5G滤波器行业报告：把握行业变革，迎滤波器全新机遇.pdf

本公司具备证券投资咨询业务资格， 请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 1 Table_Title 通信 行业 行业深度 /深度报告 把握行业变革，迎 滤波器 全新机遇 5G 滤波器行业 报告 行业深度 /通信 行业 2019 年 01 月 24 日 Table_Summary 报告摘要 ： 4G时代，金属腔体滤波器为市场主流 4G 时期，金属腔体滤波器是主流产品，腔体滤波器结构 牢固 、 性能稳定可靠、 体积更小、 Q 值适中、高端寄生通带较远，且其散热性好 ，广泛应用于 基站设备 。随着 3G、 4G 等移动通信系统逐渐向高频发展，射频金属元器件作为射频器件的重要内部构成部分，将朝集成度和精密度更高、体积逐步变小、重量不断变轻的趋势发展。 5G Massive MIMO时代，介质滤波器有望成为行业宠儿 5G 由于 Massive MIMO 的应用，单个天线的通道数达 64 个，也就意味着，单个天线需要 64 个滤波器。这使得射频部分更加复杂，难以与天线微波发射单元分开部署，因此需要将射频单元（包括滤波器、功放等）全部集成到有源天线上。 Massive MIMO 时代，为满足有源天线的重量和尺寸要求， 下游客户 对滤波器提出了更加严苛的多方面需求 。而陶瓷介质材料的相对介电常数较高 、 Q 值较高 、损耗小，同时温度漂移小，因此，相比传统金属腔谐振器，陶瓷介质滤波器具有高抑制、 低损耗 、温度漂移特性好的特点，而且功率容量和无源互调性能都得到了很大的改善。 5G 时代 ，介质滤波器有望成为行业宠儿。 5G 时代滤波器 高速 增长，铸就 600 亿产值空间 2018年 12月 6日，国内三大运营商获得全国范围 5G中低频段试验频率使用许可。2019 年 1 月 ， 工业和信息化部部长苗圩表示， 2019 年将进行 5G 商业推广，一些地区将会发放 5G 临时牌照，下半年推出 5G 手机、 5GiPad 等终端。 设备侧预期2019 年一季度运营商即将开启 5G 设备招标。 预计整个 5G 周期，中国基站数量约为 600 万站，全球约为 1000 万站， 2019 年部分设备商采用金属腔体滤波器方案， 2020 年全面铺开陶瓷介质滤波器方案，则整个 5G 周期全球滤波器需求接近600 亿人民币。 投资建议 建议关注： 1） 世嘉科技：子公司波发特为中兴滤波器和天线核心供应商，同时积极参与爱立信测试。 2）东山精密：子公司艾福电子为华为滤波器核心供应商，是目前为数不多可以有陶瓷介质滤波器 批量 供货能力的厂商。 3）风华高科：子公司国 华新材料为爱立信滤波器核心供应商 ，是目前为数不多可以有陶瓷介质滤波器批量 供货能力的厂商 。 4）鸿博股份：子公司弗兰德 为华为天线供应商，正在开发陶瓷介质滤波器，预计 二 季度投产。 风险提示 5G 发展不及预期； 运营商投资不及预期 。 Table_Invest 推荐 维持评级 Table_QuotePic 行业与沪深 300 走势比较 资料来源： wind，民生证券研究院 Table_Author 分析师：杨锟 执业证号： S0100517110001 电话： 021-60876701 邮箱： yangkunmszq 研究助理：杨妙姝 执业证号： S0100118010011 电话： 010-85127532 邮箱： yangmiaoshumszq Table_docReport 行业深度 /通信 行业 本公司具备证券投资咨询业务资格， 请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 2 盈利预测与财务指标 代码 重点公司 现价 1 月 22 日 EPS PE 2018E 2019E 2020E 2018E 2019E 2020E 002796 世嘉科技 * 38.66 0.40 1.45 2.29 97 27 17 002384 东山精密 * 9.89 0.70 1.04 1.43 14 10 7 000636 风华高科 * 11.58 1.19 1.61 1.94 10 7 6 002229 鸿博股份 * 7.37 0.03 0.17 0.40 246 43 18 资料来源： wind（加 *来自 wind 一致性预期） 、民生证券研究院 行业深度 /通信 行业 本公司具备证券投资咨询业务资格， 请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 3 目 录 一、 4G 时代，金属腔体滤波器为市场主流 . 4 二、 5G MASSIVE MIMO 时代，介质滤波器有望成为行业宠儿 . 6 （一）陶瓷介质滤波器将成为 5G 基站设备的首选解决方案 . 6 （二）配方、工艺、调试成为量产关键 . 9 三、 5G 需求旺盛，海量空间可期 . 10 （一） 2019 年发放 5G 临时牌照， 5G 进程加速 . 10 （二）滤波器高速增长，铸就 600 亿产值空间 . 13 五、建议关注 . 16 （一）世嘉科技 . 16 （二）东山精密 . 18 （三）风华高科 . 20 （四）鸿博股份 . 22 六、风险提示 . 23 插图目录 . 24 表格目录 . 25 行业深度 /通信 行业 本公司具备证券投资咨询业务资格， 请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 4 一、 4G 时代，金属腔体滤波器为市场主流 射频器件是基站的核心设备之一 ， 射频器件主要包括滤波器、双工器 (分 单双工器 和多双工器 )、塔顶放大器、合路器等几大类 。 滤波器在通信系统中对通信链路中的信号频率进行选择和控制，选择特定频率信号通过，抑制不需要的频率信号，解决不同频段、不同形式的通信系统之间的信号干扰问题，并且有效保持接收和发射频带的隔离，提高通信质量。 滤波器是一种两端口网络，信号从输入端口进入，经过滤波器网络作用，滤除杂波，然后信号从输出端口输出， 它的 选择特性是由系统要求决定。滤波器的性能的优劣往往直接影响整个通信系统的性能指标。 滤波器的主要参数包括中心频率、通带带宽、插入损耗、 Q 值、带外抑制等。两个主要参数为 Q 值和插入损耗。 Q 值越高，表明滤波器可以实现越 窄的通带带宽，即可以实现较好的滤波功能。插入损耗是指通带信号经过滤波器之后的信号功率衰减，当插入损耗达到 1dB，则信号功率衰减达到 20%。 表 1：滤波器主要参数 主要参数 描述 中心频率 滤波器通带的频率 f0，一般取 f0=（ f1+f2） /2， f1、 f2为带通或带阻滤波器左、右相对下降 1dB或 3Db 频点。窄带滤波器常以插损最小点为中心频率计算通带带宽 通带带宽 指需要通过的频谱宽度， BWxdB=（ f2-f1）。 f1、 f2 为以中心频率 f0 处插入损耗为基准，下降 X（ dB）处对应的左、右边频点。通常用 X=3、 1、 0.5 即 BW3dB、 BW1dB、 BW0.5dB 表征滤波器通带带宽参数 截止频率 指低通滤波器的通带右边频点及高通滤波器的通带左边频点。通常以 1dB 或 3dB 相对损耗点来标准定义 带内波纹系数 指 1dB 或 3dB 带宽（截止频率）范围内，插损随频率在损耗均值曲线基础上波动的峰值 插入损耗 由于滤波器的引入对电路中原有信号带来的衰耗，以中心或截止频率处损耗表征 带内波动 通带内插入损耗随频率的变化量。 1dB 带宽内的带内波动是 1dB 回波损耗 回波损耗，又称为反射损耗。是电缆链路由于阻抗不匹配所产生的反射，是一对线自身的反 射。回波损耗愈大愈好，以减少反射光对光源和系统的影响 阻带抑制度 衡量滤波器选择性能好坏的重要指标。该指标越高说明对带外干扰信号抑制的越好 延迟 指信号通过滤波器所需要的时间，数值上为传输相位函数对角频率的导数，即 Td=df/dv 品质因素 Q 指电感器在某一频率的交流电压下工作时，所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比。通常分为有载品质因数 QL， 无载品质因数 Qu(取决于所使用的结构 )，外部品质因数 Qe(描述输入输出端谐振器与外部电路耦合条件 ) 资料来源：知网，民生证券研究院 4G 时期，金属腔体滤波器是主流产品， 具有 腔体滤波器结构 牢固 、 性能稳定可靠 等特征，且 体积更小、 Q 值适中、高端寄生通带较远 ， 散热性 也很 好 ，因此被广泛应用于国内外通信基站 。 行业深度 /通信 行业 本公司具备证券投资咨询业务资格， 请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 5 图 1： 4G 基站架构 图 2：腔体滤波器 资料来源：华为，民生证券研究院 资料来源：欣天科技，民生证券研究院 图 3：基站射频系统 图 4：腔体滤波器 资料来源：华为，民生证券研究院 资料来源：欣天科技，民生证券研究院 金属腔体滤波器的构成包括 腔体、盖板、连接器、传输主杆、电容耦合片、低通、谐振器、调谐螺杆 (即调谐螺钉 )、电容耦合杆、介质、紧固螺钉等零部件。 表 2： 产品具体情况 产品名称 产品外形 在射频器件中的地位和作用 谐振器 振器通过在腔体和盖板组成的封闭空中组成谐振单元进行特定频段的电磁波谐振，抑制掉不需要的电磁波频段，从而实现滤波功能 介质 支撑传输主杆、电容耦合杆等元器件，组成交叉耦合组件，实现滤波器抑制不需要频率信号效果的稳定性 行业深度 /通信 行业 本公司具备证券投资咨询业务资格， 请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 6 产品向高集成度、高精度、小型化、轻质化方向发展 。 由于移动通信频谱资源非常有限 ， 在低频率使用殆尽情况下 ， 各网之间的相互干扰较为严重。 随着 3G、 4G 等移动通信系统逐渐向高频发展 ， 射频金属元器件向适应高频段通信发展 也 是必然趋势。通信原理表明 ， 较高频率无线电信号的波长较短 ， 功率损耗较大 ， 对应的基站建设也逐渐向小型化、高精度发展 ， 基站系统内的滤波器等射频器件的体积也需相应缩小。因此 ， 射频金属元器件作为射频器件的重要内部构成部分 ， 朝 着 集成度和精密度更高、体积逐步变小、重量不断变轻的趋势发展。 二、 5G Massive MIMO 时代，介质滤波器有望成为行业宠儿 （ 一 ）陶瓷介质滤波器将成为 5G 基站设备的首选解决方案 Massive MIMO 是 5G 提高系统容量和频谱利用率的关键技术。 Massive MIMO 最早传输主杆 将通过连接器输入进来的信号在射频器件腔体内进行传输并激励滤波器谐振单元进行电磁场谐振，其结构设计关系到与连接器的匹配性，不同种类的滤波器所用的设计存在区别 电容耦合片 低通 通过串联结构组成谐振单元，使低于某一频率的信号可以通过，而高于该频率的信号则被其衰减不能通过。对输入到射频器件内的电磁波信号进行初步过滤，对准备从射频器件输出的电磁波信号进行倍频过滤，进一步提升射频器件的滤波效果 电容耦合杆 设置在非相邻两谐振单元间，可提高滤波器抑制不需要频率信号的效果 调谐自振螺钉 主要用于调整封闭空间中的电磁场 ,修正谐提单元因制造、装配等环节造成的精度偏差，改变电路电容值，协助谐振单元实现电磁波特定频段的谐振。另外，还可以调整相邻两谐振单元的电磁场，加强两邻腔的磁场耦合效果 资料来源： 欣天科技招股说明书 、民生证券研究院 行业深度 /通信 行业 本公司具备证券投资咨询业务资格， 请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 7 由美国贝尔实验室研究人员提出，当小区的基站天线数目趋于无穷时，加性高斯白噪声和瑞利衰落等负面影响全都可以忽略不计，数据传输速率能得到极大提高。 Massive MIMO 带来的好处主要体现在以下几个方面 ： 第一 ， Massive MIMO 的空间分辨率与现有 MIMO 相比显著增强 ， 能深度挖掘空间维度资源 ， 使得网络中的多个用户可以在同一时频资源上利用 Massive MIMO 提供的空间自由度与基站同时进行通信，频谱效率比普通宏基站增加 3 到 5 倍 。 第二 ， Massive MIMO 可将波束集中在很窄的范围内 ，从而大幅度降低干扰 。 第三 ， Massive MIMO 可大幅降低发射功率 ， 从而提高功率效率 。第四 ， 当天线数量足够大时 ， 最简单的线性预编码和线性检测器趋于最优 ， 并且噪声和不相关干扰都可忽略不计 。因此， Massive MIMO 大大提高了频谱利用率、数据传输的稳定性和可靠性，运营商可以利用 Massive MIMO 的水平和垂直覆盖特性来提供不同场景下的覆盖。 图 4： Massive MIMO 示意图 图 5： Massive MIMO 示意图 资料来源： 中国信息产业网 ，民生证券研究院 资料来源： 中国信息产业网 ，民生证券研究院 Massive MIMO 有源天线需要大量小型化的介质滤波器 。 5G 由于 Massive MIMO 的应用，单个天线的通道数达 64 个，也就意味着单个天线需要 64 个滤波器 ， 这使得射频部分更加复杂，难以与天线微波发射单元分开部署，因此需要将射频单元包括滤波器、功放等全部集成到有源天线上。 Massive MIMO 时代，为满足有源天线的重量和尺寸要求， 下游运营商 对滤波器的提出了更加严苛的多方面需求： 1、 产品集成度高 2、 产品成本低 3、 产品产量大 4、 产品性能稳定 5、 产品重量轻 然而，当金属谐振腔外形增加到一定尺寸后，单腔无载 Q 值将不再增大 ， 其通带损行业深度 /通信 行业 本公司具备证券投资咨询业务资格， 请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 8 耗和带外抑制将会彼此制约 ， 限制了对滤波单元的性能提升 ，因此无法满足下游运营商建网需求。 陶瓷介质滤波器将成为 5G 基站设备的首选解决方案 。 陶瓷介质滤波器使用更高 Q值的人工合成陶瓷介质材料， 早在 1939 年 R.D.Rechtmeyer 就做出了介质谐振器，主要使用金红石（ TiO2）陶瓷制作介质滤波器，但温漂较大，对微波介质材料的使用有很大的限制。在 80 年代，微波介质材料的生产技术有了很大的发展，特别是钡 -钽系陶瓷材料的出现，使微波介质陶瓷进入了实用阶段，开始部分进入基站系统中。微波陶瓷粉体材料配比需要进行专门的设计，制作工艺复杂，以保证对介质滤波器的各项性能要求。 与传统的金属腔体滤波器不同，在陶瓷介质滤波器中，电磁波主要在介质材料中发生振荡，而不是金属空腔中。 由于 陶瓷 介质材料的相对介电常数较高，其 Q 值较高，损耗小，同时温度漂移小，因此，相比传统金属腔谐振器，陶瓷介质滤波器具 有高抑制、温度漂移特性好的特点，而且功率容量和无源互调性能都得到了很大的改善。陶瓷介质滤波器代表着高端射频器件的发展方向，凭借其优良的性能， 未来将 在移动通信领域中拥有广阔的应用空间。 图 6： Massive MIMO 射频通道 图 7： Massive MIMO 有源天线 资料来源： Ampon，民生证券研究院 资料来源：中兴，民生证券研究院 介质滤波器具有三个非常显著的特点： 1、有非常高的介电常数。 介电常数 主要取决于材料结构中的晶相和制备工艺 ， 滤波器的尺寸和电介质材料的介电常数的平方根成反比。所以电介质材料的介电常数越大，滤波器的尺寸也就越小。 2、有非常小的频率温度系数。 材料的频率温度系数 f 与材料的线胀系数 1和介电常数密切相关。 介质滤波器对于外界环境变化，如湿度 、 温度变化等电器性能均不会发生改变。通过材料的调整可有效的进行温 漂 补偿，频率温度系数可达 f=0，就是接近于零的频率温度系数 ppm/，从而可以实现器件的高稳定性和高可靠性。 3、高 Q 值。 Q 值受介质损耗、欧姆损耗、辐射损耗这三个因素的影响， 由 于 对于 微行业深度 /通信 行业 本公司具备证券投资咨询业务资格， 请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 9 波介质材料 ， 欧姆损耗与辐射损耗可以忽略 ， 因此 Q 值 与介质损耗成反比关系。 介质损耗越低， Q 值越大，选频能力越优。 图 8：介质滤波器 图 9： 1900MHz 介质滤波器 资料来源：艾福电子，民生证券研究院 资料来源：艾福电子，民生证券研究院 介质滤波器最大的优势在于同等频率要求下，产品的体积小、重量轻。 MIMO 天线是高集成度产品，任何元器件体积的增大都会带来天线整体方案的变化和体积的巨大差异。同等规格要求下，介质滤波器的体积可以达到传统腔体滤波器的 25%，特别是在 PCB 投影面积和高度方面，都比传统的腔体滤波器小很多，且重量也会轻很多。而正是这些方面将决定了 MIMO 天线整机的大小和设计成本，因此同等技术要求下介质滤波器的成本有望是传统腔体滤波器的 50%以下。此外，传统的腔体滤波器产品加工工艺链长，生产效率低下，介质滤波器将采用模具压制 、 隧道炉烧结的方式，有望实现大批量生产。 表 3： 金属和陶瓷 方案 重量对比 频率 介质方案 同轴腔体方案 2.6GHz 30 克 60 克 3.5GHz 12 克 40 克 资料来源：民生证券研究院 整理 表 4：金属和陶瓷 方案 体积对比 频率 介质方案 同轴腔体方案 2.6GHz 65*15*14 120*25*20 3.5GHz 27*11*7 50*25*15 资料来源：民生证券研究院 整理 表 5：陶瓷介质与金属腔体的 综合 比较 工作原理 介电常数 Q 值 温飘 体积 重量 成本 使用场景 陶瓷介质滤波器 陶瓷介质 震荡 高 高 低 小 轻 少 5G 64T/64R4G 金属腔体滤波器 金属空腔 震荡 低 低 高 大 重 多 2T2R/4T4R/8T8R 资料来源：民生证券研究院 整理 （二） 配方、工艺、调试成为量产关键 配方、工艺和调试成为产业瓶颈和关键。 陶瓷介质滤波器整体以陶瓷材料为主，在表面做金属化，因此材料的性能是关键因素。掌握新型陶瓷材料的配方成了各个厂商竟相追行业深度 /通信 行业 本公司具备证券投资咨询业务资格， 请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 10 逐的重要目标。目前介质陶瓷材料生产多采用固向反应法、溶胶 -凝胶法、水热法等 ， 其中固向反应法具有工艺成熟，便于操作，性价比高等优点，是当前工业生产采用最多的方法。 同时，材料的批次间的一致性和批次内的均匀性，是产品能否产业化的关键。 此外，陶瓷表面的制造工艺也十分重要。 制造工艺主要指金属化工艺，涉及如下几个方面。首先，金属附着力如何，产品在测试时需要在 -45 度 到 65 度 之间 做 500 次的温度冲击 ，如果出现银层脱落问题，产品性能就会失效。金属化工艺还涉及导电率问题，导电率直接与滤波器插损指标相关，如果多次冲击导电率下降，产品性能同样不能保证。此外，介质滤波器需要通过 SMT 工艺安装在 PCB 板上，焊接的可靠性和性能的一致性也是需要关注的问题。 第三，介质滤波器调试与金属腔体调试也存在很大差异。 金属腔调试可以反复试验，正向、反向均可来回调试，而陶瓷介质滤波器调试对定位要求非常精准，因此目前部分厂家采取软件定位方式来进行调试。此外，由于 5G 基站对于滤波器数量需求非常大，因此调试 效率也是影响产能提升的一个瓶颈 ，厂商需要利用自动化调试设备来实现大批量生产 。 设计工艺上，目前国内厂商在 5G 介质滤波器发展初期主要集中在单模产品，双模或多模性能好，但设计难度高。 2.6G 产品相较于 3.5G 也存在设计和调试难度高等问题。这些都是未来厂商需要攻克的难题之一。 前期维持高毛利，折旧是成本重要来源。 由于前期量产程度不高，因此各个陶瓷介质滤波器供应商毛利率维持在较高水平，超过 50%。随着后续产能逐渐爬坡以及下游需求景气度提升，毛利率和净利润率有望恢复至合理水平。在陶瓷介质滤波器产品中，目前粉体原料和人工成本分别占 20%-30%，设备折旧占 50%。 三、 5G 需求旺盛，海量空间可期 （一） 2019 年发放 5G 临时牌照， 5G 进程加速 5G 时代已经到来，美国、韩国陆续商用 5G 网络。 2018 年 6 月 14 日， 3GPP 会议批准了第五代移动通信技术标准 （ 5G NR） 独立组网 （ Standalone， SA） 功能冻结。 5G 标准冻结后，全球 5G 网络部署由测试验证阶段进入商用阶段。 10 月 1 日，美国 Verizon 宣布商用 5G， 12 月 1 日， 韩国三大运营商同时宣布商用 5G，芬兰推出全球第一个移动套餐。部分运营商部署计划激进，韩国 LG U+2018 年 部署 了 7000 多基站。