淺析：5G基站濾波器

發(fā)布時間：2021-12-28作者來源：金航標瀏覽：3828

濾波器是基站射頻核心器件，濾波器過濾的是電磁波信號，只允許需要的信號通過，主要目的是為了解決不同頻段、不同形式的無線通訊系統(tǒng)之間的干擾問題。目前，主要的三類濾波器分別是金屬同軸腔體濾波器、金屬腔體+陶瓷介質(zhì)諧振桿濾波器和陶瓷介質(zhì)波導(dǎo)濾波器，后兩者的原材料均涉及陶瓷介質(zhì)。3G/4G時代以金屬同軸腔體濾波器為主。

工藝流程

采用高溫?zé)Y(jié)工藝，流程為：射頻/結(jié)構(gòu)設(shè)計—介質(zhì)粉末制造—噴霧造?！獕褐瞥尚汀獰Y(jié)—研磨—金屬化—制電極—調(diào)試等環(huán)節(jié)，其中，核心制造工藝主要包括粉體配方、壓制成型及燒結(jié)、金屬化和調(diào)試四大環(huán)節(jié)。

技術(shù)創(chuàng)新

3G到4G濾波器形態(tài)變化不大，主流產(chǎn)品是金屬腔體濾波器。5G時代Massive MIMO技術(shù)和有源天線的應(yīng)用驅(qū)使濾波器小型化和輕量化，濾波器行業(yè)面臨技術(shù)升級，金屬腔體向陶瓷介質(zhì)濾波器演進。華為在推進純介質(zhì)波導(dǎo)濾波器的應(yīng)用上最為激進，其他主設(shè)備商以半介質(zhì)或小型化金屬濾波器為主。

▌ 陶瓷介質(zhì)濾波器的生產(chǎn)工藝關(guān)鍵環(huán)節(jié)

陶瓷濾波器的生產(chǎn)技術(shù)難點在于一致性，陶瓷粉體材料的配方、生產(chǎn)的自動化以及調(diào)試的良率和效率都是濾波器生產(chǎn)的難點所在。

粉體制備：自有配方是企業(yè)競爭力之一。陶瓷粉體配方是決定濾波器性能好壞的關(guān)鍵因素，只有擁有好的材料配方才能獲得相應(yīng)的高Q值介質(zhì)陶瓷，酸堿控制不合理、雜質(zhì)等因素都將損害粉體質(zhì)量。

干壓成型：粉末干壓成型設(shè)備的自主化和生產(chǎn)工藝是核心競爭力之一。

干壓流程是將造粒好的粉料放入模具中，最終使其重排變形而被壓實，形成具有一定強度和形狀的陶瓷素胚。影響因素主要包括：粉體性質(zhì)、粘結(jié)劑和潤滑劑的選擇、模具設(shè)計、壓制過程中的壓制力、加壓方式、加速速度與保壓時間等。

燒結(jié)：燒結(jié)爐的自主化和生產(chǎn)工藝是核心競爭力之一。胚體在高溫作用下，最終形成堅硬的具有某種顯微結(jié)構(gòu)的多晶燒結(jié)體。燒結(jié)工藝決定了陶瓷的晶粒大小和密度高低，進而影響陶瓷的機械強度和極化，工藝的改進能顯著影響產(chǎn)品性能。

▌ 陶瓷介質(zhì)濾波器的生產(chǎn)工藝關(guān)鍵環(huán)節(jié)

CNC加工：生產(chǎn)工藝成熟的廠商可以跳過CNC加工環(huán)節(jié)，大幅提高生產(chǎn)時間。CNC加工即采用CNC數(shù)控機床進行磨削，[敏感詞]陶瓷介質(zhì)機體的尺寸精度。

金屬化：采用化學(xué)電鍍、噴涂、濺射、絲網(wǎng)印刷等工藝在陶瓷介質(zhì)基體上覆銀層，經(jīng)過烘銀爐燒銀，可使用激光設(shè)備調(diào)節(jié)鍍銀層。

調(diào)試：傳統(tǒng)腔體濾波器通過調(diào)節(jié)諧振桿進行調(diào)試，主要有回損參數(shù)、插損參數(shù)、帶外抑制參數(shù)等。

陶瓷濾波器的調(diào)試只能通過磨削，由于陶瓷打磨的不可逆性，產(chǎn)品的調(diào)試是影響產(chǎn)品良率和生產(chǎn)效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

▌ 陶瓷介質(zhì)濾波器在5G應(yīng)用中存在多方面優(yōu)勢

陶瓷介質(zhì)濾波器在小型化、輕量化、低損耗、溫度穩(wěn)定性、性價比上存在優(yōu)勢。

5G時期濾波器用量成倍增加，對器件尺寸、重量、發(fā)熱性能、價格提出更高要求。4G RRU重量在13-20kg之間，5GAAU重量在38-47kg之間，導(dǎo)致天面承重受到巨大挑戰(zhàn)。

陶瓷介質(zhì)的品質(zhì)因數(shù)Q值高，相對介電常數(shù)高，損耗小。根據(jù)電磁波的傳播特性，當電磁波從高介電常數(shù)的介質(zhì)進入低介電常數(shù)的介質(zhì)時，會在介質(zhì)分界面上發(fā)生發(fā)射和折射。當入射角大于或等于臨界角時，電磁波會發(fā)生全反射。介質(zhì)的介電常數(shù)越高，臨界角越小，在介質(zhì)表面容易形成磁壁，電磁場能量集中在諧振腔內(nèi)，輻射損耗小。介質(zhì)本身的損耗決定諧振器的Q值，Q=1/tanδ（δ是損耗角），Q值越高，電磁震蕩更容易維持下去。

陶瓷介質(zhì)相對介電常數(shù)[敏感詞]可達90以上，可大大縮小濾波器的體積和質(zhì)量，且不會降低濾波的性能。濾波器的尺寸與諧振頻率、材質(zhì)的相對介電常數(shù)有關(guān)，諧振頻率越高、相對介電常數(shù)越高，器件尺寸越小。介質(zhì)濾波器幾何尺寸為波導(dǎo)波長的一半。

陶瓷介質(zhì)材料比金屬材料輕且便宜。

▌ 基站濾波器行業(yè)壁壘

行業(yè)壁壘高：

認證壁壘。通過下游通信主設(shè)備商的認證并進行批量供貨需要經(jīng)過通信主設(shè)備商較長時間的考察、審核，供應(yīng)商一旦通過主設(shè)備商的認證，主設(shè)備商不會輕易考慮更換，但若跟不上技術(shù)革新，則可能被淘汰。（對自主研發(fā)能力和快速響應(yīng)能力要求高）

技術(shù)壁壘。濾波器從設(shè)計到生產(chǎn)制造需掌握多種學(xué)科領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，要生產(chǎn)出高性價比的產(chǎn)品，供應(yīng)商需要長時間的積累。

客戶信任。5G和物聯(lián)網(wǎng)時代，對萬物互聯(lián)的可靠性和安全性提出更高的要求和保障，系統(tǒng)集成商對供應(yīng)商的能力認證和信任更重要，將會謹慎選用新進入者。

資金壁壘。濾波器的生產(chǎn)設(shè)備包括模具加工設(shè)備、壓鑄機、數(shù)控加工中心、網(wǎng)絡(luò)分析儀等高價值設(shè)備，批量生產(chǎn)前期投入資金較多。應(yīng)對客戶的付款信用期也需要充裕資金。

基站濾波器行業(yè)市場空間

▌ 5G時代基站濾波器的挑戰(zhàn)和機遇

5G相比4G時代的基站結(jié)構(gòu)變化，對基站天線射頻端帶來增長空間

1）天線和射頻一體化集成AAU（天線+RRU=AAU）；

2）BBU拆分為CU（集中單元）和DU（分布單元）；

3）Massive MIMO天線的廣泛應(yīng)用要求射頻通道數(shù)大幅增加（從4G時代的平均2發(fā)2收變成未來主流的64發(fā)64收，以及32發(fā)32收或16發(fā)16收）

5G時代濾波器技術(shù)革新，新產(chǎn)品前期毛利率較高

▌ 5G宏基站容量測算

電磁波在空間中的傳輸遵循如下公式：

傳輸損耗=20LogF+20LogD+32.4

其中，F(xiàn)是電磁波的頻率，D是傳輸距離。

核心假設(shè)：

（1）4G頻率按2.4GHz，5G頻率按3.5GHz測算（2）基站是通過蜂窩的形式覆蓋的，近似以圓形來模擬（3）5G信號達到4G相同的覆蓋。

主要結(jié)論：

（1）4G基站覆蓋距離是5G基站的1.5倍

（2）4G基站覆蓋面積是5G基站的2.1倍

（3）達到4G相同的覆蓋，5G基站數(shù)量是4G的2倍

▌ 基站濾波器市場空間詳細測算：量價齊升

假設(shè)前提：基于國信證券對未來幾年5G基站建設(shè)數(shù)量的預(yù)測。

2018年是4G建設(shè)的第6個年頭，4G建設(shè)高峰期發(fā)生在2014-2016年，每年建設(shè)基站近百萬。按照三大運營商合計口徑，2018年4G基站數(shù)已超過450萬個。

2019年為5G建設(shè)元年，預(yù)計2021至2023年達到高峰期，每年新增5G基站超過100萬，僅基站側(cè)投資就達到2000-3000億元。

市場空間推算：

5G時代濾波器的市場空間=基站數(shù)x單基站濾波器用量（即單基站通道數(shù)量）x單通道濾波器價格

4G時代濾波器的市場空間=基站數(shù)x單基站使用濾波器的價格（天面數(shù)x單天面對應(yīng)價值量）

基站數(shù)：國內(nèi)4G基站數(shù)約450萬個，全球4G基站數(shù)約為國內(nèi)2倍，約900萬個。按1.2倍保守計算，5G國內(nèi)基站總數(shù)約540萬個（建設(shè)周期2019-2025年），同期全球基站數(shù)約1080萬個。按1.5倍計算，5G國內(nèi)基站總數(shù)約675萬個，同期全球基站數(shù)約1350萬個。

4G濾波器市場空間：單基站3面天線，每面天線對應(yīng)的濾波器價值量目前為800-1000元，假設(shè)前期每年降價幅度20%，算得，國內(nèi)4G濾波器市場空間約214.83億元，全球市場空間約429.66億元。

5G濾波器市場空間：5G高容量熱點場景的主流方案是64T64R，即64個通道，則一個基站3面天線，192個通道。預(yù)計當前價格約50元/單通道，且隨著工藝水平和調(diào)試水平的進步，價格有望進一步下降，假設(shè)在5G濾波器供應(yīng)期間的濾波器單價每年降幅10%。算得，國內(nèi)5G濾波器市場空間為372.21億元（是4G的1.73倍），全球市場約735.50億元（是4G的1.71倍）。

▌ 基站濾波器市場空間詳細測算：量價齊升

市場空間推算

基站濾波器產(chǎn)業(yè)鏈上下游分析

產(chǎn)業(yè)鏈分析：

傳統(tǒng)金屬射頻濾波器行業(yè)上游是射頻金屬元器件和結(jié)構(gòu)件提供商，行業(yè)集中度較低。5G時代上游原材料從金屬材料向陶瓷粉體轉(zhuǎn)變，陶瓷粉體配方直接影響濾波器的性能，因此自有成熟配方是濾波器廠商的核心競爭力之一，也有助于降低成本。

2000年之前，微波陶瓷的核心生產(chǎn)技術(shù)主要掌握在日本和美國手中，目前，國內(nèi)廠商已經(jīng)掌握了陶瓷粉體的生產(chǎn)工藝，尚屬起步階段。

▌ 基站濾波器產(chǎn)業(yè)鏈分析

產(chǎn)業(yè)鏈分析：

行業(yè)下游是通信設(shè)備集成商，產(chǎn)品由主設(shè)備商集成后交付給運營商。運營商CAPEX決定行業(yè)發(fā)展進度，主設(shè)備商影響上游行業(yè)競爭格局。

從投資周期來看，每一代移動通信網(wǎng)絡(luò)以10年為周期迭代商用，我國5G預(yù)計將于2020年大規(guī)模商用，目前正處于4G末期，并逐步向5G過渡，預(yù)計4G和5G將并存一段時間。從我國5G基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)節(jié)奏來看，預(yù)計2019年是行業(yè)產(chǎn)能爬坡階段，2020年是行業(yè)投資放量的起點，2021-2023年是5G投資建設(shè)的高峰期。

從主設(shè)備商的生態(tài)格局來看，每家主設(shè)備商根據(jù)自己的技術(shù)路線培養(yǎng)自己的供應(yīng)商體系，在通信設(shè)備行業(yè)各細分領(lǐng)域會選擇3-4家核心供應(yīng)商，決定了上游濾波器行業(yè)的競爭格局。隨著技術(shù)革新和優(yōu)勝劣汰，新一輪通信周期來臨時上游供應(yīng)商行業(yè)競爭格局面臨洗牌。