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2020年中国天线行业发展概况及市场发展前景分析:5G建设加速,基站天线投资规模扩大[图]

2020年05月06日 13:43:34字号:T|T

    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。

智能手机通信系统结构示意图

数据来源:公开资料整理

    智研咨询发布的《2020-2026年中国手机天线行业市场现状调研及未来发展前景报告》数据显示: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。

天线主要类型

天线主要类型
类型
简介
性能
空间利用
技术难度
成本
应用
金属片天线
金属质地
功能机
FPC天线
柔性电路板,包括PI、LCP材质(液晶聚合物)
中低端
LDS天线
利用激光画出电路图案,将天线镭射于手机外壳
高端

数据来源:公开资料整理

    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。

天线工作原理示意图

数据来源:公开资料整理

    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。

基站天线分类

基站天线分类
分类方式
天线种类
按工作性质
发射天线、接收天线、收发共用天线
按用途
通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线、导航天线、测向天线
按载体
车载天线、机载天线、星载天线、弹载天线
按使用波段
长波、超长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线
按辐射方向
强方向性天线、弱方向性天线、定向天线、全向天线、针状波束天线、扇形波束天线
按应用频段
WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA天线、FDD-LTE、TDD-LTE天线以及包含上述多个制式的多频多端口天线
按频带特性
有窄频带天线、宽频带天线、超宽频带天线
按磁化方向
水平极化、垂直极化、垂直/水平极化、±45度正交极化;或单极化、双极化

数据来源:公开资料整理

    3、5G时代,天线迎双频段市场

    当前通信行业最大的投资机会莫过于5G,其核心在于多元化业务场景。5G的三大典型应用场景包括eMBB(移动宽带增强)、uRLLC(超高可靠、超低时延通信)、mMTC(大规模物联网),这意味着5G不仅要解决人与人之间的连接,还要满足人与物、物与物之间的互联。

5G主要业务场景及关键指标

数据来源:公开资料整理

    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。

天线基材材料比较

天线基材材料比较
-
PI
LCP
MPI
吸湿率
0.1%-0.2%
0.01%-0.02%
0.1%-0.2%
介电常数Dk
3.3
2.9
3.3
介电损耗Df
0.006-0.008
0.001-0.002
0.003
低频损耗
高频损耗
成本
可弯曲性

数据来源:公开资料整理

    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。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。

5GNR频段增加

数据来源:公开资料整理

工信部划分我国5G频段

数据来源:公开资料整理

    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。

5G波束需要更多天线

数据来源:公开资料整理

    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。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。

射频芯片价值变迁

数据来源:公开资料整理

    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。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;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。

全球手机天线市场格局

数据来源:公开资料整理

全球天线市场规模预测

数据来源:公开资料整理

    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(RadioAccessNetwork,RAN)的体系架构需要进行改进。4GLTE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。

5G三类典型业务场景

数据来源:公开资料整理

5GRAN架构的重组变化

数据来源:公开资料整理

    2020年5G建设加速,“新基建”的提出将5G基础建设推向高峰。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。

三大运营商资本开支与计划

数据来源:公开资料整理

    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。

三大运营商2020年资本支出计划

三大运营商2020年资本支出计划
公司
2019年
2020年
资本开支
5G投资
资本开支
5G投资
5G投资占比
中国移动
1659
240
1798
1000
56%
中国联通
564
79
700
350
50%
中国电信
776
93
850
453
53%
合计
2999
412
3348
1803
54%

数据来源:公开资料整理

    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,64T64RAAU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宏基站数量大约是4G宏基站数量的1.2-1.5倍。所以相较于4G时代百万级别的基站(宏基站)数量规模,5G基站(宏基站+微基站)规模突破千万级别。

5G基站建设数量预测

数据来源:公开资料整理

    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。

全球5G宏基站天线投资规模

数据来源:公开资料整理

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