2019-2020年5G天线行业专题报告
导语
国内天线厂商除了在全球天线市场享有一定份额的立讯精密、信维通信、硕贝德以外，还有电连技术、合力泰、瑞声科技等公司。
来源：川财证券
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。
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。
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。
3、5G 时代，天线迎双频段市场
5G 具备三大应用场景：增强移动宽带(eMBB)、海量物联网业务(mMTC)、超高可靠性与超低时延业务(uRLLC)。5G 技术在数据传输速率、移动性、传输时延及终端连接数量等具备优势，将进一步推动万物互联。其 8 个技术指标相比 4G 有所跃升。据德勤研究数据预测，2020-2035 年全球 5G 产业链投资将达到 3.5 万亿美元，中国占比约 30%，达 1.05 万亿美元。全球行业受5G 驱动将创造超 12 万亿美元的销售额，涵盖制造、信息通信、批发零售、基础设施等多个行业。
5G 核心技术主要包括增加基站密度、采用 MIMO 技术与载波聚合技术、提高频段、高阶调制提高频谱效率等。其技术变化围绕香农定理展开，
其中，C 为最大信息传送速率，BW 为信道宽度，S 为信道内所传信号的平均功率，N 为信道内部的高斯噪声功率，S/(N+1)为信噪比，m 为传输和接收天线的数量，1/n 为基站网络密度。
为了改善数据传输效果，可分别在以下技术改进：1）降低 n 值：提高网络密度，增加小型基站数量，减少每个基站的用户数量；2）增加 M 值：利用 MIMO 技术，提高 MIMO 阶数，增加天线发射与接收数量；3）增加 BW 值：拓宽信道宽度，可以采取增加频段与载波聚合的方式；4）提高信噪比：采用高阶调制提高频谱效率。5G 技术的变化促使基站天线与终端天线使用数量增加。
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。
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。根据射频器件公司Skyworks 预测，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。
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。
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。据 Yole Development 统计预测，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。
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。根据 Bcc research 的预测，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；而根据 Yole Development 的预测，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。
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（Radio Access Network，RAN）的体系架构需要进行改进。4G LTE 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。
2020 年 5G 建设加速，“新基建”的提出将 5G 基础建设推向高峰。根据 Gartner 预测，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。
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。
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， 64T64R AAU 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 基站数量相比 4G 有望增长，预计为 4G 的 1.2-1.3 倍。根据工信部最新发布的《2019 年通信业统计公报》显示，截至 2019 年底，4G 基站数达到544 万站，占基站总数的 64.7%；我国 5G 基站数超 13 万站，预计 2020 年我国 5G 基站建设数量在 70 万站左右。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。
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