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陶瓷材料|5G时代陶瓷介质滤波器有望成为滤波器行业发展主流

日期: 2019-04-09
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射频器件主要包括滤波器、双工器、合路器和塔顶放大器等。其中,滤波器是射频核心器件,其主要作用是使发送和接收信号中特定的频率成分通过,而极大地衰减其他频率成分。目前,我国基站滤波器产业成熟,3/4G 时期金属腔体滤波器厂家众多,并已实现全面国产化。

陶瓷材料|5G时代陶瓷介质滤波器有望成为滤波器行业发展主流


基站射频单元组成结构


陶瓷材料|5G时代陶瓷介质滤波器有望成为滤波器行业发展主流

射频子系统主要部件及功能



1、3G/4G时代,金属同轴腔体滤波器是市场主流选择

传统应用的滤波器一般由金属同轴腔体实现,是通过不同频率的电磁波在同轴腔体滤波器中振荡,达到滤波器谐振频率的电磁波得以保留,其余频率的电磁波则在振荡中耗散掉的作用。在3G/4G时代,金属同轴腔体凭借着较低的成本,较成熟的工艺成为了市场的主流选择。

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传统金属同轴腔体滤波器示意图


应对无线环境干扰愈加复杂的情况,陶瓷介质谐振滤波器迅速发展。随着移动通信网络的发展,商用的无线频段变的非常密集,导致了普通金属腔体滤波器不能实现高抑制的系统兼容问题,而采用陶瓷介质材料来制作腔体滤波器可以解决上述问题。


陶瓷介质谐振滤波器采用了一种更高Q值(品质因数)的人工合成陶瓷介质材料,与传统的金属腔体滤波器不同,在陶瓷介质谐振滤波器中,电磁波主要在介质材料制成的谐振器中发生振荡,而不是金属空腔中。


由于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,陶瓷介质谐振滤波器具有高抑制、插入损耗小、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。


陶瓷介质谐振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,势必会在移动通信领域中拥有广阔的应用空间。


陶瓷材料|5G时代陶瓷介质滤波器有望成为滤波器行业发展主流

陶瓷介质谐振滤波器示意图


2、5G时代,陶瓷介质滤波器有望成为主流

5G时代,受限于Massive MIMO(大规模天线技术)对大规模天线集成化的要求,滤波器需更加小型化和集成化,在限定腔体尺寸的情况下,由于自身材料的损耗,上述两种滤波器无法取得很高的Q值,导致各项性能指标都受到了限制。


因此,为了满足5G基站滤波器对小型化的要求,更易小型化的陶瓷介质滤波器有望成为主流解决方案。


陶瓷介质滤波器中的电磁波谐振发生在介质材料内部,没有金属腔体,因此体积较上述两种滤波器都会更小。与陶瓷介质谐振滤波器的优点类似,陶瓷介质滤波器也具有Q值高、选频特性好、工作频率稳定性好、插入损耗小等优点。


与传统腔体滤波器相比,介质滤波器在产品性能上更加优异,尺寸更小,功耗也更低,并且一旦实现量产其成本也会更低。基于上述优点,陶瓷介质滤波器有望在5G时期中低频段继续成为主流选择。


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陶瓷介质滤波器示意图


陶瓷材料|5G时代陶瓷介质滤波器有望成为滤波器行业发展主流

金属同轴腔体、陶瓷介质谐振以及陶瓷介质三种滤波器方案的比较


3、上下游格局稳定,过渡期业绩承压较大

从产业链来看,陶瓷介质滤波器的上游是包括陶瓷粉体和介质谐振器在内的关键原材料,下游是基站设备。



陶瓷材料|5G时代陶瓷介质滤波器有望成为滤波器行业发展主流

陶瓷介质滤波器产业链


陶瓷介质滤波器的上游原材料主要是陶瓷粉体和介质谐振器。陶瓷粉体对滤波器性能具有重要影响,高介电常数(εr)和低介质损耗(Q×F值)是核心性能指标。介质谐振器由陶瓷粉体材料制作而成,其优点是体积小、便于实现电路小型化、温度稳定性高,以及使用上不受频率限制(包括毫米波频段)。高介电常数、低介质损耗和高Q值是核心性能指标。


陶瓷粉体不是自然界天然存在的,需要通过多种材料按照一定的比例铸压而人工合成,制作工艺较为复杂。2000年之前,其核心生产技术掌握在日本和美国公司手中。目前,国内厂商已经掌握陶瓷粉体的生产工艺,以风华高科旗下子公司国华新材料为代表。介质谐振器一般均由滤波器厂商自主生产,根据公司官网信息,目前国华新材料和灿勤科技等均已掌握相关制造工艺。



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介质滤波器陶瓷粉体研发及趋势



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介质谐振器产品示意图


滤波器下游直接客户是通信主设备商。目前,全球通信设备商呈现四足鼎立的格局,华为、爱立信、诺基亚和中兴市场份额分别为35%、29%、27%和9%(数据来源于OFweek光通讯网),因此对于业务结构单一的滤波器厂商来说,客户集中度较高。


从历史数据来看,根据滤波器行业相关上市公司年报,大富科技前五大客户收入占比在70%左右,武汉凡谷前五大客户收入占比在95%左右,春兴精工由于在滤波器之外,精密结构件占主营业务较高比重,前五大客户收入占比在30%-50%之间。



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全球通信设备市场份额(%)


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部分主要厂商五大客户销售占比(%)


总体来看,受到行业特性和产业链所处位置的影响,传统滤波器厂商的客户集中度都比较高,在造成公司业绩变化呈现较高周期性的同时,议价能力也受到较大影响。统计国内滤波器上市公司的营业收入和毛利率,不难发现,从2014年以后,传统滤波器厂商收入和毛利率持续下降。


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国内传统滤波器厂商营业收入(亿元)



陶瓷材料|5G时代陶瓷介质滤波器有望成为滤波器行业发展主流

国内传统滤波器厂商销售毛利率(%)


4、5G时代滤波器市场空间有望倍增


总体而言,5G时代滤波器市场的催化因素有四方面:


(1)单基站用量:大规模天线Massive MIMO商用,导致射频通道数增加,进而带动滤波器需求量提升。4GTDD普遍是8T8R天线,8个通道;4GFDD普遍是2T2R,4个通道。目前来看,我国5G主流频段将集中在3-5GHz的中频段,将采用TDD制式,大概率采用64T64R天线,也就是64个通道。按照一个通道一个滤波器计算,5G单基站滤波器用量将是4GFDD制式的16倍,TDD制式的8倍。


(2)单通道价格:滤波器需要满足小型化的设计要求尺寸变得更小,兼顾到设计复杂度的增加,预计单通道滤波器价格较4G下降2/3左右。


(3)技术方案:受限于Massive MIMO对大规模天线集成化的要求,滤波器必须更加小型化和集成化。同时5G时代通信频段更高,处理的连续带宽更宽,滤波器设计复杂度大幅提升。尺寸小、Q值高的陶瓷介质滤波器,凭借成熟的产业链以及性价比优势有望成为发展主流。


(4)基站总量:5G时代为实现系统容量提升,同时满足增强型移动宽带等应用场景,将使用更高频通信(3GHz以上)。由于频段越高,基站覆盖范围越小,未来5G基站总量有可能达到4G基站数量的1.5倍。


综合考虑用量的规模提升和价格的适当下降,粗略计算,5G基站单扇区的滤波器价值量可以达到4G的3.6倍,为3200元。进一步考虑到5G基站总量或将达到4G的1.5倍,国内为600万个,全球为840万个,则5G滤波器国内和全球市场空间将分别达到576亿元和806亿元。



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基站单扇区滤波器市场空间弹性测算



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