中國移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展；手機(jī)射頻（RF）前端模塊和組件發(fā)展迅猛，天線的技術(shù)革新推動(dòng)無線連接的發(fā)展[圖]

    一、移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展歷程

    5G指移動(dòng)通信系統(tǒng)第五代，是4G的延伸，意味著有更快的反應(yīng)和能承載更大的傳輸流量。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)自80年代中期第一代移動(dòng)通信技術(shù)（1G）誕生以來，至今已發(fā)展到第4代（4G）。

    第一代1G采用模擬技術(shù)頻分多址（FDMA），僅能提供基本通話功能，速率為2.4Kbps；上世紀(jì)90年代初第二代2G采用數(shù)字調(diào)制傳輸技術(shù)時(shí)分多址（TDMA），通話更清晰且增加了數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，速率為9.6Kbps–384Kbps；21世紀(jì)初第三代3G以碼分多址（CDMA）技術(shù)為特征，速率靜止時(shí)大于2Mbps，移動(dòng)時(shí)大于384Kbps，高傳輸速度使移動(dòng)用戶上升，成就移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)；2010年第四代4G以正交頻分多址（OFDMA）技術(shù)為核心，其通信速率大大提高達(dá)到靜止時(shí)大于1Gbps，移動(dòng)時(shí)大于100Mbps，帶來高清視頻和圖片，互聯(lián)網(wǎng)得以快速發(fā)展。

    到了第五代5G移動(dòng)通信時(shí)代，預(yù)計(jì)將提供比現(xiàn)有4G快100倍的傳輸速度，達(dá)到10-100Gbps，極大推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)等領(lǐng)域的發(fā)展。

移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展歷程

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    相關(guān)報(bào)告：智研咨詢發(fā)布的《2019-2025年中國移動(dòng)通信行業(yè)市場全景調(diào)研及投資前景預(yù)測報(bào)告》

    根據(jù)規(guī)劃，高速率、大連接、低時(shí)延將是5G的顯著特征，具體性能需要達(dá)到：1）支持0.1-1Gbps的用戶使用速率；2）單位平方公里連接數(shù)量達(dá)到百萬級；3）毫秒級的端到端時(shí)延；4）滿足超過500公里時(shí)速狀態(tài)下的通信；5）峰值速率需要達(dá)到10Gbps；6）單位平方公里內(nèi)的流量密度需要達(dá)到30Tbps。

5G需要達(dá)到的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

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    為了達(dá)到上述高標(biāo)準(zhǔn)，5G需要使用一系列新技術(shù)，主要包括毫米波通信、小基站技術(shù)、MassiveMIMO與波束成形技術(shù)、新型多載波技術(shù)、SND與NFV技術(shù)等。

    智能機(jī)出貨趨緩&集中度提升：2009-2012年，功能機(jī)向智能機(jī)轉(zhuǎn)變，智能機(jī)的滲透率逐步提升促進(jìn)了手機(jī)整體的銷量。2013-2016年，智能手機(jī)外觀及硬件升級，手機(jī)的創(chuàng)新升級引領(lǐng)新一輪增長；2016年-至今，智能手機(jī)增長乏力，2018年，全球智能手機(jī)出貨量為14.04億部，同比下滑4.04%。品牌集中度持續(xù)提升：蘋果、華為、OPPO、VIVO、小米等前六品牌廠商市場份額持續(xù)提升，從2014年的73%提升至2018年的85%。
靜待5G換機(jī)潮：5G牌照已經(jīng)發(fā)放，預(yù)計(jì)從2019年開始5G手機(jī)將逐步上市，5G換機(jī)潮也將逐步展開。

全球智能手機(jī)出貨量增長情況

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    2019年全球5G智能手機(jī)出貨量估計(jì)將達(dá)到200萬部，2025年，將達(dá)到15億部，年均增長率超過250％。2020年之后，5G手機(jī)滲透率將快速提升。

5G全球手機(jī)出貨量預(yù)估（億部）

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    二、射頻前端的發(fā)展變革

    通信發(fā)展對射頻要求提升：在手機(jī)輕薄化趨勢下，內(nèi)部的硬件空間越來越小，通信的復(fù)雜化及手機(jī)功能的多樣化使得射頻元件數(shù)量越來越多。射頻前端(RFFE)有朝向模塊化、設(shè)計(jì)更簡化的發(fā)展趨勢，由于射頻前端器件的材料多為GaAs，無法于主芯片集成，只能做出單獨(dú)的模塊。目前手機(jī)廠商大多選擇搭配多個(gè)射頻前端小模塊，未來射頻前端可能會(huì)以單獨(dú)一個(gè)模塊的形式集成在手機(jī)內(nèi)。

    濾波器負(fù)責(zé)TDD系統(tǒng)接收通道的射頻信號濾波，直接與通信頻段相關(guān)，5G相比于4G，其頻段更高，因此5G時(shí)代采用的濾波器也將大幅升級。在智能手機(jī)射頻前端中，SAW/BAW濾波器憑借優(yōu)良頻帶選擇性、高Q值、低插入損耗等特性成為射頻濾波器的主流技術(shù)。SAW濾波器集低插入損耗和良好的抑制性能于一身，不僅可實(shí)現(xiàn)寬帶寬，其體積還比傳統(tǒng)的腔體甚至陶瓷濾波器小得多。但SAW濾波器也有局限性，一般只適用于1.5GHz以下的應(yīng)用。另外它也易受溫度變化的影響，當(dāng)溫度升高時(shí)，其基片材料的剛度趨于變小、聲速也降低。高于1.5GHz時(shí)，TC-SAW和BAW濾波器則更具性能優(yōu)勢。BAW濾波器的尺寸還隨頻率升高而縮小，這使得它非常適合要求非?？量痰?G、4G以及5G應(yīng)用。

    手機(jī)射頻（RF）前端模塊和組件市場發(fā)展迅猛：據(jù)統(tǒng)計(jì)，2G制式智能手機(jī)中射頻前端芯片的價(jià)值為0.9美元，3G制式智能手機(jī)中大幅上升到3.4美元，支持區(qū)域性4G制式的智能手機(jī)中射頻前端芯片的價(jià)值已經(jīng)達(dá)到6.15美元，高端LTE智能手機(jī)達(dá)到12-15美元。手機(jī)射頻（RF）前端模塊和組件市場發(fā)展迅猛， 2017年其市場規(guī)模為150億美元，預(yù)計(jì)到2023年將達(dá)到350億美元，復(fù)合年增長率為14%。濾波器的市場空間將從2017年的80億美金快速成長至2023年的225億美金，復(fù)合增速達(dá)到19%。

通信發(fā)展對射頻要求提升

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濾波器需求拉動(dòng)RFFE市場規(guī)模增長1.3倍

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單機(jī)射頻前端價(jià)值量明顯提升（美元）

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    在5G時(shí)代，高頻通信增加，大多使用2.5GHz以上頻段，為了抑制外界噪音與不同信道之間的干擾，提供更優(yōu)通信體驗(yàn)，高性能濾波器的整體市場需求將大大增加。傳統(tǒng)陶瓷介質(zhì)濾波器因?yàn)樵诟哳l時(shí)性能會(huì)出現(xiàn)大幅度下降，選擇性隨頻率增高下降。TC-SAW與BAW濾波器解決了傳統(tǒng)濾波器在高頻時(shí)出現(xiàn)的問題，并且TC-SAW在傳統(tǒng)SAW濾波器的基礎(chǔ)上經(jīng)過表面鍍膜，減少了濾波器在工作溫度升高時(shí)出現(xiàn)的局限性。BAW濾波器目前是高頻領(lǐng)域最好的選擇，但是受制于目前價(jià)格較高，只有少數(shù)頻段選擇使用。

    因此， 5G時(shí)代SAW與BAW濾波器會(huì)出現(xiàn)高低互補(bǔ)。SAW濾波器因其成熟的工藝與成本優(yōu)勢將在低頻范圍繼續(xù)大放異彩，而在3GHz-6GHz需要用到性能更優(yōu)異但價(jià)格更高的BAW濾波器?？傮w看來，5G因通信頻率更高，終端廠商需要兼顧性能與成本的情況下會(huì)采用SAW/BAW合用的形式。

    對于PA芯片，在2G時(shí)代，PA主要采用硅材料的產(chǎn)品；到3G和4G時(shí)代，PA以砷化鎵（GaAs）為主流材料。進(jìn)入5G時(shí)代，高頻通信開始使得諸如SiC與GaN等性能更加優(yōu)異的第三代化合物半導(dǎo)體需求出現(xiàn)明顯增長。一方面，新的材料將帶來價(jià)值量的提升；另一方面，頻段數(shù)的增加也會(huì)導(dǎo)致PA用量提升，全球PA市場將迎來快速增長。全球PA市場預(yù)計(jì)到2020年將超過110億美金。

    5G大部分頻段在3GHz以上，甚至進(jìn)入毫米波頻段（30GHz以上），目前在6GHz以下主要是以GaAsHBT為主，28~39GHz頻段主要是以智能手機(jī)GaAsHEMT和基站用GaNHEMTs為主，而高頻毫米波段主要是以InPHBT以及GaNHEMT為主,以第三代化合物半導(dǎo)體材料為基的功率放大器市場規(guī)模將近一步擴(kuò)大。

    三、濾波器是射頻前端關(guān)鍵組件：濾波器進(jìn)入門檻高，國產(chǎn)突圍進(jìn)行

    國際大廠寡占：射頻前端的市場中，Skyworks、Qorvo、Avago和Murata四家公司占據(jù)了大部分的市場份額，相比于手機(jī)芯片市場國產(chǎn)芯片的崛起，射頻前端器件的領(lǐng)域目前主要由國外廠家主導(dǎo)，國內(nèi)的射頻廠商的差距主要在于技術(shù)、專利和制造工藝，主要的產(chǎn)品為相對簡單的手機(jī)天線、PA和較低端的濾波器；

    在智能手機(jī)射頻前端領(lǐng)域，濾波器的價(jià)值比重占到50%以上：主要包括SAW（聲表面波）濾波器和BAW（體聲波）濾波器。但SAW濾波器有局限性，最大的問題在于處理頻率高于1GHz時(shí)其選擇度下降，在頻率達(dá)到2.5GHz時(shí)，性能會(huì)迅速惡化。溫度升高時(shí)，其基片材料的剛度趨于變小、聲速也降低。所以SAW濾波器只能用于2.5GHz以下的GSM、CDMA和3G等標(biāo)準(zhǔn)頻帶，以及部分4G頻帶。

    BAW濾波器在高頻中使用更佳：BAW濾波器的尺寸隨頻率升高而縮小，這使它非常適合要求非?？量痰?G和4G應(yīng)用。此外，還有另一個(gè)優(yōu)秀的特性，那就是其邊緣斜率極高和抑制能力優(yōu)秀，這使得它非常適用于上行和下行鏈路隔離極小以及相鄰頻帶高度擁擠但又需要衰減的情況，所以在載波聚合領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

    美國和日本壟斷濾波器行業(yè)：從濾波器的全球競爭格局上看，美國和日本基本壟斷了整個(gè)行業(yè)。在SAW濾波器領(lǐng)域，日本企業(yè)Murata、TDK和TaiyoYuden合計(jì)占據(jù)市場80%以上的份額；在BAW濾波器領(lǐng)域，Broadcom（博通）/Avago和Qorvo兩家廠商占據(jù)市場90%以上的份額。

主要廠商濾波器布局情況

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    國內(nèi)廠商積極布局，逐步突圍：在國內(nèi)，SAW濾波器廠商有麥捷科技、中電二十六所、中電德清華瑩、華遠(yuǎn)微電和無錫好達(dá)電子，BAW濾波器領(lǐng)域暫時(shí)只有部分研究所處于研發(fā)階段其中，國內(nèi)廠商麥捷科技等廠商生產(chǎn)的SAW濾波器已經(jīng)開始逐步批量出貨至華勤、聞泰二線廠商，并正在積極向市場推廣逐步實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)突圍。

SAW濾波器市場份額

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BAW濾波器市場份額

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    四、手機(jī)功能多樣化，流量增長刺激射頻天線產(chǎn)品升級

    天線是接收和發(fā)射電磁波的元器件，是手機(jī)等終端的核心部件：在3G時(shí)代，iPhone3G/3GS采用FPC架構(gòu)天線；穿透手機(jī)塑料外殼發(fā)射和接受信號；

    iPhone4/4S采用玻璃后蓋和金屬邊框，邊框采用分段設(shè)計(jì)，邊框不僅起到了機(jī)身框架的作用，同時(shí)還是手機(jī)的無線天線（后來的iphone6也是采用了分段式的設(shè)計(jì)）。

    iPhoneX時(shí)蘋果首次使用LCP（液晶聚合物）天線，用于提高天線的高頻高速性能并減小空間占用。隨著形態(tài)的改變和設(shè)計(jì)難度的提升，天線的價(jià)值量也在提升。

iPhone手機(jī)天線結(jié)構(gòu)變遷

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    五、天線的技術(shù)革新是推動(dòng)無線連接向前發(fā)展的重要引擎

    天線材料升級：LCP（液晶聚合物材料）作為一種新材料：1）具有低介電常數(shù)(Dk=2.9)、低介電損耗(Df=0.0010.002)的特質(zhì)；2）可塑性高，LCP高溫時(shí)溶體的流動(dòng)便會(huì)變得像水一樣，這一特性使得LCP更容易成型薄壁小型化的一些連接器制件；3）LCP天線還可以代替部分射頻連接器，符合手機(jī)內(nèi)部凈空減少的趨勢。

    設(shè)計(jì)難度升級：全面屏的使用減少了可用于天線的空間，天線面積縮小高達(dá)50％，屏幕頂部和底部的邊框從高度7-8毫米減少到3-4毫米，有的甚至更小。

    由于長寬比變化，手機(jī)也變得越來越窄，因此天線必須更短。天線面積和長度的減小都會(huì)影響天線的性能，這使得特定頻段的效率優(yōu)化變得更加困難。
天線正朝著高度集成化、復(fù)雜化的方向發(fā)展:射頻復(fù)雜性的提高使得天線數(shù)量有所增加，接近手機(jī)可達(dá)到的實(shí)際極限。從智能手機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)上也可以看出，5G需求更高的數(shù)據(jù)速率，需要更多的天線，以使用多種方式來提供，包括多頻帶載波聚合、4x4LTEMIMO與Wi-FiMIMO，天線的典型數(shù)量也將從4G手機(jī)的4-6根增加到8-10根，甚至更多，但天線可用空間在縮小。

    手機(jī)天線量價(jià)齊升：MIMO(多重輸入多重輸出)需要收發(fā)兩端配置多個(gè)天線單元。通過增加天線數(shù)量，獲得更大的信道自由度（除時(shí)域和頻域外，增加大量空域自由度）；2019年國內(nèi)的通信以sub6Ghz為主，手機(jī)端天線的配置為以4x4為主；手機(jī)的天線結(jié)構(gòu)及數(shù)量的改變主要在2020年及以后。

5G帶動(dòng)天線投資邏輯圖

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    基站天線是通信信號收發(fā)的關(guān)鍵設(shè)備，通常來講主要由四個(gè)部分構(gòu)成：保護(hù)內(nèi)部組件的天線罩、用來發(fā)射信號的輻射單元（天線振子）、作為底板以及反射輻射信號的反射板、用來功率分配的饋電網(wǎng)絡(luò)。從1G時(shí)代的全向天線，到2G時(shí)代的定向天線，再到3G時(shí)代的多頻段天線，再到4G時(shí)代的MIMO天線，基站天線技術(shù)一直在不斷演進(jìn)。整體而言，基站天線的演進(jìn)過程就是從單個(gè)陣列的天線，到多陣列再到多單元；從無源到有源的系統(tǒng)；從簡單的MIMO到大規(guī)模MIMO系統(tǒng)；從簡單固定的波束到多波束。到了5G時(shí)代，因?yàn)?G通信使用了更高頻段、并采用高階MIMO、BeamForming技術(shù)，這就導(dǎo)致無論是宏基站還是微基站天線都將進(jìn)一步出現(xiàn)明顯技術(shù)升級。從目前可見的發(fā)展趨勢上看，基站天線呈現(xiàn)了兩大明顯的趨勢：第一，從無源天線到有源天線系統(tǒng)。第二個(gè)趨勢是天線設(shè)計(jì)的系統(tǒng)化和復(fù)雜化。

移動(dòng)通信基站天線的演進(jìn)及趨勢

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    從無源天線到有源天線系統(tǒng)：傳統(tǒng)的天線都是無源天線，本質(zhì)是一個(gè)金屬體。有源天線實(shí)在傳統(tǒng)的天線中增加有源器件，最為普遍的做法是在天線上增加放大器，可以有效增大輸入阻抗、降低諧振頻率從而達(dá)到展寬頻帶、增加接收靈敏度的目的。有源天線基站在有源天線概念進(jìn)行了擴(kuò)展，在天線部分加入RRU（RemoteRadioUnit，遠(yuǎn)端射頻模塊）部分，將整個(gè)RRU集成到天線中，放置于塔架上，通過CPRI（CommonPublicRadioInterface，通用公共無線電接口）與BBU（BuildingBasebandUnit，室內(nèi)基帶處理單元）連接。

    基站天線設(shè)計(jì)的系統(tǒng)化和復(fù)雜化：5G通信典型的技術(shù)就是大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、新型多址和全頻譜接入等，這些都對天線提出了很高的要求，它會(huì)涉及到整個(gè)系統(tǒng)以及互相兼容的問題，在這種情況下天線技術(shù)已經(jīng)超越了元器件的概念，逐漸進(jìn)入了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。與此同時(shí)，基站天線自身也更加復(fù)雜化，5G基站天線需采用MassiveMIMO技術(shù)，其關(guān)鍵在于波束成形、導(dǎo)頻干擾問題解決等。波束成形是MIMO的關(guān)鍵技術(shù)，通過這一技術(shù)，發(fā)射能量可以匯集到用戶所在位置，而不向其他方向擴(kuò)散，并且基站可以通過監(jiān)測用戶的信號，對其進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，使最佳發(fā)射方向跟隨用戶的移動(dòng)，保證在任何時(shí)候手機(jī)接收點(diǎn)的電磁波信號都處于疊加狀態(tài)。如果說4G時(shí)代的天線如同傳統(tǒng)燈泡，那5G天線就如同手電筒，因?yàn)?G工作于中高頻段，信號更加容易衰減，因此需要采用波束成形（BeamForming）的辦法。即使用整列天線系統(tǒng)控制每一個(gè)獨(dú)立天線振子的發(fā)射（或接收）信號的相位和信號幅度，以便產(chǎn)生多束具有高度指向性的波束，這樣會(huì)使能量更加集中，提升天線傳輸增益，以便補(bǔ)償傳播過程中的損耗。此外，因?yàn)樘炀€的尺寸與其所工作的頻率成正比，因此5G使用波長更短的高頻通信將使天線越來越小。

    基站天線從無源到有源，且更加系統(tǒng)化復(fù)雜化，對于生產(chǎn)基站天線廠商來說就是制造工藝升級，難度將變大。一般來講，4G時(shí)代的基站天線主要是定向天線（輻射角度固定），天線振子被固定在反射板上，反射板把輻射控制到單側(cè)方向，構(gòu)成扇形區(qū)域覆蓋天線。在5G時(shí)代天線主要變化在振子上，其余部件并無大的改進(jìn)。對于天線振子，從目前技術(shù)實(shí)現(xiàn)來看，改性塑料+LDS工藝，這種實(shí)現(xiàn)方式與傳統(tǒng)手機(jī)終端手機(jī)工藝相似，它使用改性塑料作為襯底，在此基礎(chǔ)上使用LDS激光鐳射雕刻電路在上方，形成天線振子。這種實(shí)現(xiàn)方式的天線振子通信性能好，體積與重量較小，成本也相對較低，有望成為未來5G整列天線主流方案。