5G天线行业专题报告:终端天线变化铸就价值,新基建发力再造空间

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。

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。

四、相关标的

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。立讯精密终端天线布局传统天线、LCP 天线和 LTCC 工艺三个业务模块,LCP 天线模组产品提供给北美客户。信维通信已具备 LCP、MPI 等柔性传输线产品的设计、制造能力, 正加快产能建设,公司的 LCP 传输线产品也已用于高通 5G 基带芯片和 5G 毫米波天线模组之间的连接。

1、立讯精密(002475.SZ):多点布局的电子制造领导者

公司是消费电子领域的领导者,在全产业链上布局零部件、模组、整机业务。2019 年实现营业收入 623.80 亿元,同比增长 74.00%,归属于上市公司股东净利润 47.21 亿元,同比增长 73.40%。虽然公司营业收入已经进入巨量级,作为一家电子制造公司,却仍在不断增加研发投入,研发投入比例保持 在 7%左右。业务贡献上,2019 年中期,消费性电子营收贡献占比 77.71%, 通讯、电脑、汽车互联产品及精密组件贡献占比分别为 7.22%、6.69%、4.97%, 连接器贡献占比 3.42%。

公司布局终端天线与宏基站天线、天线振子、滤波器、光模块,2018 年切入终端 LCP 天线与无线充电接收业务,基站天线与滤波器产品也与国内外客户在 5G 层面进展顺利,实现部分出货。公司有望凭借全产业链优势拓展其天线业务市场份额。

2、信维通信(300136.SZ):大力布局终端天线的引领者

信维通信主营射频元器件业务,包括移动终端、基站端等的天线、无线充电模组、EMCEMI 器件、连接器等。2019 年上半年射频业务毛利率为 35.40%, 同比下降 2.88%,主要由于部分工厂建设与搬迁影响引起的营业成本上升11.72%。目前搬迁完成,工厂产能得到释放,无线充电、LDS 天线、EMC/EMI 产品集中出货,2019 年第 3 季度公司业绩扭亏为盈,第三季度营业收入增长5.73%,扣非后归属于上市公司股东净利润增长 10.41%,毛利率达 44.53%。上半年,公司持续加大研发投入,立足传统 LDS 天线,增加前沿项目投入包括 5GSub-6MIMO 天线与毫米波阵列天线,扩大管理人员的规模,研发费用较上年同期增长 66.15%。目前已经申请 5G 通信 8X8MIMO 天线、5G 通信的双频毫米波天线系统及手持设备、LCP 材料的毫米波天线系统及移动终端、5G 车联网天线系统等专利 270 项。

3、硕贝德(300322.SZ):专业的无线通信终端天线供应商

5G 建设提速助推公司在 2019 年实现盈利增长,19 年营业收入达到 17.5 亿元,同比增长 1.58%,归属于上市公司股东净利润 0.93 亿元,同比增长48.84%。收入的增长主要来自天线业务的贡献,天线业务目前营收占比57.20%,19 年天线业务实现营业收入 9.18 亿元,同比增长 37.21%。

其天线业务包括终端天线、基站天线及车载天线。其中,终端天线是公司盈利贡献最大的产品,主要包括手机天线、笔电天线和可穿戴设备天线等;手机天线供货于全球头部手机厂商,笔电目前客户为戴尔、联想等;5G 终端天线现已批量供货。基站天线,公司 2018 年年底以微基站天线为切口进入,2019 年初正式进入宏基站天线领域,产品主要包括 CPE、微基站天线、宏基站天线阵子阵列等,19 年上半年出货 5G 微基站天线,下半年出货宏基站天线。2020 年 3 月,公司投资 5000 万元设立苏州硕贝德通讯技术公司,聚焦新一代天线射频技术,成果将应用于 5G、6G 领域。车载天线,公司于 2019 年初专门设立子公司惠州硕贝德,主要产品为多合一鲨鱼鳍天线、V2X 天线等。

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