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5G基站端射频产业链发展新机遇(天线、PA、PCB、天线振子、滤波器、连接器
来源:苏州艾通华通讯有限公司         发布时间:2019-03-12
  

拥抱5G,基站端天线、PA、PCB、天线振子、滤波器、连接器等产业迎来发展新机遇。

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%。

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。

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