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5G时代介质滤波器的机遇!
time:2019-04-28 15:16:38
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一、5G 时代陶瓷介质滤波器有望成为主流方案

 

1.1 滤波器是 RRU 中的核心器件

 

滤波器,是可以使信号中特定频率成分通过,并极大地衰减其他频率成分的电子元器件。射频信号在产生、转换、传输的每一个环节都有可能因为环境的干扰产生畸变,以至于信号所携带的信息存在噪声。为了消除噪声,保证射频的稳定性,通信 系统中需使用滤波器去除噪声干扰,以保证通信正确而有效的进行。

 

滤波器是射频模块中的关键一环。RRU(远端射频模块)由收发信机、功放、滤波 器、电源等子系统构成。射频通信系统在收发系统的每一步调试前后,都需要滤波 器的作用。从物理结构上来看,4G时期的主流方案金属腔体滤波器一般占RRU体积的四分之一左右。

 

 

1.2 5G 对滤波器提出小型化、轻量化要求

 

为满足5G的多样化需求,3GPP提出重构方案,引入CU-DU-AAU架构。以往4G接入网主要由BBU(基带处理单元)、RRU(射频拉远单元)、馈线、天线组成。而 5G的接入网将引入CU-DU-AAU构架,其中:

 

CU是中央单元,负责处理高层协议功能并集中管理多个DU,由原BBU中的非实时部分分割出来;

 

DU是分布式接入单元,负责完成基带处理功能,由原BBU的剩余功能分割出来。

 

AAU是有源天线单元,负责射频处理功能与天线收发空间波的功能,由原RRU上移与天线合设组成。

 

 

同时,大规模天线阵列技术(Massive MIMO)是5G的关键技术之一。4G时期TDD 网络天线通道数为2/4/8个,而Massive MIMO技术下的通道数将达到64/128/256 个。为实现提高系统频谱效率、保证高频频段的有效传播、提高信号可靠性等目 标,Massive MIMO成为了5G的关键技术之一。Massive MIMO可以提供丰富的空 间自由度,实现空分多址,提升小区峰值吞吐率、降低周边干扰等。

 

 

AAU、Massive MIMO两个技术同时对滤波器提出了小型化、轻量化的性能要求。

 

一方面,Massive MIMO AAU技术将带来天线阵面成指数级增加,且RRU上移 至天面(4G RRU一般重20-30kg,最轻的为10kg),导致了基站天面承载数 量与重量的增加,对滤波器提出了减轻重量的要求;

 

另一方面,Massive MIMO带来通道数激增,原先的2/4/8通道将扩展为 64/128/256通道,所需滤波器单元相应增加,对滤波器提出了减小体积的要求。

 

 

1.3 未来介质滤波器将成主流,中短期内腔体与介质共存

 

 

5G时代,滤波器将向小型化、轻量化发展。由于5G时代,Massive MIMO AAU技术将成为天线射频的主要方案,铁塔的天面资源将变得稀缺。考虑到铁塔迎风面积、载重的限制,射频器件将向小型化轻量化发展。作为射频重要器件的滤波器, 同时也将向小型化、轻量化发展。

 

 

腔体滤波器,正在进一步探索极限化小型腔体设计。腔体滤波器的一大特点是易实 现,主要通过金属切割或冲压完成,工艺较为成熟。因此若腔体设计满足使用需 求,工艺制造方面则较容易实现。为满足5G对于滤波器小型化、集成化的要求, 腔体滤波器将进一步向小型化腔体设计发展,成为中短期内的补充方案。

 

介质滤波器有望成为市场主流方案。由于介质滤波器具有体积小、Q值大、插损 低、稳定性好、承受功率高的特点。为满足阵列天线的要求,5G滤波器的尺寸要 求在50*30*30mm以下,介质滤波器有望在5G时代成为市场主流方案。此外,由于 介质滤波器以陶瓷粉体为原材料,将使得介质滤波器的成本与售价相比传统腔体滤 波器更低。

 

我们认为:中短期来看,腔体滤波器与介质滤波器将共同存在;长期来看,陶瓷介 质滤波器会成为主流方案。由于介质滤波器工艺尚不完全成熟,仅有少数企业能够提供经过主设备厂商认证的介质滤波器。因此,中短期看,小型化腔体滤波器仍然 会占据一定市场,形成腔体与介质滤波器共存的情形;但长期来看,由于介质滤波器在5G领域的应用拥有绝对优势(尺寸小、重量轻,Q值大等),将成为主流方案。

 

二、新技术引领行业变革,市场空间有望倍增

 

2.1 市场空间:宏基站端滤波器行业市场空间有望倍增

 

 

5G时期,滤波器需求量将随着Massive MIMO的应用而大幅增加。4G时期,主流 的宏基站天线方案为8T8R的8通道方案;进入5G时期,主流的宏基站天线方案或 将为单面天线集成64通道的Massive MIMO方案,而且部分场景下可能使用更大规 模的天线阵列。

 

经过我们的测算:5G时期滤波器在国内基站端的市场空间有望达到445亿,相比于 4G时期的弹性将达2.5倍。测算的假设与推断:

 

根据5G采用频率与组网方式,我们认为5G宏基站数量将为4G时期的1.3-1.5 倍,假设5G基站建设节奏与4G时期类似,则5G宏基站建设将在2025年基本完 成,届时总基站数量将达500万站;

 

每个基站设立3个天线扇面:主流天线方案为64通道,若后续采用更大规模天线阵列,则实际市场空间将比 测算值更大;

 

根据5G频谱划分,中国移动主力频段为2.6GHz、中国联通与电信主力频段为 3.5GHz。参考4G时期的基站数量比例,移动与联通+电信的基站比例约为 1:1。

 

长期来看介质滤波器是主流方案,当前2.6GHz介质滤波器单价为100元, 3.5GHz介质滤波器为70元。参考4G时期滤波器厂商毛利率下降的趋势,两类 滤波器价格按照一定速度下降。

 

 

 

2.2 景气周期:行业壁垒升高,景气周期将至少维持 2 年以上

 

 

2.2.1 4G 复盘:滤波器行业的景气周期为建设启动后的 2 年左右

 

 

4G时期,滤波器企业的景气周期体现为建设启动后的前2年。4G时期,TD-LTE的 正式牌照放时间为2013年12月,但考虑到4G时期运营商的预商用建设规模较大 (5G工信部已明确表态限制预商用建设规模),可以认为2013年初运营商已经开 始了规模化建设。从大富科技、武汉凡谷的收入、利润、毛利率各方面可以看出, 滤波器企业的景气周期为建设启动后的前2年。

 

4G景气周期后,迫于市场竞争、产品降价压力,毛利率有加速下滑趋势。经过2年 的景气周期后,由于基站建设增速放缓,市场空间增速下降,叠加产品降价压力, 滤波器厂商的毛利率呈现加速下滑趋势,最终导致利润的下滑。

 

 

 

2.2.2 5G 前瞻:行业壁垒高企,竞争环境改善,景气周期有望拉长

 

一个典型的纯陶瓷介质滤波器的生产工艺包含陶瓷粉体造粒、压制成型、保温烧 结、印制银层、开设耦合窗口陶瓷谐振器、表面贴装、涂覆银层、再烧结、调制、 测试与包装等步骤。

 

 

与腔体滤波器相比,5G主流采用的介质滤波器技术难度更高,其难点主要在于陶 瓷粉体材料的配方、制备与大规模自动化调试技术。

 

陶瓷粉体决定了介质滤波器的性能,粉体的配方与制备的难度较高。介质滤波器原 材料是陶瓷粉体,需要由多种化学原料按照科学的比例进行合成,陶瓷粉体决定了 介质滤波器的最终性能,只有拥有好的材料配方才能获得在一定使用条件下的高Q 值介质陶瓷。除了配方以外,粉体材料加工过程也具有复杂性,例如以碳酸钡为原 料的水热法包括溶解、钛酰化、干燥、水热、再次干燥等过程,酸碱控制不合理、 生成杂质等都将损害粉体质量。

 

大规模调试技术是滤波器生产的重点,或将成为制约介质滤波器供应商产能的关键。不论何种滤波器,调试向来是滤波器生产工艺中的重点。与腔体滤波器相比,陶瓷介质滤波器的调试更为困难:

 

一方面,陶瓷介质滤波器的调试是对陶瓷谐振体进行调试,与腔体滤波器调试 需调谐螺钉不同,陶瓷介质滤波器的调试中某些环节存在不可逆操作。若完全 采用手工调试,则很难保证一次调试成功,从而影响生产节奏。

 

另一方面,为了保证陶瓷介质滤波器的大规模产能,需要进行大规模调试,则 需要自动化调试设备,当前只有少部分厂家拥有陶瓷介质滤波器的自动化调试 设备与技术。

 

最后,自动化调试设备的核心算法目前并不完善,仍需进一步研究。

 

 

我们认为:5G时期滤波器行业的景气周期有望拉长,将至少维持2年以上。假设 2019年底发放牌照,规模化建设正式启动,则景气周期将至少维持至2021年底。 同时,相关企业的盈利能力也将得到提高。

 

由于陶瓷粉体配方与制备难度大,将导致行业壁垒升高;由于介质滤波器大规 模调试的要求更高,将一定程度上限制行业产能的过度释放。进而导致行业竞 争环境与4G时期相比得到明显改善,景气周期拉长。

 

同时,虽然原材料价格下降,使得介质滤波器的单价与腔体滤波器相比明显下 降。但在生产工艺难度加大,生产技术含量更高,竞争环境明显改善等预期 下,介质滤波器厂商的盈利能力有望提高。

 

2.3 行业格局:掌握微波陶瓷生产和调试技术的国产企业更具竞争力

 

 

2.3.1 5G 时期国产企业的全球竞争力将快速提升

 

 

全球优秀的介质滤波器供应商主要有日本的村田、京瓷,以及美国的CTS、康普。 在介质滤波器领域,由于美国公司产品价格相对较高,此前国内主设备商在滤波器 领域的海外供应商主要为日本的村田、京瓷。

 

 

5G时期,中国企业的全球竞争力将快速提升,提升国产品牌国内占有率的同时, 有望走出国门。4G时期,国内企业与海外公司相比尚存在差距,部分市场空间被 日企村田、京瓷占据。但从近年的情况来看,从技术方面,国内企业与海外公司的 差距快速缩小,已经形成赶超之势;从价格方面,国产企业由于在成本端具有优 势,价格与海外企业相比具有明显的优势。预计5G时期国产品牌的市场占有率将 得到大幅提升。此外,随着中国在5G技术方面贡献度的大幅提升,中国主设备企 业有望走出国门,相应的上游配套行业(如滤波器等)也有望享受主设备商海外市 场占有率提升的红利。

 

2.3.2 陶瓷粉体受重视,多数企业布局全产业链

 

介质滤波器的产业链主要分为陶瓷粉体、介质谐振器、介质滤波器、主设备商四个 环节。其中:陶瓷粉体是工艺难点所在,粉体配方与制备决定了介质滤波器的最终 性能,一般来说,滤波器厂商所用陶瓷粉体材料需要得到主设备商的认证与许可; 介质谐振器,介质谐振器的谐振频率、温漂、损耗参数直接决定介质滤波器的质量 和工作性能;介质滤波器,多个模式相同的介质谐振器贴装为介质滤波器,最终供 应给主设备商。

 

 

当前多数企业布局介质滤波器产业链多个环节,原材料陶瓷粉体决定了产品的性能,受到企业的高度重视。原材料陶瓷粉体的配方和烧结是工艺难点,也是整个产业链高附加值环节之一,多数公司希望在该领域具备自主知识产权,以提升产品供 应实力。

 

在介质滤波器的产业链中,灿勤科技、艾福电子(东山精密子公司)、顺络电子、 国华新材(风华高科子公司)、大富科技、武汉凡谷等公司进行了全产业链布局, 且多数企业参与了多个环节。各个环节参与者具体如下:

 

陶瓷粉体:国华新材(风华高科子公司)、灿勤科技、艾福电子(东山精密子 公司)、顺络电子、大富科技、武汉凡谷。

 

介质谐振器:灿勤科技、艾福电子(东山精密子公司)、顺络电子、国华新材 (风华高科子公司)、大富科技、武汉凡谷、波发特(世嘉科技子公司)、国人通信。

 

介质滤波器:灿勤科技、艾福电子(东山精密子公司)、顺络电子、国华新材 (风华高科子公司)、大富科技、武汉凡谷等。上述企业研发制造进度不尽相 同,并且预计未来还会有更多企业加入介质滤波器的生产阵营。

 

 

掌握微波陶瓷技术的企业成为滤波器行业新进入者。由于微波陶瓷技术(包括陶瓷 材料配制、烧结等)是介质滤波器核心技术之一,由此也为掌握微波陶瓷技术的企业带来了进入介质滤波器市场的机会。

 

这类企业中,有国华新材、灿勤科技、艾福电子、顺络电子。其中,国华新材是基 于原材料陶瓷粉体技术,逐步向下游扩展,最终进入介质滤波器领域并形成全产业链覆盖;灿勤科技与艾福电子,则是由提供介质谐振器开始,逐步进行技术扩展, 最终进入介质滤波器领域;顺络电子是基于片式电子元件研发的经验,进行了 LTCC(低温共烧陶瓷)微波器件的技术积累,产品包括天线与滤波器。这些公司由陶瓷产品逐步切入无线和滤波器领域的路径,与海外公司村田、京瓷类似。

 

为了顺应变化,4G时代的主流滤波器供应商大富科技、武汉凡谷等此前也进行了 布局。4G时代的滤波器供应商大富科技、武汉凡谷等公司,面对5G对小型化、高 Q值滤波器的需求,也在此前进行了相关产业的布局。大富科技,自2011年起建立 了介质材料博士后工作站,拥有具备介质材料研发、配方工艺、介质射频产品整体 设计能力和相关技术;武汉凡谷,2013年成立陶瓷材料公司,致力于微波陶瓷材料、微波陶瓷介质谐振器、微波陶瓷介质滤波器的研制。