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5G基站陶瓷滤波器发展趋势及产业链格局

5G基站陶瓷滤波器


                                                              5G基站陶瓷滤波器发展趋势及产业链格局 

进入5G时代,基站天线通道数量大幅成长,从现有4G的4、8通道逐步升级为16、32、64,及 128 通道。由于每一通道都需要一套完整的射频元件对上、下行信号进行接收与发送,并由相应的滤波器进行信号频率的选择与处理,因此滤波器的需求量将大幅增加。根据Yole预估,全球射频元件的市场将从2017年的 150亿美金提升至2023年的350亿美金,其中,滤波器的部份则从80亿美金提升至 225亿美金。滤波器是未来几年是射频前端元件中成长最快的零组件。

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                                        2017-2023年5G射频前端模块的市场规模发展趋势(来源:Yole)

预计2020年-2021年会大力安装5G基站,滤波器是基站不可或缺的核心部件,滤波器供应商在这一两年中会因为5G带来很多订单利润,迎来爆发。由于5G设备的重量和体积相对于4G要求将更为严格,滤波器必须小型化、集成化,体积更小、更轻的陶瓷介质滤波器将取代传统的金属腔体滤波器成为主流。5G时期宏基站介质滤波器市场有望达到4G时期的2.5倍,小基站的建设也将加大陶瓷介质滤波器的市场,市场潜力巨大,滤波器主要厂家都在往陶瓷滤波器发展,并且加速布局陶瓷滤波器生产线。

什么是陶瓷介质滤波器

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、塔顶放大器、合路器等几大类。

而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。滤波器是提高通信质量有力保障。

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。滤波器的性能优劣往往直接影响整个通信系统的性能指标。

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陶瓷介质滤波器的优势

滤波器作为射频核心器件,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。

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。在5G时代,陶瓷介质滤波器将成为市场的主流选择。

陶瓷介质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。

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5G通信对滤波器的发展需求

5G大规模天线(Massive MIMO )技术使得天线的数量倍数增长,通道数可能达到64甚至128个,而每个天线都需要配备相应的双工器,并由相应的滤波器进行信号频率的选择和处理,因此对于滤波器的需求量将大量增加;同时,5G通信把远端射频单元(RRU)和天线集成为主动天线单元(AAU),基站的高度集成化和小型化发展对于滤波器的尺寸和发热性能有更高的要求。

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5G Massive MIMO基站系统

5G通信对滤波器的小型化、轻量化、低成本、高性能的需求明显,但目前4G通信采用的腔体滤波器体积大,重量大,发热多,且价格较贵,难以在高集成化天线中广泛使用,因此各个滤波器生产企业都在积极研究能够满足5G应用的滤波器方案。

5G基站滤波器的发展趋势

目前,5G基站滤波器可有小型金属腔体滤波器、塑料滤波器和陶瓷介质滤波器3个方案。

1.小型金属腔体滤波器

小型金属腔体滤波器是通过提升金属加工工艺使得滤波器在性能保持基本稳定的前提下缩减滤波器的体积和重量,满足5G基站系统的要求。相比于其他滤波器,小型金属腔体滤波器性能稳定,工艺成熟,能快速商用。在5G低频段,小型金属腔体滤波器仍具竞争力,但随着频率的升高,对滤波器要求也越高,工艺更难实现,因此未来小型金属腔体滤波器市场较小,主要用于补偿。

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金属腔体滤波器

2.塑料滤波器

目前来说,塑料滤波器还没有实际应用案例,但是出于减重降本的目的,滤波器厂商开始考虑采用工程塑料如PPS经过电镀制作滤波器腔体,相比于金属腔体滤波器,塑料腔体具有较轻的重量,较强的刚性性能,不易受到外界温度的影响,且成本低。但由于腔体轻微形变就会影响波形,因此塑料滤波器还需要发展突破,目前只是一个备选方案。

3.陶瓷介质滤波器

陶瓷介质滤波器具备高介电常数、高Q值、低损耗、体积小、重量轻、成本低、抗温漂性能好等特点。相比于小型金属腔体滤波器,陶瓷介质滤波器的性能较低,这是由材质的性质决定。目前很多滤波器厂商已纷纷布局5G基站用陶瓷介质滤波器,但由于陶瓷工艺技术尚未完全成熟,能够量产的企业并不是很多。

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陶瓷介质滤波器

陶瓷滤波器或将成为主流

塑料滤波器未来可能在低端产品上用,小型金属腔体滤波器将在5G低频段靠近4G频段上补偿使用,所占市场较小,而相比于小型金属腔体滤波器,陶瓷滤波器具有更高的Q值,插损更低,高介电常数使得滤波器的尺寸更小、重量更低,同时陶瓷粉体原料的价格低,成本较金属滤波器低。因此未来陶瓷滤波器将占据5G滤波器的主要市场。

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陶瓷滤波器生产流程

陶瓷滤波器是由微波介质陶瓷粉末压制成型后进行高温烧结,经过CNC打磨处理、金属化和调试等工艺制造而成,所用到的设备有喷雾造粒机、干压机、数控精雕机、烧结炉、电镀设备、检测设备等;目前陶瓷滤波器的生产企业有:灿勤、东山精密、武汉凡谷、大富科技、世嘉科技、风华高科、佳利电子、春兴精工、顺络电子、金瑞欣等。

陶瓷滤波器产业链的挑战

一个典型的纯陶瓷介质滤波器的生产工艺包含陶瓷粉体造粒、压制成型、保温烧 结、印制银层、开设耦合窗口陶瓷谐振器、表面贴装、涂覆银层、再烧结、调制、 测试与包装等步骤。

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与腔体滤波器相比,5G主流采用的介质滤波器技术难度更高,其难点主要在于陶 瓷粉体材料的配方、制备与大规模自动化调试技术。

陶瓷粉体决定了介质滤波器的性能,粉体的配方与制备的难度较高。介质滤波器原 材料是陶瓷粉体,需要由多种化学原料按照科学的比例进行合成,陶瓷粉体决定了 介质滤波器的最终性能,只有拥有好的材料配方才能获得在一定使用条件下的高Q 值介质陶瓷。除了配方以外,粉体材料加工过程也具有复杂性,例如以碳酸钡为原 料的水热法包括溶解、钛酰化、干燥、水热、再次干燥等过程,酸碱控制不合理、 生成杂质等都将损害粉体质量。

大规模调试技术是滤波器生产的重点,或将成为制约介质滤波器供应商产能的关键。不论何种滤波器,调试向来是滤波器生产工艺中的重点。与腔体滤波器相比,陶瓷介质滤波器的调试更为困难:

一方面,陶瓷介质滤波器的调试是对陶瓷谐振体进行调试,与腔体滤波器调试 需调谐螺钉不同,陶瓷介质滤波器的调试中某些环节存在不可逆操作。若完全 采用手工调试,则很难保证一次调试成功,从而影响生产节奏。

另一方面,为了保证陶瓷介质滤波器的大规模产能,需要进行大规模调试,则 需要自动化调试设备,当前只有少部分厂家拥有陶瓷介质滤波器的自动化调试 设备与技术。

最后,自动化调试设备的核心算法目前并不完善,仍需进一步研究。

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由于陶瓷粉体配方与制备难度大,将导致行业壁垒升高;由于介质滤波器大规 模调试的要求更高,将一定程度上限制行业产能的过度释放。进而导致行业竞 争环境与4G时期相比得到明显改善,景气周期拉长。

同时,虽然原材料价格下降,使得介质滤波器的单价与腔体滤波器相比明显下 降。但在生产工艺难度加大,生产技术含量更高,竞争环境明显改善等预期 下,介质滤波器厂商的盈利能力有望提高。

陶瓷滤波器产业链格局及趋势

全球优秀的介质滤波器供应商主要有日本的村田、京瓷,以及美国的CTS、康普。在介质滤波器领域,由于美国公司产品价格相对较高,此前国内主设备商在滤波器 领域的海外供应商主要为日本的村田、京瓷。

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5G时期,中国企业的全球竞争力将快速提升,提升国产品牌国内占有率的同时, 有望走出国门。4G时期,国内企业与海外公司相比尚存在差距,部分市场空间被 日企村田、京瓷占据。但从近年的情况来看,从技术方面,国内企业与海外公司的 差距快速缩小,已经形成赶超之势;从价格方面,国产企业由于在成本端具有优 势,价格与海外企业相比具有明显的优势。预计5G时期国产品牌的市场占有率将 得到大幅提升。此外,随着中国在5G技术方面贡献度的大幅提升,中国主设备企 业有望走出国门,相应的上游配套行业(如滤波器等)也有望享受主设备商海外市 场占有率提升的红利。

陶瓷粉体受重视,多数企业布局全产业链

介质滤波器的产业链主要分为陶瓷粉体、介质谐振器、介质滤波器、主设备商四个 环节。其中:陶瓷粉体是工艺难点所在,粉体配方与制备决定了介质滤波器的最终 性能,一般来说,滤波器厂商所用陶瓷粉体材料需要得到主设备商的认证与许可;介质谐振器,介质谐振器的谐振频率、温漂、损耗参数直接决定介质滤波器的质量 和工作性能;介质滤波器,多个模式相同的介质谐振器贴装为介质滤波器,最终供 应给主设备商。

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当前多数企业布局介质滤波器产业链多个环节,原材料陶瓷粉体决定了产品的性 能,受到企业的高度重视。原材料陶瓷粉体的配方和烧结是工艺难点,也是整个产 业链高附加值环节之一,多数公司希望在该领域具备自主知识产权,以提升产品供 应实力。

在介质滤波器的产业链中,灿勤科技、艾福电子(东山精密子公司)、顺络电子、 国华新材(风华高科子公司)、大富科技、武汉凡谷等公司进行了全产业链布局, 且多数企业参与了多个环节。各个环节参与者具体如下:

陶瓷粉体:国华新材(风华高科子公司)、灿勤科技、艾福电子(东山精密子 公司)、顺络电子、大富科技、武汉凡谷。

介质谐振器:灿勤科技、艾福电子(东山精密子公司)、顺络电子、国华新材 (风华高科子公司)、大富科技、武汉凡谷、波发特(世嘉科技子公司)、国人通信。

介质滤波器:灿勤科技、艾福电子(东山精密子公司)、顺络电子、国华新材 (风华高科子公司)、大富科技、武汉凡谷等。上述企业研发制造进度不尽相 同,并且预计未来还会有更多企业加入介质滤波器的生产阵营。

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掌握微波陶瓷技术的企业成为滤波器行业新进入者。由于微波陶瓷技术(包括陶瓷 材料配制、烧结等)是介质滤波器核心技术之一,由此也为掌握微波陶瓷技术的企 业带来了进入介质滤波器市场的机会。

这类企业中,有国华新材、灿勤科技、艾福电子、顺络电子。其中,国华新材是基 于原材料陶瓷粉体技术,逐步向下游扩展,最终进入介质滤波器领域并形成全产业链覆盖;灿勤科技与艾福电子,则是由提供介质谐振器开始,逐步进行技术扩展, 最终进入介质滤波器领域;顺络电子是基于片式电子元件研发的经验,进行了 LTCC(低温共烧陶瓷)微波器件的技术积累,产品包括天线与滤波器。这些公司 由陶瓷产品逐步切入无线和滤波器领域的路径,与海外公司村田、京瓷类似。

为了顺应变化,4G时代的主流滤波器供应商大富科技、武汉凡谷等此前也进行了 布局。4G时代的滤波器供应商大富科技、武汉凡谷等公司,面对5G对小型化、高 Q值滤波器的需求,也在此前进行了相关产业的布局。大富科技,自2011年起建立 了介质材料博士后工作站,拥有具备介质材料研发、配方工艺、介质射频产品整体 设计能力和相关技术;武汉凡谷,2013年成立陶瓷材料公司,致力于微波陶瓷材料、微波陶瓷介质谐振器、微波陶瓷介质滤波器的研制。

我们认为:两类企业各有优势,掌握微波陶瓷生产和大规模调试技术的国产企业将 5G浪潮下更具竞争力。行业新进入者进入介质滤波器领域,初期可能在微波陶 瓷技术方面具有一定优势;4G时代滤波器主流供应商也同样在若干年前对介质滤 波器技术进行了布局,在滤波器设计、行业经验、客户资源等方面可能具有一定优 势。建议关注相关企业在客户认证、订单规模、以及产能提升等方面的进度。

       以上信息来自互联网信整合,更多陶瓷滤波器的问题咨询金瑞欣特种电路。

 


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