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从5G技术看手机元器件升级的刚性需求

半导体行业观察 ·2020-01-30 10:40·半导体行业观察
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来源:内容来自「东莞证券 」,谢谢。


全球智能机出货量受阻,中国区未能幸免。 2019 年前三季度,全球智能手机出货量为 1002.3 万台,同比下降 2.64%。 受益于三星、华为、苹果三大手机巨头出货量提升,2019 年 Q3,全球智能手机出货量为 358.3 百万台,同比下降增长 0.76%,结束了自 2017 年 第三季度以来,连续七个季度全球智能手机出货量的同比下滑。 从销售区域上看,中国 作为全球重要的智能手机市场,占全球手机出货量超过 30%。 全球智能手机出货量受阻, 中国市场的也未能幸免。 2019 年前三季度,中国智能手机 2.75 亿台,同比下降 4.22%; Q3 我国智能机出货量为 0.97 亿台,同比下降 4.08%。


智能机出货受阻事出有因。 一方面,智能手机的市场占有率较高。 2018 年,我国移动电 话电话额的普及率达到 112.2 部百人,智能手机作为移动电话的其中一部分,智能手机 市场占有率自 2015 年 12 月起,已经达到 90%以上,并一直维持到当前。 目前我国智能 手机市场占有率维持在 95%,处于高位。 另一方面,时至今日,智能机创新缺乏“杀手 级”创新。 2009 年-2013 年,通信技术正值从 2G 时代迈入 3G 时代,同时,从手机技术发展的角度看,以诺基亚 Symbian 系统作先行,iphone 和三星后来居上,手机也从功 能机时代转入智能机时代。 2013-2016 年,该阶段是 3G 转入 4G 时代的高速期。 同时, 在智能机功能雏形建设完成后,智能机为在配置上加速突破,例如屏幕从 3.5 英寸升级 到 6 英寸;内存配置从 4GB/64GB,迈向 6GB/128GB;手机出现多种处理器,Apple A 系列, 高通骁龙系列,麒麟系列,三星 Exynos 系列,手机性能不断提升乃至目前出现性能过 剩的情况; 手机系统 Android 和 ios 不断优化,卡顿逐渐消失,应用与功能丰富多彩,用户体验感大幅提升。 但是,进入 2017 年后,手机创新出现乏力情况。 该阶段期间出 现如小米 MIX 系列的高屏占比,华为 P 系列的多摄像头,iphone 的 3D 结构结构光、三 星出众的 Amoled 屏幕等不同方向的创新。 但是,当仔细分析后,我们发现在自 2017 年后,智能机并没有出现类似 2G 到 3G 到 4G 等通信技术的革命创新,也没有出现从功能 机转向智能机一样的质的转别。 因此,智能机市场占有率较高的情况,智能机质量提升 但缺乏革命性技术的变化的情况下,全球智能机的出货量出现下降可以说是事出有因, 情理之中。


1.1 全球先行,回顾韩国 5G 快速推广

韩国率先实现 5G 商用。 韩国三大电信运营商于 2019 年 4 月份提供商用 5G 服务,成为 全球首个实现 5G 商用的国家。 2019 年 4 月底,韩国 5G 用户数约为 27 万,截至 6 月增 至 130 万,到 8 月用户数增至 280 万。 截止 2019 年第三季度,韩国 5G 用户为 318 万人, 占韩国移动通信总人数的 5.41%,5G 用户数渗透率自商用开始,稳步上升。 截止 2019 年第三季度,韩国 5G 用户数占全球 5G 总用户数的 63%,海外数据机构统计,2019 年底,韩国 5G 用户人数将达到 480 万以上,继续领跑全球 5G 用户第一。


韩国作为全球率先实现 5G 商用的国家,其稳步提升的 5G 用户渗透率是多方因素的合力结果,而这正是值得我们去分析的地方。

韩国政府重视 5G 建设,运营商积极配合。 韩国在 2013 年开启 5G 产业研发,积极制定 相关的长远规划,设立研发机构、增加研发投入等。 同时,为了鼓励迅速建成全国性的 5G 网络,韩国政府宣布将把网络建设的税费降低 3%。 韩国政府宣布将在 2022 年之前投 资 30 万亿韩元(约人民币 1787 亿元),以建立一个覆盖全国的 5G 通信网络。 由于韩国的国土面积较小,人口主要集中在如首尔、釜山等发达城市,5G 基站建设上难度相对不 大。 截止 2019 年 9 月 9 日,韩国三大运营商已经建成 5G 基站超过 9 万个。 韩国的建设 速度可以通过欧洲的进程进行比较。 欧洲作为 3G 时代引领者,目前只有德国拿出了 5G 网络建设规划,而德国的 5G 计划也只是在未来三年时间内,建设超过 4 万个 5G 基站。 因此,欧洲是相对韩国较为落后。

韩国拥有优秀的 5G 设备供应商与终端供应商。 三星是全球优秀的通信技术供应商。 在10 年前 4G 都没有正式商用的时候,三星已经在韩国本部开启了 5G 网络的研发工作。 4G 时代,三星基站的市场份额只有 12%。 5G 时代,由于华为和中兴受到了一定程度的阻碍, 三星凭借多年的积累,拿下了美国市场。 目前三星基站的市场份额达到 38%。 5G 终端设 备方面,三星在韩国市场已经拿到 80%的市场份额。


韩国运营商推出资费终端双重优惠,刺激 5G 终端与服务消费。 目前韩国的套餐资费整体略高于 4G,但是平均每 GB 资费大幅低于 4G,同时,三大运营商资费套餐持续延 3G、4G 时代的体系,设置不同档次的资费套餐以适应不同程度的消费者。 根据华为数据显示,韩国 5G 套餐每 GB 资费比 4G 下降 3~10 倍,其中 Slim 档为 4G 的 1/3,Standard 档为 4G 的 1/10,Prime 档为 4G 的 1/5。 另外,韩国的 5G 套餐价格也很有吸引力,韩国三家移 动运营商的资费中,5G 套餐最低起步价居委 55000 韩元(约合人民币 325 元),而韩国 2018 年人均可支配收入为 3.1 万美元(约合 22 万人民币),因此,韩国的 5G 资费不算 太高。 不同运营商则采取差异化资费优惠策略来吸引用户。 例如,5G 商用前期,SKT 部分套餐在 6 月 31 前购买可不限量至年底,LG U+部分套餐 6 月前购买享 4 倍流量,KT 则推出不限量套餐。 手机终端方面,韩国用户在其合约机到期需更换手机时,会倾向于 选择手机终端补贴力度最大的运营商携号转网。 以 LG 的 V50 ThinQ 5G 手机为例,韩国市场手机为 120 万韩元(约合人民币 6938 元)而运营商部分门店会提供多达 60 万韩元 的折扣(约合人民币 3469 元),并附赠流量及额外补贴,基本属于免费赠送给用户, 除了促销降价之外,运营商还会给 5G 用户附赠流量和额外补贴。 运营商的优惠政策刺 激了 5G 手机的出货量。 以三星为例,根据韩国的相关调查显示,三星手机在 2019 年的 销售份额稳步增长,到第三季度已经占据韩国手机市场的 72%。

结论一: 首先,韩国政府高度重视 5G 的研发与投入,加速了运营商对 5G 网络的建设。 第二,韩国拥有全球优秀的通信技术与设备供应商,保证了 5G 产业链的完整性,为后 期的推广打下了基础。 最后,在 5G 推广初期,运营商推出资费终端双重优惠,降低了 市民使用 5G 的门槛,加速 5G 手机与服务的消费。

1.2 回到当前,看我国 5G 推进因素

我国正式进入 5G 商用阶段。 截至 2019 年 10 月初,在全球范围内有 18 个国的 33 家运 营商已推出 5G 移动网络商用服务。 与此同时,规划 5G 商用的运营商也在持续增加。 截 至 2019 年 10 月初,有 77 家运营商已宣布计划推出 5G 服务。 2018 年 12 月,我国的 5G 频谱划分方案千呼万唤始出来; 2019 年 6 月,工信部正式向我国三大运营商以及中国广 电发布 5G 商用牌照。 2019 年 10 月底,我国三大运营商公布了各自的 5G 资费套餐,预 示着我国正式进入 5G 商用阶段。 我国对于 5G 的建设与推广排在全球前列。


我国运营商和政府共同推进 5G 建设。 2019 年 6 月 6 日,工信部正式向中国电信、中国 移动、中国联通、中国广电发放 5G 商用牌照。 仅过了 5 个月,2019 年 10 月 31 日,三 大运营商即推出了 5G 通信套餐。 除运营商对 5G 网络进行快速反应外,各地政府在 5G 规划上也纷纷出台政策。 无论是运营商,还是地方政府,对于 5G 规划都有一个较为明 确的目标,这将对 5G 的建设起到促进的作用。

华为中兴,引领通信技术产业双雄。 从 2018 年全球基站份额来看,中国设备商华为技 术和中兴通讯所占市场份额已经超过 40%。 华为,全球顶尖的通信技术供应商。 截至 2019年第三季度,公司实现销售收入 6,108 亿人民币,同比增长 24.4%; 净利润率 8.7%。 华 为业务覆盖运营商、企业网、个人用户,从运营商基站设备,到企业级网络布置,再到 个人消费电子产品全面覆盖。 截至 2019 年第三季度,华为和中兴全球分别签订 5G 合同 60 多个,华为 5G Massive MIMO AAU 出货量为 40 多万个。 中兴,我国通信技术的另一 巨头。 中兴通讯拥有通信业界完整的、端到端的产品线和融合解决方案,通过全系列的 无线、有线、业务、终端产品和专业通信服务,灵活满足全球不同运营商和企业网客户的差异化需求以及快速创新的追求。 中兴通讯在 2019 年初也发布了自家的 5G 手机,抢 占市场先机。

品牌集中度明显提升,国产品牌话语权增强。 纵观全球,在经历了山寨机时代的无序发 展和存量时代的行业洗牌后,全球智能手机市场正加速向头部企业集中,行业集中度迅 速提高。 根据 IDC 数据显示,截至 19Q3,全球出货量前五的手机品牌中有三家为国内企 业,前五厂商市场份额合计 72.0%,相比 16Q1 提高 14.3pct。 在智能手机向存量市场演 进过程中,行业内部厂商数量明显减少,中小厂商市场空间将被进一步压缩,而一线大 厂主导的硬件创新成为行业发展的主要助推力。 行业集中度提升伴随着竞争格局的演 变,在智能手机渗透初期,苹果、三星、诺基亚和黑莓等国际品牌在智能手机市场占据绝对主导地位,国内手机企业份额占比较低,且以生产中低端手机为主,市场话语权较 弱。 近年来,以 HOVM 为代表的国产手机厂商进步明显,在激烈的存量竞争中脱颖而出, 市场份额节节攀升,话语权不断增强。


运营商将有望加大 5G 基站建设力度。 5G 基站建设是 5G 网络的基础。 截至 2019 年 10 月 21 日,在拍照发布后 138 天,我国已建成 8.6 万个 5G 基站。 截至 2019 年 11 月 21 日,我国已开通 5G 基站达到 11.3 万个。 在过去的一个月新开通接近 3 万个 5G 基站。 5G 基站是 5G 网络推广的重点。 2019 年,中国移动、中国联通、中国电信三大运营商对 于 5G 基站建设规划为超 5 万座、 5 万座和 4 万座; 三家运营商对 5G 投入预计分别为 240 亿元、80 亿元和 90 亿元,其中中国移动增加了对 5G 的资本开支计划。 因此,预计 2019 年三大运营商 5G 基站建设总数会在 15 万座左右。 对于明年的规划,中国移动董事长杨 杰于 2019 年 6 月在上海举行的“5G+”发布会上表示,中国移动将在 2020 年,将进一 步扩大网络覆盖范围,在全国所有地级以上城市提供 5G 商用服务。 根据 4G 时代基站建设的经验,我们预计中国移动需要的宏基站总数约 44 万座。 由于中国联通与中国电信 会联合组网,导致三大运营商所需 5G 基站总数会有所下降。 基于以上考虑,我们预计 2020 年,三大运营商将合共新建约 66 万座基站,投入有望超过 1300 亿元。

我国 5G 套餐资费价格相对不高。 2019 年 10 月 31 日,三大运营商公布各自的 5G 资费 套餐。 三大运营商资费套餐最低价格相差不大,每月资费是 128 元和 129 元,全国流量是 30GB。 韩国目前的资费套餐最低起步价是 5.5 万韩元(约合人民币 325 元),而且仅 包含 8GB 流量。 美国 15GB 流量的 5GB 套餐为 70 美元(约为人民币 480 元),而且美国 5G 基站不多,信号加强方面或许还需额外支出。 截至 2019 年 Q2,韩国 5G DOU 达到 24GB。 如果中国消费者实现相同流量消费,则购买最低价格的套餐就已经能满足需求。 所以, 中国 5G 套餐资费价格相对不高。 截至 2019 年 11 月 21 日,我国 5G 套餐签约用户已经 有 87 万户。 未来,随着 5G 网络的完善,叠加参考 4G 资费套餐的历史,我国未来 5G 大 规模推广的情况下,存在“提速降费”的可能性。 因此,我国 5G 的用户数将会继续提升。

中国 5G 手机价格实现分层次,适应不同消费群体。 自 2019 年 8 月 5 日国内首款 5G 手机中兴天机 Axon 10 Pro 5G 版正式出售后,截至 2019 年 10 月底,全国共有 20 款 5G 手机上市。 这些 5G 手机覆盖多个价格层。 3000-4000 元级别有如小米 9 Pro 5G 版、vivo iQOO Pro 5G 版等; 4000-6000 元级别有如华为 Mate 30 5G、vivo NEX 3 5G、中兴天 机 Axon 10 Pro 5G 版等。 6000 元以上界别有如华为 Mate 30 Pro 5G,三星 Note10+ 5G 版等。 根据信通院数据显示,截至 2019 年 11 月,我国 5G 手机出货量为 835.5 万部, 11 月份单月 5G 手机出货量为 507.4 万部,环比上升超过 103.45%。 我国由于 2019 年是5G 的商用元年,多种技术尚处于探索阶段。 2020 年,5G 相关技术相对成熟进步,生产 成本将会下降,届时 5G 手机价格有望进一步下降,实现 5G 手机普及化。


售价最低下探至 2000 元,未来有望继续向中低端渗透。 我们对市场已发布 5G 机型进行梳理,除了华为 Mate X 和小米 Mix Alpha 等小批量机型外,国内 5G 手机首发价格大多 介于 3000-8000 元之间,相比同配置的 4G 版本贵 500-1000 元,低于此前普遍预期的万 元水平。 12 月 10 日,小米集团旗下 Redmi 发布 5G 双模手机 K30 5G,其中 6GB+64GB 版本售价低至 1999 元,价格下沉速度快于市场预期。 除 Redmi K30 5G 外,目前各家厂商 所发布的 5G 的手机以旗舰机为主,明年有望向中低端渗透。 据中国移动预计,明年一 季度 5G 新机仍以旗舰机型为主,到了明年 6 月至 7 月,2000 元价位 5G 手机将集中推出, 而到四季度,5G 手机售价将下探至 1000 元至 1500 元。

结论二: 从时间上看,我国 5G 商用推进速度排在世界前列。 从政府推动情况来看,我国多个地区已经发布 5G 网络基站建设规划,目前正有条不紊地开展建设工程。 从运营 商方面看,2019 年是 5G 网络的建设元年,2019 年运营商有望投入更大规模的 5G 网络建设资本开支; 并且目前运营商的 5G 套餐资费相对其他国家并不算太高,未来有进一 步下降的可能性。 从产业角度看,中国有华为、中兴等优秀的通信技术供应商,为 5G 产业铺开奠定产业基础。 从终端角度看,目前已经有多款 5G 手机上市销售,涉及多个 价格区间,覆盖不同的消费人群,5G 手机销量稳步攀升。 未来随着 5G 的铺开,5G 手机 的出货量有望迎来爆发。

1.3 中韩对比,看未来 5G 手机需求攀升

中国与韩国的情况进行比较后,我们发现两国在 5G 建设上都有相似之处: (1)两国目前都进入了 5G 的商用阶段。 (2)在未来几年,两国政府或者运营商都在 5G 的网络建 设方面有较大的资本投入。 (3)两国在通信技术产业都有全球领先的企业。 (4)两国 运营商推出的 5G 套餐资费都相对不算高昂以推动 5G 网络的使用。 (5)两国都存在覆 盖多个层次消费者的 5G 智能手机以刺激 5G 的使用与消费。

目前,韩国在政府,运营商、产业等多方合力下,成为全球 5G 网络商用最早,覆盖程 度最高的国家。 我国虽然实现 5G 商用相对韩国较迟,但是仍然处于全球领先集团。 我 们认为,随着明年运营商 5G 网络资本开支的投入的加大,在我国各地政府的大力推动 下,明年我国的 5G 基站总数将会达到 80 万座,5G 网络覆盖面将大大增加,5G 网络的 极速体验将会催化我国消费者对 5G 手机的需求量增加。 结合 5G 基站建设区域,人口密 度,覆盖范围等因素,我们预计 2020 年,中国 5G 手机需求量约为 1 亿部。 事实上 5G 手机的需求增加不仅发生在中韩。 在领先集团的带领下,全球 5G 网络建设将会逐渐铺 开,已经开始建设 5G 网络的地区都将会增加 5G 手机的需求,5G 手机将带动智能手机市 场回暖。 根据 IDC 预测, 2020 年全球将出货 1.9 亿部 5G 智能手机,占智能手机总出货 量的 14%。 美国高通则预计 2021 年全球 5G 智能手机出货量将达 4.5 亿部,2022 年出 货量则将进一步增长至 7.5 亿部。



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抽丝剥茧,5G 特性唤醒换机潮


2.1 R15 标准冻结,eMBB 获得支持

技术标准冻结支持 5G 高速率网络。 国际电信联盟 ITU 则将 5G 的三个主要应用场景定义为: 增强移动宽带(eMBB)、海量机器类通信(mMTC)和超高可靠低延时通信(uRLLC)。 eMBB(增强型移动带宽),指在现有移动宽带业务场景的基础上,对于用户体验等性能 的进一步提升,主要还是追求人与人之间极致的通信体验。 2018 年 6 月,3GPP 已经完 成 R15 标准的冻结。 R15 标准主要支持 eMBB,部分支持部分支持 uRLLC,不支持 mMTC 。 2020 年 3 月,3GPP 将有望冻结 R16 标准。 届时,eMBB 与 uRLLC 将实现完全支持,mMTC 将获得支持。 根据目前的技术标准冻结情况,5G 的高速网络已经基于 R15 技术标准得以 实现。 据韩国媒体报道,5G 速率约为 700Mbps,相比之下,首尔街头的 4G 网络速率为 30Mbps~50Mbps。 我国部分民间测评 5G 下载速度达到 425Mbps。 随着 5G 基站的建设的完 善,基于 eMBB,用户将可以获得 Gbps 级的用户体验速率。


2.2 从香农定理看 5G 关键技术

场景实现需要技术支持。 香农定理 C=B*Log2*(1+S/N),其中 C 为信道容量,B 是带宽, S 是平均信号功率,N 是平均噪声功率,S/N 即为平时说的信噪比。 根据香农定理,在频谱资源(W)有限的情况下,发射功率与噪声功率的比值受限于多个因素无法提升的情 况下,其实信道容量是具有一定的极限值的。 所以为了突破香农定理的极限值,我们就 需要对以上的参数进行突破。

简单地说,可以从四方面入手: 增加天线数、增加基站数、增大带宽、增加信噪比,所 对应的关键技术分别为: 大规模天线阵列、超密集组网、全频谱接入、新型多址技术。

全频谱接入: 目的是增加带宽。 2G-4G 时代无线通信中采用的 300MHz-3GHz 频谱有穿透 性好,覆盖范围大等优点,但是经历了 4G 的通信技术的发展,从全球范围来看,目前 该频段可用资源太少。 因此,为了增加信道容量, 5G 时代就需要用到高频段的频谱资源。

根据 3GPP 的协议划定,5G 网络未来将会主要使用两段频率——FR1 频段和 FR2 频段。 其中 FR1 频段的范围为 450MHz-6GHz,即 Sub 6GHz 频段; FR2 频段则集中于 24.25GHz 至 52.6GHz,即毫米波。 从带宽来看,6GHz 频段以下的 LTE 最大可用带宽仅为 100MHz, 这意味着数据速率最高只能满足 1Gbps 的下行。 但毫米波频段移动应用最大带宽可达 400MHz,传输速率能够达到 10Gbps 以上。 在 5G 时代,毫米波技术可以帮助要实现高速 率、万物互联,低时延三大应用场景。

由于毫米波技术的高频特点,毫米波本身的传播距离相较于低频段更短,而且在传播介 质中的衰减也更大,因此,运营商在使用毫米波技术的后,需要投入更多的成本。 Sub-6GHz 频段相对毫米波建设成本较低,覆盖面积广,可以满足 5G 网络推广初期的网 络能力需求。 因此,中国、韩国、欧盟主要的开发频段的 FR1,美国主要开发 FR2。

大规模天线阵列: 即 Massive MIMO。 根据香农定理,对于单信道而言,频谱资源(W) 有限的情况下,发射功率与噪声功率的比值受限于多个因素无法提升的情况下,其实信 道容量是具有一定的极限值的。 因此,要突破极限值,从空间上入手,采用多天线技术, 表现为 MIMO 技术(Multiple-Input Multiple-Output),即采用指在现有多天线的基 础上进一步增加天线数,来发射或接收更多的信号空间流,以此增加并行传输的用户数 目,数倍提升系统频谱效率。 通信时的天线数量越多,频谱效率和可靠性提升越明显。 当发射天线和接收天线数量较大时,MIMO 信道容量将随收发天线数中的最小值近似线性 增长。 因此,就产生 Massive MIMO。 采用大数量的天线,为大幅度提高系统的容量提供 了一个有效的途径。

超密集组网: 短波长电波绕射能力差,传输过程中信号损失较多,需要通过多建基站来提升频谱利用效率。 可以增加基站部署密度,来实现频率复用效率的巨大提升,在局部 热点区域建立大量宏基站和微基站,容量提升可达百倍量级;

新型多址技术: 目的是增加信噪比。 该技术通过叠加传输发送信号提升系统的接入能力, 在许多用户同时通话时,以不同的移动信道进行分隔,有效防止了不同信道之间的相互 干扰。

通过对以上四项关键技术进行分析,我们发现,全频谱接入以及大规模天线整列将会对 5G 手机的构成产生较大影响。 原因在于: 全频谱接入意味着需要增加频谱资源增加频谱 资源将会都射频芯片设计与结构产生影响; 大规模天线阵列,实际上是一种工作模式,基站天线结构的改变也会影响手机天线的设计。

2.3 5G 网络需要属于自身的频谱

5G 网络需要相应的频段资源。 每一代的通信网络的技术都会产生相应的频段资源。 3G 时代相应的频段是: TDD\(TD-SCDMA)1880MHz-1900MHz 和 2010MHz-2025MHz; 4G 时代相应的频段是: 1880-1900MHz、2320-2370MHz、2575-2635MHz。 5G 作为新一代通信技术, 在频段上与 4G 时代有所区别。 例如, 4G LTE 的 B42 (3.4-3.6 GHz) 和 B43 (3.6-3.8 GHz) 合并为 5G NR 的 n78(3.4-3.8 GHz),且 n77 还进一步将其扩展到 3.3-4.2GHz。 出现 这种情况的原因有两方面: (1)需要更大的带宽(2)目前全球 5G 计划商用的大部分 国家都确定在 3.4GHz-3.8GHz 频段建设,部分国家,如日本在 3.8GHZ-4.2GHz 有计划但 是还没有确定,所以 n77 也将其纳入。 采用这种频段的定义方式,形成了少数几个全球 统一频段,可以降低 5G 手机支持全球漫游的复杂程度。 目前,全球最先部署的 5G 频段 为 n41、n77(n78)、n79、n257、n258、n260。

2.4 起于 NSA,目标 SA,双模并存

未来 5G 手机将以支持双模为主。 目前,5G 有两种网络部署模式,分别是 NSA 与 SA。 NSA 为非独立组网,SA 是独立组网。 NSA 指 5G 与 4G 融合组网,在利用现有的 4G 设备基础 上,进行 5G 网络的部署,即同时使用 4G 核心网、4G 无线网及 5G 无线网; SA 即新建 5G 网络,包括核心网、射频无线网等都要重构,这就意味着 SA 网络成熟尚需时日。 在 NSA 组网方式下,运营商会采用 4G/5G 共用核心网的方式以节省网络投资,但缺点是无法支 持低延时等 5G 新特性。 然而,目前 SA 组网方式技术相对不成熟,并且成本较高,所以 实现 SA 组网方式尚需时日,但是要实现 5G 三大应用场景,SA 是较好的方案。 2019 年 5G 基站主要以 NSA 方式铺设,2020 年才开始 SA 5G 网络的建设才会全面开始。 NSA 与 SA 将会在一段较长的时间内并存。 从目前 5G 手机销售的情况看,韩国目前以 NSA 的方 式进行 5G 网络建设。 因此,仅支持单模 NSA 的 5G 手机在只有 SA 5G 组网的地方是无法 连接 5G 网络,因此,未来 5G 手机将会支持双模,即同时支持 NSA 和 SA 组网。


总结: 5G 有三大应用场景,分别是增强移动宽带(eMBB)、海量机器类通信(mMTC)和 超高可靠低延时通信(uRLLC)。 目前 R15 标准已经冻结,eMBB 已经可以实现,后期随 着 R16 标准冻结,5G 的应用场景将会更加完善。 支持 5G 网络应用的三大场景的是其关 键技术,包括全频谱接入、大规模天线阵列、超密集组网、新型多址技术等。 由于 5G 是新一代通信技术,单位时间内需要传输更多的信息,因此, 5G 网络需要有更大的带宽。 更大的带宽催生了更多的高频谱资源,所以 5G 新增了多个频段。 此外,由于目前的技 术相对不够完善,因此 5G 网络建设方面采用 NSA 的模式,以节省网络建设投资成本, 但是未来为实现 5G 三大应用场景,SA 将会成为 5G 网络的建设目标。 事实上,从技术, 频段资源、组网模式三个方面,5G 都表现其独特性。 这些独特性都将要求手机在其功 能上以及相应的器件组成上跟随变化。 这些独特性与变化造就了 5G 技术带动的智能手 机换机潮。



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带升 级成换机潮的核心因素


基带芯片是指用来合成即将发射的基带信号,或对接收到的基带信号进行解码的芯片。 具 体地说,就是发射时,把语音或其他数据信号编码成用来发射的基带码; 接收时,把收 到的基带码解码为语音或其他数据信号,它主要完成通信终端的信息处理功能。 基带芯 片主要处理2G/3G/4G/5G等多种通信协议,对基带信号进行调制或解调。 基目前有两种 形式的基带芯片: 一种是和AP集成在Soc中,代表厂商有高通、华为、三星等; 另一种 是独立基带芯片,代表厂商有高通和Intel等。

4G时代初期,应用处理器与基带芯片是分离的。 这种外挂方式在当时出现不协调的情况, 导致手机信号不稳定时有发生。 高通率先实现将应用处理器与基带芯片放在一起设计, 实现了处理器与基带芯片的集成化。 随后,海思麒麟,三星、联发科也随之实现了应用 处理器与基带芯片的集成化。 可以说,安卓阵营在4G时代都采用的是SOC的方案。 苹果 作为智能终端设备的生产商,虽然能设计出性能优秀的A系列处理器,但是在通信领域 技术积累有限,只能采用高通外挂基带的方案。

多个厂商推出SOC方案。 智能手机经过数年的发展,从大屏时代走向全面屏时代,手机 功能日益完善,手机内部净空间也受到了压缩。 5G时代,在手机内部净空间受到进一步 压缩的情况下,若采用基带外挂的方案,手机内部设计难度将会提升。 同时,基带外挂 分离,相关的电路与电源芯片也要增加,手机内部功耗增加。 基于以上两大因素,目前 多个芯片制造商推出了自家的5G soc 芯片。 2019年年初,华为海思推出了巴龙5000 5G 基带芯片。 巴龙5000 支持SA/NSA 两种组网模式,支持2G/3G/4G/5G频段; sub 6G上传 速度啊达到2.5Gbps,下载速度达到4.6Gbps,在毫米波频段峰值达到6.5Gbps。 2019年9月 6日,华为推出全球首款旗舰5G SoC芯片,采用7nm 工艺制程,理论分支上行速率达1.25 Gbps,理论下载峰值达到2.3Gbps。 在华为推出自家的5G SOC 芯片后,MediaTek、高通、 三星相继发布了自家的5G SOC芯片。 目前,华为麒麟系列的5G芯片已经自家华为与荣耀 品牌大量使用; 三星Exynos 980 已经在vivo X30 系列中使用; 高通的 765 G 5G 芯片 已经在 Redmi K30 以及OPPO Reno 3 pro 系列中使用。


外挂方案依然存在。 2019 年初发布了高通 X55 5G 基带芯片。 2019 年 12 月 4 日,高通 在在骁龙技术峰会上除了推出 765 和 765 G 5G SOC 芯片外,还推出了高通骁龙 865 应 用处理器,然而高通骁龙 865 并没有与 X55 5G 基带芯片集成,而是采用外挂的方式。 高通对于在旗舰应用芯片保留基带外挂方案给出了相关的回应:

(1) 在推出能够支持最大带宽、最低时延和最高可靠性的 5G 调制解调器的同时,必 须打造一个能够为充分实现 5G 潜能提供最佳支持的移动平台/处理器。 最佳性 能的 5G 调制解调器和最佳性能的 AP 搭配起来,才能很好地赋能移动终端去支 持全新 5G 服务。

(2) 采用 855 芯片的旗舰机都是用的外挂式调制解调器,这样去掉 X50 基带芯片之 后还可以用于 4G 旗舰机,所以也延续到了 865 芯片的处理。

高通在旗舰级应用处理器上给出 5G 基带外挂的方案,可能是考虑增加自家芯片的市场 份额拓展性问题,无论是基带芯片或者应用处理芯片。 高通方面表示,骁龙 865 芯片仅 支持搭配 X55 基带。 因此,当使用高通系列芯片时,要体验到极致的应用处理性能,就 需要使用到最新的骁龙 865 芯片,当使用的骁龙 865 芯片时就需要拥有 X55 基带芯片。 通过这种销售方式,在 5G 网络推进速度不一的各个地区,高通也能实现抢占市场份额。



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技术迭代,探索 5G 手机天线数量与价值的增量

4.1 三重因素推升 5G 天线数量

4.1.1 MIMO 模式确定 5G 天线数量下限

从技术层面来看,网络传输速度主要取决于网络基站和智能手机等终端设备之间的工作 模式。 根据香农定理,增加信道容量的方法之一是通过在发送端和接收端都使用多根天 线,在收发之间构成多个信道的天线系统,因此,就产生了 MIMO 技术,即多进多出的 工作模式。 在 4G 时代,一般是 2*2 的工作模式,即基站端有 2 发 2 收,即 2T2R,在手 机终端上必须要有 2 根接收天线,其中一路天线兼具发射功能,因此,表现为 1T2R。 在 5G 时代,为提升信道容量,则需要采取 4*4 MIMO 的工作模式,表现为 4T4R。 在基站端 将会有 4 个数据流发射和接收,因此,手机方面也需要有 4 个数据接收。 根据中国移动 的资料显示,NSA 的 NR 模式支持 1T4R,SA 的 NR 模式支持 2T4R。 因此,用于 5G 天线最 少需要 4 根(其中有一根或两根兼具发射功能)。


4.1.2 sub-6GHz 频段推升天线数量

由于 5G 网络要求在单位时间内传输数据较 4G 有较大的提升,根据香农定理,要增加信 道容量的方法之一是增加带宽。 经历了 2G-4G 时代的发展,低频段的频谱资源非常稀缺, 高频段的频谱资源非常充足但尚未开发。 因此,开发高频段的频谱资源作为提升带宽是 一种方法。 目前,根据三大运营商使用的 5G 频段有三个: n41、n77(n78)、n79。 n41 对 应 的 是 2496MHz-2690MHz 、 n77 对 应 的 是 3300MHz-4200MHz 、 n78 对 应 的 是3300MHz-3800MHz、n79 对应的是 4400MHz-5000MHz。 对于手机厂商而言,要实现推广自 家的手机品牌,提升市场份额,仅仅适配其所在地的频段是不够的,还需要适配其他地 区的频段。 以华为 Mate 30 5G 版本为例,除适配我国三大运营商使用的 n41、n77(n78)、n79 频段外,还适配了 n1、n3、n28、n38 四个频段,目前毫米波频段尚未适配。


频段资源可以划分为低频、中频、高频。 5G 手机既要覆盖新的 5G 频段,对于过去 2G-4G 时代的频段资源也要覆盖。 由于 5G 与过去 2G-4G 时代部分频段资源相似,因此部分 5G 频段的天线可以用于 2G-4G 的频段的收发。 以 Mate 30 5G 手机为例,n1、n3、n38、n41 所处频段范围与3G、 4G的频段资源相似,所以可以共用天线。 n28所处频段为703 MHz-748 MHz 属于低频段,所以与 LTE 低频共用天线。 目前,华为 Mate 30 5G 手机采用 21 根天 线,其中用于 NFC 1 根,GPS(GNSS)2 根,WiFi 4 根,剩下的 14 天线是 5G 与 2G-4G 频段配合共用。 按照以上测算,Mate 30 5G 手机至少要比华为 P30 pro 多 8 根天线。


4.1.3 毫米波天线阵列挑战上线

毫米波优缺点明显。 毫米波是指波长为 1~10 毫米的电磁波,在频段上表现为 30~300GHz。 毫米波作为 5G 发展的重要技术有以下优点: (1)频谱宽。 4G-LTE 频段最 高频率的载波在 2GHz 上下,频谱带宽只有 100MHz,以 28GHz 对应的频谱带宽为 1GHz, 相当于 4G 时代的 10 倍; (2)可靠性高,毫米波在大气中传播受氧、水气和降雨的吸 收衰减很大,点对点的直通距离很短,超过距离信号就会很微弱,使得毫米波被窃听和干 扰的难度; (3)方向性好; 毫米波的波束很窄,相同天线尺寸要比微波更窄,所以具 有良好的方向性,能分辨相距更近的小目标或更为清晰地观察目标的细节(4)波长极短,所需的天线尺寸很小,易于在较小的空间内集成大规模天线阵。 但是,虽然毫米波 有以上多个优点,但是也同样存在明显的缺点。 第一,毫米波信号衰弱速度快; 第二, 毫米波绕射能力差,容易被楼宇,人体阻隔,反射和折射; 第三,对器件加工的要求较 高。

美国率先研发毫米波并使用。 目前全球 5G 网络建设的领先集团,主要使用的 5G 频段以3.5GHz 为主,主要原因是毫米波技术不成熟,同时毫米波网络布置成本较高,不利于 5G 网络建设的推进。 美国方面由于在 3GHz 或者中高频段附近的频谱资源非常稀缺,所 以需要在毫米波的频段开发 5G 技术。 虽然 3.5GHz 是目前全球主要使用的 5G 频段,但 是考虑到 5G 未来的应用场景,要实现高速率,低时延,海量连接,毫米波将有较大的 使用空间。 因此,5G 网络应用的领先集团都开始涉及毫米波方面的研究。 近期,在 2019 年世界无线电通信大会(WRC-19)上,就 IMT-2020(5G)的附加毫米波频谱划分达成一 致,分别是: 24.25-27.5GHz、37-43.5GHz、45.5-47GHz、47.2-48.2 和 66-71GHz 频段。 频段的划分将促进 5G 进一步的快速发展。

高通发布毫米波天线模块。 2018 年 7 月,高通发布全球首款毫米波天线模块 QTM052。 QTM052 包括集成式 5G 新空口无线电收发器、电源管理 IC、射频前端组件和相控天线阵 列,并可在 26.5-29.5GHz(n257)以及完整的 27.5-28.35GHz(n261)和 37-40GHz(n260) 毫米波频段上支持 800MHz 的带宽。 QTM052 的设计还支持先进的波束成形、波束导向和 波束追踪技术,以显著改善毫米波信号的覆盖范围及可靠性。 QTM052 虽然集成了多个器件,但是整个模块尺寸长度与一美分硬币直径相似,可以减少手机内部占用空间,骁龙 X50 5G 调制解调器最多可以搭配四个 QTM052 毫米波天线模块,因此,一部智能手机可 集成多达 4 个 QTM052 模组,总共允许 16 个总天线。

4.2 工艺提升单位价值量

4.2.1 手机净空区域减少提升天线要求

手机净空区域不断缩减,对天线工艺设计能力提出更高要求。 近年来,智能手机向轻薄 化、高屏占比不断发展,导致手机净空区域不断缩减; 此外,目前手机主芯片集成5G调 制解调器的技术方案尚不成熟,目前市场已有的5G手机,除了华为Mate30系列SoC集成 5G芯片外,其他款式均采用外挂基带方案,如华为麒麟990芯片外挂巴龙5000,高通骁 龙855芯片外挂X50,三星Exynos9820芯片外Exynos5100等,都将基带芯片以外置于SoC 的形式单独出现在主板上。 与内置基带芯片相比,外挂的基带芯片占用了手机内部的黄 金空间,导致手机净空区域进一步缩小。 此外,5G时代手机数据、信号处理能力提升带 来手机使得手机耗电量大幅增加,需要配备更大电池,也影响了零部件占用体积,推动 天线等零部件往小型化、集成化方向发展,对手机天线的制作材料和工艺设计难度提出了更高要求。


4.2.2 工艺革命,催生新型天线

目前,市面上主要有两种手机天线工艺: LDS 天线与 FPC 天线。

LDS 天线即激光直接成型技术(Laser-Direct-structuring),利用计算机按照导电图形 的轨迹控制激光的运动,将激光投照到模塑成型的三维塑料器件上,在几秒钟的时间内, 活化出电路图案。 简单的说(对于手机天线设计与生产),在成型的塑料支架上,利用 激光镭射技术直接在支架上化镀形成金属天线 pattern。 LDS 的优点是可以充分利用立体空间的中的各种不规则的面,缩小天线体积。 然而,LDS 相对传统的 FPC 价格较高。

FPC天线是指以某种材料为基材制成的一种具有高度可靠性的柔性印刷电路板。 FPC天线 根据基材的不同可以分为传统FPC天线、MPI天线、LCP天线。

传统的FPC天线是以聚酰亚胺(PI)为基材。 以FPC工艺制程的天线具备弯折性好、体积 较小和制造成本低等优势。 使用PI基材的天线生产成本较低,但损耗因子和介电常数较 大,且吸湿性较差,传输可靠性较低,尤其高频段传输损耗严重,已无法适应5G时代高 速高频的发展特点。

MPI(Modified PI)天线是指以改进配方的聚酰亚胺作为基材的FPC天线。 MPI是传统PI 软板的改性材料。 在15GHz以下的频率范围内综合性能接近LCP材料; 价格相对LCP材料 便宜。

LCP天线是采用LCP作为基材的FPC电路板,并承载部分天线功能。 LCP即液晶高分子聚合 物,是一种新材料,具备低损耗、高灵活性、良好密封性等优点,在手机领域可以作为 天线和高速连接器。 它具有低介电常数、低介质损耗等特质,更适用于高频信号传输。 LCP基材同时也具备低吸湿性,从而使其具有良好的基板可靠性; 此外LCP软板具备良好 的柔性性能,替代天线传输线可减小约65%的厚度,能进一步提高空间利用率,更好地 适应5G时代。 随着高速高频应用趋势的兴起,LCP有望替代PI成为主流的天线软板工艺。


4.2.3 前期LDS和软板方案并存,后期LCP有望成主流

5G推进初期天线仍旧是LDS和软板方案并存,后期LCP将有望成为主流。 根据5G规划,5G 发展将分为两个阶段,前者是6GHz以下的频段,被统称为Sub6GHz,包括700MHz、2.6GHz、 3.5GHz、4.9GHz;第二种是6GHz以上的频段,其被称为毫米波,整体频率相对4G时代 (1.7GHz-2.7GHz)提升。 在Sub 6G阶段采用MIMO天线,天线数量增加,但天线制式未 发生本质变化,LDS,FPC和金属件等天线加工工艺仍然适用。 华为mate20X 5G版本仍使 用传统的LDS天线,华为Mate30系列天线也采用金属中框+LDS的技术方案; 三星S10 5G 采 用的是LDS天线; iPhone11系列采用LCP与MPI两种材料。 在毫米波阶段,智能终端通信 频率明显提升,毫米波天线通过波束赋形有效提升信号传输距离,LCP天线凭借低介电 常数、低介质损耗、低吸水性和绝佳可挠性等优势,有望在毫米波阶段称为主流。

4.2.4 工艺难度推升单位价值量

LDS天线制造流程短,可以不间断生产,并且无需电路图形模具,故障率低,能够充分 利用支架立体结构来形成天线pattern。 MPI天线是对现有的PI配方进行了改进,LCP天 线是采用了新型的材料。 从工艺难度看,LDS<MPI<LCP,因此,反映在单品价格上看, LCP>MPI>LDS。 目前,LDS天线单体价值量约是传统FPC的5倍,MPI天线单体价值量约是传统FPC的6倍,LCP天线单体价值量约是传统FPC的11倍。 未来随着天线数量的增加, 在手机内部空间有限的情况下,天线设计复杂度提升,天线的价值量也会有提升。

总结: 天线数量方面, 5G的应用场景决定了基站与终端的MIMO模式,4*4MIMO模式决定 了5G手机接收天线的最低数量。 同时,由于5G需要高频谱以提升信道容量,新频谱的增 加推升了5G手机的数量。 此外,未来毫米波将会是5G的重要应用频段,然而毫米波容易 衰减并且易受阻挡,为解决该问题,5G手机在毫米波方面将会采用天线阵列模块放置在 手机的多个位置以解决信号问题。 天线阵列的使用即是对手机内部设计的挑战,也是对 5G手机天线数量的进一步催化。 天线价值量方面,由于手机内部空间进一步压缩,并且 5G时代对信号传递有较高要求,催生了LDS,MPI,LCP等新型工艺天线,新型工艺天线 随着工艺难度提升,单体价格逐步提升。 未来随着天线数量的增加,天线设计难度将会 进一步上升,5G手机单机天线价值量会进一步攀升。



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射频前端各项成分更新换代

5.1 新频段叠加模块化带动射频前端市场再上台阶

信号的接收过程是天线接收到信号然后通过传输线传递到射频前端芯片,射频前端芯片 对特定频率的射频信号进行放大或处理后,信号将会经过收发器到达基带芯片进行分 析。 当信号需要发射时,信号将会沿着接收过程的反方向被发射。 从以上过程可以看出, 射频芯片在手机信号的过程中具有非常重要的作用,承担着信号的筛选、放大、传输的 作用。


根据组件种类的不同,射频前端主要包括功率放大器(PA)、天线开关(Switch)、滤波器 (Filter)、双工器(Duplexer和Diplexer)和低噪声放大器(LNA)等。 其中功率放大器和 低噪放大器都起到放大信号的作用,不同之处在于功率放大器位于发射链路,作用是将 射频信号放大以便信号发射; 而低噪放大器位于接收链路,通过将接收的射频信号放大 以便于后续处理; 天线开关是切换天线工作状态的开关,用于切换信号频段和信号的发射、接收状态; 滤波器的作用是对不同频率的信号进行筛选,允许特定频段的信号通过, 剔除冗余频段的信号,从而保证信号的准确性; 双工器则用于隔离发射信号和接收信号, 它由两组不同频率的带阻滤波器组成,避免本机发射信号传输到接收机。


模块化将成为射频前端的发展趋势。 过去,射频前端器件主要以分立器件为主,全球主 要的射频前端供应商以IDM形式存在。 然而,当前射频前端的技术存在向高集成度发展 的趋势,例如使用SOI技术将LNA和开关器件集成在一块芯片上,而PA也在向标准化工艺 (如标准III-V族工艺甚至CMOS)方向前进。 目前,高端手机的内部也出现射频模组集 成化的情况。 例如, iPhone XS Max的射频模组有8个,iPhone 11 pro Max只有6个。 据麦姆斯咨询介绍,在6 GHz以下频段方面,目前的射频前端领导者,如博通(Broadcom)、 Qorvo、Skyworks、村田(Murata),已经开始适应这些变化。 Broadcom通过将中高频 融合在一起,高通RF360方案,Murata将滤波器、RF开关、匹配电路等一体化的模块; Qorvo RF Fusion解决方案等,这些例子都显示了全球主要的射频前端供应商对射频前 端高度集成化、模块化的看法。

新增频段叠加模块化提升射频前端价值量。 每一代通信技术的发展不是对过去通信技术 的抛弃,而是在开发出新的通信技术同时,需要对旧的通信技术进行兼容,通信技术的 发展主路径是加法,附带部分减法。 因此,5G技术的出现是需要4G/3G/2G网络的兼容。 GSM制式有4个频段选择,WCDMA有8个频段选择,到4G时代,以iphone 6s为例,支持37 频段。 5G时代,sub-6GHz支持频段有8个,毫米波支持3个频段。 当使用5G网络时,考虑 到对4G/3G/2G部分频段进行兼并,预计5G时代频段数量会超过40个。 频段的增加要求射 频前端的功能以及内部器件数量也跟随强化,因此射频前端的价值量也在提升。 2G时代, 手机射频前端价值量为0.9美元,3G时代是3.4美元,4G前期是6.15美元。 4G高端LTE时 代手机做到全网通,因此价值量再次攀升,达到15.3美元。 当我们对目前市场上存在的 高端4G手机进行物料分析时,发现射频模块集成程度越高,射频模组的成本就越高。 例 如iPhone XS Max的射频模组有8个,物料成本是23美元; iPhone 11 pro Max只有6个, 但是价格达到31.5美元。 在5G时代,手机内部剩余空间更少,射频前端模块化集成度将会进一步提高,叠加内部器件数量增加,预计未来5G手机射频前端单机价值量将达到40 美元。

全球射频模组市场份额快速提升。 2017年,全球射频模组市场为150亿美元,其中滤波 器市场最大为80亿美元,占52%; 功率放大器为50亿美元,占38%。 随着5G手机的渗透率 提升,以及5G手机单机射频模组的价值量提升,全球射频模组的市场空间将被快速拉起。 2023年,全球射频模组市场空间达到350亿美元,年复合增长率达到14%。 其中,滤波器 有益于频谱的增加以及工艺的提升,市场空间达到225亿美元,占比64%,年复合增长率 达到19%; 功率放大器市场空间达到70亿美元,占比20%,年复合增长率达到7%; 射频开 关市场空间达到30亿美元,占比9%,年复合增长率为15%。 5G时代,射频模组中新增毫 米波模块,市场空间为4.23亿美元。


5.2 滤波器: 5G 时代要求升级,国产替代存在空间

5.2.1 5G 时代滤波器要求升级

滤波器种类较多,包括多层陶瓷滤波器、单体式陶瓷滤波器、声学滤波器、空腔滤波器 等。 声学滤波器在频带选择、Q值、插入损耗等方面具有明显优势,因此成为智能手机 射频前端的主流滤波器方案。 按照工作原理不同,声学滤波器又可分为声表面滤波器 (SAW)和体声波滤波器(BAW)。 其中SAW利用石英等晶体的压电效应和声特性进行工 作,由压电材料和两个叉指式换能器组成,输入端的IDT将电信号转换成声波并在滤波 器基板表面进行传播,输出端的IDT将接收到的声波转换成电信号输出来实现滤波; BAW 的声波则在基板内部垂直传播,通过振荡形成驻波,基板厚度和电机质量决定共振频率, 从而实现滤波。


SAW体积小,制作成本低,但使用范围受限。 与传统腔体/陶瓷滤波器相比,SAW体积更小,可以制作在晶圆上进行低成本批量生产,在低频段有很好的使用价值。 但是,SAW 在中高频表现一般,当频率高于1GHz时选择性降低,在2.5GHz左右时仅限于中等性能的 应用。 此外,SAW对温度变化较为敏感,温度上升时,声表面波速度降低,基片材料刚度降低,滤波器性能下降。 由于温度性能不佳,加上频率选择具有较高局限性,SAW在 5G时代将面临挑战。

SAW滤波器的改进

1. TC-SAW

对于声表面波器件来说,对温度非常敏感。 在较高温度下,SAW滤波器的性能会下降。 一种替代方法是使用温度补偿(TC-SAW)滤波器,它是在IDT的结构上另涂覆一层在温度升高时刚度会加强的涂层。 温度未补偿SAW器件的频率温度系数(TCF)通常约为-45ppm/℃,而TC-SAW滤波器则降至-15到-25ppm/℃。 目前TC-SAW技术越来越成熟,国外大厂基本都有推出相应产品,在手机射频前端取得不少应用,而国内的工艺仍需要摸索。

2. I.H.P.SAW(高频SAW滤波器)

普通SAW支持的频率在2GHz以下,村田开发出I.H.P.SAW滤波器(Incredible High Performance-SAW)。 村田希望SAW滤波器使用频率能达到4GHz以下,目前量产的频率可达3.5GHz。 I.H.P.SAW可以实现与BAW相同或高于BAW的特性,具备高Q值、低TCF、高散热性的优点。

BAW滤波器在高频段领域具有明显优势,但生产工艺复杂,生产成本较高。 与SAW相比, BAW在频率实用性和温度特性等方面优势明显,能更好地实现高频段的筛选,最大可以 工作到20GHz,功率接近40dBm(10W),且对温度变化不敏感,具备“插入损耗小,带 外衰减大”等优点。 但是,BAW制造流程相比SAW更为复杂,工艺步骤约为SAW的近10倍, 生产制造成本远高于SAW。 出于成本因素考量,目前大多数智能手机仍采用SAW方案,未 来随着5G手机不断渗透,BAW滤波器凭借在高频段领域的优良特性,市场份额有望提升。


BAW滤波器分为两种,分别是BAW-SMR与FBAR。 BAW-SMR就是通过堆叠不同刚度和密度的 薄层形成一个声布拉格(Bragg)反射器,这样大部分波会反射回来和原来的波叠加, 把声波反射到压电层里面。 FBAR就是薄膜腔声谐振滤波器,不同于以前的滤波器,是使 用硅底板、借助mems技术以及薄膜技术而制造出来的。


目前FBAR具备高于SAW滤波器的性能。 FBAR 滤波器相比具有更广的射频范围,可以接收 到3GHz以上的频率,目前全球主要5G商用国家使用的5G频段集中3.5GHz附近。 第二,FBAR 具备更低的插损,更高的Q值,对温度敏感度低,抗静电能力优秀的特点。 重要的是, FBAR滤波器尺寸较小,具有可集成的能力。 在5G时代,手机的功能相对4G时代会有一定 程度的提升,例如电池,散热,存储等等,手机内部的净空间将会被进一步的压缩,届 时,大量元件将会被集成,实现模块化; 此外,器件供应商为了实现市场份额和市场地 位的进一步提升,具备自家知识产权的多样器件组成的解决方案将会以模块的形式销售 出去。 因此具备可继承的元件将会受到市场的青睐。


5.2.2 美日虽强,国产仍存空间

美日厂商垄断,国产替代空间巨大。 滤波器是通信行业高精尖技术的代表,设计及制造 工艺复杂,具有极高生产壁垒。 当前SAW和BAW滤波器市场均呈现寡头垄断格局,美、日 厂商占据绝大部分市场份额。 SAW由日本厂商垄断,村田(Murata)占据全球50%份额, 村田、TDK、太阳诱电(Taiyo Yuden)三家公司共占全球份额的85%; BAW滤波器则是美 国厂商的天下,博通(Broadcom,已被Avago收购)一家独大,占据全球BAW市场87%的市场份额,博通和Qorvo市场份额合计达95%。 国内声学滤波器尚在起步阶段,市场话语 权有限,产量远远无法满足国内市场需求,因此具备广阔的国产替代空间。


SAW成为国产滤波器的率先突破口。 与BAW相比,SAW滤波器使用量较大,生产步骤较少, 技术门槛相对较低,有望成为声学滤波器国产替代的突破口。 目前国内仅有麦捷科技、 中电26所、德清华莹等少数几家具备SAW滤波器设计制造和量产能力,已实现为部分中 低端机型供货。 随着国内厂商研发实力增强和生产工艺逐步成熟,我国SAW滤波器自给 率将迎来提升。 智研咨询指出,2018年我国SAW滤波器产量为5.04亿只,消费量为151.2 亿只,自给率仅为3.33%; 到2025年,我国SAW滤波器产量有望达到28.02亿只,消费量 小幅增长到157.40亿只,自给率达到17.80%。


我国正在加速研发BAW滤波器。 由于BAW滤波器在高频段具备良好的性能,并且随着频率 的上升尺寸越小,因此,BAW滤波器在5G时代具备较高的应用潜能。 国产滤波器若想在滤波器领域在全球范围内有立足之地,BAW的研发与生产是重中之重。 虽然目前BAW滤波 器领域,美国厂商具备垄断的实力,但是,我国部分企业不甘人后,正努力努力开发。 例如,天津诺思具有完全知识产权(IP)的FBAR晶圆厂,2018年底发布的5G新频段FBAR滤波器,已向客户提供测试使用。 再如,开元通信推出了国产首颗应用在5G n41频段的 高性能BAW滤波器产品EP70N41。 这是国内芯片厂商在5G BAW滤波器的首次突破。 开元通 信与国内领先的MEMS代工厂进行了深度战略合作,于2018年10月建成了本土唯一的8英 寸BAW量产线。 目前开元通信首批客户已完成测试。

5G时代可用的滤波器不仅有BAW,存在可选方案。 2019年11月21日,安徽云塔电子科技有限公司在“世界5G大会”上,发布其自主研发的5G NR n77频带(3.3-4.2GHz)、n78 频带(3.3-3.8GHz)、n79频带(4.4-5.0GHz)三款滤波器芯片。 这三款芯片比低温共 烧陶瓷技术有着更加精密的工艺控制和一致性、更高的电容密度和更小更薄的尺寸。 这 是国内厂商首次正式发布的进入5G最具代表性的Sub-6GHz频段的滤波器芯片。 麦捷科技 方面表示,公司拥有LTCC滤波器技术可以应用于SUB-6GHZ和20GHZ以上超高频段,另外 公司针对SUB-6GHZ频段正在研发FBAR等高性能滤波器; 信维通信表示,公司SAW滤波器 已经批量出货,类似BAW技术的产品已经研发成功。

5.3 功率放大器技术确定,材料中看国产替代机会

5.3.1 功率放大器市场提升,国外厂商成占据优势

数量增加提升产品价值量。 功率放大器市场规模射频前端放大器包括两种,分别是射频 低噪声放大器(LNA)和射频功率放大器(PA)。 LNA用于实现接收通道的视频信号放大, PA则是用于实现发射通道的射频信号放大。 PA 是手机中重要的器件之一,随着通信技 术的提升以及频段数量增加,手机里面 PA 的数量也逐渐增加。 4G时代,手机所需的 PA 芯片约为5-7颗; 5G时代,我们预测手机内的PA芯片数量将达到16颗。 随着4G手机和5G 手机的渗透率的提升,PA市场规模将会继续扩大。 据Yole数据显示,2018年PA市场规模 为60亿美元,预计2025年PA市场规模为104亿美元,年复合增长率达到8%。

国外厂商占据主要份额。 国外行业内主要芯片设计厂商一般同时向市场提供射频开关、 射频低噪声放大器、射频功率放大器等多种产品。 目前,全球射频前端芯片市场主要被 Broadcom、Skyworks、Qorvo 等国外企业占据,因此,延伸到放大器部分,Broadcom、 Skyworks、Qorvo三大射频前端公司依然占据全球大部分市场份额,三大射频公司占据 全球92%的市场份额。 国内竞争厂商锐迪科、国民飞骧、唯捷创芯、韦尔股份等。

5.3.2 GaAs目前继续引领5G时代

目前,在半导体材料领域内,除了有单一元素材料外,还有由两种及两种以上元素结合 的形成的化合物半导体材料,主要包括GaAs(砷化镓)、InP(磷化铟)、氮化镓(GaN)、 SiC(碳化硅)等。 化合物材料相比单一元素材料,有着禁带宽度更大、电子迁移率更 高、击穿场强大、耐高温性更好等特点。 因此,使用化合物半导体材料做出来器件比传 统的单一元素材料器件具有更好的特性,在通信领域中有更广泛的应用。

目前,射频功率放大器的设计与加工主要使用GaAs工艺、SiGe工艺和射频CMOS工艺3种 工艺。 GaAs工艺的射频功率放大器主要适用于高功率输出的应用,广发应用于无线通信 领域; SiGe工艺与Si CMOS工艺兼容,有助于实现射频功率放大器与射频集成电路的集 成; 射频CMOS工艺可以实现更高的集成度,成本也更低,但是CMOS射频功率放大器的性 能,与GaAs相比尚有一定的差距,目前主要用于蓝牙、ZigBee等。

砷化镓属于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料,为闪锌矿型晶格结构,晶格常熟为0.565nm,熔 点为1238℃,近代宽度为1.424eV,是继硅、锗之后最主要的半导体之一。 GaAs器件具 有高频、高速、耐高温、低噪声、抗辐射能力强等优点。 4G时代,手机端PA的工艺以CMOS 和GaAs为主, 5G时代更高的功率、频率及效率要求,对PA的性能也提出新的要求,GaAs 材料的电子迁移率是Si的6倍,适合用于长距离、长通信时间的高频电路,因此,GaAs 器件相对Si器件具有高频、高速的性能,在5G手机PA中将有望获得广泛的使用。 据集邦 咨询预测,随着5G智慧型手机渗透率逐渐提升,将带动中国手机GaAs PA市场从2019年 的18.76亿美元增长到2023年的57.27亿美元,年复合增长率达到19.17%。

5.3.3 国产替代存在希望

全球GaAs材料国外玩家处于垄断地位。 根据Semiconductor TODAY数据,目前全球半绝 缘单晶GaAs衬底市场集中度CR3高达95%,日本的住友电气、德国费里伯格以及美国的AXT 公司占据了95%以上的市场份额。 根据Pioneer Reports数据显示,国内主要GaAs单晶衬 底生产厂商有中科晶电、云南锗业、有研新材、神舟晶体以及美国AXT全资子公司北京 通美等。

目前,全球GaAs射频器件市场以IDM模式为主,主要厂商有美国Skyworks、Qorvo、 Broadcom,日本村田等,CR4达到70%。 其中,Skyworks和Qorvo更是遥遥领先,达到32% 和26%。 GaAs元件在全球范围内还有Fabless和晶圆代工产业。 2018年GaAs晶圆代工市场, 中国台湾稳懋独占全球71%的市场份额,是全球第一大GaAs晶圆代工厂。 中国大陆方面, 在Fabless领域,有昂瑞微、唯捷创芯、紫光展锐、国民飞骧等老牌厂商,主要集中在 非高端手机领域。 在晶圆代工领域有海威华芯和三安集成。 近期,华为将自研的4G PA 交由三安集成代工,在一定程度上,表明华为有意降低供应商的集中度,以及对国内集 成电路产业的扶持。 目前国产手机品牌在全球出货量占比近4成。 虽然5G时代已经来临, 但是全球普及尚需时间,4G网络将会在一段较长的时间内存在,因此,针对4G网络的PA 依然存在相当大的市场空间。 因此,在自主可控的主旋律下,随着国产GaAs PA公司技 术与产能的提升,国产GaAs PA产品将会在4G产品中渗透率逐渐提高,部分企业有望在 大公司的扶持下实现5G产品的突破。



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5G 手机去金属化成趋势,三大方案可供选择

6.1 手机后盖去金属化成为趋势

5G 信号衰减严重,手机后盖去金属化成为趋势。 从 2012 年 iphone 5 首次使用金属后 盖到 2016 年大部分手机主流品牌使用,金属后盖因为其色泽与手感成为了当时的潮流。 然而,金属材质后盖对无线信号具有屏蔽作用,且导热性强,在无线充电时易导致手机 表面温度过高,影响使用安全。 2017 年,5G 概念在通信领域中出现,相关技术与要求 已经在各大手机厂商中被广泛地提起。 5G 手机通过增加内部天线和天线系统设计复杂度 来提升信号收发质量,Massive MIMO 技术对电磁干扰的敏感程度提高,如何减少信号传 输过程中的干扰成为焦点。 为适应 5G 技术带来的变化,多个手机厂商已经开始相关的 试验,并体现在自家的产品之中。 金属后盖也随之在大部分手机品牌中消失。 对于金属 后盖的取代方案,目前产业方面有三种材料可供选择,分别是玻璃、PC/PMMA 复合材料、氧化锆陶瓷。

6.2 各项表现平衡,玻璃后盖已成潮流

玻璃后盖已成为潮流。 早在 2014 年,联想就推出了玻璃后盖手机 S850,但是玻璃后盖 真正得到大规模使用则是从 2017 年开始。 2017 年,苹果推出的 iPhone 8/8 Plus/X 采 用 2.5D 玻璃后盖,同年,安卓阵营发布的手机都是玻璃后盖。 至此,玻璃后盖正式成 为潮流。 苹果在手机产业一直被认为是创新的风向标,从手机外观到手机功能。 虽然苹 果在 2019 年未发布 5G 手机,但从 2017 年开始其手机产品全系采用玻璃后盖替换金属 材质,以支持其最新搭载的无线充电功能,目前最新一代的 iPhone 11 系列手机沿用 2.5 D 玻璃后盖。 安卓阵营方面,目前多个品牌已经发布了自家的 5G 手机。 从市场已发布 5G 手机情况看,除了三星 S10 5G 顶配版采用陶瓷材质后盖外,其余手机厂商大多采用 3D 玻璃作为手机后盖材料,以减少对手机信号的屏蔽作用。


相比金属材料,玻璃材质不具备电磁屏蔽特性且导热性较弱,且相比陶瓷后盖生产成本 较低,是生产 5G 手机后盖的理想材料。 随着技术演进,玻璃后盖耐磨、耐摔和抗压等 性能得到提高,被越来越多手机厂商所采用。 根据 Counterpoint 数据,2016 年全球手机出货中仅有约 7%手机采用玻璃后盖材质,截至 2018 年底提升至约 26%,预计到 2020 年底出货占比将提升至约 60%。 我们认为,随着 5G 手机普及和无线充电渗透率提高,3D 玻璃将迅速实现对金属后盖的替换,预计渗透率将快速提升。


6.3 价廉物美,复合板材异军突起

复合板材主要是指用 PC 和 PMMA 通过共挤制作而成的手机后盖。 PC,即聚碳酸酯,PC 拥有优良的耐蠕变性能、抗冲击性能、较高的伸长率和刚性、弯曲强度、拉伸强度,并 具备较好的耐热性和耐寒性、电性能突出,吸收率低,透光性好等特点。 PC 还可与其他 树脂共混形成 PC 混合物或 PC 合金,进行改性,克服其抗溶剂性和耐腐性较差的缺点, 完善性能,满足多种特定应用领域性能的要求。 PMMA,即聚甲基丙烯酸甲酯,具有较好 的透明性、化学稳定性、耐候性、易染色、易加工、外观优美等特点。 共挤复合数采用 数台挤出机将不同种类的树脂同时挤入到一个复合模头中,各层树脂在模头内或外汇形 成一体,挤出复合后经冷却定型即成为复合薄膜。 因层与层之间无需使用粘合剂,所以不存在残留溶剂问题,薄膜无异味。


复合板材手机后盖将有望在 5G 中低端手机中使用。

首先,要满足在 5G 时代广泛使用,首先要 5G 抗信号屏蔽要求。 复合板材手机后盖的抗 信号屏蔽性能虽然不及玻璃和陶瓷材质后盖,但是优于金属材质后盖。

第二,复合板材主要有两层复合材料,PMMA 层和 PC 层。 PMMA 具有较高的硬度和耐磨性, 所以可用于手机盖板的外层使用。 但是由于性脆,所以复合 PC 作为内层,这样材料整 体的韧性提高。 目前复合板材表面硬度达到 4H-6H; 耐磨性可做到 0000 钢丝绒 1 公斤力, 1cm*1cm 磨头,5000 次完好,基本可以符合手机等电子产品对于材质性能的要求。

第三,复合板材手机后盖采用共挤工艺制作,能实现一次挤出成型,其工艺简单,节省 能源,生产效率高,成本低。

虽然复合板材具备一定的优点,但是依然存在不足之处。 首先,由于复合板材在硬度方面相对于玻璃与陶瓷材质较差,因此复合板材不耐磨,塑性变形明显。 第二,手感与外 观表现上不如玻璃与陶瓷材质的贴合与高端。 最后,散热效果较差。

综合以上优点与不足之处,低成本的复合板材手机后盖已经能满足基本要求,预计在 5G 时代,PC/PMMA 复合材料在追求高性价比的中低端手机市场渗透率不断提升。

6.4 氧化锆陶瓷,高端方案需要时间等待

氧化锆陶瓷具有熔点和沸点高、硬度大、常温下为绝缘体、而高温下则具有导电性等优 良性质。 氧化锆陶瓷手机后盖结合了玻璃的外观与硬度高的优异性能,同时拥有接近于 金属材质的良好导热率,其介电常数高,无信号屏蔽。 氧化锆陶瓷手机背板的制备主要 包括氧化锆陶瓷粉体的制备、成型、烧结、研磨抛光处理等流程。 其中氧化锆陶瓷粉体 的制备是整个流程中最重要且技术难度最大的部分。 氧化锆陶瓷手机背板粉体是纳米复 合氧化锆,纳米复合氧化锆在制备陶瓷时,其质量要求包括,粒度分布是正态分布,颗 粒形状接近圆形,分散性要好,纯度高等。 氧化锆手机后盖虽然性能优良,但是由于制 作难度大,导致出现良品率低,高成本等问题,一直难以得到推广,目前仅出现在较少 的高端手机中。 2018 年,氧化锆陶瓷在手机背板的渗透率较低,仅为 1%。 目前高端应 用如 Apple Watch 的背板采用的材料是氧化锆陶瓷,预计未来几年随着 5G 的商业化应 用不断成熟,进一步完善的生产工艺使背板成本不断降低,市场渗透率有望提升。



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