射频芯片研究系列一：天线调谐器：受益5GMIMO与全面屏趋势，行业景气提升.pdf

识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 1 / 15 Table_Page 行业专题研究 |半导体 2020 年 7 月 15 日 证券研究报告 Table_C ontacter 本报告联系人： Table_Title 射频芯片研究系列一 天线调谐器：受益 5G MIMO 与全面屏趋势，行业景气提升 Table_Author 分析师： 许兴军 分析师： 王亮 SAC 执证号： S0260514050002 SAC 执证号： S0260519060001 SFC CE.no: BFS478 021-60750532 021-60750632 xuxingjungf gfwanglianggf 请注意，许兴军并非香港证券及期货事务监察委员会的注册持牌人，不可在香港从事受监管活动。 Table_Summary 核心观点 ： 天线调谐器：提高天线效率的重要射频芯片 。 天线调谐器是连接射频收发机芯片与天线的一种阻抗匹配网络，由调谐开关与调谐组件构成。为了克服因天线面积和效率降低所导致的问题，手机中主要采用孔径调谐法。中高档智能手机使用孔径和阻抗调谐组合方法，以支持不断扩大的频段范围 。 需求侧：受益 5G 天线数目增多与全面屏趋势，行业景气度 提升 。 天线调谐器作为改善天线的传输功率关键器件，其需求与 手机 天线 数目 紧密相关。全面屏屏占比的提升进一步挤压天线空间，降低天线效率 ，同时 5G 通信趋势下天线空间持续挤压以及 MIMO 技术应用将带动天线调谐器需求快速提升。根据 Yole Development 数据显示，天线调谐器的市场规模将从 2018 年 5.14 亿美元增长至 2025 年的 12.25 亿美元，年复合增长率高达13%。 供给侧：多环节受益景气提升，代工具备替代可能性 。 天线调谐器以 RF-SOI 工艺和 QFN 封装型式为主，在行业景气度提升以及国产替代趋势下，国内设计企业卓胜微、迦美信芯逐渐实现大客户导入， SMIC-Lfoundry 以及华虹宏力具备主流工艺节点代工实力，国内封测厂商均具备 QFN 封测实力。伴随需求提升和产能转移，国内产业链多环节受益明显 。 投资建议 。 我们认为， 从 IC 设计端来看，国内企业同国际差距逐渐减小，相关优质企业有望受益国产大客户 积极推进国产 替代。 从 代工端来看，天线调谐器工艺以 RF-SOI 为主，国内部分代工厂商具备主流工艺节点替代可能性，有望逐渐满足国内设计企业代工产能需求。建议关注国内领先 射频前端芯片 设计企业卓胜微 。 风险提示。 智能手机出货量持续下滑风险； 5G 技术进度和渗透率不达预期；因肺炎疫情导致的需求和供给侧不确定性风险 。 Table_Report 相关研究 ： 半导体国产替代系列十二 :5G 浪潮来袭，滤波器需求与替代的成长旋律 2020-02-21 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 2 / 15 Table_PageText 行业专题研究 |半导体 Table_impcom 重点公司估值和财务分析表 股票简称 股票代码 货币 最新 最近 评级 合理价值 EPS(元 ) PE(x) EV/EBITDA(x) ROE(%) 收盘价 报告日期 （元 /股） 2020E 2021E 2020E 2021E 2020E 2021E 2020E 2021E 卓胜微 300782 CNY 521.91 2020/06/01 买入 455.56 4.56 7.23 99.90 63.01 103.58 65.65 33.33 29.68 数据来源： Wind、广发证券发展研究中心 备注 ：表中估值指标按照最新收盘价计算 ，卓胜微股本发生变动 ，当前总股本为 1.8 亿股 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 3 / 15 Table_PageText 行业专题研究 |半导体 目录索引 一、天线调谐器：提高天线效率的重要射频芯 片 . 5 （一）天线调谐器是提升天线性能的关键器件 . 5 （二）天线调谐器由调谐开关与调谐组件构成 . 6 二、需求侧：受益 5G 天线数目增多与全面屏趋势 . 7 （ 一 ）边际变化一： 空间缩小天线效率降低，调谐器成标配器件 . 8 （二）边际变化二： MIMO 技术应用，受益天线数目提升 . 9 三、供给侧：受益行业景气提升，代工具备替 代可能性 . 10 （一）代工端： RF-SOI 为主流工艺，国内具备主流节点替代能力 . 10 （二）设计端：受益行业景气提升与国产替代加速 . 12 四、投资建议 . 12 五、风险提示 . 13 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 4 / 15 Table_PageText 行业专题研究 |半导体 图表索引 图 1：射频前端基本构造示意图 . 5 图 2：天线调谐分类：阻抗调谐与孔径调谐 . 6 图 3：天线调谐器架构 . 6 图 4： Skyworks 传统天线调谐器 . 6 图 5：天线调谐器市场规模驱动因素 . 7 图 6：射频前端与连接器市场规模预测 . 7 图 7：天线调谐器市场空间预测 . 8 图 8：天线调谐器出货量预测 . 8 图 9：天线尺寸缩小降 低天线效率和带宽 . 8 图 10：历年 iphone 主流机型天线阶数变化 . 9 图 11： 5G 智能手机天线数目显著增多 . 10 图 12：射频前端芯片采用工艺汇总 . 11 图 13：射频开关与调谐器不同工艺出货量占比 . 11 表 1：代工厂商 RF SOI 节点分布 . 11 表 2：全球天线调谐器开关设计企业 . 12 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 5 / 15 Table_PageText 行业专题研究 |半导体 一、天线调谐器：提高天线效率的重要射频芯片 （一）天线调谐器是提升天线性能的关键器件 天线调谐器是连接射频收发机芯片与天线的一种阻抗匹配网络。由于天线输入阻抗随频率会发生变化， 而发射机输出阻抗 （接收机输入阻抗） 是一定的，若发射机与天线直接连接，当发射机频率改变时，发射机与天线之间阻抗不匹配，就会降低辐射功率。 因此为实现较大辐射功率，往往需要天线调谐器实现天线与后续电路的阻抗匹配（一般为 50阻抗匹配）。 图 1： 射频前端基本构造示意图 数据来源： Qualcomm官网 ， 广发证券发展研究中心 天线的辐射模式和效率取决于天线的尺寸、形状、外壳、与金属的接触程度以及接地层的形状和大小。未调谐天线的效率低于经过调谐的天线 ， 调谐天线的效率越高，意味着它具有更高的辐射功率和更大的范围。智能手机可以使用两种方法进行天线的调谐，阻抗调 谐 （ Impedance Tuner）和孔径调 谐 （ Aperture Tuner）。 1. 阻抗 调谐 ： 阻抗调谐将天线的阻抗与射频前端的阻抗匹配，从而优化传送到天线的功率，通过优化匹配同样可达到改善总发射功率（ TRP）和总全向灵敏度 （ TIS）的目的。 阻抗 调谐易于实现，但可调谐频率范围有限。 2. 孔径 调谐： 孔径调谐 在天线与 地之间连接一个开关，改变天线有效电长度调节天线的谐振频率，以匹配手机通信当前使用的频率。在开关和和辐射元件之间添加不同数值的调谐元件（电容或电感），可实现谐振频率的调解以支持不同频段通信的需求。 为了克服因天线面积和效率降低所导致的问题，手机中主要采用孔径调谐法。中高档智能手机使用孔径和阻抗调谐组合方法，以支持不断扩大的频段范围 。伴随着 5G通信频率提升，信号传播衰减加剧对天线发射功率和全向灵敏度提出更高要求，预计 孔径和阻抗调谐组合方法 将逐渐成为主流天线调谐方式。 T u n e rS w i t c hD i p le x e rS w i t c hS w i t c hF i lt e r sF i lt e r sPAL N AM o d e m T r a n s c e i v e r 发射链路接收链路识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 6 / 15 Table_PageText 行业专题研究 |半导体 图 2： 天线调谐分类： 阻抗调 谐与 孔径调 谐 数据来源： Peregrine Semiconductor， 广发证券发展研究中心 （二）天线调谐器由调谐开关与调谐组件构成 在元件组成上，天线调谐器主要由调谐开关（低损耗射频开关与偏置控制电路）和调谐组件（高品质因数电容电感无源器件）组成。两模块实现功能不同，电容电感取值取决于天线的物理参数，因此天线调谐开关与电容电感多采用分立设计方法，天线调谐开关由射频前端芯片供应商提供，例如 Skyworks和 Qorvo，电容电感由无源器件制造商提供，例如 Murata。 调谐开关： 天线调谐开关由射频开关、偏置电路以及数字控制电路组成，设计的核心在于实现低导通状态电阻 Ron与低断开状态电容 Coff的开关以最小化系统损耗，因此利用工艺特性是调谐开关设计优化的重要思路，目前主流工艺为 RF SOI工艺。同时单个天线调谐开关需要使用 2G/3G/4G/5G的通讯频率范围，因此需要多个射频开关，目前主流应用类型为 SP4T和 DP4T。 调谐组件： 调谐器件由高品质因数的电容、电感器件组成，在调谐开关与天线间使用电容电感，可以进一步调节谐振频率，以满足不同频段通信的需求。 图 3： 天线调谐器架构 图 4： Skyworks传统天线调谐器 数据来源： Qorvo， 广发证券发展研究中心 数据来源： Skyworks， 广发证券发展研究中心 A n te n n a T u n i n g阻抗调谐 孔径调谐R FF ER FF EA p e r t u r e T u n i n g E l e m e n tI m p e d a n c eT u n i n g E l e m e n t孔径 & 阻抗调谐A p e r t u r e T u n i n g E l e m e n tI m p e d a n c eT u n i n g E l e m e n tR F F ER FF EP IF A A n te n n aS w i tc hNetw orkA pe r ture T un erIm pedan c e T uner传统 孔径调谐开关S P 4 T传统阻抗 调节开关S P 4 T识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 7 / 15 Table_PageText 行业专题研究 |半导体 二、需求侧：受益 5G 天线数目增多与全面屏趋势 天线调谐器的应用目的是改善天线的传输功率，因此其需求与天线紧密相关。一方面天线传输功率受应用场景影响，在实际应用中衣物手掌的遮挡均会影响天线的功率。 与此同时，智能手机外壳现多采用手感、外观更好的金属外壳，一定程度上 也 会造成对射频信号的屏蔽 。另一方面，全面屏可以提供消费者更好的手机外观以及娱乐体验，成为目前中高端智能手机的主流方案，屏占比的提升会进一步挤压天线空间，降低天线效率。同时 5G通信对于传输速率提出了更好的需求，因此多天线发射接收的 MIMO技术得到，天线调谐器作为改善天线功率的关键器件，其需求量成比例 提升。 图 5： 天线调谐器市场规模驱动因素 数据来源： Qorvo， Criterion， 广发证券发展研究中心 展望未来，我们认为 5G通信趋势下天线空间持续挤压以及 MIMO技术应用将带动天线调谐器需求快速提升。 根据 Yole Development数据显示，天线调谐器的市场规模将从 2018年 5.14亿美元增长至 2025年的 12.25亿美元，年复合增长率高达 13%。同时我们认为 2020-2021的早期增速有望高于年复合增速，主要原因为终端厂商早期技术不成熟，为满足 5G通讯速率需求，天线数目以及射频前端系统复杂度有望陡峭提升，天线调谐器需求旺盛。天线调谐器相比天线成本较低，为尽可能提升天线传输功率，孔径调谐与阻抗调谐组合的方式有望成为标配。 图 6： 射频前端与连接器市场规模预测 数据来源： Yole 2018， 广发证券发展研究中心 M I M O C A频段数目增多5G 、消费电子变革对 5G 手机天线提出更高设计需求多天线全面屏工业设计困难应用场景复杂影响信号功率提高天线效率降低非匹配损失切换通讯频段滤波器双工器天线调谐器开关 &L NA功率放大器PAA2018 2025595 8$M10420925 1734514 12253088 5140射频前端 & 连接器 15001 25844CA G R8 %9%8 %13%8%封装天线 35 1332 68%2015 3096 6%连接模块2500 2898 2%接收机模块识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 8 / 15 Table_PageText 行业专题研究 |半导体 图 7： 天线调谐器市场空间预测 图 8： 天线调谐器出货量预测 数据来源： Yole 2018， 广发证券发展研究中心 数据来源： Yole 2018， 广发证券发展研究中心 （ 一 ）边际变化一 ： 空间缩小天线效率降低 ，调谐器成标配器件 天线效率在智能手机的整体 RF 性能中发挥着至关重要的作用。然而，当前的 RF 需求（尤其是即将过渡至 5G）以及智能手机工业设计的广泛趋势，意味着智能手机必须要将更多的天线安装到更小的空间内 。因此天线尺寸不断缩小。不断缩小的天线尺寸会降低天线效率，导致发射机（ Tx）和接收机（ Rx）性能降低，电池续航时间缩短以及连接信号较低等问题。 全球智能手机进入存量博弈时代，随着智能手机创新力度和深度的减弱，消费者的换机需求下降，直接拉长了用户换机周期，行业产业链相关的企业也进入存量博弈时代。在竞争压力加剧情况下，品牌厂商希望能够推出差异化的竞争产品来增强消费者的黏性、加快消费者的换机周期等。 全面屏、多摄像头、大面积指纹识别均作为差异化功能得到推广，但也使手机内的可用空间进一步缩小 。 因此天线效率受到多方面影响，主要包括： 1、 将更多天线设计在更小的空间内意味着天线尺寸进一步减小，导致效率降低。 2、 空间 缩小导致天线与屏幕边缘之间距离缩小，导致效率进一步降低。 3、 更多小尺寸天线导致手机对手握位置等环境变化更为敏感，导致效率降低以及频率响应的偏移。 图 9： 天线尺寸缩小降低天线效率和带宽 数据来源： Qorvo， 广发证券发展研究中心 0%5%10 %15 %20 %2 5 %0 . 02. 04 . 06. 08. 010 .012 .01 4 .0（亿美元）A nte nn a T un ers 市场规模 同比（右轴）010203040506070809010 0（亿出货量）A pe r tu r e Tune r Im pe d an c e Tu ne r频率（ GHz ）0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 . 0 1 . 1 1 . 31 . 2- 20- 15- 10- 50天线效率（dB）工业设计变化识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 9 / 15 Table_PageText 行业专题研究 |半导体 天线调谐器成必须元器件以满足宽频率范围工作需求。 天线的 尺寸、带宽与效率存在权衡折中设计，早期 2G通讯频率较低，天线尺寸较大，因此可以通过牺牲一定效率获取较宽带宽。 伴随着手机内部空间降低以及通讯频率提升，缩小尺寸的天线仅可以在较窄频率范围内达到所需效率水平，因此为满足较宽频率范围内工作的需求，天线调谐器成为全面屏手机天线设计的必须元件，以孔径调节为主，在中高档智能手机使用孔径和阻抗调谐组合方法以提升最优的通信质量。 （二）边际变化二 ： MIMO 技术应用， 受益 天线数目提升 天线是射频器件的一种，用于接收和发射电磁波，是手机射频系统的重要组成部分。手机中不同天线控制不同功能，近年来手机中的天线数量伴随着手机的功能复杂化呈现不断上升的趋势 。 MIMO技术是一种描述多天线无线通信 系统的模型，即利用射频发射端的多个天线各自独立发送信号，同时在接收端用多个天线接受并复原信息。 MIMO技术通过增加基站和手机终端天线数量达到传输信道增加的目的，对应的手机天线数也将从目前的 2根或 4根向 8根甚至 16根演进，与此同时， WiFi、蓝牙、 GPS、 NFC等功能的实现也需要对应的天线，原有天线同样全部保留，单机天线数量明显增加。 以 iPhone为例，天线阶数逐年上升， 18年发布的 iPhone XS/XS Max开始使用4x4 MIMO。 目前 2x2MIMO是主流配置， 2017-2018年期间 4x4 MIMO开始商用，以iPhone为例， 15年苹果发布的 iPhone 6s开始使用 2x2 MIMO技术，但是仅于 Wifi天线； 16年苹果发布的 iPhone 7开始在 LTE天线使用 2x2 MIMO技术， 18年的iPhoneXS/XS Max则开始使用 4x4 MIMO，从而实现更快的数据传输速度。 图 10： 历年 iphone主流机型天线阶数变化 数据来源： 苹果官网 ， 广发证券发展研究中心 安卓手机以华为为例，华为 2019年发布的 Mate 30手机的 5G版本内部集成了 21根天线，其中 14根天线用于 5G连接，相比与 4G的天线数量大幅增加，价值量也大幅增加。 传统的 4G手机往往需要 4-6根天线，主要用于 4 4MIMO或 2 2MIMO的 4G通讯、 2 2 MIMO的 WIFI连接以及 GPS/GLONASS连接，而到了 5G智能手机单机天线数目将高于 11根，除原天线数目外，不考虑 LAA非授权频段的话，短期内（不考虑毫米波频段）有望新增 5G LB、 HB+MB、 UHB频段，同时 WIFI连接速率也有望得到提升升级至 4 4 MIMO型式，因此天线数目将新增 5根（ 5G新增 3+WIFI新增 2）iP h o n e 7 iP h o n e XiP h o n e 8 iP h o n e Xs天线阶数连接与共享W L A N 功能2 2 MIM O 2 2 MIM O 2 2 MIM O 4 4 MIM OV o L T E 、 NFC 、蓝牙 4.2 、 MIMOW LA N 热点、蓝牙 5 .0 、 NFC双频 W IFI 、 IE E E 80 2.1 1 a/b /g/ n/a cNFC 、蓝牙 5 . 0 、MIMOW LA N 热点、蓝牙 5.0 、支持读卡器模式的 NFC双频 W IFI 、 IE E E 80 2.1 1 a/b /g/ n/a c双频 W IFI 、 IE E E 80 2.1 1 a/b /g/ n/a cIE E E 8 0 2 .1 1 a c（支持 W I F I 2 2 MIMO ）识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 10 / 15 Table_PageText 行业专题研究 |半导体 至 14根（ 5G新增 3 4+WIFI新增 2）。 不同于 4G机型天线调谐器主要用于低频段， 5G智能手机 天线数目的增加 和天线 空间持续受到挤压 将推动天线调谐器 的需求增长 ， 因此 预计 5G智能手机单机天线调谐器需求量至少为 4G智能手机的 2-3倍。 图 11： 5G智能手机天线数目显著增多 数据来源： Qorvo， 广发证券发展研究中心 三、供给侧：受益 行业 景气提升，代工具备替代可能性 从供给侧来看，国内半导体各产业链受益行业景气提升明显。设计端来看， 国内射频前端设计企业 虽然 起步较晚， 但同国际差距逐渐减小，相关优质企业有望受益国产大客户的替代需求。代工端来看，天线调谐器工艺以 RF-SOI为主，国内具备该工艺布局的仅为 中芯国际 Lfoundry（ 2019年已出售） 以及 华虹宏力 ， 国内代工厂商具备 主流工艺节点 替代可能性，有望逐渐满足国内设计企业代工产能需求 。封测端来看，天线调谐器使用 QFN的基本封装型式（ 表面贴装型封装之一 ），国内封测厂商基本均有布局，因此封测厂商直接受益行业景气提升。 （一）代工端 ： RF-SOI 为主流工艺，国内具备主流节点替代能力 SOI（ Silicon-On-Insulator）技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层氧化埋层。通过在绝缘体上形成半导体薄膜， SOI材料具有了体硅所无法比拟的优点：可以实现集成电路 中元器件的介质隔离，彻底消除了体硅 CMOS电路中的寄生闩锁效应。 该工艺具备寄生电容小、 短沟道效应 小、速度快等优势。 不同于数字芯片应用的 FD-SOI工艺， RF SOI是专门用于制造智能手机和其他产品中的特定射频芯片（如开关和天线调谐器）的专用工艺。 在 4G通信时代， RF-SOI已经实现射频开关市占率的 95%。 相比 CMOS工艺，RF-SOI寄生效应小，可工作频率更高， 制造出来的射频 开关 芯片品质因数更高、损耗更低、噪声系数更好 。 相比传统的 GaAs与 RF MEMS工艺相比， RF-SOI工艺成本更低，同时可以很好的集成逻辑与控制电路，采用 RF-SOI工艺可以将同工艺 PA和控制功能集成在一颗芯片上，在降低成本的同时节省了 PCB的面积。因此 在天线射频开关（ RF-switch）中， SOI开关从 2010年的不到 20%市场份额增长至 2016年的 95%市场份额 。 展望 5G通信时代，由于 5G中低频段同 4G HPUE（高性能用户设备）在4G 5GLT E P r i m aryLT E Di v ers i tyW i Fi P r i m a r yW i F i S ec on da r yG P S /G LO NA SSL T E P r i m a r yLT E Di v ers i tyW i F i P r i m aryW i F i S ec on da r yG P S /GLONA S SG P S L5MHB MIM O 4LA A 25 G UHB 45G 6G Hz 4A nte nn a i n c r e a s ef r om 4G to 5G