5G基站无线射频侧产业链迎机遇

时间:2019年02月11日 16:20:00 浏览:

[摘要] 4G 宏基站主要分三个部分:天线、射 频单元 RRU 和部署在机房内的基带处理单元 BBU。

正文

2019年02月11日 16:20:00

5G天线射频端迎来新机遇

5G基站引入大规模阵列天线。

MassiveMIMO,即大规模MIMO(Multiple-inputMultiple-output,多输入多输出)技术,旨在通过更多的天线大幅提高网络容量和信号质量,原理上可类比高速公路拓展马路道数来提高车流量。

采用MassiveMIMO的5G基站不但可以通过复用更多的无线信号流提升网络容量,还可通过波束赋形大幅提升网络覆盖能力。

波束赋形技术通过调整天线增益空间分布,使信号能量在发送时更集中指向目标终端,以弥补信号发送后在空间传输的损耗,大幅提升网络覆盖能力。

相比较4G基站,采用支持大规模阵列天线技术的AAU是5G基站成本大幅增加的主要原因。

天线尺寸与频率相关,5G天线或以64通道为主。

根据无线通信原理,为了保证天线发射和接收转换效率最高,一般天线振子的间距必须要大于半个无线信号波长,而无线信号波长与无线信号频率成反比(λ=c/f,其中c为光速,f即无线信号频率),即当信号频率越高,信号波长越小。

未来国内5G频段或以3.5GHz和2.6GHz为主,根据此频段得出半个波长大概是4.3cm/5.8cm。

根据目前的5G测试来看,目前采用64通道的MassiveMIMO技术是各个设备商的主流测试选择。

虽然通道数越多,网络的性能越高,但综合考虑天线尺寸大小/重量、天线性能以及成本因素,目前运营商也在考虑低成本的MassiveMIMO方案—16通道。

我们认为,5G前期如果64通道天线成本未下降到运营商接受的范围内,可能运营商在满足部署和容量的情况下优先考虑16通道方案。

5G 基站架构发生较大变化,天线有源化趋势明显。

4G 宏基站主要分三个部分:天线、射 频单元 RRU 和部署在机房内的基带处理单元 BBU。

5G 网络倾向于采用 AAU+CU+DU 的 全新无线接入网构架,如下图所示。

天线和射频单元 RRU 将合二为一,成为全新的单元 AAU(Active Antenna Unit,有源天线单元),AAU 除含有 RRU 射频功能外,还将包含部 分物理层的处理功能。

5G时代,天线通道数增加以及天线有源化对天线设计提出更高要求,小型化及轻量化是基础。

4G时代,天线形态基本是4T4R(FDD)或者8T8R(TDD),根据目前测验的情况来看,5G时代可能以64T64R大规模阵列天线为主。

通道数同比增加了7-15倍,意味着天线对射频器件需求量同比增加了7-15倍,同时天线无源部分将与RRU合为AAU,都对5G时代天线的体积及重量提出了更高的设计要求。

4G时代,无源天线+RRU重量大概在24-34kg,目前测试中的5GAAU重量大概在45kg左右,重量同比增加了32%~88%。所以在5G天线集成化的趋势下,小型化及轻量化成为天线设计基础。

大规模阵列天线带动射频组件需求量大幅增加。

如上文所述,我们预计5G商用宏基站将以64通道的大规模阵列天线为主。天线单元主要包括天线罩、辐射单元和校准网络综合板三个部分。

从当前5G产品的研发现状来看,为实现波束赋形等新技术,我们预计未来64通道的天线阵列将容纳64个功率放大器、64个开关、64个锁相环、64个低噪声放大器和64个滤波器等器件。

我们认为,射频组件需求的提升将大幅提升基站射频行业的市场空间,高度的集成化需求,也将推动滤波器、功率放大器等射频组件工艺进一步升级,产品将更加的小型化。

大规模阵列天线驱动5G天线价值量提升

采用MassiveMIMO的5G大规模天线不仅仅是数量的增加,天线的形式也将由无源转向有源,可实现各个天线振子相位和功率的自适应调整,显著提高MIMO系统的空间分辨率,提高频谱效率,从而提升网络容量。

另外,多天线振子的动态组合也可适用于波束赋形技术,从而让能量较小的波束集中在一块小型区域,将信号强度集中于特定方向和特定用户,提高覆盖范围的同时提升用户体验。

因此,由于MassiveMIMO技术的采用,导致5G规模阵列天线复杂度的大幅提升,产品的价格也因此而大幅上涨。

与4G相比,大规模阵列天线的价格预计将大幅上升。与市场的普遍认知不同,天线的价格与天线单元数目的多少并非简单的线性关系。

以4G天线为例,近期常用的4通道FDD电调天线售价约在1400元每副,8通道TDD电调天线的售价约为每副2000元,而到了5G时代,据当前实验用5G基站的成本分析,初期64T64R规格的大规模阵列天线的天线单元(上游天线厂商制造部分)每扇区售价较贵,我们预计商用初期天线(AAU中无源天线+滤波器)采购价将达到8000元左右,随着规模量产,我们预计未来每扇区的平均价格有望下降至3500元左右,但相较4G时期的平均天线价格仍然有较大幅度的提升。

5G天线市场空间同比增长124%~324%。假设5G建设周期为2020-2025年,预计建设高峰期(2020-2023年)宏基站天线市场每年空间可达114.2-184.4亿元;相较4G建设高峰期国内平均每年约50多亿元(高峰期4G基站一年建设数为100万站,单幅天线平均价格1700元)的宏基站天线市场,5G市场空间同比增长124%~324%。

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与基站设备商深度合作的天线制造商或将充分受益。

4G时代,华为跻身全球天线厂商第一。

根据全球权威第三方研究机构ABIResearch发布的2017年全球基站天线研究报告--《天馈现代化,引领移动宽带网络演进》,2012-2013年,华为天线市场份额排名第二/第三,经历中国4G建设大潮,从2015年开始华为天线连续两年蝉联市场份额和技术创新及成果转化能力第一,引领全球天线产业发展。

其中2016年各大厂商占比分比是华为31.6%、凯瑟琳21.0%、康普15.2%、安费诺7.3%、RFS5.2%,华为市场占有率比2013年有10.9pct的提升。

天线市场商业模式转变,市场份额向龙头公司集中。

由于5G基站天线将与RRU融合形成新的单元AAU,天线公司的下游客户将由以往的运营商转变为设备商。

考虑到通信设备商的数量较少,目前市场的前四名(华为、诺基亚爱立信、中兴)几乎垄断全球运营商无线通信市场份额(基站设备市场占比在90%以上),对于天线供应商来说下游将更为集中。

因此,与设备商有深度合作,并且在大规模阵列天线有较多技术储备的龙头天线厂商将有望获得更多的市场份额。

天线方面建议关注与设备商深度合作的上游企业。

随着5G时代来临,天线与基站设备实现更深层次的绑定,我们建议关注通宇通讯世嘉科技京信通信以及为华为公司天线产品提供精密加工服务的企业东山精密鸿博股份(发布预案收购弗兰德30%股权)、立讯精密

轻量化需求推动天线振子升级

天线振子是天线的核心部件。天线振子作为天线的主要组成部分,主要负责将信号放大和控制信号辐射方向,同样可以使天线接收到的电磁信号更强。

根据天线的形态,天线振子形态也包括多种多样,有杆状、面状等;根据加工工艺,主要有钣金、PCB、塑料等。传统4G天线振子多以金属钣金为主。

MassiveMIMO需要更多的天线振子。

从设备商测试情况来看,在热点高容量地区优先选择64通道的天线设备,同时因为192振子天线设备相比128振子在覆盖能力上能提升1.7dB,目前设备商测试64通道天线大都采用96个双极化天线振子,即192个天线振子。

相较于现有4G网络(视天线通道数的不同,一般为10-40个天线振子),5G天线含有的振子数将大幅增加。

虽然在高频段更容易降低天线振子间的间距,实现多天线的设计以及产品的小型化,但其复杂度相较于现网天线产品依然会大幅提升。如下图所示为5G大规模天线阵列原型机样图。

塑料天线振子或成为首选方案。

天线振子加工方式主要有金属压铸/钣金、PCB贴片和塑料振子,4G时代更多以金属压铸/钣金方式加工,组装更多的靠人工,效率低下。

5G时代由于频段更高且采用Massive-MIMO技术,天线振子尺寸变小且数量大幅增长,综合考虑天线性能及AAU安装问题,塑料天线振子方案具有一定的综合优势。

天线振子市场规模预计可达64.1亿元。

一个基站需要三面天线,假设未来单面天线主流方案采用192振子,对应需要一个基站需要3*192=576个振子。

考虑当前塑料天线振子还未大规模量产,根据调研,初始期一对振子大约7元,进入成熟期价格可能下降到3元/对。

天线振子作为5G天线主要组成部分,可关注银宝山新硕贝德飞荣达

小型化及轻量化推动陶瓷介质滤波器或成为主流方案

滤波器是射频单元核心器件之一。

随着移动基站支持的网络频段越来越多,滤波器成为射频模块中不可获取的一部分,天线会将所有能接受到的频段信号都送往射频前端模块,但我们只希望选择特定频段的信号进行处理,这时候就需要滤波器来消除干扰杂波,让有用信号尽可能无衰减的通过,对无用信号尽可能的衰减。

5G时代,天线通道数增加以及天线有源化对天线设计提出更高要求,小型化及轻量化是基础。

4G时代,天线形态基本是4T4R(FDD)或者8T8R(TDD),根据目前测验的情况来看,5G时代可能以64T64R大规模阵列天线为主。

通道数同比增加了7-15倍,意味着天线对射频器件需求量同比增加了7-15倍,同时天线无源部分将与RRU合为AAU,都对5G时代天线的体积及重量提出了更高的设计要求。

根据图表30,4G时代,无源天线+RRU重量大概在24-34kg,目前测试中的5GAAU重量大概在45kg左右,重量同比增加了32%~88%。

所以在5G天线集成化的趋势下,小型化及轻量化成为天线设计基础。

5G或以陶瓷介质滤波器为主。

3/4G时期,金属滤波器凭借成熟的技术以及良好的性能成为那个时代的主流技术方案,进入5G时代设备商以及天线厂商也在研发小型化金属腔体滤波器来满足5G需求。

根据草根调研,按照单通道计算,小型化金属腔体滤波器的重量平均比介质滤波器重20%左右。

正如上文所说,未来5G基站对器件的小型化及轻量化越来越重视,陶瓷介质滤波器在满足性能的前提条件下,凭借轻量化、抗温漂性能好以及小型化优势成为主设备商主要选择方案之一。

考虑中国移动未来5G建设会基于2.6GHz频段,2.6GHz16T16R天线单通道功率要求相比3.5GHz频段64T64R天线更高,此时小型金属腔体滤波器更占优,因此2.6GHz频段下天线可能会选择小型金属化腔体滤波器。

介质波导相比介质腔体性能更好。

陶瓷介质滤波器技术方案主要有介质腔体(Monoblock)和介质波导(Waveguide)。因为介质腔体方案承受功率较小,性能相比介质波导差,目前陶瓷介质滤波器主流技术方案为介质波导。

陶瓷介质滤波器性能由粉体配方及生产工艺决定。陶瓷介质滤波器性能主要由以下几个因素决定:

1) 品质因素Q:Q越大,则滤波器插入损耗越小,意味着选频特性越好,成本越低;当插入损耗为1dB,则信号功率被衰减20%,当插入损耗为3dB,则信号功率被衰减50%;

2) 介电常数εr:介电常数越高,有利于器件的小型化、集成化;

3) 谐振频率温度系数tf:通信器件的工作温度是不断变化的,温度变化同样会引起谐振频率变化,该系数越小则温漂引起的谐振频率变化越小;

陶瓷介质滤波器上游材料主要有二氧钛(TIO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化铝(AIO3)、碳酸钡(BaCO3)等,陶瓷介滤波器所需原材料量占整体上游原料比例较小,因此这些原材料采购方便。

根据产业链调研,原料合成即陶瓷介质粉体材料配方是决定滤波器性能好坏的关键因素之一,同时介质滤波器生产过程中需尽力控制工艺以制出杂质少、缺陷少、晶粒均匀分布的陶瓷,因此陶瓷介质滤波器性能由粉体配方及生产工艺决定。

目前国内滤波器厂商在3/4G都是以生产金属滤波器为主,未来升级生产小型金属腔体滤波器难度较小。

陶瓷滤波器产业链目前以华为为主导,国内能够生产陶瓷介质滤波器的公司主要有未上市的灿勤科技,上市公司中主要有东山精密(艾福电子),武汉凡谷,风华高科(国华新材料),通宇通讯(江佳电子)以及北斗星通(佳利电子),港股上市公司京信通信表示也已经有介质波导滤波器生产能力。

海外能够提供陶瓷介质滤波器主要有美国的CTS和日本的村田公司,其中美国CTS为介质滤波器鼻祖。

根据上文描述,运营商在5G实际建设中,可能根据覆盖场景及容量要求选择不同多天线方案(64T64R或者16T16R)。

我们分别假设两种场景来测算滤波器市场弹性,假设方案一:16T16R和64T64R建设比例各占一半,对应小型金属腔体滤波器和陶瓷介质滤波器数量各占一半;假设方案二:64T64R建设比例为75%,16T16R为25%,根据上文,16T16R会选用小型金属腔体滤波器,对应小型金属腔体滤波器比例为25%,陶瓷介质滤波器比例为75%。

假设64T64R占比75%,市场空间同比增长89%~277%。

在4G规模建设期间,根据滤波器的出厂价格进行测算,预计国内基站滤波器市场规模每年在27亿元左右,假设64T64R建设比例为75%,预计建设高峰期(2020-2023)宏基站滤波器市场空间每年可达约50.9-101.7亿元,相较4G规模建设期,市场空间同比增长89%~277%。

假设64T64R占比50%,市场空间同比增长54%~205%。

假设64T64R建设比例为50%,5G建设周期为2020-2025年,预计建设高峰期(2020-2023)宏基站滤波器市场空间每年可达约41.5-82.3亿元,相较4G规模建设期每年27亿,市场空间同比增长54%~205%。

基站滤波器市场空间大幅增加,建议关注*st凡谷、东山精密(已完成收购苏州艾福电子70%股权,艾福主要生产包括陶瓷介质滤波器等),风华高科(国华新材料)。

PCB板高频高速化,单基站PCB价值量提升7倍以上

电路板是组装电子器件的关键互连件。

印制电路板(PCB),是指通用基材上按预定设计形成点间连接及印制元件的印制板,其主要功能是使各种电子零组件形成预定电路的连接,起中继传输作用。不仅为电子元器件提供电气连接,也承载着电子设备数字及模拟信号传输、电源供给和射频微波信号发射与接收等业务功能,下游应用领域广泛,因而被称为“电子产品之母”。PCB种类较多,排除封装基板,一般按照材质物理性质将PCB分为刚性版(单面板、双面板、多层板)、挠性板、刚绕结合板等。

从产品结构来看,当前PCB市场中多层板仍占主流地位。

通信领域PCB板主要集中在无线、传输、数据通信等应用领域,产品涵盖了背板、高速多层板、高频微波板等。不同于消费电子类PCB产品多为挠性板(FPC)和高密度互联印刷电路板(HDI),通信用PCB多为刚性多层板。

4G基站仅RRU+BBU有PCB需求。4G基站架构主要包括无源天线、射频拉远单元(RRU)和基带单元(BBU),其中无源天线内部主要采用射频线缆连接,RRU内PCB板主要包括射频板,BBU内PCB板主要包括基带板和背板。

5G基站新架构及新技术提升PCB需求量。

如前文所述,5G基站架构中无源天线将和RRU合成新的单元-AAU,AAU将包含部分物理层功能;而BBU将可能拆分为CU和DU。

参考当前5G实验网AAU设备的设计,预计每个AAU将包含2块电路板:1个功分板,1个TRX板。功分板主要集成了功分网络和校准网络,一般为一个双层板+一个四层板,或者集成在一个六层板;TRX板主要集成功率放大器(PA)+滤波器+64通道的收发信机、电源管理等器件集成在同一电路板上,一般为12-16层复合板。

由于AAU设备的内部连接更多采用PCB形式,5G时期单站PCB的数量相较4G时期会大幅提升。

高频及高速要求推升单板价格,5GAAUPCB价值量提升7倍以上。

考虑到5G对天线系统的集成度提出了更高的要求。AAU射频板需要在更小的尺寸内集成更多的组件。在这种情况下,为满足隔离的需求,需要采用更多层的印刷电路板技术。

另外,AAU射频电路板相较于4G时期的尺寸也会更大,考虑到5G基站发射功率的提升,工作频段也更高,因此5G的射频电路板对于材料的高速性能以及高频性能也提出了更高的要求。

因此综合来看,层数增加,尺寸增大,材料要求提升,5GAAUPCB板的价值量相较4GRRUPCB大幅提升。

国内天线射频侧PCB市场规模预计可达470.3亿元。

经过测算,5G单基站射频侧PCB价值量约9120元,4G单基站射频侧PCB价值量约1080元,可以发现,单基站价值量提升7倍以上。

如上文所述,我们预计国内5G宏基站规模可达506.4万站,考虑到近几年PCB价格稳定且略有上涨,假设PCB价格不变,对应5G时期射频侧PCB规模可达461.8亿元。

综合以上,我们认为5G基站电路板市场将有望量增价涨。

传统与创新并进,国资收购功放标的有望填补A股空白3/4G时期以横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)工艺为主。

射频功率放大器是无线发射机的核心部件,用以使无线信号具备足够的发射功率向外辐射。

目前基站用功率放大器主要采用基于硅的横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)技术。

LDMOS有局限性,氮化镓(GaN)成为中高频段主要技术方向。未来5G商用频段主要在3.5GHz附近,LDMOS技术在高频应用领域存在局限性:LDMOS功率放大器的带宽会随着频率的增加而大幅减少,LDMOS仅在不超过约3.5GHz的频率范围内有效,因此在3.5GHz频段LDMOS的性能已开始出现明显下滑。

除此之外,5G基站AAU功率大幅提升,单扇区功率从4G时期的50W左右提升到5G时期的200W左右,传统的LDMOS制程将很难满足性能要求。

随着半导体材料工艺的进步,氮化镓(GaN)正成为中高频频段PA主要技术路线,GaN技术优势包括能源效率提高、带宽更宽、功率密度更大、体积更小,使之成为LDMOS的天然继承者。

Massive-MIMO天线要求器件小型化,GaN尺寸为LDMOS尺寸1/6至1/4。

GaN相比LDMOS每单位面积可将功率提高4到6倍。

也就是说,相同发射功率规格下,GaN裸片尺寸为LDMOS裸片尺寸的1/6至1/4。

受基站内功率放大器尺寸要求和材料能量密度的限制,LDMOS在3.5GHz附近最大发射功率会大幅度下降,导致需要更多LDMOS器件,基于此,GaN具有更高功率密度特性,能够实现更小器件封装,因而非常适用于5G的Massive-MIMO天线系统。

参考目前实验5G基站的上游采购价格,目前用于3.5GHz频段的5G基站,采用LDMOS工艺的功率放大器单扇区的价格大约超过了400美金,采用GaN工艺的功率放大器价格更是超过了700美金。

而当前4G功放单扇区的价格200美金左右,5G功率放大器的价格达到了4G时期的2~3.5倍。

GaN技术虽然性能出众,但考虑到GaN昂贵的成本,预计初期5G功率放大器可能会以LDMOS与GaN混合为主,随着成本的不断下降,后续逐渐被GaN完全取代。

考虑到功率放大器行业的垄断性,我们预计5G规模建网期间降价空间比较有限。

预计功率放大器市场空间大幅增加。

在4G建设高峰期,国内市场平均每年功率放大器的市场空间约在42亿元。考虑到单站功率放大器价格的大幅提升,到了5G时代,单站价格的大幅上涨将推动功率放大器的总市场空间大幅提升,假设5G建设周期为2020-2025年,预计建设高峰期(2020-2023)宏基站功率放大器市场空间每年可达约108.2-188.9亿元,相较4G规模建设期,市场空间同比增长158%-350%。

国内稀缺功率器件标的正寻找A股上市。

传统基站功率放大器领域,主要由恩智浦(NXP)、飞思卡尔(Freescale)和英飞凌(Infineon)三家公司垄断,2015年NXP完成收购Freescale,为了规避反垄断调查,NXP便将自己的RFPower部门以18亿美元的价格出售给国内的北京建广资本,收购的恩智浦RFPower部门现改组为Ampleon公司,截止到2016年底,Ampleon在全球基站功率放大器领域的市场占有率达到了约38%,排名世界第二。

2018年6月,国内A股上市公司旋极信息发布公告,与合肥瑞成股东之一北京嘉广资产管理中心签订《合作意向书》,拟购买其持有的合肥瑞成股权,从而间接收购Ampleon股权。

未来,随着毫米波等高频段技术的成熟,GaN作为主流技术将成为必然,化合物半导体相关产业链公司将深度受益。

5GAAU内射频连接以板对板盲叉连接器为主

3/4G时期以馈电网络方式存在,通过馈线连接。

3/4G时期,天线与RRU之间、天线内部天线振子与射频器件相连都是通过馈线连接。

天线与RRU之间的射频馈线主要包括主馈线和跳线,跳线为基站天线和主馈线、主馈线和BTS之间提供连接,一般为1/2”电缆;主馈线为机房到天线平台之间连接,一般采用7/8”电缆。

天线内部馈线主要为半柔电缆。


5G时代通道数变多以及集成化,射频连接以板对板盲叉连接器为主。

5G时代天线有源化,AAU内功分网络和基带处理板将以PCB形式存在,传统馈线连接方式已不能满足需求,此时板对板之间需要由射频连接器进行连接。

盲插型连接器分别电连接在天线射频通道的输入端和收发组件的输出端口,盲插型连接器的种类和形式较多,可以自由选型。

SMP板对板连接器组件是一个浮动的结构,由一个与PCB焊接连接的snap座子,另一个与PCB焊接连接的slide座子以及中间的转接器bullet构成。

两个座子分别焊接在两块PCB板上,三个连接器与两块PCB板组成一个连接器电路板组件。

国内连接器的主要厂商:西安华达、金信诺中航光电(电连接器产品在航空领域市场占有率达60%)、通茂电子(6908厂子公司)、中电科55所等。

海外连接器主要厂商:TEConnectivity泰科电子(美国)、Amphenol安费诺(美国)、Rosenberger罗森伯格(德国)、RADIALL雷迪埃(法国)等。

射频连接器市场可达94.4亿元。一个基站需要三面天线,假设未来单面天线主流方案采用64T64R,对应一个基站需要盲叉连接器的数量为66*3=198个。

根据草根调研目前SMP盲插连接器国内厂商价格大概15元/个,未来成熟期有望下降到6元/个。假设5G建设周期为2020-2025年,预计建设高峰期(2020-2023)宏基站连接器市场空间每年可达约14.1-26.8亿元。

报告来源:华泰证券

作者不持有文中所涉及的股票或其他投资组合,未来5个交易日内也不打算买入或做空。

本文仅代表撰稿人个人观点,不代表摩尔金融平台。

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