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5G关键材料之微波介质陶瓷

关键词 5G , 微波介质陶瓷 , 陶瓷|2019-07-01 15:50:32|来源 中国电子材料行业协会
摘要 5G即第五代通信技术,主要特点是波长为毫米级,超宽带,超高速度,超低延时。5G是在前四代的基础上发展起来的,但相比于前四代通信技术又有着质的不同。1G实现了模拟通信,2G实现了数字...

5G即第五代通信技术,主要特点是波长为毫米级,超宽带,超高速度,超低延时。5G是在前四代的基础上发展起来的,但相比于前四代通信技术又有着质的不同。1G实现了模拟通信,2G实现了数字通信,3G实现了多媒体通信,4G实现了局域高速上网。1~4G都只限于人与人之间便捷的通信,但到了5G时代,通信已不只是局限在人与人之间,物与物、物与人等多种通信方式也可以实现,达到了万物互联的目的。

5G的兴起,拉动其上下游产业链的发展,包括上游的材料行业,中游的通信设备器件以及下游的终端应用,据IHS预测,到2035年5G将为全球多个产业创造12.3万亿美元的收入。图1所示,即为5G上下游产业链,其中微波介质陶瓷及其主要应用滤波器是本篇文章介绍的重点。

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图1:5G产业链

微波介质陶瓷简介

微波介质陶瓷是指应用于300MHz~300GHz微波频段电路中,作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷材料,其在现代通信领域应用较为广泛。

相对高的介电常数,有利于微波介质滤波器的小型化,以及微波电路的集成化;接近于0的频率温度系数,使得微波介质滤波器信号不随温度的改变而大幅度变化,产生信号漂移,表现出极高的稳定性与可靠性;高品质因数Q,插入损耗是滤波器的一个关键指标,微波介质材料的介质损耗是影响介质滤波器插入损耗的主要因素,品质因数Q与介质损耗成反比关系,因此高的品质因数,使得插入损耗较小,对滤波器是有利的。

微波介质陶瓷按照介电常数大小的不同,大致可以分为三类:低介高Q微波介质陶瓷,中等介电常数的微波介质陶瓷,高介微波介质陶瓷。介电常数在0-40的一类介电陶瓷称为低介微波介质陶瓷,微波介质陶瓷有高介高损耗,低介低损耗的规律,因此又称为低介高Q微波介质陶瓷,主要应用于移动通信基站、卫星通信等领域;介电常数在40-80之间的称为中等介电常数的微波介质陶瓷,主要用于微波军用雷达及通信系统;介电常数大于80的称为高介微波介质陶瓷,主要在民用通信系统中使用。

微波介质陶瓷主要应用市场——介质滤波器

微波介质陶瓷作为一种新型电子材料,在现代通信中被用作谐振器、滤波器、介质基片、介质天线、介质导波回路等,广泛应用于微波技术的许多领域,如移动电话、汽车电话、无绳电话、电视卫星接收器、卫星广播、雷达、无线电遥控等。随着低温共烧陶瓷技术的不断发展,微波介质陶瓷材料的应用前景会更好,其主要产品如图2所示。

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图2:微波介质陶瓷的主要应用领域

滤波器是微波介质陶瓷的重要应用领域,是基站射频器件的重要组成部分,在通信基站与终端射频信号处理模块中广泛应用。微波介质陶瓷滤波器与同等频率滤波器相比,具有体积小、重量轻、成本低等优势,因此在移动通信、卫星通信、雷达等诸多领域中应用广泛。从表1中可以看出微波介质陶瓷滤波器的优势所在。 

表1:不同滤波器特性对比

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5G采用了AAU射频单元集成化与Massive MIMO大规模天线阵列等通信技术,对滤波器的小型化与轻质化提出了更高的要求,使得微波介质陶瓷滤波器成为5G时代滤波器的主流选择。

4G天线通道数通常为2/4/8个,而5G采用了大规模甚至超大规模天线阵列,其通道数将达到64/128/256个;每个基站一般需要3副天线覆盖,5G与4G相比频率变高,覆盖距离相应缩短,这就使得5G所需基站数量远大于4G。综上,可以了解到随着5G的不断发展,介质滤波器的市场需求将会日益递增,市场规模将会逐年扩大。

据外媒报道,科学和信息通信技术部提供的数据显示,韩国作为全球第一个5G网络普及率最高的国家,计划年内建设大约23万个5G基站,欧洲方面,德国在5G建设中居于前列,未来三年内将建设4万个基站。据Strategy AnalyTIcs高级半导体应用(ASA)研究服务发布的最新报告《2018-2024年无线基站行业预测:您应该知道什么?》预测,2024年全球将会部署近940万个新的和升级的无线基站设备。根据全球5G基站建设规模的布局情况,IHS调研机构作出预测:介质滤波器占比增幅将不断提升,呈线性增长,介质滤波器所占比例也从2018年的10%增长到2020年的65%,全球滤波器市场规模如图3所示,预计到2020年介质滤波器在全球的市场规模将达到90亿美元左右。

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图3:全球滤波器市场规模(数据来源:IHS)

国内三大运营商也在积极布局,投入大量资金加速5G基站的建设进程。2019年中国移动规划建设3万到5万个5G基站,中国电信年规划建设2万个,中国联通规划建设2万个,2019年三大运营商规划建设5G基站接近10万个。根据三大运营商对5G基站建设的布局情况,预计移动与电信+联通的5G基站建设比例接近1:1。三大运营商计划2025年完成对于5G基站的建设,预计5G基站的建设规模将超过500万个。

根据5G频谱划分,移动以2.6GHz为主流频段,联通与电信采用3.5GHz作为主流频段,因此5G基站建设中所用的2.6GHz介质滤波器与3.5GHz的比例接近于1:1。当前2.6GHz介质滤波器单价约为100元,3.5GHz介质滤波器单价约为70元。根据4G建设周期内,滤波器单价的变化趋势,预测5G建设周期内介质滤波器的单价波动,如表2所示。

表2:不同介质滤波器的价格变化

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根据4G基站在建设周期内的建设情况以及2019年三大运营商关于5G基站的部署,预计5G基站的建设情况如图4所示。 

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图4:国内基站建设规模预测

随着国内5G基站建设数量的不断增加,以及介质滤波器单价的下降,预计2019~2021年,5G用介质滤波器的市场空间将达到268.08亿元,如图5所示。

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图5:5G用介质滤波器的市场规模预测

国内外介质滤波器主要企业

介质滤波器的生产工艺难度大,技术含量高,全球优秀的介质滤波器供应商大多为日欧美企业。由于介质滤波器的工艺尚未完全成熟,国内只有少数企业能够提供经过主设备商认证的介质滤波器。

①全球主要企业

日本是最早研究生产介质滤波器的国家之一,村田、京瓷、TDK还有东光株式会社等一批企业为全球介质滤波器的主要生产企业,日本已经走在介质滤波器生产的前列,引导整个行业的发展。

欧洲介质滤波器生产企业以德国CeramaTec公司为代表,此外英国的FILTRONIC公司也知名度颇高。欧洲国家中,法国手机用户相对较多,据法国电信管理局发布信息,截至2017年6月,法国已有5900万人拥有手机,占全国总人口的91.8%,年增幅达5.2%。欧洲市场既有先进的技术,又有着像法国这样手机用户不断攀升带来的广阔应用市场,介质滤波器行业发展良好。

美国的CTS以及康普也是优秀的介质滤波器供应厂商,掌握着先进的技术手段。

②国内主要企业

我国生产介质滤波器的企业主要有: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。

东山精密旗下艾福电子主要生产陶瓷介质滤波器、陶瓷谐振器、基站天线等,是华为滤波器核心供应商。2018年10月,艾福电子取得华为公司5G陶瓷介质滤波器等产品订单,订单总金额为2538.08万元,2018年12月以来,艾福电子成为华为、爱立信等主设备商的供应商,批量供应介质滤波器。

风华高科控股子公司国华新材生产的陶瓷介质滤波器也应用于5G基站设备。风华高科表示,国华新材生产的陶瓷介质滤波器为国内外知名通信企业提供产品和服务,目前其营收占比较小,公司正在新建厂房为其扩产做准备。公司有关负责人表示,目前华为、中兴通讯、爱立信都是公司客户,公司已开始批量对外出货。

通宇通讯拟以8970万元受让江嘉科技65%的股权,江嘉科技是国内陶瓷介质滤波器老牌厂商,公司积极布局 5G,与中兴、爱立信等主设备厂商都有着密切合作关系,根据5G规划,通宇通讯预计可能会在2019年底或2020年批量供应介质滤波器。

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