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5G 滤波器市场即将爆发？

5G 牌照发放已有一年多的时间，根据工信部最新统计显示，我国 5G 基站正以每周 1 万多个的数量在新增。截至 5 月底，移动已建成 14 万个 5G 基站，电信与联通累计共建共享了 10 多万个 5G 基站。根据运营商 5G 基站建设计划，至 2020 年底，移动完成总量将达到 30 万站，电信与联通完成总量将达到 25 万站。另根据信达证券的预估，2020-2025 年中国 5G 基站建设规模在 400 万站左右，全球建设量在 800 万站左右。



5G 产业链中上游基站的升级，带动了射频器件市场的扩张与变革。以滤波器为例，4G LTE 时代，基站大多采用 2/4/8 通道天线（FDD 制式多为 2/4 通道，TDD 制式多为 8 通道），而 5G 引入了 Massive MIMO 技术，天线升级为 64 通道，甚至 128/192/256 通道（理论上讲，天线数量越多，噪声和干扰越小）。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。假设每个基站需要 3 副天线，一副 64TR 天线需要 64 个滤波器，那么一个 5G 基站就至少需要 192 个滤波器，再以国内 400 万站的基数预测计算，滤波器需求总量将达到 7.68 亿个。肉眼可见，滤波器的需求量将大幅增加，据 Yole Development 的预测，到 2023 年全球滤波器的市场规模将会达到 225 亿美元，年复合增长为 18.81%，是名副其实的射频前端元件成长之最。

陶瓷滤波器如何脱颖而出？

先来看看 4G 时代的滤波器，金属同轴腔体滤波器是绝对的主流, 其工作原理是通过不同频率的电磁波在腔体中振荡, 保留达到滤波器谐振频率的电磁波, 而其他频率的电磁波在振荡中耗散掉, 从实现滤波的功能。这种滤波器技术成熟、生产成本低，本应是 5G 良选，但在 5G 通信中，远端射频单元（RRU）和天线将集成为主动天线单元（AAU）一起上塔，基站的高度集成化和小型化发展对于滤波器的尺寸、重量、功率和发热性能有更高的要求（4G RRU 重量在 13-20kg 之间，5GAAU 重量在 38-47kg 之间）。而金属同轴腔体滤波器体积大、重量大、发热大等特点，价格相对又较贵（金属滤波器初期价格为 120 元，由于原料成本较高，降价空间不大，到后期价格降为 80 元），将对安装调试以及铁塔负荷带来不利的同时增加成本支出。为了解决上述问题，行业中开始关注小型金属腔体滤波器、塑料滤波器和陶瓷介质滤波器这 3 种方案。



图 | 小型金属腔体滤波器

顾名思义，小型金属腔体滤波器是一种通过工艺优化实现在性能保持基本稳定的前提下缩减滤波器的体积和重量的快速商用方案，但该方案受限于工艺瓶颈，目前主要应用于 2.6GHz 以下的低频段中，未来不会大规模覆盖（金属滤波器占比在初期为 50%，后期降到 20%），只会作为补偿使用。



图 | 塑料滤波器


其次是塑料滤波器，出于对重量、刚性、价格的考虑，厂商开始考虑采用工程塑料制作滤波器腔体，但由于腔体形变要求较高，还处于研发试用阶段，并无实际案例。



图 | 陶瓷介质滤波器


最后讲一下陶瓷介质滤波器，陶瓷介质滤波器以陶瓷为材料制作而成，没有金属腔体, 电磁波谐振发生在介质材料内部，具有高介电常数、高 Q 值、插入损耗小、体积小、重量轻、成本低、抗温漂性能好等特点，可承受功率高, 具有良好的选频作用，便于大规模集成。但陶瓷介质滤波器生产精度要求高，目前成本还没降下来，由于陶瓷粉体原料的价格低，一旦实现量产，成本可大幅降低（介质滤波器单只价格在初期为 80 元，到建设后期由于越来越多的厂商加入竞争，且良品率提高，价格将降到 20 元），因此未来陶瓷滤波器将占据 5G 滤波器的主要市场。



图 | 介质陶瓷介电性能参数


5G 陶瓷滤波器行业分析

壁垒知多少？

技术壁垒：
目前陶瓷滤波器的生产技术难点在于一致性，陶瓷粉体材料的配方、生产的自动化以及调试的良率和效率都是滤波器生产的难点所在。而作为滤波器厂商除了要攻坚跨越多科学领域的设计、生产制造关键技术外，还需要考虑降本的问题，这需要长时间的累积才能做到。

认证壁垒：
认证壁垒包括两个方面，一是陶瓷滤波器设计生产过程中所涉及的质量控制相关测试认证，主要包括一般要求（尺寸 / 外观 / 强度）、电学性能（绝缘电阻 / 耐电压 / 介电损耗因子 / 抗静电 / 温升）、衰耗性能（通带宽度 / 相对衰耗 / 插入衰耗 / 寄生衰耗 / 阻带衰耗）、加工性能（耐焊接热 / 可焊性）、可靠性能（温度快速变化 / 振动 / 冲击 / 稳态湿热 / 耐久性等）和全球限用物质准入要求（RoHS/REACH/POPs/WEEE/CA56）。二是下游通信设备厂商对陶瓷滤波器供应商的批量供货认证，由于该认证审核时间较长，一旦确定合作关系，除非供应商技术跟不上时代，否则不会轻易考虑更换，这也对滤波器供应商的自主研发和快速响应能力的考验。

资金壁垒：
资金壁垒也包括两个方面，一是滤波器的生产设备包括模具加工设备、压铸机、数控加工中心、网络分析仪等高价值设备，批量生产前期投入资金较多。二是应对客户的付款信用期也需要充裕资金。



表 | 四大主设备商的 5G 基站滤波器供应商（信息源：国信证券）


行业玩家几何？

2000 年之前，微波陶瓷的核心生产技术主要掌握在日本和美国手中。3G 时代（2010 年前后）是国产替代初期阶段，中外厂商开始共存，主要厂商包括国际巨头 Powerwave、CommScope（Andrew）和 Kathrein，以及国内厂商大富科技、武汉凡谷、摩比发展等。4G 时代（2010-2014 年间）国外厂商基本退出中国市场竞争，本土厂商开始挑大梁。5G 时代是面对技术升级的新一轮优胜劣汰，相比 4G 时代在原材料、产品形态、生产工艺等方面都有了质的革新，目前滤波器相关知名企业及其合作商见下表：



表 | 滤波器相关知名企业及其合作商基本情况表


写在最后

一位有着 37 年微波陶瓷研究经验的中国电科十三所老工程师周水杉表示，“微波陶瓷是从日本开始的，基础研究（物理角度）已经基本结束了，目前微波介质陶瓷技术已成熟。”
“然而，中国陶瓷滤波器产业缺少完整的体系和生态链，行业工资待遇低，基本毛利只有 10%~30%。以滤波器材料行业为例，如果国外是 9 分，我国就是 2~3 分，因此加快横向纵向展开合作才是当务之急。”北京中科纳通董事长殷文钢如是说。
笔者总结下来就是：陶瓷滤波器产业即将随着 5G 产业的发展而蓄势爆发，其基础研究已成熟，但大面积量产和生态建设还需时日。