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2018年中国5G行业现状及行业发展趋势分析【图】

2018年04月11日 14:2510000人浏览字号:T|T

    一、5G高频化,微波/毫米波器件民用市场现状分析

    移动互联网和物联网等业务的蓬勃发展,使得用户对无线通信服务的体验速率、流量密度、时延、能效和连接数等提出了更高的要求。5G无线技术的变革正是为了解决这一系列的需求,更高频率微波波段的引入不仅可以有效缓解目前拥挤的带宽波段,并且能够大幅提升传输速率和传输质量,使得连续广域覆盖、热点高容量、低时延高可靠和低功耗大连接等典型技术场景得以实现。三大运营商目前均已明确5G时间表,在2017年开通首个5G基站,2018年进行系统组网验证,2019年形成端到端商用产品和预商用网络,2020年实现万站规模化商用。5G基站的规模化铺设将催生对射频微波器件的大量需求,尤其是适用于高频率工作区间的高精度元器件。

    1、基站射频市场

    射频前端芯片市场主要分为两个方向:一个是以基站为代表的通信基础设施建设市场,预计将率先进入产业化。,三大运营商将于2019年启动5G基础建设,预计7年内总支出金额达1800亿美元(约合人民币1.2万亿元),远高于2013~2020年的4G投资金额1170亿美元。

    1)宏基站方面:2016年底我国拥有4G宏基站约300万,其中中国移动144万,中国电信86万,中国联通70万,2017年预计三大运营商新增60万,至此4G广覆盖阶段基本结束。假定5G宏基站数量是4G宏基站的数量的1.25倍,达到450万个,而5G由于应用Massive MIMO技术、射频模块和光器件模块数量增加,宏基站的单站成本将明显提升。预计5G宏基站的建设投资额将比4G高出55%以上。

    2)小基站方面:随着5G布局的展开,由于要使用高频通信,实现更大容量,需要克服高频通信具有的绕射能力差、易损耗、覆盖范围小等特点。因此5G时代将需要大量的小基站来完成更深更广、室内外无死角的覆盖,支撑大容量高速率的需求。5G小基站将达百万规模,投资额在百亿级左右。

    3)基站射频器件方面:在2G 网络基站中,射频器件价值占整个基站价值的比重约为4%,随着基站朝着小型化方向发展,3G和4G技术中射频器件逐步提升至6%~8%,部分基站这一比重可达9%~10%。5G时代射频器件的价值占比将会进一步提高,未来5年将是基站射频器件更新换代的高峰。5G时代基站射频器件的市场空间将超过500亿。

    射频器件在基站中主要用于基站主设备(滤波器、双工器等),以及天馈系统(合路器、塔顶放大器、天线内置滤波器等)。其中滤波器和放大器技术含量高,占据主要份额,国内军工微波元器件厂商在该方面具有较多的研发和生产经验,若能实现有效的成本控制,有望快速实现军转民。

各射频器件之间的信号传输关系

资料来源:公开资料整理

    相关报告:智研咨询网发布的《2017-2022年中国第五代移动通信技术(5G)行业研究及发展趋势研究报告

射频器件各细分市场空间预测/亿美元

资料来源:公开资料整理

    氮化镓器件有望实现军转民。基站中以前采用的射频功放主要基于LDMOS技术,但LDMOS技术的极限频率不超过3.5GHz,也不能满足视频应用所需的300MHz以上带宽。因此输出能量密度更高,工作环境温度也更高,更高的输出阻抗的氮化镓(GaN)器件将成为未来的替代选择。目前,由于成本问题,氮化镓只能运用于军用雷达和电子战系统。,国防和航天应用占了射频氮化镓总市场规模的40%,雷达和电子战系统是射频氮化镓的最大应用市场。不过通过改良制造工艺,扩大晶元尺寸,制造成本有望大大降低。2015年射频氮化镓市场规模达到3亿美元,而2020年射频氮化镓市场可达 6.89亿美元。

    滤波器方面,新旧产品替代空间大。原有的同轴腔体滤波器由于体积较大,无法满足5G小型化基站的超密集组网要求。目前业界正在研究新的替代方案,新型介质滤波器可能将会替代原有的同轴腔体滤波器。BAW滤波器也会有可用于小基站应用的10W级器件问世。Technavio在研究报告中

    指出,射频滤波器市场2016-2020的年复合增长率可达15%。随着5G频段的划分,基站的铺设,滤波器的整体市场空间还将持续快速增长。

    2、终端射频市场

    另一个是规模大的移动终端市场。5G时代会有更多的频段资源被投入使用,多模多频使射频前端芯片需求增加,同时Massive MIMO和波束成形、载波聚合、毫米波等关键技术也将助长这一趋势。

    终端射频模块市场大致分为两类:一类是使用MEMS工艺制造的滤波器,以声表面波滤波器(SAW)和体声波滤波器(BAW)为代表;另一类是使用半导体工艺(GaAs、GaN、CMOS等)制造的电路芯片,以功率放大器(PA)和开关电路(Switch)为代表。滤波器和放大器也是其中的价值占比最高的部件,将后于基站射频微波器件市场空间的释放。随着智能手机的不断升级,手机的频段越来越多,目前智能手机对SAW滤波器的需求在15个以上是以前传统手机的3倍。此外,受益于万物互联催生射频前端模块的市场需求,规模将远超4G时代。仅移动通信终端的射频模块市场规模将会从2015年的119.4亿美元增长至2019年的212.1亿美元,年复合增长率达到15.4%。

移动终端射频前端模块市场规模

资料来源:公开资料整理

    此外,随着5G时代万物互联的场景落地,自动驾驶技术有望正式实装。汽车雷达从超声波传感器发展到电磁波雷达,逐渐实现了从泊车预警到盲点探测、碰撞预警、自适应巡航等等便利的功能。毫米波雷达是汽车主动安全(ADAS)产品的关键核心部件,过去主要由大陆、博世、电装等国外厂商垄断,随着国产24G/77GHz毫米波雷达MMIC芯片取得突破,借势国产乘用车的崛起,我国有望实现弯道超车,打入中低端乘用车主动安防的市场。

    自动驾驶功能的正式实装将导致对低时延、高可靠的汽车雷达的需求将快速增长。毫米波雷达相比超声波传感器具有更高精度、更低延迟的特点,相比激光雷达更低耗散、更强穿透性、更成熟技术(军用机载产品已经达到极高水平),有望成为自动驾驶技术的最核心部件。预计到2020年全球汽车毫米波雷达将近7000 万个,2015-2020年的年均复合增速约为24%。

    3、军用单位技术积累深,各有优势,竞争有序

    微波技术在军用领域起步较早,技术积累较为深厚,特别是在核心的微波器件、电路和系统的研发生产等经验丰富。虽然微波技术是一种通用性强、应用较广的技术,但是军用微波产品主要是定制化产品,应用在不同装备系统上的功能、性能、可靠性、接口等要求也不一致,因此不同企业在技术专业和应用领域有所侧重,行业内竞争相对有序。在军用微波产品领域中,已有多家实力雄厚的军工科研院所和民营高科技公司,在不同领域中占据优势地位。

    在军工科研院所中,中国电子科技集团的13所和55所实力较为雄厚。13所和55所,长期为国防领域配套微波射频器件,在国内军用领域射频器件技术水平领先。

    55所以固态功率器件和射频微系统等为专业方向,研制的核心芯片和关键元器件广泛应用于国土防空、预警探测、通信导航以及卫星宇航工程中。经过多年的研发积累和技术创新,55所在微波化合物半导体及MMIC和相关电路等领域研发能力和产品水平,处于国内领先、国际先进地位。近年来不断推进军民融合工作,在射频电子与功率电子两大领域中大力推进民品产业发展,形成了从材料、芯片、器件到模块组件的完整产业链,在功率器件、射频器件与电路模块、声表面波器件、多层陶瓷封装与管壳等市场领域的产业规模、人才队伍、技术实力等方面均具有较强竞争优势,在国内占据领先地位。

    13所是我国规模较大、技术力量雄厚的综合性半导体研究所,专业方向为半导体专业的微电子、光电子、微电子机械系统(MEMS)、半导体高端传感器、光机电集成微系统五大领域和电子封装、材料和计量检测等基础支撑领域。公司在射频微波毫米波半导体领域技术实力雄厚,先后创造多个“国内第一”,如: 第一只砷化镓微波场效应晶体管(1977年)、第一块砷化镓集成电路(1982年)、第一只宽禁带氮化镓功率器件(2004年)等。公司在射频半导体领域拥有完整的产业链,在半导体器件/集成芯片、混合集成电路、集成模块、微系统/小整机等产品丰富,广泛应用于“海、陆、空、天”等领域。

    在民营军工公司中,亚光电子、星波通信、南京恒电等公司在微波器件/电路领域实力较强。亚光电子,前身是国营第970厂,主要从事军用半导体元器件与微波电路及组件的研发和生产,产品主要包括半导体分立器件、微波混合集成电路、微波单片集成电路、微波组件等,主要应用于航天、机载、弹载、舰载、地面雷达等军用雷达的通讯、电子对抗、通信系统等领域。亚光电子前身970厂是我国第一批研制生产微波半导体器件及电路的骨干企业,曾与中电科13所和55所并称为军用微波和微波电子领域的“两所一厂”。亚光电子技术积累较为深厚,综合实力较强,规模较大,市场份额较高,控制电路、二极管、毫米波电路产品等是传统优势产品。

    星波通信专业从事射频/微波器件、组件、子系统等微波混合集成电路产品的研制和生产、致力于相关技术在机载、弹载、舰载、地面设备等多种武器平台上的应用,产品主要为雷达、通信和电子对抗系统提供配套。通过十余年来的研发积累,星波通信形成了以射频滤波技术、频率综合技术、多芯片微组装技术、微波混合集成电路设计技术等为代表的核心技术,2003 年成功突破了机载抗震捷变聘频率综合器的技术瓶颈,解决了国内机载火控雷达相位噪声指标严重恶化导致实用性能大幅降低的长期技术难题,成功替代了进口产品。此外,公司具备将研发技术成果转化为产品并规模化生产的能力,凭借可靠的产品品质及完善的服务体系,受到客户的高度认可。

    南京恒电主要从事微波电路及其相关组件的研发和生产,致力于微波混合集成电路相关技术在机载、舰载、弹载等多种武器平台上的应用,产品主要为雷达、电子对抗和通信系统提供配套。

国内主要微波器件、电路等研发生产单位

单位
主要业务
主要产品
竞争优势
13所
综合性半导体研究所,专业方向包括微电子、光电子、微电子机械系统(MEMS)、光机电集成微系统等
射频/微波毫米波半导体器件及微波单片集成电路;混合集成电路、小型化模块集成模块、复杂组件和小整机,微波微系统
央企下属军工科研院所,最早开始军用微波研究的单位之一,技术积累深厚,在射频半导体领域创造多个“国内第一”。
拥有从半导体器件/芯片、混合集成电路、模块、微系统等完整的产业链,长期配套国防领域,覆盖面广,综合实力强。
55所
以固态功率器件和射频微系统等为专业方向
砷化镓毫米波单片集成电路、多芯片模块、微波毫米波两端器件、微波/毫米波多芯片模块电路及组件
央企下属军工科研院所,技术积累深厚,在微波化合物半导体及MMIC和相关电路等领域研发能力和产品水平,国内领先、国际先进。
在射频电子与功率电子两大领域中形成了从材料、芯片、器件到模块组件的完整产业链,长期配套国防领域,研制的核心芯片和关键元器件广泛应用于国土防空、预警探测、通信导航以及卫星宇航工程中,覆盖面广,综合实力强。
亚光电子
军用半导体元器件与微波电路及组件的研发和生产
半导体分立器件、微波混合集成电路、微波单片集成电路、微波组件
前身970厂是我国第一批研制生产微波半导体器件及电路的骨干企业,曾与中电科13所和55所并称为军用微波和微波电子领域的“两所一厂”。
技术积累较为深厚,综合实力较强,规模较大,市场份额较高,控制电路、二极管、毫米波电路产品等是传统优势产品。
星波通信
微波器件、部件及子系统在机载、弹载武器系统及多种微波通信系统的应用
微波器件、微波组件与子系统、微波混合集成电路
掌握微波混合集成电路产品小型化、轻量化、模块化等方面技术; 产品种类齐全,配套层级高,国内少数为多个弹载武器平台提供组合级产品的民营企业之一
南京恒电
微波混合集成电路相关技术在机载、舰载、弹载等多种武器平台上的应用
单功能微波电路、多 功能微波组件
主要为雷达、电子对抗和通信系统提供配套,形成了以微波
混合集成电路设计技术、微组装技术、互连转换技术、测试技术、环境试验技术等为代表的核心技术

资料来源:公开资料整理

    二、5G或将再次开启通信黄金时代

    1、 5G产业各方面加速度前进

    技术标准提速: 在各国对产业链发展高度重视下,以及3GPP各方的努力下,5G技术标准化工作不断加速,5G产业发展进度超预期。关注到2017年底至2018年有多个关键时点,既包括5G技术标准化关键点,也包含各国产业化的目标节点。因此,2018年是5G完成标准化、走向产业化的关键时期。

3GPP的5G标准化工作时间规划示意

资料来源:公开资料整理

    目前进展阶段:R15 NSA版本已经提交初步版本,但需要进行持续优化,预计2018Q1完成优化工作并冻结。高通将于NSA冻结后开展芯片开发工作,电信设备商已经开始基于5G技术的产品研发,并将于后续标准冻结后进行补充和优化。 5G技术标准化工作未来几个重要时点包括: 2018.6 – NR Standalone的标准化冻结 – 电信设备商可以开发支持NR Standalone的设备功能。 2018.9 – R15 ASN.1标准化冻结 – 空口帧结构完全统一定义,芯片商可以开发完整版本的5G芯片。 2019.12 – R16标准化冻结 – 第一轮基于5G的演进升级完成,5G网络性能和功能再上一个台阶。 我国5G技术和产业推动坚决有力:

    透过我国在5G技术和产业领域的发声和努力,关注到相比于以往2G/3G/4G网络时代,我国越来越占据主动性,甚至逐渐占据主导。2017年10月26日,工信部党组书记、部长苗圩主持召开党组会,集体学习党的十九大和十九届一中全会精神,提出要坚决贯彻党的十九大决策部署,加强网络信息基础设施建设,加快5G、工业互联网等重大技术研发应用。

中国5G技术研发试验有序推进

资料来源:公开资料整理

    频率规划和牌照发放预期提速: 业内通常认为5G部署频率包括三部分:6GHz以下新分配频率,6GHz以下已分配频率重耕以及6GHz以上新分配频率。 6GHz以下新分配频率:2017年11月9日,工信部发布《工业和信息化部关于第五代移动通信系统使用3300-3600MHz和4800-5000MHz频段相关事宜的通知》,明确规划3300-3600MHz和4800-5000MHz频段作为5G系统的工作频段,其中,3300-3400MHz频段原则上限室内使用。 6GHz以下已分配频率:我国目前已分配应用移动通信的频率均在2.6GHz及以下,带宽达到数百MHz。当通信技术进一步升级,原有2G/3G实施大规模退网以后,有可能将部分频率重耕为5G频率。 6GHz以上新分配频率:国际上正就高频频率展开激烈讨论,有望在近两年确定高频应用5G的频率规划。

中国5G频率分配

资料来源:公开资料整理

    运营商将分别在各自选定的城市开展试验,试验结束后预计2019年开展试商用。 网络设备提前于标准成熟: 尽管5G技术标准NSA版本还未完成最终的优化和冻结,SA版本还需要到2018Q2完成,但电信设备商并没有停止研发的脚步,而是基于现有技术方案研发推出5G通信设备。 2018年MWC会场主流电信设备商发布多款支持5G的通信设备:华为展示新一代小基站5G LampSite,中兴展示5G六大产品系列,爱立信展示5G智能工厂,诺基亚展示了5G Future X解决方案,大唐移动与是德科技共同演示5G-NR(新空口)。各家主流设备商推出的5G产品都是包括5G系列化基站、5G承载、回传/前传、5G核心网等完整的5G网络系统产品,成熟度高,未来可以依靠软件升级完成对5G完整通信标准的支持。 因此5G网络设备将在2018年完成可以测试和试商用的版本。

    在刚刚结束的MWC-GTI峰会上,中国移动联合全球20家终端产业合作伙伴在GTI国际产业峰会共同启动“5G终端先行者计划”,旨在聚焦产业资源,推进5G终端产业的创新与成熟。

中国5G技术研发试验有序推进

资料来源:公开资料整理

    根据中国移动给出的“5G终端先行者计划”时间表,2017年中国移动已经联合合作伙伴进行了技术标准制定和终端试验计划,过去一个阶段已经进行了产品需求确认。2018年-2019年,“5G终端先行者计划”将聚焦于基于FPGA的原型机,到2018年第四季度,第一批符合中国移动需求的5G芯片将会问世。2019年上半年发布首批5G预商用终端,2019年第三季度将会有第一批5G智能手机上市,同时该计划将在2019年-2020年进行终端友好用户测试,期间中国移动将发布其5G终端标准和5G终端白皮书,最终到2020年将会有5G商用终端推向市场。 综上所述,5G产业一直在稳步推进,决策和监管层态度鲜明支持,学术和研究机构积极推动,设备、芯片、终端厂商加速商用产品推出,5G产业发展已经开启加速度。

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预计2018年产能增速将维持低位震荡,工业品价格和企业利润仍受到支撑,下行空间有限

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