5G系列·终端天线专题：终端商用即将冲刺，开启天线新机遇.pdf

电子 |证券研究报告 行业深度 2019 年 2 月 25 日 Table_IndustryRank 强于大市 公司名称 股票代码 股价 (人民币 ) 评级 立讯精密 002475.SZ 20.47 买入 信维通信 300136.SZ 28.5 买入 资料来源：万得， 中银国际证券 以 2019 年 02 月 25 日当地货币收市价为标准 相关研究报告 Table_relatedreport 电子行业 2019 年年度策略 20181226 电子行业 2018 年三季报综述 20181105 中银国际证券股份有限公司 具备证券投资咨询业务资格 Table_Industry 电子 Table_Analyser 赵琦 021-20328313 qi.zhaobocichina 证券投资咨询业务证书编号： S1300518080001 Table_Title 5G 系列 终端 天线专题 终端商用即将冲刺，开启天线新机遇 Table_Summary 5G 标准正在积极推进 ，新的通信模式下手机数据传输速率和通信带宽都将会大大提高。 sub-6GHz 和毫米波频率的加入，以及 MIMO、载波聚合、波束赋形等技术的 应用， 会造成手机天线 发生结构性的变化。 而毫米波天线为了配合波束控制和高频衰减，集成度进一步提高，在此前提下我们关注的封装技术有 AiP 等 技术。 5G 频率带来的天线变化还将会给手机整体设计造成影响。 支撑评级的要点 ： 5G 通信技术的发展源自于人们对移动网络速度要求的提高。 5G 技术将拥有更高的传输速度和更宽的带宽，以支持三类应用场景，即大规模 IoT、关键任务服务以及增强移动宽带服务。 5G 的标准目前正在积极推进，3GPP 已经指定了 5G NR 支持的频段列表，分为低频 sub-6GHz 和高频毫米波两大频率范围。总体来看， 5G 的主要通信技术有 Massive MIMO、载波聚合和波束赋形等，配合这些技术，终端天线也将发生一系列的变化。 手机天线是接收和发射信号的设备，频率越高天线尺寸越小，且对应于不同应用将会使用不同的天线。 5G 手机中新频段的加入会引入新的天线。 sub-6GHz 天线相比于 4G LTE 手机中的天线尺寸不会发生较大变化，但是 MIMO 的应用会增加天线数量，以苹果为代表的手机供应商开始使用 LCP 天线替代原有的 PI 天线。目前手机中的天线主要采用软板 FPC 制成，但是 FPC 基材对高频性能影响敏感， LCP、 MPI 材料由于其低介电系数和高频性能将会在 5G 手机中加量。 毫米波天线在高频下传播损耗的问题严重，将会缩减天线和控制电路、射频电路之间的距离，因此会采用模组化的方式和射频电路封装在一起，例如已经发布的高通的 QTM052 5G 天线模组。模组化的天线给手机设计带来一系列的影响，手机的内部空间必须重新分配，同时电池、后壳、屏蔽罩等也会配合毫米波天线衰减问题带来变化。另外一个值得关注的问题是天线的封装， AiP 封装等适合于高频毫米波的技术。 评级面临的主要风险 ： 5G 推广不及预期风险；消费电子可能受到供需不 足、价格下滑等宏观因素影响 ； 5G 天线技术路径改变等 风险。 相关产业链标的 ： 与 本文 研究相关 产业链相关公司包括天线类的立讯精密、信维通信；电池 模组 类的欣旺达、德赛电池； FPC 软板类的鹏鼎控股、景旺电子、弘信电子等 。 Table_Companyname 2019 年 2 月 25 日 5G 系列终端天线专题 2 目录 1 从 技术发展 、 应用 、 技术以及芯片角度初看 5G . 5 1.1 5G 简介及应用 . 5 1.2 5G 频谱分配以及进展 . 8 1.3 5G 的几个主要通信技术 . 11 1.4 5G 芯片研发：高通华为均已推出 . 13 2 终端天线： 5G 带来天线行业新机遇 . 14 2.1 手机天线的发展 . 14 2.2 SUB-6GHZ 天线的设计关键 . 18 2.3 天线设计材料之 LCP . 22 2.4 毫米波天线的设计考虑 . 25 2.5 毫米波 天线封装带来机会 . 30 2.6 5G 天线带来的其他问题 . 34 3 与本文研究相关的 A 股产业链公司梳理 . 38 风险提示 . 39 2019 年 2 月 25 日 5G 系列终端天线专题 3 图表 目录 图表 1. 5G 网络接入示意图 .5 图表 2. 5G 与 4G 通信主要参数对比 .5 图表 3. 5G 技术概况 .6 图表 4. IoT 无线连接市场分类 .6 图表 5. 5G 应用场景 .7 图表 6. 增强移动宽带技术对授权和非授权频谱的需求 .7 图表 7. 5G NR 频谱范围 .8 图表 8. 5G NR 频谱范围的高频段和低频段 .8 图表 9. 5G NR 分量载波间隔 .8 图表 10. 全球厘米波和毫米波波段部署 .9 图表 11. 北美 5G 频谱分配 .9 图表 12. 欧洲 5G 频谱分配 .9 图表 13. 中国大陆运营商 5G 系统中的低频试验频率 . 10 图表 14. 5G R15 标准分为三个步骤向外界提供 . 10 图表 15. 5G R15 标准分为三个步骤向外界提供 . 11 图表 16. 单用户和多用户 MIMO 技术 . 11 图表 17. 载波聚合技术示意图 . 12 图表 18. 天线波束赋形技术示意图 . 12 图表 19. 高通骁龙 5G 平台 . 13 图表 20. 天线接收和发射信号 . 14 图表 21. 套筒式偶极天线 . 14 图表 22. 2G 手机的外臵天线 诺基亚 1011 和摩托罗拉 m300 . 15 图表 23. 诺基亚 3210 手机内臵天线 . 15 图表 24. 诺基亚 6630 和内臵天线 . 15 图表 25. 手机天线发展时间线 . 16 图表 26. 图表 26. 天线性能指标参数汇总 . 16 图表 27. 手机中的不同应用所使用 的天线 . 17 图表 28. 三星 S9 手机中的天线分布 . 17 图表 29. Iphone XS MAX 中的柔性天线馈线 . 18 图表 30. FPC 软板应用 示意图 . 18 图表 31. 便携设备中使用的 FPC 天线 . 19 图表 32. FPC 结构剖面图 . 19 图表 33. 不同种类的 FPC 软板 . 20 2019 年 2 月 25 日 5G 系列终端天线专题 4 图表 34. 软板的主要构成 . 20 图表 35. I 型 LCP 与高性能 PI 工程塑料性能比较 . 21 图表 36. LCP 天线阵列 . 21 图表 37. IPhone XS 手机天线 . 22 图表 38. FCP 刚性和柔性单体单元和分子 . 22 图表 39. LCP 与其他材料在高频时介电常数对比 . 23 图表 40. LCP 可折叠天线 . 23 图表 41. 具有 LCP 基板的贴片式微带天线 . 24 图表 42. 主各种基材材料性能对比 . 24 图表 43. 毫米波在不同场景中路径损耗比较 . 25 图表 44. 5G 手机中的多用户 MIMO 技术 . 26 图表 45. 高通 QTM052 天线模组 . 26 图表 46. 高通 QTM052 天线模组在手机中的集成 . 27 图表 47. 高通 QTM052 天线模组在手机中的集成 . 27 图表 48. 天线方向图示意图 . 28 图表 49. 5G 手机背部的 MIMO 结构示意图 . 29 图表 50. 常见的手机手持模式 . 29 图表 51. 5G UE 无线系统原理结构图 . 30 图表 52. 背面金属支撑共波导面（ CB-CPW）传输线衰减图 . 30 图表 53. AiP 封装结构天线结构示意图 . 31 图表 54. Google 推出的 Project Soli 芯片 . 31 图表 55. Project Soli 芯片 eWLB 封装以及电磁仿真设臵 . 32 图表 56. Ewlb 封装示意图 . 32 图表 57. 传统封装流程工艺与 WLP 封装工艺比较 . 33 图表 58. 扇入扇出型 WLP 封装中的 RDL 走线对比 . 33 图表 59. FO-WLP 封装厂商 . 34 图表 60. INFO 封装原理 图 . 34 图表 61. 电池性能和无线容量发展对比 . 35 图表 62. 电池性能和手机所需电量发展对比 . 35 图表 63. 智能手机中的主逻辑板 (MLB) . 36 图表 64. 智能手机中的上层和下层排布 . 37 图表 65. 手机中的金属屏蔽罩 . 37 附录图表 66. 报告中提及上市公司估值表 . 40 2019 年 2 月 25 日 5G 系列终端天线专题 5 1 从 技术 发展 、 应用 、 技术以及芯片角度初看 5G 随着智能手机和其他便携设备的普及度提高，人们对数据流量的要求也越来越高。根据 Ericssons Mobility Report 给出的数据， 2016 年移动数据流量从每月 3.5EB（艾字节， 1EB=1012MB）， 2017 年增长到每月 5.5EB，增长率达到了 57%，从 2011 年到 2017 年智能手机每用户流量的年复合增长率达到了35%。人们对数据流量的需求的日益提高，因此对网络容量的增加提出了要求，这也是 5G 网络建设的目标之一。社交媒体视频应用、实时视频通信以及安防视频的普及等等，都在驱动移动网络速度提高。根据 Qorvo 给出的数据， 5G 网络相比于当前网络的速度将会至少提高 10-20 倍。 Cisco 的“视觉网络指数”预测移动网络流量中，视频流量将占比 75%之多。这说明未来人们对移动网络速度的要求将会越来越高。而 5G 网络应用后，高速的网络也会使得安全的自动驾驶、远程医疗服务和虚拟现实等成为可能。更进一步的， 5G 网络还会提供随时随地的联网服务，在复杂场景中，例如楼宇、工业和制造环境、拥挤场景、远程控制（陆地和海洋）、 海陆空的高速行驶环境中，都能进行随时随地的高速通信。 图表 1. 5G 网络接入示意图 资料来源： Qorvo 官网 , 中银国际证券 1.1 5G 简介及应用 5G 是第五代移动电话行动通信标准，也 称为 第五代移动通信技术。与上一代 4G 技术相比， 5G 具有更高的数据传输速度、更宽的带宽、更强的可靠性和更低的时间延迟等特性。 5G 技术的进步还将会带来一系列应用的进步和更新，满足高速移动和充分网络接入的需求，提高连接对象和设备数量的从而为各种新服务提供更多可能。例如能源、健康、智慧城市、汽车和工业生产等将会大大提高自动化模式的比 例。 5G 服务将首先扩大以人为中心（ human centric）的应用，例如虚拟和增强现实以及高清视频数据流等；另外以通信为基础的机器 -机器、机器 -人类型的应用，也将会更加安全化和便捷化。 图表 2. 5G 与 4G 通信主要参数对比 参数名称 常用符号 4G 5G 单位 LTE Sub-6 低频 高频 载波频率 fc GHz 2 2 30 70 信道尺寸 BW MHz 20 100 250 500 采样频率 fs MHz 30.72 150 375 750 天线数量 NA - 4 96 128 256 ADC/DAC 链路层数 NL - 4 16 12 10 资料来源： 5GPPP Architecture Working Group, 中银国际证券 2019 年 2 月 25 日 5G 系列终端天线专题 6 5G 不仅是 4G 基础上的一个提升，而是移动通信技术的一场革命，在各方面的表现上相比今天的网络，都会有数量级方面的提升。 5G 并不会替代 4G，而是提供任务多样性上的升级，从这个角度看，5G 可能提供的服务带来的变化将会在社会的方方面面。简而言之， 5G 技术如下： 图表 3. 5G 技术概况 5G 技术 技术需求 增强型移动宽带 需要无线移动新频段中上百 MHz 的信道带宽，如 4G LTE pro 的 2.5GHz 到 5G的 3.5GHz，以及数十 GHz 的毫米波频谱 超高效率 数据流的超高效率需要利用载波聚合和 MIMO 技术 固定无线接入 可以提供 20Gbps 的短距离接入（家庭、企业） 无线基础设施 使用波束赋形以及高功率 GaN 来配合自适应阵列天线 低延时 用来满足实时通信，如自动驾驶和 AR/VR 等技术 物联网 数万亿计的连接数，要求低数据速率、电池寿命要超过 10 年、尽可能高的通信范围 资料来源： Qorvo, 中银国际证券 5G 应用场景 5G 的应用场景主要分为三大类：大规模 IoT 物联网 ，关键任务服务和增强移动宽带服务。 大规模 IoT指的主要是设备和设备（ machine to machine, M2M）之间的通信，同时尽可能避免人的干预。根据 Ericsson预计，到了 2021 年 IoT 连接的设备数量将会达到 280 亿，其中 150 亿的设备是 M2M 方式通信和消费电子设备。大规模 IoT 应用的设备主要包括低成本低功耗的传感器设备，提供端对端的覆盖和向云端数据传输，采用短程无线电技术，例如蓝牙、 WiFi。 NGMN 组织已经给出了具体的标准即 mMTC。 5G网络中大量支持 mMTC 的 IoT 连接设备必须具有低成本、 高效率的特点，因为大量的设备会带来巨大的能量消耗。因此在低传输速率的应用需求时， IoT 使用窄带通信，甚至会在低于 1GHz 的波段。低成本、低功耗的 RF 元件也会在 IoT 中大量应用，因此需要使用硅或者 GaAs 等工艺，配合小尺寸封装。在大规模 IoT 应用中， RF 前端也需要兼容多个频段和标准。 图表 4. IoT 无线连接市场分类 资料来源： Qorvo, 中银国际证券 2019 年 2 月 25 日 5G 系列终端天线专题 7 关键任务服务 的应用也有其自身特殊的需求，例如高速高吞吐量、对可靠性的超高要求以及数据传输极高的安全性。 NGMN 组织针对性的定义了 uRLLC 标准。除了很热门的自 动驾驶，关键任务服务还还包括了公共交通系统、 无人机 、 工业自动化 、 远程医疗（例如，监控，治疗和护理） 、 以及智能电网监控。 为了保证这些服务的高可靠性， 5G 需要使用新型空中接口技术来满足多样化的数据传输类型。相比于目前的 4G， RF 连接上则需要做的更加多样化。 5G 中会使用小型基站连接产生更多的固定无线连接网络，其通信波段从 600MHz 到 80GHz 都将会被使用，相应的会带动 GaAs，硅， GaN工艺的使用。支持关键任务服务所对应的 5G 通信技术有 MIMO、载波聚合 CA、毫米波和 5G 网络基础设施，如宽带接入，全球定位系统（ GPS），点对点无线电和卫星通讯。 图表 5. 5G 应用场景 资料来源： 5GPPP Architecture Working Group, 中银国际证券 增强移动宽带 eMBB服务 即 在 随时随地的 更快 、更好的覆盖所有互联网应用程序和服务 。 支持 5G eMBB的关键技术有 LTEA 和 LTEA-pro、 扩展频段 /宽带固定无线接入（ FWA） 、 毫米波（ mmWave） 、 波束控制基础设施 、 小型基站 等。然而目前拥挤的带宽下，运营商需要使用更有效地方式利用频谱。使用高频波段是一个很好的选择，高频传输可以拥有较高的带宽，但还短波会带来绕 射能力差的缺点。在 5G 中将会采用的毫米波可以提供很高的数据容量，带宽可达 400MHz，毫米级的波长带来的优势是可以使用更小尺寸的天线。毫米波支持几百米内的短距离传输，即使是相同城市内，信道也可以重复使用，大大提高了频谱的利用率。 图表 6. 增强移动宽带技术对授权和非授权频谱的需求 资料来源： Qorvo, 中银国际证券 2019 年 2 月 25 日 5G 系列终端天线专题 8 1.2 5G 频谱 分配以及进展 4G LTE 频谱包含了 52 个 3GPP 频段 (band)，其中 35 个使用 FDD/SDL 制式， 17 个使用 TDD 制式。这个频段支持 6 种信道带宽， 1.4MHz， 3MHz， 5MHz， 10MHz， 15MHz 以及 20MHz。因此载波聚合（ Carrier Aggregation， CA）技术被开发使用来拓展信道带宽，提高数据传输速率，例如 R14 标准规定载波聚合最多可以合并 32个分量载波。而运营商的标准已经提高到了 5CC载波聚合，也就是说，聚合 5个 20MHz信道后可以达到 100MHz 的带宽。通过 CA 技术配合 4x4 MIMO 技术（下行）和 256QAM， 4G LTE 的预期峰值下行数据速率可以达到 1Gbps。但是对于各个运营商来说， 4G LTE 的频谱是分散分配的，因此运营商也开始在授权和非 授权频段上使用载波聚合技术来增加数据容量，也就是 LAA 技术。例如Band 46 就是通过聚合授权频段和 WiFi 频段来实现 LAA。 图表 7. 5G NR 频谱范围 资料来源： Qorvo，中银国际证券 3GPP已指定 5G NR 支持的频段列表， 5G NR频谱范围可达 100GHz，指定的 两大频率范围 Frequency range 1（ FR1） 和 Frequency range 2（ FR2）。 FR1 就是我们通常讲的 6GHz 以下频段，频率范围是 450MHz 到6GHz，也就是通常所说的 sub-6GHz； FR2 频率范围是 24.25GHz - 52.6GHz，因为波长已经缩小至毫米级，也称为 毫米波频段 。 图表 8. 5G NR 频谱范围的高频段和低频段 名称 频率范围 最大信道带宽 FR1 450 MHz 6.0 GHz 100 MHz FR2 24.25 GHz 52.6 GHz 400 MHz 资料来源： 3GPP 官网，中银国际证券 5G NR 支持 16CC 载波聚合。由于 5G NR 定义了灵活的分量载波间隔，不同的分量 载波间隔对应不同的频率范围 和信道带宽 ，具体如下： 图表 9. 5G NR 分量载波间隔 分量载波间隔 15kHz 30kHz 60kHz 120kHz 频率范围 FR1 FR1 FR1, FR2 FR2 信道带宽 50MHz 100MHz 200MHz 400MHz 资料来源： 3GPP 官网，中银国际证券 5G NR 区别于 4G LTE 的一个重要方面就是 6GHz 以下的最大的信道带宽是 100MHz，而 6GHz 以上的最大信道带宽可以达到 400MHz。在 6GHz 以下可以通过载波聚合技术，聚合 4 个 100MHz 的信道实现400MHz 的瞬时带宽，峰值速率将会远远超过 4G。 然而， 6GHz 以下拥有 100MHz 信道带宽的波段目前只有 B41（ 2.5GHz），以及 5G 将会使用的 C 波段（ 3.3GHz 到 4.2GHz， 4.4GHz 到 4.99GHz）。在 6GHz 以上的厘米波和毫米波波段，也就是 28GHz， 39GHz和未来的 80GHz， 100MHz 和 400MHz 信道带宽都比较容易实现。 2019 年 2 月 25 日 5G 系列终端天线专题 9 图表 10. 全球厘米波和毫米波波段部署 资料来源： Qorvo 官网 ，中银国际证券 全球 5G 频谱分配情况 国际上主要使用 28GHz 进行试验 ， 2016 年 7 月 14 日， FCC 投票决定通过分配 24GHz 以上 5G 频谱， 北美地区 成为世界上第一个为 5G 网络分配可用频谱的地区 。 图表 11. 北美 5G 频谱分配 毫米波频段 频谱 27.5 28.35 GHz 授权 37 38.6 GHz 授权 38.6 40 GHz 授权 64 71 GHz 非授权 资料来源： 3GPP 官网，中银国际证券 欧盟委员会无线频谱政策组（ RSPG）于 2016 年 6 月制定 5G 频谱战略草案，并在欧盟范围内公开征求意见。 2016 年 11 月 9 日， RSPG 发布欧盟 5G 频谱战略。 图表 12. 欧洲 5G 频谱分配 分配频段 频谱说明 700MHz 5G 广覆盖 3.4 3.8GHz 利用抢占先机 24.25 27.5 GHz 5G 先行频段 31.8 33.4GHz 5G 潜在频段 40.5 43.5GHz 5G 可选频段 资料来源： 3GPP 官网，中银国际证券 国内频谱分配 国内主流的 4G 频段在 1.8GHz-2.7GHz 之间。而 5G 的工作频段分为高频频段和低频频段两部分。 2018年 我国工信部发布意见稿表明， 3.3G-3.40GHz 频段基本被确认为 5G 频段，原则上限于室内使用；4.8G-5.0GMHz 频 段，具体的频率分配使用根据运营商的需求而定。新增 4.4G-4.5GMHz 频段，但不能对其他相关无线电业务造成有害干扰。 2019 年 2 月 25 日 5G 系列终端天线专题 10 2018 年 12 月 10 日上午，工信部正式发文表示，向中国电信、中国移动、中国联通发放了 5G 系统中低频段试验频率使用许可。其中，中国电信和中国联通获得 3500MHz 频段试验频率使用许可，中国移动获得 2600MHz 和 4900MHz 频段试验频率使用许可。中国联通和中国电信获得了较为国际主流的频段，中国移动的情况则复杂很多。细分来讲，中国移动获得 2515MHz-2675MHz、 4800MHz-4900MHz频段的 5G 试验频率资源，其中 2515-2575MHz、 2635-2675MHz 和 4800-4900MHz 频段为新增频段，2575-2635MHz 频段为重耕中国移动现有的 TD-LTE（ 4G）频 段 。 目前 我国在 24.75-27.5GHz、 37-42.5GHz高频频段正在征集意见。 图表 13. 中国大陆运营商 5G 系统中的低频试验频率 运营商 试验频率 中国电信 3500MHz 中国移动 2600MHz 和 4900MHz 中国联通 3500MHz 资料来源： 3GPP 官网，中银国际证券 通信 工作频率的提高，带来 的先是信道带宽的提升，这意味着网络速度的提高。不过带来的坏处是波长的变短，众所周知，波长越短，电磁波的绕射能力越差，传播过程中的衰减越大。因此单个基站信号覆盖的范围就越小，为了确保信号覆盖，基站的数量需要增加。 5G 的 sub-6GHz 工作频率与 4G工作频率依然接近，因此从基站设施的角度看，成本提升较小 ；在高频下 需要增加更多的基站，成本提升也比较高。 不过从终端的角度看，由于频率的变化，对终端天线、无线通信芯片、终端架构设计等等都会带来很大影响，可谓牵一发而动全身。在关注终端变化之前，我们首先看一下 5G 通信技术的 变化，然后分析随之而来对终端硬件的影响。 5G 标准进展和现状 3GPP 在 2018 年 6 已经 发布第一个独立组网 5G 标准 ， 根据 3GPP 官网发布的消息， R15 和 R16 标准 可以 满足 ITUIMT-2020 全部需求 ； 其中 R15 是 5G 基础 版本 ，重点支持增强移动带宽业务和基础的低时延高可靠服务 ； R16 为 5G 增强版本，支持更多的物联网业务 。 考虑到 5G 将会较长时间和 LTE 共存，并且 各个 运营商拥有的频谱 、 部署节奏和 5G 网络服务定位有差异 ， 3GPP 标准分阶段支持多种 5G 组网架构。 5G R15 标准分为三个步骤向外界提供 ，具体如下 ： 图表 14. 5G R15 标准分为三个步骤向外界提供 5G R15 标准版本 类型 进展 早期版本 Early drop 非独立组网 (Non-Standalone， NSA)规范(Option-3 系列 ) ASN.1 已于 2018 年 3 月冻结 主要版本 Main drop 独立组网 (Standalone， SA)规范 (Option-2 系列 ) ASN.1 已于 2018 年 9 月冻结 延迟版本 Late drop 其他迁移体系结构 (Option-4， Option-7 和 5G-5G 双连接 ) ASN.1 将于 2019 年 6 月 冻结 资料来源： 3GPP 官网，中银国际证券 3G 向 4G 演进时，无线接入网和核心网是 整体部署 的模式。但是在 4G 向 5G 演进时，无线接入网和核心网 将会分别 单独部署 。 5G 的部署安排将是混合进行的， 5G 无线接入网 (New Radio, NR)、 5G 核心网、 4G 核心网和 4G 无线接入网 (LTE)会混合搭配，组成 多种网络部署选项，也就是不同的 Option。 5G 组网方案分为独立组网和非独立组网，独立组网方案有 Option-2 和 Option-5，非独立组网方案有Option-3、 Option-4 和 Option-7，详细情 况如下：