【国金电子 】射频系列（一）：迎接5G，终端天线的“变”与“不变”

射频系列（一）：迎接5G，终端天线的“变”与“不变”

创新技术研究团队：陆行之（半导体产业资深专家）/ 樊志远（电子首席） / 张纯（18217451154）/鲁洋洋

核心观点

关注天线行业最重要的几个问题：

天线连接射频前端，身兼发射端最后一级和接收端第一级，是无线通信中必不可少的元件，本文在充分产业调研的基础上，除了详细介绍了天线相关技术外，同时回答了天线行业市场最关心的几个问题。

（1）iPhone十年天线如何变迁？

随着通讯技术的发展，无线网络频段增多频率升高，应用增加，为了实现无线信号高速、多频传输，以iPhone为代表的智能手机天线经历了不断改进：背板材料推动结构改进；手机轻薄化推动工艺改进；高频通信推动基板材料改进。

（2）天线是一门什么样的生意？

天线是属于强定制化，技术和性价比并重的行业。 ①定制化属性决定经验和与大客户合作至关重要。②天线是技术密集型产品，设计和制造能力缺一不可，我们认为在行业发生较大变化时，技术更重要，在行业稳定发展阶段，产品价格优势更重要。5G时代，由于技术创新比较大，对于天线厂商来说，依靠强大的技术实力把握正确的战略方向更为重要。

（3）2G到5G，天线行业如何实现量价齐升

1、2G到4G： 量增： 无线功能增加、应用频率增多，终端天线单机使用量不断提升。 价升： 天线设计和制备复杂度提升，带动价值量提高。

2、5G时代，天线将迎来高增长：

Sub-6GHz： 采用MIMO天线，天线数量增加 ，insert-molding，LDS，FPC和金属件等传统天线加工工艺仍适用；

毫米波段： 采用阵列天线，天线发生巨大变化。毫米波天线通过波束成型提升信号传输距离、通过“移相器+衰减算法”减少信号受阻衰减、并将采用LTCC等更适合小尺寸高精度的加工工艺。

5G手机放量将进一步打开天线行业增长新空间。 据预测，天线市场空间将由2018年的22.3 亿美元增加到2022年的30.8 亿美元，复合增速8.4%。随着后面毫米波手机的放量，天线行业将迎来更大的增长。

（4）什么是LCP天线？LCP 和m-PI在5G时代如何选择？

1）LCP不只是天线，有三大应用： ① 射频传输性能，替代传统射频同轴线缆；② 射频传输线和天线的集成方案。③替代部分PFC/PCB的功能，SMT一些元器件；

2）5G时代m-PI和LCP会共存，中低频采用m-PI，高频采用LCP，二者将会共存。 LCP材料短期，资本开支和制造难度大，综合成本较高，而m-PI软板性能介于PI软板和LCP软板之间，在中低频段性能与LCP比肩，价格要便宜，因此苹果2019年新款手机将使用m-PI替代部分LCP材料。

投资建议

随着5G手机渗透率的提升，以及5G频段增加带来的天线数量的增加，以及频率升高，空间减小带来的天线工艺的升级，天线行业有望迎来高增长。重点关注具有天线射频能力以及具有射频以及LCP产品能力的公司： 立讯精密、信维通信、电连技术。

风险提示

5G发展进度不及预期；厂商5G天线相关进展不及预期。

1、什么是天线？

天线用于无线电波的收发，下游应用广泛。 天线（antenna）连接射频前端，身兼发射端最后一级和接收端第一级；也是电磁波信号和电信号实现能量转换的器件；是终端开路的特殊电路。

天线应用广泛，所有的无线通信都要用到天线，比如手机、电脑、平板，以及物联网和汽车通信。

按不同的应用不同，天线可分为wifi天线、蜂窝网络天线、蓝牙天线、GPS天线、NFC天线等，由于部分应用频段有交叉，因此有些天线比如蓝牙、wifi、GPS可以共用，用软件进行切换。

天线传输的是电磁波信号， 电磁波在自由空间传输过程中产生损耗，设备的天线增益，馈线损耗，发射功率和接收灵敏度都是影响天线传输性能的重要因素：

（1） 空间损耗： 电磁波的空间损耗包括自由空间损耗以及地形，障碍物和天气等因素造成的损耗，其中，自由空间损耗只与工作频率和传输距离相关，频率越高，损耗越强。

（2） 天线增益： 天线增益用于表示辐射能量的集中程度，与工作频率，天线效率相关，效率越高，增益越强，传输距离越远。

（3） 馈线损耗： 电磁波在馈线中的损耗不仅与工作频率相关，还需要考虑馈线中导体的电阻性损耗和绝缘材料的介质损耗，后者与材料的介电常数和损耗正切角相关，介电常数和损耗正切角越小，损耗越小。

（4） 发射功率/接收灵敏度： 发射端的发射功率和接收端的灵敏度与工作频率和调制模式相关，频率和调制模式越低，发射功率越强，接收灵敏度越弱。

天线设计需远离金属屏蔽和干扰源。 电磁波会被金属反射，吸收和抵消，造成屏蔽，同时，电磁波易被电路中的电子元件干扰，因此，在进行天线设计时，需要远离金属零部件和干扰元件。

目前移动终端天线是全向天线，需要净空区域。 天线的方向性表示天线在不同平面的辐射电磁波场强。不同的应用设备对天线的方向性要求不同，为了实现最佳通信效果，移动天线为全向天线，即要求电磁波在水平面内的辐射是均匀的。为了实现全向通信，手机内部必须为天线留有足够开阔的空间，即净空区域。

移动天线设计复杂，考虑因素较多。 智能手机的天线物理构成较为简单，但是，为了使得天线在被定义的带宽内实现有效辐射，提高天线的效率，其设计和构造则较为复杂，需要考虑诸多因素：

（1） 材料： 天线辐射体（铜、镀镍镀金）和支架材料需要具备低损耗特性（低介电常数+低介质损耗）。

（2） 结构： 目前手机天线是全向天线，需要净空区域，结构设计需要考虑天线净空区域要求。

（3） 电气： 天线设计技巧和制备工艺对天线的效率影响也较大，辅助电路元件则可以对天线进行电调谐。

（4） 环境： 天线周边器件对天线有负载和能量吸收的影响。

具体到应用，各种手机的新应用新设计都会影响天线设计，比如全面屏的采用减少了天线的净空区域，射频元件的的增加和电路设计将影响天天线的放置，不同材质的后盖将会影响天线方案的选择等等。

2、iPhone十年天线如何变迁？

通过结构、工艺和材料的改进，提高天线性能。 随着通讯技术的发展，无线网络频段增多，频率升高，应用的增加，天线的数量不断增加，为了实现无线信号高速、多频传输，以iPhone为代表的智能手机天线经历了结构，工艺和材料的不断改进，以满足不断提高的性能需求。

（1）背板材料推动结构改进： 从最初几代iPhone采用内置FPC蜂窝天线，到iPhone 4一直延续至今蜂窝通信天线都是做到手机中框上，这主要是内置天线制约了手机背板材料的选择，而金属后盖对电磁波信号的屏蔽作用。

（2）手机轻薄化推动工艺改进： iPhone 5s 采用新的制备工艺，引入insert-molding天线以及FPC软板代替射频同轴线缆。

（3）高频通信推动基板材料改进： 2017年发布的iPhone 8/X开始使用LCP材料取代PI成为天线基板，从而提升天线射频性能，减小天线的高频传输损耗。

（1）2007~2009年：从2G迈向3G，使用内置FPC天线

1.1）iPhone 初代（2007）：内置FPC天线，安置于手机下部：

2007年发布iPhone 初代支持EDGE网络，WiFi和蓝牙无线通信，其天线采用内置FPC天线，位于手机底部，由射频同轴连接线连至主板，为了便于信号的传输，手机背板分为两部分：上半部分为金属，下半部分为塑料。

1.2）iPhone 3G（2008）/3GS（2009）：内置FPC天线，支持3G网络，增加GPS，天线分成两部分。

2008年和2009年发布的iPhone 3G和iPhone 3GS均支持3G网络UMTS/HSDPA，还添加了GPS导航。两者均采用塑料背板，便于内置天线安装的自由，如iPhone 3G的蜂窝天线安装在手机下部，WLAN、蓝牙和GPS天线安装在上部。

（2）2010~2011年：天线结构改进，主天线外置于金属边框

2.1）iPhone 4 (GSM)（2010）：边框成为手机天线，天线门事件。

GSM机型iPhone 4首次采用边框做天线，金属边框被两条缝隙分成两部分： 一部分为WiFi，蓝牙和GPS天线，另一部分为UMTS/GSM蜂窝天线。

手机边框两段式天线设计引发了“天线门”事件： 天线会因为用户握机方式的不正确而引起天线短路。

2.2）iPhone 4（WCDMA）/iPhone 4S（2011）：边框分为三部分，使用接收分集技术。

为了解决上一代通讯不稳定的缺陷，2011年发布的iPhone 4（WCDMA）和iPhone 4S则对边框进行了新的设计： 由四条狭缝将边框分成上、中、下三段式设计，上、下两部分为手机天线。

同时，iPhone 4S第一次使用了1T2R的接收分集技术，下面的主天线是做发射接收，上面只做接收，这种架构一直到iPhone6，通过选择电波状态好的天线接收信号，降低在接收终端信号衰落的概率，提高接收灵敏度。 两路接收的方案也带来更好的手机互联网体验。

（3）2012~2016年：WiFi双频，4G来临，insert-molding技术制备天线

3.1）iPhone 5（2012）/iPhone 5c（2013）：沿用三段式边框天线设计。

2012年和2013年发布的iPhone 5和iPhone 5c的天线设计基本沿用4S的方案，虽然iPhone 5c使用塑料外壳，其内部仍有类似结构的天线.

3.2）iPhone 5S （2013）：采用双频wifi，工艺改进，从同轴连接线到FPC射频连接线。

2013年的iPhone 5s支持双频WiFi（2.4GHz/5GHz）,WiFi天线数量增加，为了缩小天线模组体积，部分天线改变了制备工艺。 使用FPC一体型线缆取代射频同轴连接线。

Insert-molding天线取代部分内置FPC天线。从iPhone 5S开始，苹果手机部分天线使用Insert-molding技术制备。

3.3）iPhone 6/6+/6s/6s+和iPhone 7/7+：后壳三段式设计克服金属背板电磁屏蔽，增加NFC功能，iPhone 6s/6s+开始采用2X2 MIMO

iPhone 6/6+/6s/6s+和iPhone 7/7+使用了全金属背板，为了克服金属的电磁屏蔽难题，借鉴iPhone 5的边框三段式设计，比如，iPhone 6的金属后壳被塑料白条分成A/BCB’/A’三部分，AB是上天线；A'B'下天线。上天线涉及Cellular副天线，双频WLAN、蓝牙、GPS和NFC，下天线涉及Cellular主天线。

（4）2017年~：布局5G，LCP基板提升天线综合性能          4.1） iPhone8/8s（insert-molding+中框作为天线），iPhoneX（LCP+中框作为天线），增加无线充电功能：

1）iPhone8/8s：采用玻璃后盖，延用三段式的天线设计，上边框（GPS+副天线）+下边框（主天线）+LDS内置（wifi天线）

2）iPhoneX：玻璃后盖，三段式天线设计，上边框（GPS+副天线）+下边框（主天线）+LCP内置（wifi天线）

3、天线是一门什么样的生意？

（1）天线行业属性：强定制化，技术和性价比并重

1.1）定制化属性决定经验和与大客户合作至关重要：

天线是定制化而非标准品。 天线产品设计，与芯片选型，电路设计，机械结构设计均密切相关，本文第一章也分析到，移动天线设计复杂，考虑因素较多，因此不同的手机品牌，同一品牌的不同手机型号，由于手机外观、内部电路设计各不相同，天线也都不同。

天线设计测试需工程师的经验积累。 由于天线信号容易受各种因素影响，如何使得天线与其他部件适配，如何应对各种各样的问题，需要天线工程师在研发过程中的长期经验积累。此外，由于天线是完全定制化的产品，它的特殊性和重要性使得研发过程对天线性能的测试要求非常严格，一个很好测试系统对手机天线的开发也是非常重要的。一般来说好的天线企业一定拥有好的测试能力。

供应商认证壁垒高，与大客户合作很重要。 天线作为手机通信的最核心的元件之一，其性能的好坏直接影响手机通信，因此下游厂商对于下游终端制造商集中度较高，整体较为强势，因此对供应商的认证门槛较高，供应商的研发水平、生产规模、交付能力和服务等综合实力要求较高；天线是设计一般要贯彻整个终端研发，需要和终端企业合作有深厚的积累才能更好地保证产品的质量和交付。

天线的定制化也决定了，天线企业的成长将跟随大客户的成长，对于天线厂商来说，对下游行业竞争格局变化趋势的前瞻性判断也很重要。 功能机时代 ：诺基亚天线供应商全球龙头。2010年之前，诺基亚的天线核心供应商Laird，Pulse和Amphenol占据全球天线市场40%以上份额，是全球天线行业的三大巨头。 智能机时代 ：2011年开始，诺基亚逐渐退出手机市场的竞争，以iPhone为代表的智能机登上历史舞台，全球天线行业竞争格局开始变化，天线龙头变为苹果最早三大供应商：安费诺、Molex、泰科。

1.2)天线是技术密集型产品，设计和制造能力缺一不可：

一方面，天线与射频前端相连，处理的是射频信号，并且天线行业技术更新速度很快，因此对于天线厂商来说，需要有射频能力和前瞻性的技术创新能力，技术壁垒很高；另一方面，天线的本质是两个导体中间有个馈点，需要用精密加工的方式制造，对于制造来说，就更关注产品价格。 我们认为在行业发生较大变化时，技术更重要，在行业稳定发展阶段，产品价格优势更重要。5G时代，由于技术创新比较大，对于天线厂商来说，依靠强大的技术实力把我正确的战略方向更为重要。

苹果最早三大供应商 ：安费诺、Molex、泰科 。2012年，信维收购北京莱尔德，2014年，由于天线还是转向insert-molding等新工艺，由于中国企业技术发展逐渐成熟，成本优势突出，信维取代泰科电子进入iPhone供应体系；2017年，立讯精密取代Molex进入iPhone供应体系。

技术路径的选择也将影响竞争格局的变化。 关于Molex 早在2007年就将乐普科（LPKF）的激光设备引用到天线领域，制造LDS天线，因此也储备的了很多产能，但是最后这种LDS方案并没有在手机中推广，只有iPhone 6 +使用过LDS作为部分天线方案。平板和电脑中主要使用LDS的工艺制作天线。

4、2G到5G，天线为什么越来越重要？

（1）2G到3G到4G，天线行业实现量价齐升

通讯技术快速发展，终端天线量价齐升。 随着通讯技术的不断发展，智能手机的无线功能不断增加，频段增多，带动了单机天线数量的增多。同时，传输升级，频率升高，天线的设计要求提升，为了实现无线信号快速且高效的传输，天线的制备工艺和材料不断改进，提升了单一天线的价值量。

1.1）量增：无线功能增加、应用频率增多，终端天线单机使用量提升。

无线功能增加： 初代iPhone的无线功能仅包含移动网络，WiFi和蓝牙，具备通话和无线上网功能；为了实现无线定位功能，iPhone 3GS增加了GPS天线；为了实现无线支付功能，iPhone 6则新增了NFC天线，新出的iPhone X更是增加了无线充电功能。

应用频段增加： 蜂窝网络由单模到多模多频，到全网通和全球通；WiFi天线也从单频发展到双频模式，以及载波聚合的推广，至2018年6月，3GPP定义的4G LTE频段已达66个，加上载波聚合的频段组合数量超过1,500个，应用频率的增加带动了对应天线数量的增加。5G频段数将迎来更大的增长。

接收分集和MIMO技术提升智能手机天线数量。 MIMO技术的升级直接增加天线数量，从最早的单天线收发（一根蜂窝天线）一根天线，到接收分集的1TR2（两根蜂窝天线），到2*2MIMO（两根蜂窝天线），到4*4 MIMO（四根主天线）。

1.2）价升：天线设计和制备复杂度提升，带动价值量提高

手机内部空间压缩，天线数量增多，高度集成+轻薄，设计难度增加，带动天线价值量提升。 智能手机功能的增加，一方面使得手机内部功能模块数量增多，另一方面增加了手机的耗电量，电池体积提升，严重压缩了手机内部的空间，iPhone X的结构跟iPhone初代相比已经非常拥挤。全面屏设计更是进一步压缩了为天线预留的净空区域，天线的集成度需求不断提高，使得设计难度增加，带动天线价值量提升。

（2）5G时代：sub6G和毫米波天线朝两个方向发展

天线从2G/3G/4G到5G，是纯粹的增量。 例如加载5G手机中，之前4G/3G的功能都会同时存在，以前的天线都会存在，因此对于天线而言，通信技术的升级，对于不同制式的天线是累加而不是替代。

2.1）5G分两方面：sub6G和毫米波段：

sub 6： 3-5G之间；

毫米波段： 严格来讲是30GHz以上，实际应用的时候是24-86G左右。

2.2）Sub-6GHz采用MIMO天线， 传统的天线加工方式仍适用：

更高数量的MIMO： 为了提高传输速率，sub-6G将采用MIMO天线并且增大MIMO天线的数量，比如8X8MIMO、16X16MIMO等；sub-6G跟传统4G天线一样，馈电口都是独立的；目前4G手机已经做到了4X4 MIMO。

传统的天线加工方式仍适用，i nsert-molding，LDS，FPC和金属件等传统天线加工工艺都没有问题。5G天线+无线充电，金属去背板是必然趋势。

2.3）毫米波段采用阵列天线，天线发生巨大变化：

5G毫米波将采用阵列天线，在天线制作原理以及加工工艺上与传统天线都有很大的不同。

通过波束成型提升信号传输距离： 5G毫米波由于频率高，传输距离短，只能通过阵列天线以及波束成型来增加天线的增益，以克服在空气中传输距离短的问题；因此5G天线由原来4G的全向天线变为了定向天线。

通过“移相器+衰减算法”减少信号受阻衰减： 波束成形模块只提高了毫米波的传输能力，但没有解决信号受到阻碍物衰减过快的问题，目前主要有两种解决方案：①一是利用数字相移器与衰减器的算法，来控制波束追踪手机用户，以维持讯号的稳定度；②是增加波束成形模块的数量，以达到通信无死角的设计方案。

毫米波天线需要新的加工工艺： 可分为线阵、方阵。天线尺寸跟工作频率成反比，毫米波的频率变高，天线尺寸变小，简单的加工形式精度不够，还得借助于其他的加工形式，如高通毫米波天线模块采用的LTCC工艺。

MIMO天线和毫米波阵列天线对比：

2.4）以高通5G天线模组为例，看5G天线变化：

7月23日，高通宣布推出全球首款面向智能手机和其他移动终端的全集成5G新空口毫米波及6GHz以下射频模组：Qualcomm QTM052毫米波天线模组系列、Qualcomm QPM56xx 6GHz以下射频模组系列。高通表示，QTM052天线模块等上述最新零组件目前正在送样客户，预计将内建在2019年初第一批问世的5G手机当中。

支持波束成形、波束导向和波束追踪技术应对毫米波三大难题。毫米波通信有三大难点：①全向发射是，能量发散比较快，传输距离有限；②米波频谱容易被楼宇、人体等阻挡、反射和折射；③毫米波受限于很多空间因素，比如水分子等；高通推出的QTM052毫米波天线模组， 可与骁龙X50 5G调制解调器协同工作并形成完整系统，可支持波束成形 、波束导向和波束追踪技术，从而显著改善毫米波信号的覆盖范围及可靠性。

模组化，整合天线和射频前端，提升性能。 高通QTM052天线模组把天线以及射频前端包括收发器和放大器等都整合在一个模组里面，在这个模组内把天线预先整合好，提前做好天线的调整工作，让所有器件都能更智能地协同工作，从而很容易形成波束，保障信息传输质量。

2.5）5G手机放量将打开天线行业增长新空间：

预期5G商用初期，智能型手机仍将以支持Sub-6GHz频段为主，5G毫米波手机则可能由电信营运商客制新的款式，并仅在特定市场销售，2021年以后放量增长 。在营运商网络部署初期，28GHz的毫米波手机难有实质使用效益，加上成本与体积问题依旧存在， 5G智能型手机前期将以支持Sub-6GHz频段为主。

根据yole预测，预计在2025年销售的所有手机中有34％将连接到5G-Sub 6GHz网络，20％将连接到5G mmWave网络。2025年将有5.64亿的手机将能连接5G mmwave波段的网络。

据预测，天线市场空间将由2018年的22.3 亿美元增加到2022年的30.8 亿美元，复合增速8.4%。随着后面毫米波手机的放量，天线行业将迎来更大的增长。

5、材料：LCP不止是天线，LCP 和m-PI在5G时代将共存

（1）LCP优势明显，应用不只是天线

LCP（Liquid-crystal polymers）是一种液晶体聚合物，LCP软板是以LCP为基板做成的，而普通的软板用PI做的基板；除此之外，普通的FCCL需要黏胶将基板和铜箔粘合起来，而LCP则是直接和铜箔热压粘合，因此可以做得更薄。