射频系列（一）：迎接5G，终端天线的“变”与“不变”.pdf

- 1 - 敬请参阅最后一页特别声明 市场数据 (人民币） 市场优化平均市盈率 18.90 国金电子指数 3391.08 沪深 300 指数 3029.40 上证指数 2516.25 深证成指 7337.60 中小板综指 7434.81 相关报告 1. 5G+AI+医疗，有望推动可穿戴设备快速成长 -电子行业周报 2.， 2018.12.23 2. 2019 年汽车电子成半导体行业驱动力 -【半导体周报】 2019.， 2018.12.20 3.美光点燃存储芯片需求及价格暴跌的第一把火？ - 美 光 点 燃 存 储 芯 片 . ，2018.12.20 4. LCP 、 m-PI，关注 5G 手机天线 -LCP 、 m-PI，关 .， 2018.12.16 5.比亚迪引领汽车“芯”时代，屏下指纹面面观 - 【 半 导 体 周 报 】 比 亚 . ，2018.12.13 樊志远 分析师 SAC 执业编号： S1130518070003 (8621)61038318 fanzhiyuan gjzq 张纯 联系人 zhang_chun gjzq 射频 系列 （一）： 迎接 5G， 终端 天线的“变”与“不变” 关 注天线 行业 最重要的 几 个问题 ： 天线连接射频前端，身兼发射端最后一级和接收端第一级 ， 是无线通信中 必不可少的元 件， 本文在充分 产业调研 的 基础上 ， 除了详细介绍了天线相关技术外，同时 回答了天线行业个市场最关心的 几个 问题。 iPhone 十年天线 如何 变迁？ 随着通讯技术的发展，无线网络频段增多频率升高，应用 增加，为了实现无线信号高速、多频传输，以 iPhone 为代表的智能手机天线经历了不断改进：背板材料推动结构改进；手机轻薄化推动工艺改进；高频通信推动基板材料改进。 天线是一门什么样的生意 ？ 天线是属于强定制化，技术和性价比并重的行业 。 定制化属性决定经验和与大客户合作至关重要 。 天线是技术密集型产品，设计和制造能力缺一不可，我们认为在行业发生较大变化时，技术更重要，在行业稳定发展阶段，产品价格优势更重要。 5G 时代，由于技术创新比较大，对于天线厂商来说，依靠强大的技术实力把握正确的战略方向更为重要。 2G5G，天线行业 如何实现 量价齐升 1、 2G4G： 量增 ：无线功能增加、应用频率增多，终端天线单机使用量不断提升。 价升 ：天线设计和制备复杂度提升，带动价值量提高 。 2、 5G 时代，天线将迎来高增长： Sub-6GHz：采用 MIMO 天线，天线数量增加 ， insert-molding，LDS， FPC 和金属件等传统天线加工工艺仍适用； 毫米波段 ：采用阵列天线，天线发生巨大变化。毫米波天线通过波束成型提升信号传输距离、通过“移相器 +衰减算法”减少信号受阻衰减、并将采用 LTCC 等更适合小尺寸高精度的加工工艺。 5G 手机放量将进一步打开天线行业增长新空间 。 据预测，天线市场空间将由 2018 年的 22.3 亿美元增加到 2022 年的 30.8 亿美元，复合增速8.4%。 随着后面毫米波手机的放量，天线行业将迎来更大的增长。 什么是 LCP 天线？ LCP 和 m-PI 在 5G 时代 如何选择？ 1、 LCP 不只是天线， 有三大应用： 射频传输性能，替代传统 射频同轴线缆； 射频传输线和天线的集成方案。替代部分 PFC/PCB 的功能， SMT一些元器件； 2、 5G 时代 m-PI 和 LCP 会共存，中低频采用 m-PI，高频采用 LCP，二者将会共存。 LCP 材料短期，资本开支和 制造难度大，综合成本较高，而 m-PI 软板性能介于 PI 软板和 LCP 软板之间，在中低频段性能 与 LCP 比肩，价格要便宜，因此苹果 2019 年新款手机将使用 m-PI替代部分 LCP 材料。 投资建议 随着 5G 手机渗透率的提升，以及 5G 频段增加带来的天线数量的增加，以及频率升高， 空间减小带来的天线工艺的升级， 天线行业有望迎来高增长。 重点关注具有天线射频能力以及 具有射频 以及 LCP 产品能力的公司 ：立讯精密、信维通信、电连技术 。 风险提示 ： 5G 发展进度不及预期 ； 厂商 5G 天线相关进展不及预期。 3354396745805193580764207033171225180325180625180925国金行业 沪深 300 2018年 12月 24 日 创新技术与企业服务研究中心 电子 行业研究 买入 （ 维持评级 ） ) 行业深度研究 证券研究报告 行业深度研究 - 2 - 敬请参阅最后一页特别声明 内容目录 1、什么是天线？ .4 2、 iPhone 十年天线如何变迁？ .5 3、天线是一门什么样的生 意？ .10 4、 2G5G，天线为什么越来越重要？ .12 （ 1） 2G3G4G，天线行业实现量价齐升 .12 （ 2） 5G 时 代： sub6G 和毫米波天线朝两个方向发展 .14 5、材料： LCP 不止是天线， LCP 和 m-PI在 5G 时代将共存 .19 （ 1） LCP 优势明显，应用不只是天线 .19 （ 2） 5G 时代 m-PI和 LCP 会共存 .22 6、投资建议 .23 7、风险提示 .23 图表目录 图表 1：手机当中天线与射频前端的连接示意图 .4 图表 2：影响电磁波传输距离的主要因素 .5 图表 3：全向天线辐射图 .5 图表 4： iPhone 手机天线变化情况 .6 图表 5： iPhone 手机天线功能演进 .6 图表 6： iPhone 初代：内置 FPC 天线 .7 图表 7： iPhone 3G：内置 FPC 天线（蜂窝天线 + WLAN、蓝牙和 GPS 天线） .7 图表 8： iPhone 4（ GSM）：金属边框成为手机天线 .8 图表 9： iPhone 4（ CDMA） /iPhone 4S：边框使用新的切割方式 .8 图表 10： iPhone 4S 使用接收分集技术，降低信号衰落概率 .9 图表 11：微型射频同轴连接线与 FPC 一体型线缆比较 .9 图表 12： iPhone 6 金属后壳三段式设计 .10 图表 13： iPhone 6 上下天线构成 .10 图表 14：天线测 试用的微波暗室 . 11 图表 15：手机天线将在格局的变化 .12 图表 16：通讯技术发展带来终端天线量价齐升 .12 图表 17： iPhone 手机的无线功能逐渐增多 .13 图表 18：手机频段数不断增加。 .13 图表 19： LTE progress .13 图表 20：手机内部结构复杂度上升，对天线集成度需求提高 .14 图表 21：手机内部结构复杂度上升，对天线集成度需求提高 .14 图表 22： MIMO 原理图 .15 图表 23：毫米波阵列天线共用一个馈点 .15 行业深度研究 - 3 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表 24：毫米波天线使用含芯片阵列天线模组 .15 图表 25： MIMO 天线 vs. 毫米波阵列天线 .16 图表 26： Qualcomm QTM052 天线模组 /Qualcomm 骁龙 X50 5G 调制解调器.16 图表 27：波束成形 .17 图表 28： LCP 封装整合射频前端模组，实现用户终端轻薄化需求 -高通QTM052 天线模组 .17 图表 29：全球手机不同无线制成的演进（百万部、 %） .18 图表 30：全球天线市场空间（单位：十亿美元） .19 图表 31： LCP 软板与 PI 软板最大的区别在于 FCCL 的基材膜的材料不同 .19 图表 32： LCP 性能更优 .20 图表 33： LCP 天线具有更高的可绕行，可整合多条传输线并与机身贴合 .20 图表 34： LCP 四大关键技术 .21 图表 35： LCP 产业链梳理 .22 图表 36： iPhoneX中的 LCP 以及两个 LCP 的 wifi 天线 .22 图表 37： LCP、 MPI、 PI 优势综合对比 .23 行业深度研究 - 4 - 敬请参阅最后一页特别声明 1、 什么是天线？ 天线用于无线电波的收发， 下游 应用广泛。 天线（ antenna） 连接射频前端， 身兼发射端最后一级和接收端第一级 ； 也是电磁波信号和电信号实现能量转换的器件 ； 是终端开路的特殊电路 。 天线应用广泛 ， 所有的无线通信都要用到天线 ，比如手机、电脑、 平板，以及物联网和汽车通信。 按不同的应用 不同 ， 天线 可分为 wifi 天线 、 蜂窝 网络 天线 、 蓝牙天线 、GPS 天线、 NFC 天线等，由于部分应用频段有交叉，因此有些天线比如蓝牙、wifi、 GPS 可以共用，用软件进行切换。 图表 1：手机当中天线与射频前端的连接示意图 来源：国金证券研究所 天线传输的是电磁波信号， 电磁波在自由空间 传输过程中产生损耗 ，设备的 天线增益 ， 馈线损耗 ， 发射功率 和 接收灵敏度 都是影响天线传输性能的重要因素 ： 空间损耗 ： 电磁波的空间损 耗包括自由空间损耗以及地形，障碍物和天气等因素造成的损耗，其中， 自由空间损耗只与工作频率和传输距离相关，频率越高，损耗越强 。 天线增益 ： 天线增益用于表示辐射能量的集中程度，与工作频率，天线效率相关，效率越高，增益越强，传输距离越远。 馈线损耗 ： 电磁波在馈线中的损耗不仅与工作频率相关，还需要考虑馈线中导体的电阻性损耗和绝缘材料的介质损耗，后者与材料的介电常数和损耗正切角相关，介电常数和损耗正切角越小，损耗越小。 发射功率 /接收灵敏度 ： 发射端的发射功率和接收端的灵敏度与工作频率和调制模式相关，频率和调制模式越低，发射功率越强，接收灵敏度越弱。 行业深度研究 - 5 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表 2： 影响电磁波传输距离的主要因素 来源： 华为， 国金证券研究所 天线设计需远离金属屏蔽和干扰源。 电磁波会被金属反射，吸收和抵消，造成屏蔽，同时，电磁波易被电路中的电子元件干扰，因此，在进行天线设计时，需要远离金属零部件和干扰元件。 目前移动终端天线是全向天线，需要净空区域 。天线的方向性表示天线在不同平面的辐射电磁波场强。不同的应用设备对天线的方向性要求不同，为了实现最佳通信效果，移动天线为全向天线，即要求电磁波在水平面内的辐 射是均匀的。为了实现全向通信，手机内部必须为天线留有足够开阔的 空间，即净空区域。 图表 3： 全向天线辐射图 来源： RFsister，国金证券研究所 移动天线设计复杂，考虑因素较多 。智能手机的天线物理构成较为简单，但是，为了使得天线在被定义的带宽内实现有效 辐射，提高天线的效率，其设计和构造则较为复杂，需要考虑诸多因素： 材料 ：天线辐射体 （铜、镀镍镀金） 和支架材料需要具备低损耗特性（ 低介电常数 +低介质损耗 ）。 结构 ：目前手机天线是全向天线，需要净空区域，结构设计需要考虑天线净空区域要求。 电气 ：天线设计技巧和制备工艺对天线的效率影响也较大，辅助电路元件则可以对天线进行电调谐。 环境 ： 天线周边器件对天线有负载和能量吸收的影响 。 具体到 应用，各种手机的新应用新设计都会影响天线设计，比如全面屏的采用减少了天线的净空区域，射频元件的的增加和电路设计将影响天天线的放置，不同材质的后盖将会影响天线方案的选择等等。 2、 iPhone 十年天线 如何 变迁 ？ 行业深度研究 - 6 - 敬请参阅最后一页特别声明 通过结构、 工艺和材料的改进，提高天线性能 。 随着通讯技术的发展，无线网络频段增多，频率升高， 应用的增加 ， 天线的数量不断增加，为了实现无线信号高速、多频传输，以 iPhone 为代表的智能手机天线经历了 结构，工艺和材料的不断改进 ，以满足不断提高的性能需求。 背板材料推动 结构改进： 从 最初几代 iPhone 采用内置 FPC 蜂窝 天线， 到iPhone 4 一直延续至今 蜂窝通信 天线都是做到手机中框上 ， 这主要是 内置天线制约了手机背板材料的选择， 而 金属后盖对电磁波信号的屏蔽作用 。 手机轻薄化推动 工艺改进 ： iPhone 5s 采用新的制备工艺，引入 insert-molding 天线以及 FPC 软板代替射频同轴线缆 。 高频通信推动 基板材料改进： 2017 年发布的 iPhone 8/X开始 使用 LCP 材料取代 PI 成为天线基板，从而 提升天线射频性能， 减小天线的 高频 传输损耗。 图表 4： iPhone 手机天线变化情况 来源： ifixit，国金证券研究所 图表 5： iPhone 手机 天线功能演进 来源： ifixit，国金证券研究所 （ 1） 20072009 年：从 2G 迈向 3G，使用内置 FPC 天线 iPhone 初代（ 2007）：内置 FPC 天线，安置于手机下部。 2007 年发布 iPhone 初代支持 EDGE 网络， WiFi 和蓝牙无线通信，其天线采用内置 FPC 天线，位于手机底部，由射频同轴连接线连至主板，为了便于信号的传输，手机背板分为两部分：上半部分为金属，下半部分为塑料。 行业深度研究 - 7 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表 6： iPhone 初代：内置 FPC 天线 来源： RFsister，国金证券研究所 iPhone 3G（ 2008） /3GS（ 2009）：内置 FPC天线，支持 3G网络，增加GPS，天线分成两部分 。 2008 年和 2009 年发布的 iPhone 3G 和 iPhone 3GS 均支持 3G 网络UMTS/HSDPA，还添加了 GPS 导航。两者均采用塑料背板，便于内置天线安装的自由，如 iPhone 3G 的蜂窝天线安装在手机下部， WLAN、蓝牙和 GPS天线安装在上部。 图表 7： iPhone 3G：内置 FPC 天线（蜂窝天线 + WLAN、蓝牙和 GPS 天线） 来源： RFsister，国金证券研究所 （ 2） 20102011 年：天线结构改进，主天线外置于金属边框 iPhone 4 (GSM)（ 2010）：边框成为手机天线，天线门事件。 GSM 机型 iPhone 4 首次采用边框 做 天线， 金属边框被两条缝隙分成两部分 ：一部分为 WiFi，蓝牙和 GPS 天线，另一部分为 UMTS/GSM蜂窝天线。 手机边框两段式天线设计引发了 “天线门 ”事件 ：天线会因为用户握机方式的不正确而 引起 天线短路 。 行业深度研究 - 8 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表 8： iPhone 4（ GSM）：金属边框成为手机天线 来源： RFsister，国金证券研究所 iPhone 4（ WCDMA） /iPhone 4S（ 2011）：边框分为三部分，使用接收分集技术。 为了解决上一代通讯不稳定的缺陷， 2011 年发布的 iPhone 4（ WCDMA）和 iPhone 4S 则对边框进行了新的设计： 由四条狭缝将边框分成上、中、下 三段式 设计 ， 上、下两部分为手机天线 。 同时， iPhone 4S 第一次 使用了 1T2R 的 接收分集技术， 下面的主天线是做发射接 收， 上面只做接收 ，这种架构 一直到 iPhone6， 通过 选择电波状态好的天线接收信号，降低在接收终端信号衰落的概率，提高接收灵敏度。 两路接收的方案也 带来更好的手机互联网体验 。 图表 9： iPhone 4（ CDMA） /iPhone 4S：边框使用新的切割方式 来源： RFsister，国金证券研究所 行业深度研究 - 9 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表 10： iPhone 4S使用接收分集技术，降低信号衰落概率 来源： RFsister， 国金证券研究所 （ 3） 20122016 年： WiFi 双频， 4G 来临， insert-molding 技术制备天线 iPhone 5（ 2012） /iPhone 5c（ 2013）：沿用三段式边框天线设计。 2012 年和 2013 年发布的 iPhone 5 和 iPhone 5c 的天线设计基本沿用 4S的方案，虽然 iPhone 5c 使用塑料外壳，其内部仍有类似结构的天线。 iPhone 5S （ 2013）：采用双频 wifi，工艺改进，从同轴连接线到 FPC 射频连接线 。 2013 年的 iPhone 5s 支持双频 WiFi（ 2.4GHz/5GHz） ,WiFi 天线数量增加，为了缩小天线模组体积，部分天线改变了制备工艺。 使用 FPC 一体型线缆取代射频同轴连接线。 Insert-molding 天线取代部分内置 FPC 天线。从 iPhone 5S 开始，苹果手机部分天线使用 Insert-molding 技术制备。 图表 11： 微型射频同轴连接线与 FPC 一体型线缆比较 来源： RFsister， 国金证券研究所 iPhone 6/6+/6s/6s+和 iPhone 7/7+：后壳三段式设计克服金属背板电磁屏蔽，增加 NFC 功能， iPhone 6s/6s+开始采用 2X2 MIMO 行业深度研究 - 10 - 敬请参阅最后一页特别声明 iPhone 6/6+/6s/6s+和 iPhone 7/7+使用了全金属背板，为了克服金属的电磁屏蔽难题，借鉴 iPhone 5 的边框三段式设计，比如， iPhone 6 的金属后壳被塑料白条分成 A/BCB/A三部分， AB 是上天线； AB下天线 。上天线涉及Cellular 副天线，双频 WLAN、蓝牙、 GPS 和 NFC，下天线涉及 Cellular 主天线 。 图表 12： iPhone 6 金属后壳三段式设计 图表 13： iPhone 6 上下天线构成 来源： RFsister， 国金证券研究所 来源： RFsister， 国金证券研究所 （ 4） 2017 年 ：布局 5G， LCP 基板 提升天线综合性能 iPhone8/8s（ insert-molding+中框作为天线）， iPhoneX（ LCP+中框作为天线），增加无线充电功能 iPhone8/8s：采用玻璃后盖，延用三段式的天线设计，上边框（ GPS+副天线） +下边框（主天线） +LDS 内置（ wifi 天线） iPhoneX：玻璃后盖，三段式天线设计，上边框（ GPS+副天线） +下边框（主天线） +LCP 内置（ wifi 天线 ） 3、天线是一门什么样的生意？ （ 1） 天线行业属性 ：强 定制化 ， 技术和性价比并重 定制化属性决定经验和与大客户合作至关重要 天线是定制化而非标准品 。 天线产品设计，与芯片选型，电路设计，机械结构设计均密切相关 ，本文第一章也分析到， 移动天线设计复杂，考虑因素较多 ，因此不同的手机品牌，同一品牌的不同手机型号，由于手机外观、内部电路设计各不相同，天线也都不同。 天线设计测试需工程 师 的经验积累 。 由于天线信号容易受各种因素影响 ，如何 使得 天线与其他部件适配，如何应对各种各样的问题，需要天线工程师在研发过程中的长期经验积累。 此外 ，由于 天线是完全定制化的产品 ，它的特殊性和重要性使得 研发过程对天线性能的测试 要求非常严格， 一个很好测试系统对手机天线的开发也是非常重要的。 一般来说 好的天线企业一定拥有好的测试能力。