设备有 64 收发通道,多部署在密集城区等 5G 数据热点区域, 其余区域则使用 32 收发通道或 16 收发通道。在毫米波频段,由于电磁信号传播特点 AAU 设备的通道数相对较少,一般低于 8 通道,需采用大规模天线陈列与波束赋形技术,提高信号覆盖能力。

5G 基站数量相比 4G 有望增长,预计为 4G 的 1.2-1.3 倍。根据工信部最新发布的《2019 年通信业统计公报》显示,截至 2019 年底,4G 基站数达到544 万站,占基站总数的 64.7%;我国 5G 基站数超 13 万站,预计 2020 年我国 5G 基站建设数量在 70 万站左右。此外,5G 基站天线需要满足高频高速大流量传输等特点,工艺难度与天线材质提升,天线单体价值提升,4G 基站天线成本约 800-1000 元/副,5G 基站天线成本预计为 3000-4000 元/副。5G 基站数量与 5G 基站天线单体价值的提升,将助推 5G 基站天线投资规模同向增长。

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