5G天线射频发展与投资机会

报告要点

 基站:5G 基站规模或超越4G,驱动天线射频产业新一轮增长

假设中国移动获分2.6GHz 频段、中国电信与中国联通获分3.5GHz频段,测算5G宏基站数为4G 的1.36 倍,即达到531 万基站,驱动天线射频产业新一轮增长周期。

 天线:弹性最大的方向,带动上游元器件增长

5G 时代,天线环节将步入“量价齐升”高景气周期。传统4G天线向4.5G、5G 的AAU演进,无源天线向有源天线演进,同时MASSIVE MIMO 带来海量天线需求,预计5G 天线数量是4G 的8-32倍;5G带来天线数量8-32倍的增长。同时,天线阵子也从4G时的10-20个,增加到128~256个,增长十多倍。

 滤波器:需求爆发,介质滤波器成为明确趋势

介质滤波器具有尺寸小、介电常数高等优点,将取代腔体滤波器成为基站滤波器方向。5G 时代,Massive Mimo 所使用的天线数量大幅度增长,预计需要64至128 个天线。由于每个天线都需要配备相应的双工器,并由相应的滤波器进行信号频率的选择与处理,滤波器的需求量将大量增加。

 投资建议:

5G 频率或近期敲定,5G将迈入产业落地期。经测算,国内天线市场、基站滤波器市场、基站天线侧PCB 市场分别达到750 亿元、173 亿元、257 亿元,市场价值将从2019-2024 年开启释放周期。

 移动互联网和物联网是未来移动通信发展的两大驱动力

移动互联网和物联网的发展持续不断地改变着我们的生活方式和工作方式,不断地驱动着移动通信技术的应用与发展。

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5G愿景: 未来,无线通信将广泛地应用在个人穿戴、居家生活、休闲娱乐和云端办公,以及工业、农业、医疗、教育、交通、金融和环境等各行业领域。

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 5G标准化主要工作将于2020年完成

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 5G关键技术

•大规模天线+新型多址接入技术提升频谱效率,构成确保“任何时间、任何地点”确保用户体验的关键技术

•超密集+高频段提升热点流量和传输速率,基于LTE-Hi演进技术的能力提升

•低时延高可靠技术拓展业务应用范围,为5G物联网场景应用的关键使能技术

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 5G主要应用场景及关键技术

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5G 成为各国提升综合竞争力的国家战略

据爱立信统计,全球56 个国家、113 个运营商正在进行5G 的投入和试验,包括建立实验网、外场测试或进行5G 网络部署。

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美日韩欧均力争引领5G,全球竞争加剧。

美国抢跑5G 高频段部署,助力保持其互联网创新发展的主导地位。Verizon 率先发布5G 高频无线标准,初期用于固定接入,17年启动商用部署;FCC 划定28GHz 以上约11GHz 高频频谱,并投入4 亿美元用于支持5G 无线技术研发和网络测试。

日本欲维持4G 时代优势,并通过5G 助力其在机器人/AR/VR 等领域的产业优势。日本计划在2020 年东京奥运会前部署4.5GHz 的5G 商用网络,提供热点覆盖,以支持冬奥会;NTT DoCoMo 组织十多家主流企业开展5G 试验。

韩国通过5G 升级网络基础设施,助力其“创新经济”。韩国2018 年初已开展5G预商用试验,支持平常冬奥会;KT 宣布在2019 年提供全球首个商用5G 移动网络,比原计划提前1 年。

欧洲力图重新建立通信行业领先地位,助力“数字经济”。明确700MHz/3.4~3.8GHz为5G 先发频率;依托5GPPP 项目,2018 年启动5G预商用试验,2020年左右实现商业部署。

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 基站:5G 基站规模或超越4G,驱动天线射频产业新一轮增长

频谱分析:5G 是由频谱堆积起来的网络

5G 同时需要高频段和低频段频谱。由于低频率的覆盖和穿透性能好,5G 前代网络(1/2/3/4G)通信频率均聚焦在3GHz 以内的低频率。但低频段的可用频谱资源非常有限,从2G 到4G,业界不断通过技术创新来提高低频段的频谱效率。

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结合各频段的使用情况和规划,5G先发频段或集中于3.5GHz、4.9GHz、2.6GHz 三个中低频段。从5G 进度效率和平衡实力两个角度出发,预测一种可能的频率分配方案:

1. 3.5GHz 主力频段分配给中国电信、中国联通:获得全球共同支持、产业链最成熟的3.5GHz 各100MHz 频段,大大降低其初期建网难度和成本,获得一定先发优势。

2. 2.6GHz+4.9GHz(其中100MHz)分配给中国移动:作为综合实力最强的运营商,凭借其充沛的现金流和强大的产业链领导力,中国移动可迅速推动2.6GHz 和4.9GHz 产业链成熟,目前这两个频段5G仅有个别国家支持。

3. 广电作为运营商,亦可能获取一定频谱,但受限于现金流、网络能力和运营能力,初期预计不会大力建设5G 网络。

图:国内三大运营商当前低频频谱分配情况

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目前,国内可能的高频频谱范围是24.25 GHz~27.5 GHz、37 GHz~42.5 GHz 的毫米波频段。高频段是未来,中低频是现在。当前将高频段应用到5G 移动通信系统尚存在诸多挑战,如高频段无线信号具有较高的传输损耗,易受建筑、人、植物,甚至是雨滴等障碍物的遮挡,以及高的相位噪声,高频信道模型尚未确定,高频器件不成熟等诸多难题尚未解

决。此外,针对高频段未知关键技术,方案和场景的试验验证对于高频段能否成功商用

起到了决定性的作用。

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本次频率分配对5G 建网规模产生直接影响。核心原因是频率越低,覆盖范围越大,基站建站数与频率高低成反比。预测的频率分配方案为:

(1)中国移动采用2.6GHz 进行广覆盖,而利用4.9GHz 进行热点地区深度覆盖;

(2)中国电信和中国联通使用3.5GHz统一覆盖;

(3)三家运营商或利用3.3GHz(3300MHz-3400MHz)进行室内覆盖。

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电信和联通如采用3.5G 部署5G 无线网络,部署同样的区域,需要的5G 基站数或为4G 基站的1.5 倍~2 倍,估算取1.5 倍。根据中国联通测算,1.8G 单站(2T2R,40W)覆盖半径约为3.5G(64T64R 配置)的1.5 倍,单站覆盖面积约为3.5G 的2.25 倍。

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对于中国移动,如采用2.6GHz 部署5G 广覆盖网络,基站规模或为4G 基站数的1 倍~1.5 倍,估算取1.2 倍。中国移动目前4G 的频谱资源总共130MHz,包括1880-1900MHz、2320-2370 MHz、2575-2635 MHz 三个频段。如统一采用2.6GHz进行5G 广覆盖,基站规模高于4G,按1.2 倍4G 基站估算。综上,2019-2025 年(7 年)5G 基站规模或达581.4 万,为4G 基站规模的1.36 倍。

 天线:弹性最大的方向,带动上游元器件增长

基站天线是用户用无线方式与基站设备连接的信息出(下行、发射)入(上行、接收口,是载有各种信息的电磁波能 量转换器。基站发射时,调制后的射频电流能量经基站天线转换为电磁波能量,并以一定的强度向预定区域(手机用户)辐 射出去;用户信息经调制后的电磁波能量,由基站天线接收,有效地转换为射频电流能量,传输至主设备。基站天线性能的好坏,严重影响到移动通信的质量。

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在4G 时代,一个标准的宏基站主要由基带处理单元BBU、射频处理单元元RRU 和天线三个部分组成,其中RRU 通过射频电缆与无源天线连接。

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 无源向有源演进,天线承载更高价值

有源器件和无源器件,简而言之就是有无电源。有源器件用来进行信号放大,无源器件进行信号传输。而有源天线就是把原先的接收天线模块(无源天线)、射频单元、电源供给模块集成起来,也就是天线射频模块集成,形成符合下一代通信需求的新天线。

图:有源天线构成(有源无源解耦方案)

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随着移动网络向4.5G 和5G 发展,传统无源天线已无法适应发展。进入4G 及4G+时代,全球多数运营商同时运营多个制式、多个频段的网络,导致基站的天面资源更加紧张,在一些高话务量区域已经“天线林立”,新增抱杆困难,再加上民众对“电磁辐射”的恐慌,选址难、建站难、新增天线更难已成为4G 网络建设面临的最大挑战。另一方面,在一些共用铁塔或杆塔的站点,天线数量成倍增加,带来了天馈施工难度增加,系统的可靠性能降低。这些都标志着小型化宽频带多系统共用电调天线成为网络建设的迫切需求。

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以AAU 为代表的有源天线解决方案,正在逐步成为行业的趋势。为解决上述问题,有源天线产品应运而生。AAU 称做有源天线单元,在多个频段组网下,传统方式需要选择两个RRU 连接到一个无源天线, 采用AAU 后,2 个RRU 集成到天线中,形成有源天线单元AAU。有源天线是射频模块与天线高度集成的产物,在支持多个频段一次部署的同时,可以大幅降低整个站点物理设备的数量,从而带来简化站点,减少站点租金和提升网络覆盖等好处。

图:AAU=RRU+天线

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图:RRU 和天线集成于一体的AAU

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Massive Mimo 带来海量天线需求

Massive MIMO 技术是 5G 容量提升的核心技术

MIMO(Multiple Input Multiple Output)是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线, 采用空间分集的方法使不同的信号在相同的频率下同时传送。MassiveMIMO 就是在基站侧利用大规模天线阵列(阵子数高达128 或以上)形成多发多收的系统,配置远多于现有的系统的大规模天线阵列的MIMO,可形成更窄波束,基于波束赋形和MU-MIMO,提高频谱效率,降低干扰提升信噪比,服务更多用户,也称为大规模天线。

图:Massive Mimo 配置更多天线服务更多用户

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理解Massive Mimo 有几个关键技术和概念:

1、波束成形

理解大规模天线首先需要了解波束成形技术。传统通信方式是基站与手机间单天线到单

天线的电磁波传播,而在波束成形技术中,基站端拥有多根天线,可以自动调节各个天线发射信号的相位,使其在手机接收点形成电磁波的叠加,从而达到提高接收信号强度的目的。从基站方面看,这种利用数字信号处理产生的叠加效果就如同完成了基站端虚拟天线方向图的构造,因此称为“波束成形” (Beamforming)。通过这一技术,发射能量可以汇集到用户所在位置,而不向其他方向扩散,并且基站可以通过监测用户的信号,对其进行实时跟踪,使最佳发射方向跟随用户的移动,保证在任何时候手机接收点的电磁波信号都处于叠加状态。打个比方,传统通信就像灯泡,照亮整个房间,而波速成形就像手电筒,光亮可以智能地汇集到目标位置上。

在实际应用中,多天线的基站也可以同时瞄准多个用户,构造朝向多个目标客户的不同波束,并有效减少各个波束之间的干扰。这种多用户的波束成形在空间上有效地分离了不同用户间的电磁波,是大规模天线的基础所在。

图:波束成形将能量集中于一个方向

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图:波束成形是Massive Mimo 天线的基础

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2、大规模天线阵列

大规模天线阵列正是基于多用户波束成形的原理,在基站端布置几百根天线,对几十个目标接收机调制各自的波束,通过空间信号隔离,在同一频率资源上同时传输几十条信号。这种对空间资源的充分挖掘,可以有效利用宝贵而稀缺的频带资源,并且几十倍地提升网络容量。

图:美国莱斯大学 Argos 大规模天线阵列原型机

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大规模天线并不只是简单地扩增天线数量,因为量变可以引起质变。在单天线对单天线的传输系统中,由于环境的复杂性,电磁波在空气中经过多条路径传播后在接收点可能相位相反,互相削弱,此时信道很有可能陷于很强的衰落,影响用户接收到的信号质量。而当基站天线数量增多时,相对于用户的几百根天线就拥有了几百个信道,他们相互独立,同时陷入衰落的概率便大大减小,这对于通信系统而言变得简单而易于处理。大规模天线优点主要有如下几点:

1) 大幅度提高网络容量。

2) 因为有一堆天线同时发力,由波速成形形成的信号叠加增益将使得每根天线只需以小功率发射信号,从而避免使用昂贵的大动态范围功率放大器,减少硬件成本。

3) 大数定律造就的平坦衰落信道使得低延时通信成为可能。传统通信系统为了对抗信道的深度衰落,需要使用信道编码和交织器,将由深度衰落引起的连续突发错误分散到各个不同的时间段上(交织器的目的即将不同时间段的信号揉杂, 从而分散某一短时间内的连续错误),而这种揉杂过程导致接收机需完整接受所有数据才能获得信息,造成时延。在大规模天线下,得益于大数定理而产生的衰落消失,信道变得良好,对抗深度衰弱的过程可以大大简化,因此时延也可以大幅降低。

Massive Mimo 带来天线/阵子数量大幅增加:

天线数量将从4G 的2T4R、4T4R,演变成5G 初期32T32R,甚至最终128T128R,带来天线数量8~32 倍的增长。同时,天线阵子也从4G 时的10~20 个,增加到128~256个。

滤波器:需求爆发,介质滤波器成为明确趋势

滤波器的主要功能就是帮助基站实现选频,基站可狭义地理解为一个无线电收发信电台。一般基站有属于自己的明确的工作频段,因此基站必须有选择各种频率信号来进行收发的能力。即通过需要的频率信号,而抑制不需要或者有害的频率信号。

介质滤波器成为明确方向

介质滤波器具有尺寸小、介电常数高等优点,将取代腔体滤波器成为基站滤波器方向。4G 时代,通信基站用的滤波器还以金属腔体滤波器为主,腔体滤波器,主要由金属整体切割而成,体积较大。为降低体积并提高性能,介质滤波器将在5G 时代替代腔体滤波器成为主流。介质滤波器的表面覆盖着切向电场为零的金属层,电磁波被限制在介质内,形成驻波振荡,其几何尺寸约为波导波长的一半。材料一般采用相对介电常数为60~80 之间的陶瓷,实际应用于无线通信中的介质陶瓷滤波器尺寸在厘米级。

介质滤波器也是毫米波发展的必然要求。5G 时代所使用的电磁波频率将继续提升,这意味更加高效的毫米波将逐步开始使用。 为了实现毫米波的信号覆盖与高密度连接,基站天线尺寸也将降至毫米级,逐步实现微型基站。而在此发展背景下,基站所使用的滤波器也将逐步缩小尺寸至毫米级,保持其与电磁波波长在同一级别。因此,介质滤波器将发挥其体积小的优势,在未来广阔的 5G 市场中占得先机。

图:腔体滤波器

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图:介质滤波器

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海量天线带来海量滤波器需求

5G 时代,Massive Mimo 所使用的天线数量大幅度增长,预计需要64 至128 个天线。由于每个天线都需要配备相应的双工器,并由相应的滤波器进行信号频率的选择与处理,滤波器的需求量将大量增加,因此这就对滤波器的器件尺寸与发热性能有更高的要求。 腔体滤波器由于其体积大,发热多,难以在高密集型天线中广泛使用,面临较大的发展压力。

图:基站前端简图

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图: 滤波器数量与天线数量成正比

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投资机会:天馈一体化成方向

基站规模:宏站有望达到530 万站

预计2018 年底,全国4G 宏基站数量有望达到391 万站,预计5G 基站数为4G 的1.36倍,则5G 基站数量有望达到531 万站。根据4G 建站节奏推,推算2019-2024 年5G建站节奏,2019 年有望达到27 网站,在2020-2022 年加速放量并在2022 年达到140网站规模。

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天线市场空间测算:有望达到近750 亿元

根据基站数量,可计算得出2019-2024 年天线市场空间。其中2019 年5G 天线单价按0.6 万元计算,此后逐年下降至2024 年达0.4 万元。则2019-2024 年天线需求总量有望达到1595 万副,市场空间达到746 亿元。

图:2019-2024 年5G 天线数量估算(万副)

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图: 2019-2024 年天线市场规模估算(亿元)

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基站滤波器市场空间测算:有望达到近173 亿元

介质滤波器2019-2024 年市场空间有望达到173 亿元。核心假设:

(1)2019-2021年按照每副天线使用64个滤波器,2022-2024年每副天线使用128个滤波器。

(2)介质滤波器按照2019 年15 元/个,此后逐年下降10%估算。

图 :基站滤波器市场空间测算(亿元)

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基站天线侧PCB 市场空间测算:有望达257 亿元

天线侧PCB 在2019-2024 年市场空间有望达到171 亿元。核心假设:5G 基站PCB使用面积将从4G 的0.2 平方米提升至0.7 平方米,PCB 价格2018 年为3000 元/平方米,此后每年下降10%。

图:基站天线侧PCB 市场空间估算(亿元)

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投资建议:

5G 时代,天馈一体化成为重要的技术路线,即基站天线、滤波器、合路器分路器以及射频处理设备之间的连接更紧密,甚至可能成为一体化设备,为产业链的格局变化提供了可能性。同时,5G时代,滤波器将向小型化、经济化特点演变,因此更微小、量产成本更低且兼具高介电常数、高Q 值的陶瓷介质滤波器有望成为5G 的滤波产品趋势。

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