5G对无线通信微芯片行当链有如何震慑,电子行当

在当前国际形势下,国产化替代之路成为更加迫切的话题,面向5G时代的元器件领域亦如是。

5G--新一轮技术创新和产业革命。5G指移动通信系统第五代,是4G的延伸,有更快的反应和能承载更大的传输流量,将成为改变社会的通用技术。5G的千倍提速需求衍生的毫米波、小基站技术、Massive MIMO与波束型技术、新型多载波技术成为必然的技术创新趋势,可成倍提升性能。5G部署将支持GDP增长,创造万亿产出,物联网将成为核心场景,市场将迎来大机遇。

5G技术创新主要来源于无线技术和网络技术。其中无线技术包括大规模天线阵列、超密集组网、新型多址和全频谱接入;网络技术包括软件定义网络(SDN)、网络功能虚拟化(NFV)新型网络架构。

5G与现有移动通信技术相比应有三个显著的特征:千亿级别的联接数量、1毫秒的超低时延和10Gbps的通信速率。5G不仅仅是一次技术升级,这些特征将使5G成为一个强大的平台,进而催生出无数新应用、新商业模式,甚至新的产业,5G将成为很多颠覆式创新的使能技术。

还记得数字电视之前时代的较早电视形态吗?在上世纪80年代,电视的调台还需要转动旋钮来捕捉信号实现。可能今天的大众会想不到,当年调台背后的底层技术,到了今天的5G时代,会成为元器件国产化替代的一个关键领域——滤波器。

    射频器件在5G时代迎来革命,大有可为。射频前端是无线通信的核心,以智能手机为例,射频前端包括SAW 滤波器、双工器、低通滤波器、功放、开关等器件,1G->5G,网络通讯升级对射频前端要求越来越高,射频前端量价齐升,成为射频器件厂商都虎视眈眈的一块大蛋糕。目前射频器件呈海外垄断之势,产品结构升级,国内终端市场转移加速,国产化替代空间大。而国内射频器件厂商已经完成前期的技术沉淀,他们正加紧突破5G射频器件领域,抢食大蛋糕。

    5G产业链:创新技术将带来相关产业链的新一轮投资机会。按照产业链爆发顺序,依次为上游器件、中游设备、网建设优化维护、电信运营及应用。上游器件:信维通信、硕贝德、三安光电、麦捷科技。中游设备相关标的:中兴通讯、通宇通讯、盛路通信;光通信相关标的:烽火通信、光迅科技等。网建优化维护相关标的:宜通世纪、华星创业、邦讯技术、三元达等。5G应用相关标的:宜通世纪、榕基软件、高新兴、东软载波、三川智慧等。

尽管现在很难预测5G将如何影响人们的生活,但技术创新与人类想象力的结合无疑将为人们创造一个更加美好的未来。毫无疑问,5G将帮助我们解决现有技术无法解决的诸多挑战,特别是在联接数量、网络时延和速度方面的挑战。

新一代通信技术的到来,将对底层电子元器件、整机终端、应用生态都带来新的技术挑战,当然这也意味着国产化机会。

    滤波器:5G带动需求爆发,国产替代开始启动。滤波器起到抗干扰和过滤杂波的作用,他们占据了手机射频前端一半以上的价值量,是射频前端的重要部件。当前来看,SAW/BAW凭借着优异的性能正成为主流选择。从4G到5G,通信频段增加带动滤波器市场快速增长,高通预计到2020年市场规模将达到130亿美元,SAW/BAW生产工艺复杂,技术壁垒高,国外厂商处于主导地位。而今,中国厂商内外条件已具备,信维通信等一批厂商加紧布局,完成国产替代正在当下。

    终端射频前端模块:5G将迎来趋势性机会。对终端射频前端模块而言,4G向5G演进,特别是高频段应用对相关元器件产生更高的要求,天线数量、载波聚合CA频段的组合数量以及频段数量的大幅增加将对滤波器、PA及开关形成强劲需求。高通预测滤波器将是增长最快的细分行业,PA将保持稳定,但对性能及集成度提出更高的要求。

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由于5G频段尤其是中高频频段的大幅增加、天线传输“通道变宽”等技术要求的变化,基于通信信号转换功能的射频器件市场被视作一个重点领域。无论从价值量还是需求数量来说,5G时代的射频前端芯片市场都将逐步呈现大幅增长态势。

    天线:大规模MIMO技术,阵列天线加速走向应用。5G通信引发大量技术创新,波束成形技术要求手机天线集成有源器件,阵列天线将被采用,或与芯片相结合,工艺难度大幅提升价值量。以信维通信为代表的国内天线厂商在射频天线技术积累雄厚,也积极储备智能手机阵列天线,他们将引领着5G通信天线的发展。

    滤波器(Filter):国产替代空间巨大。滤波器行业基本为美日厂商垄断,考虑到国内智能手机出货量在全球的龙头地位,国内滤波器行业的弱势与之有着鲜明的反差,但同时也表明国产替代空间非常巨大,主要契机是大厂商主力研发高频段BAW滤波器,中低频SAW技术进展放慢,因此国内厂商可以藉此从中低端SAW布局渗透,然后提升技术实力,争夺高端SAW乃至BAW份额。

5G通信行业产业链条的重要环节

据法国调研机构Yole的预计,受益5G,射频前端市场有望从2016年101.1亿美元增长到2022年的227.8亿美元,6年复合增速14.5%。其中,滤波器变动最大,规模52.08亿美元增长到163亿美元。

    功率放大器:化合物半导体再添动力。功率放大器即为信号“扩音器”,化合物半导体是功率放大器不可替代的核心技术,壁垒极高,现技术主要被国外厂商垄断。5G时代下,“高频 频段增多”推动化合物半导体需求量增加,以三安光电为代表的中国本土厂商正抓住这次机遇,着力打造本土射频半导体产业链。

    功率放大器(PA):氮化镓材料将大幅普及应用。与硅基CMOS和GaAs相比,GaN具有更高的功率密度和更宽的能隙,表明其功率特性以及瞬时带宽更高。目前三安光电的砷化镓/氮化镓产线正在推进,预计投产后国内PA芯片厂商的研发及生产环境将得到大幅改善。产业链上可关注上游外延片生产及芯片制造的三安光电、下游封装领域的长电科技、通富微电、华天科技以及晶方科技。

主要包括以下五个重要环节:

但目前这仍是一个海外巨头占据强势份额的领域,部分环节的国产替代进程仍需时日,国内也尚未完全形成良好的生态共建。更有机构认为,射频领域的国产化替代处在初级阶段。

    投资标的:信维通信:5G通信将带来SAW滤波器、阵列天线需求增量;三环集团:掌握电子陶瓷产品核心技术,陶瓷后盖大有可为;顺络电子:巩固电感主业,紧抓电子元器件周期,多点开花;三安光电:5G时代化合物半导体需求增长带来发展新机遇。

①网络规划设计(前期技术研究及网络建设规划)

不过近年以来,改变在快速发生。“以前国内市场并不太关注和了解射频等元器件市场,但现在可以说到了实现国产化替代的转折点。”在接受21世纪经济报道记者专访时,杭州左蓝微电子技术有限公司创始人张树民这样表示,随着国产厂商逐渐起量,国内目前在滤波器领域的技术力量和产品品质已经接近国外的水平,国产替代的态势正在形成。“但问题是,我们积累的研发可能还是不够。要做好产品才有可能赶上国外巨头的水准。”

    风险提示:5G推进不达预期;国内厂商技术工艺突破不达预期。

②无线主设备(核心网、基站天线、射频器件、光器件/光模块、小基站等,无线配套、网络覆盖与优化环节开始布局)

射频前端的5G机会

③传输设备(无线设备后需要有线传输链接,紧跟其后的包括光纤光缆、系统集成、IT支持、增值服务等)

为什么5G时代的射频前端开始大热?这要从这部分器件的效用说起。

④终端设备

总体来说,射频的主要功能在于,将电磁波信号与二进制数字信号进行转换,让信息顺利实现从基站到终端的转换和呈现。这令射频成为通信时代的重要环节。

⑤运营商

而由射频各环节器件组成的部分被称为射频前端。具体来说,射频前端又分为发射和接收两条通路,前者涉及器件包括功率放大器、滤波器、天线开关等;后者则主要包括低噪声放大器、滤波器、射频开关和天线开关等。

⑥PCB/CCL产业链(用于基站射频、基带处理单元、IDC和核心网路由器等);⑦介质波导滤波器

天风证券在研报中指出,射频前端芯片市场规模主要受移动终端需求的驱动。而5G标准下,现有的移动通信、物联网通信标准将统一,因此未来统一标准下的射频前端芯片产品,应用领域将进一步放大;同时,单个智能手机的射频前端芯片价值也将继续上升。

按器件种类来看,射频前端模组可以分为放大器、滤波器、天线开关/调谐器及天线四部分。

集邦咨询(TrendForce)分析师张琛琛则向21世纪经济报道记者表示,5G由于新增中高频频段及MIMO(多输入多输出天线系统)技术等,对射频器件的数量需求大幅提升,这也是行业对射频领域关注度越来越高的原因。

射频系统市场未来五年市场规模将迅速增长,其中滤波器市场的规模则占比市场的50%以上,滤波器产品和功放产品市场规模总和达到整体市场容量的80%~90%。射频开关市场排名第三,2020年之后毫米波元器件市场开启。

当然从技术角度,挑战也存在。她续称,由于5G的新增频段属于中高频频段,对器件的性能和技术要求都会提升。“比如移动端由于新增频段对滤波器的需求就需要插入损耗更小和Q值更高的BAW滤波器支持;基站特别是宏基站的部分则需要GaN(化合物半导体:氮化镓)的PA来支持。因此整体来说,对射频器件厂商的技术水平要求会更高。”

滤波器

张琛琛认为,射频领域的国产化进程已经在前几年启动,目前在2G、3G领域,PA国产化水平很高,4G刚启动;开关等产品技术的规格与国际差距不大;但滤波器的国产化则非常薄弱。

滤波器的主要作用是在杂乱的空间将目标信号过滤出。随着手机支持频率的增加和MIMO技术的引入,滤波器需求指数上升。

值得注意的是,恰恰是射频前端中占比最大的部分,也是国产化相对薄弱的地方。据Yole预计,到2023年,手机终端射频器件整体市场规模中,滤波器占比最大,将达60%;PA将占比21%,是其中两个规模较大的市场。

为添加新频段通信功能,需要提升滤波器数量。4G到5G,Skyworks预计滤波器数量平均将由40只提升至50只。高频通信场景中,现有SAW/TC-SAW滤波器将替换为BAW/FBAR。现有滤波器头部厂商因为市场规模提升直接受益。

关键滤波器市场

SAW滤波器2G、3G、4G已广泛应用,一般工作在1.9GHz以下频段,最新的研究将应用上限推广到了2.5GHz左右。而BAW滤波器一般工作在1.5GHz~6.0GHz,最高可以工作在10GHz以上,在高频通信中应用更为适合,另外相比SAW温漂较低。

滤波器环节的发展实际上受到历史因素影响。张树民向记者介绍道,市场中最早用到滤波器是在电视调台过程中,“电视调谐是SAW器件第一次腾飞的地方。”但随着电视的普及甚至数字化,这种调频诉求不再,诸多从业人员相继转行。也正因需求受限,国内高校也鲜有相关专业,仅个别院所还有配备。

另外,在高频超宽带场景(如3.3-4.2GHz;3.3~3.8GHz;4.4~5.0GHz)通信中,终端如果采用CPE,单通道可达500MHz,以低温共烧陶瓷工艺制作的滤波器的应用将更加普遍。相比SAW或BAW滤波器,LTCC虽然可处理高频信号,但选频能力较差。但LTCC对高功率场景的处理能力优于SAW或BAW滤波器。

“这方面我们基本空缺了10余年。”他表示,中国虽有军工机构一直在研究,但缺少市场竞争,进步也相对缓慢;但反观如今强势的美国和日本,历史上美国相关企业始终有与军工领域合作;日本企业则是苦苦挣扎、精耕细作而存活下来。这段时间内,产品品质高的企业得到更好地成长,反之则快速走向消亡,韩国也出现过类似情形。

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突破口出现在4G,相比3G,4G时代出现频率高但器件小的诉求特点,刚好符合滤波器产业在移动终端的应用,行业开始走向快车道。

功率放大器

这也是为什么5G时代,滤波器的重要性大幅提高。从功能来说,滤波器主要是为移除部分信号、同时保留需要的频率分量而存在,目的在于消除频带间相互干扰。而相比前一通信时代,5G更丰富的频段无疑对此将有更多需求。尤其在多载波聚合技术的应用之下,会造成诸多频段同时工作并排列组合,这意味着滤波器的设计也将面对更多组合的复杂情形。

PA用于将信号功率放大输出至天线以发射信号。手机PA随着天线的数量增多而增多。PA市场将由2017年的50亿美元增长至2023年的70亿美元,复合增速为6%。市场容量在4G时代被滤波器超过,排名第二。

技术要求必然也有提升。张树民介绍道,5G核心特点包括大带宽、高功率、频率密集以及对产品要求高。但对于滤波器设计而言,带宽、品质、耐功率性等方面实际上存在“跷跷板效应”,如何捕捉平衡点尤为重要。

5G时代,预计GaAs依然是手机功放的主流方案。为实现从2通道向4通道通信,PA数量预计将可能翻倍提升。长期看,为支持更高频率信号的输出,现有GaAs材料也可能向GaN材料功放升级。从3G时代起由于击穿电压、输出功率等优势,GaAs材料代替CMOS材料成为PA市场主流材料。随着更多厂商的加入,PA市场的竞争进一步加剧。因此头部厂商将PA同基带、开关等芯片绑定销售,以提升竞争力。

“材料、加工工艺、模型准确度、多种薄膜复合带来的影响等都要考虑在内。”张树民表示,在相关研发投入方面,国内在部分环节还有所缺失,比如“国外部分企业有专门的人才研究材料,会不断地将材料排列组合进行实验,以求实现更好的效果。但这在中国是很难看到的。”

射频开关和调节器(Switch&Tuner)

目前,滤波器主流技术包括SAW和BAW两种,前者略比后者早10余年出现。基于两种技术路线,也衍生出两种完全不同的企业份额表现。

类似于滤波器的需求提升,5G因为频段的增加将带来通道数的提升,进而推动开关市场的容量增长。终端射频开关市场规模将由2017年的10亿美元增至2023年的30亿美元,复合增速约为20%。

据天风证券统计,SAW滤波器市场来看,日本村田公司占据了47%的份额优势,其次分别是日本公司TDK和太阳诱电;BAW滤波器市场中,收购Avago公司后的博通已获取87%的绝对市场,份额第二位的Qorvo公司仅占比8%。

天线调节器Tuner市场也将迎来增长,从2017年的4.63亿美元向10.00亿美元发展,复合增速约为14%;LNA从2017年的2.46亿美元增长至2023年的6.02亿美元,复合增速约为16%。

有行业人士认为,二者会存在演进关系。不过张树民并不这样认为,他指出,目前两类技术仍呈齐头并进竞争态势,以头部公司为首的两大阵营都希望提升各自技术路线下的产品品质。

由于模块化的集成方式的商业考虑和LTE全网通的技术趋势,射频行业的生态出现了较大变化,历史上以PA为核心的射频行业的价值量渐渐向Filter+PA的双重点方向演进,有源和无源器件供应商开始通过并购等模式互相渗透。

这是源于二者适用的频率场景并不甚相同。在2GHz以下频段,SAW的价格更具优势,BAW的优势则在高频段领域。也正由于二者工艺、所用材料等大不相同,具备量产能力的代工厂也有一定差别。相对来说,SAW的生产工艺更加成熟,采用代工模式可行。“BAW技术国外、国内都有代工厂,但现在是爬坡阶段,仍需要提升能力。我预计未来1-2年内,国产代工厂的技术可以基本准备完备。”

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对于其中的国产化进程,张琛琛则向记者分析道,滤波器算中国射频厂商最为薄弱的领域之一。4G时代占主流的SAW滤波器,中国厂商才刚刚开启国产化进程,BAW的部分几乎空白,仅1-2家企业具备量产能力,但要成熟量产被客户大批量采用需要比较长的积累。

天线

“从滤波器跟国际厂商的技术水平对比来看,SAW已经比较弱了,BAW的部分差距可能还更大一点,毕竟BAW对工艺和设计的要求更高,且BAW几乎掌控在Avago、Qorvo等厂商手里,建立的技术壁垒和专利壁垒都比较高,短期突破挑战很大。”她这样表示。

MIMO应用确定,LDS和LCP天线成为趋势天线系统是射频系统中关键的组成部分,目前有被集成至射频模组中的案例,但未被集成至芯片级,是射频半导体领域的补充。

探路国产化生态构建

天线数量提升和新工艺的加入有利于天线提供商信维通信等。为了减小尺寸、可有若干解决方案,包括PI基材向LCP基材或LDS方向演进。然而5G基站相比手机功能仅为连接。因此5G基站射频市场基本等同于整体市场规模,同手机射频市场规模处在同一量级。

从海外射频前端芯片领域的巨头发展来看,已经逐步形成集成化趋势。反观国内,还处在大量深耕细分领域市场的公司在探寻技术迭代的机会阶段。

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这也侧面显示出国内相关生态构建尚不完备。对此,张树民指出,滤波器相关技术虽然难度较大,但国外已有量产,且技术路线都已知,这意味着国产化一定可以实现。问题在于,要基于已知的解决路径挖掘创新专利,这样将来面对或有的国际化竞争,将成为一种利器。

①5G技术对天线的形态和性能提出了新的要求。相对于4G技术,5G的频谱效率将提高5-10倍,天线技术的提升是其关键技术之一。基站天线属于传统天线业务,将通过超密集组网将现有站点提升10倍以上,以此实现5G通信密集、异构、分离式的通信要求;MIMO技术以大规模MIMO为方向,通过增加天线数量提升信道容量,使频谱利用率成倍提升,达到5G的应用要求。

在近日举行的2019集微半导体峰会上,广州慧智微电子有限公司CEO李阳则指出,“国产尤其是头部厂商可以多做一步,比如苹果、三星对器件是有更多的投入,其他领域元器件过来会先评估,同时拆解你的半导体芯片做分析,国内一些头部公司已经在做。我觉得国产供应链的重要性凸显之后,这部分可以做起来,很多时候我们的客户都是不测评估板,只把这个产品直接放到板子上;此外是比价。其实更健康的做法,可以分析一下成本,这样可以优化资源投入,同时最终来真正扶持自己的合作伙伴。”

②从无源天线到有源天线系统,天线的功能趋向于小型化、密集化、定制化。超密集组网技术需要增加基站数量,大规模天线技术需要增加基站携带的天线数量。

开元通技术有限公司董事长贾斌有类似观点,在峰会期间他表示,“我们希望本土头部的系统厂商真正多投一些资源,帮我们把器件的质量测试好,帮助告诉我们怎样提高。因为国内的系统厂商用海外的射频器件已经用了近二十年,积累了大量经验,我们也希望把边界打开,接受他们的指导,让元器件在设计、加工的时候把质量逐步做到客户可以接受的程度。”

5G时代来临带来射频器件单机数量和价值量的增加,全球射频市场规模有望增长。5G商用手机销售将始于2020年,其销量在2025年将超过3亿部。

当然在泛在物联的5G时代,物联网无疑将对通信底层产业链带来更大发展空间,这是另一重国产化机遇。张琛琛向记者表示,物联网前端对射频器件的要求会比手机等产品低一些,应用也相对分散,因此国产化机遇更可期,但也受到应用是否能快速落地的潜在市场风险制约。

随着5G网络的普及,全球移动终端射频器件市场将迎来稳健增长。据美国高通公司预测,移动终端射频前端模块在2015-2020年间的复合增速在13%以上,到2020年市场规模将超过180亿美元。其中,滤波器是射频前端模块增长最快的细分方向,滤波器市场将由现在的50亿美元的市场规模增长至2020年的130亿美元。

张树民提供给记者的调研机构数据显示,到2023年,全球物联网蜂窝通信模组出货量将增加到12.5亿件,2G物联网模块被5G和非标替代。应用领域来看,车联网、智能电子通讯模组会有较大出货,未来超过50%的应用将落地在消费类、工业物联网和公共基础设施等。

与4G相比,5G时代将有更多的通信频段资源被投入使用,多模多频使得5G手机对于射频前端芯片的需求增加,有专家预计射频前端芯片占据手机成本的比例甚至有可能超过基带处理器等其他关键器件。

他指出,对滤波器行业来说,5G物联网确将有很大需求,但还要视具体应用而定。“总体来说,5G物联网领域的滤波器是价格低、功耗小、器件越少越好。将来甚至会部署到大家想象不到的地方。”张树民如此表示。

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据他介绍,左蓝微电子的期望是,当核心技术构建起来后,通过与产业链厂商合作的模式,共同推进模组生产,并针对不同应用领域提供解决方案。“面对新的通信技术变化,就有机会探索,如果新技术掌握得好,或许就有机会能超过原来的玩家。前提是要有相应的技术积累。”

结尾

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从历史上看,每一次通信技术升级都带来了行业格局上的变革与机遇,而5G技术的特性将推动射频前端芯片的变革,为无线通讯芯片行业的增长带来机遇。

到2020年,预计将有超过500亿的互联设备。因此,5G网络必须具有更高的可扩展性、智能性和异构性。分布式小型基站、支持数百个天线的海量MIMO以及通过CloudRAN进行的集中式基带处理等技术将显著增大覆盖范围与数据吞吐量。网络将需要通过回程及光前传来进行安全连接,以完成处理。

展望未来,随着手机出货量及硬件规格升级的放缓,预计行业总体增速下降至2.9%左右。但由于5G需要支持新的频段和通信制式,包括滤波器,功率放大器,开关等射频前端存在结构性增长机会。

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