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【行业观察】通信PCB迎确定性发展,深南电路、沪电股份深度受益

编辑: pcb 2019-01-31


PCB网城讯

中央经济工作会议提出,2019年要加快5G商用步伐,加强人工智能、工业互联网、物联网等新型基础设施建设。十年一遇的代际升级,5G 带来 PCB 需求量和附加值双提升。


1、5G 时代数据量巨大,建站密度增加


根据 IMT-2020(5G)推进组提出的 5G 关键能力,5G 需要具备比 4G 更高的性能,支持 0.1~1 Gbps的用户体验速率,1 百万/Km的连接数密度,毫秒级的端到端时延,数十 Tbps/ Km的流量密度,500Km/h 以上的移动性和数十 Gbps 的峰值速率。其中,用户体验速率、连接数密度和时延为 5G 最基本的三个性能指标。同时,5G 还需要大幅提高网络部署和运营的效率,相比 4G,频谱效率提升 5~15 倍,能效和成本效率提升百倍以上。



ITU 从 eMBB(增强型移动宽带)、mMTC(海量机器类通信)、uRLLC(超可靠、低时延通信)的三大应用场景上做出规划。根据香农公式:C=B log2(1+S/N)。其中 C 是最大传输速率;B 为频谱带宽;S 为信号功率;N 则是噪声功率。提高传输速率最直接的做法就是提高频谱带宽,总的来说分为三类方法:


1)提高频谱范围,由 C= λV,为了提高频率,那么所需波长就越小。也就诞生了 5G 的关键技术之一:毫米波(mm Wave);


2)提高频谱利用率,那么这就涉及到了大幅提高频谱效率的 Massive MIMO;


3)为了提高在传输过程中的效率,减低能耗,便引出了 3D 波束赋形技术。在实现以上技术的前提下,三大应用场景基本解决。



5G 因频段较 4G 有较大提升,基站数量将大幅增长。移动通信从 2G 至 3G 和 4G,频段也从800MHz/900MHz 提高 1.8GHz 和 2.5GHz。进入 5G 时代,在三大应用场景和高频高速的要求下,5G 将采用 3GHz 以上的更高频段,基站覆盖范围持续缩小,需要基站建设密度不断加大(低频基站覆盖 0.5~1 公里,高频 28GHz 基站覆盖不超过 350 米)。根据中国联通的预计,5G 建站密度将至少达到 4G 的 1.5 倍。



据工信部数据,截至 2018 Q1 我国 4G 基站数共 338 万个,目前 4G 基站建设及投资已趋缓。由此预计,未来 5G 全覆盖我国宏基站数将达到 450 万个,按中国占全球 4G 基站近一半的比例计算,5G 宏基站数量或达 900 万个。



通信领域应用在 PCB 下游应用中一直占据较大的比重,通信设备的 PCB 需求主要以多层板为主(4~16 层板的占比达到 65.29%,其中8~16 层板占比约 35.18%),包括背板、高频微波板、高频多层板等。从 5G 的建设需求来看,5G 将会采取“宏站+小站”组网覆盖的模式。毫米波高频段(以 28GHz 为例)的小站覆盖范围是 10~20m,应用于热点区域或更高容量业务场景,由于小基站主要用于高频段建设,现阶段方案仍不确定,故而不做预计。宏基站数量的大幅增加将有望拉动 PCB 需求,国内通信板厂商将持续受益 5G 推进。



2、基站架构改变,射频侧 PCB 价值量提升


4G 时代,一个标准的宏基站主要由基带处理单元(Base Band Unit,BBU)、远端射频单元( Remote Radio Unit,RRU)和天线组成。远端射频单元(RRU)通过接口与 BBU 通信,完成基带信号与射频信号转换。RRU 主要包括上、下行信号接口单元、处理单元、功放单元、低噪放单元、双工器单元等,构成下行与上行信号处理链路。其中接口单元提供与 BBU 之间的接口,发送基带 IQ 信号;下行信号处理单元完成信号上的变频、数模转换、射频调制等信号处理功能;上行信号处理单元主要完成铝箔、混频、模数转换等功能;功放及低噪放单元分别对下行和上行信号进行放大;双工器支持收发信号复用并对收发信号进行滤波。



目前较为广泛应用的基站结构为分布式基站,RRU 与 BBU 分离通过馈线与天线连接。分布式基站在目前 4G 时代看似问题不大,但在 5G 时代却不再适用。分布式基站在 5G 时代劣势主要体现在:


1)天线部署困难,管理效率低下且部署及维护成本较高。以 8T8R 的 8 端口天线为例,8T8R 天线对应需要拉出 8 根馈线,在 4G 时代还可以接受。但 5G 时代 Massive MIMO 应用后,MIMO 数量达到 64T64R 时,若仍采用分布式基站 64 根馈线将使天面部署困难,并且为之后的管理带来很大的难度;


2)传输损耗较高。基站实际部署中常会遇到需要使用长馈线的情形,由此造成信号能量的严重衰减,并且射频放大后的功率 50%~90%可能会在馈线传输中损耗。



由此,为适应 5G 核心技术之一的 Massive MIMO 及传输低损耗要求,有源天线基站应运而生。传统基站天线通常由天线阵子、反射板、馈电网络及天线罩组成。5G 基站有源天线则将 RRU 与天线组合而成有源天线单元(Active Antenna Unit,AAU)。


AAU


有源天线结构中,每一个天线阵子的背后直接连接分布式的微型收发单元(micro-radio),包括数模/模数转换器、放大器(PA)低噪放(LNA)和双工器(duplexer),所有的微型收发单元由数字信号处理模块 (digital signal processing, DSP)控制,实现同步功能和数字波束赋形功能,Optical(common public radio interface,CPRI)接口用于连接基带处理单元(base band unit,BBU),实现 I/Q 数据的远程传送。



采用 AAU 解决方案后,天面变得简洁、可靠、稳定,主要优势如下:


1)部署简单,占用空间小。AAU 尺寸较小,大大降低了选址和物业协调难度;


2)馈电损耗大幅降低。由于减少了馈线连接部分,馈电损耗趋于 0;


3)管理效率高。 AAU 支持多种电调模式,可以远端对天线进行调整,大大提升维护效率。



为了应对上述基站架构的改变,基站射频侧的 PCB 需求发生了显著的变化:


1)由于 RRU 与天线的集成,天线系统复杂度大大提升,AAU 的 PCB 板需要在更小的尺寸内集成更多的组件,相应线路板的层数也会提升,带来 PCB 价值量增加;


2)5G 频段更高、速度更快,对于 PCB 上游覆铜板材料的传输损耗和散热性能要求更高,而高频高速板材将会带来工艺要求、加工难度的增加,相应的 PCB 的价值量也会增加。


架构改变带来 PCB 用量变化,按照主流方案,5G 时代 RRU 与天线将集成为 AAU,频段上升到 3GHz以上将带来高频 PCB 材料应用的增加。因此,对于 PCB 企业而言,相关产品加工难度和工艺要求将大幅增加。


根据产业链调研信息,预计单个 AAU 的 PCB 用量约为 0.64。单价方面,目前天线部分的成本分为三部分:接头 30%,PCB 50%,阵子 20%。由于 RRU 与天线集成对 PCB 板的工艺和材料提出了较高的要求,相应的产品价格也会上升。根据产业链调研信息,天线部分用到的 PCB 板一般为四层板。综合公司产品的单价及向供应链了解得到的信息,预计 AAU 用 PCB 单价约为 5000 元/,由此单面天线部分给 PCB 带来的价值量约为 3200 元(单基站三面天线共 9600元),相较 4G 时代价值量提升数倍。



除了基站架构改变带来射频侧的变化以外,5G 也是物联网时代所必须的通信技术。移动和信息技术的快速发展正推动互联网从消费级向产业级演进,物联网终端设备的指数级增长以及海量数据的产生对于 BBU 的处理能力及 OTN 传输能力提出了超高的要求。以高清监控、自动驾驶等物联网设备产生的数据量来看,高清监控可产生 10GB/天的数据,自动驾驶可产生 4TB/天的数据,航空飞行和智能工厂则可分别产生 40TB/天、1PB/天的数据。


另外一方面,连接终端也将呈指数级增长,据德勤研究数据,2016 年连接终端已达 100 亿,2040 年有望达到 10 万亿。数据量及接入设备的猛增将带来全球数据总量的飞速增长,据 IDC 预计,2020 年全球数据总量将达到 44 ZB,2035 年将达到 19267 ZB,CAGR=50%。



BBU


基带处理单元(BBU)负责集中控制与管理整个基站系统,完成上下行基带处理功能,并提供与射频单元(RRU)及传输网络的物理接口,完成信息交互。5G 时代数据量大幅增加将对 BBU 的处理能力提出超高的要求,一方面 BBU 用主控板及基带板的工艺要求及加工难度大大提高;另一方面,相应线路板的层数也会有所增加。两相结合,BBU 用线路板也将迎来价值量的上升。(4G 时代 BBU 侧 PCB 主要由主控板、基带板及电源板组成,其中主控板主要实现基带单元控制管理、数据交换及系统时钟等功能,基带板主要实现基带信号处理功能,电源板则为 BBU 提供电源转换,价值量较低。)



3、5G 时代基站射频侧 PCB 市场空间测算


按 5G 全覆盖规格,预计全球需要建设 900 万个宏基站,中国需要建设 450 万个宏基站。


AAU 方案:根据现有方案,RRU 与天线合并预计单个 AAU 使用 0.64 ㎡ PCB,并且预计价格在 5000 元左右,单个基站有 3 个 AAU,则全球 AAU 侧带来的 PCB 的市场空间就达 259.6 亿元。


RRU+天线方案: 5G 时代需要处理的数据量大幅增加,预计将带来 PCB 的价值量上升。5G时代天线和 PCB 预计有明显升级,受益于新材料和加工难度的提升,预计 ASP 将上升 50%,据此估算全球 RRU+天线方案带来的市场空间为 283.6 亿元。


因此根据测算,基站端射频侧(包含 AAU 方案和 RRU+天线方案)全球 PCB 市场空间将达543 亿元,较 4G 提升 5 倍。如再考虑 OTN 相关设备所用的背板单板的量价齐升,以及小基站覆盖带来的增量,5G 给 PCB 带来的市场空间将超千亿。



4、优选赛道,国内龙头深度受益


目前,在低端硬板上因为进入门槛低,产品的价格竞争已经白热化,整体的毛利率水平相对较低;随着 5G 时代来临,PCB 的技术要求和工艺制程显著提升,将会大大提高厂商的进入门槛。国内通讯 PCB 板厂商以深南电路、沪电股份为主,内资通信板龙头与主要的通信设备商如华为、中兴合作密切,在 3G、4G 时代有良好的合作开发关系,公司相关产品技术行业领先并在供应链地位较强,预计龙头公司未来能共享基站建设带来的红利,助力公司业绩增长。



来源:节选自平安证券研报《5G 大幕将启,射频模块蓄势待发》


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