天线作为无线通信中发射端最后一级,接收端的第一级,可谓举足轻重。我们近期对天线技术和行业发展进行了深入分析,现汇报我们的研究成果。
本文主要回答一下问题:
1、什么是天线?天线设计的核心变量有哪些?
2、iPhone 十年,天线发生了哪些变化(技术+供应格局)?
3、2G-->3G-->4G,天线行业如何实现量价齐升?
4、5G时代,天线将会有哪些变化?
5、LCP天线有何不同?产业链及竞争格局如何?
6、如何看待信维2018年可能不会大量做LCP天线?
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正文:
1、什么是天线?天线设计核心变量有哪些?
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。
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
移动天线设计复杂,需要考虑诸多因素:
(1)材料:天线辐射体和支架材料需要具备低损耗特性(低介电常+低损耗正切角)。
(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:天线旁边不能存在吸收能量或者移动的物体。
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2、iPhone 十年,天线发生了哪些变化(技术+供应格局)?
随着通讯技术的发展,无线网络频段增多,频率升高,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。
①iPhone 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。
②iPhone 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。
③iPhone 4 (GSM)(2010):边框成为手机天线,天线门事件。
GSM机型iPhone 4的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发生了接收不稳定的现象。
④iPhone 4(CDMA)/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(CDMA)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、下三份。上、下两部分为手机天线。
同时,iPhone 4S还使用了接收分集技术,准备多个接收天线,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。
⑤iPhone 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。
⑥iPhone 5S (2013):采用双频wifi,工艺改进,从FPC天线到LDS天线,从同轴连接线到FPC一体型线缆。
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。a)使用FPC一体型线缆取代射频同轴连接线。b)LDS天线取代部分内置FPC天线。
⑦iPhone 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,A和A’分别为上天线和下天线,BCB’互相导通,充当天线的接地。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
⑧iPhone8/8s(LDS+中框作为天线),iphoneX(LCP+中框作为天线),增加无线充电功能
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)
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)
⑨天线供应格局的变化
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。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,泰科电子被踢出iPhone供应体系,由信维通信取代;2017年,Molex被踢出iPhone供应体系,由立讯精密取代。
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3、2G-->3G-->4G,天线行业如何实现量价齐升?
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。
a)无线功能增加
b)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,应用频率的增加带动了对应天线数量的增加。
c)接收分集和MIMO技术提升智能手机天线数量。
价升: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。
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4、5G时代,天线将会有哪些变化?
天线从2G/3G/4G到5G,是纯粹的增量!!例如加载5G手机中,4G以前的天线都会存在。
①5G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。
②sub6G采用MIMO天线、毫米波段采用阵列天线
a) MIMO天线和阵列天线的区别:MIMO天线:馈电口都是独立的;array阵列天线:天线单元组合到一起,变成一个馈点。
b)MIMO天线的存在形式:LDS,FPC和金属件等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。
c)毫米波阵列天线: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,如陶瓷,LTCC,60GHZ以上,天线要直接做在芯片上。
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5、LCP天线有何不同?产业链将带来哪些机会?
(1)iPhone 中的LCP( Liquid Crystal Polymer 液晶聚合物)
LCP最早用于军工,因为军工通信要用到高频(6GHz)频段以上;iPhone 6就开始使用LCP材料,包括ipad和17年发布的Apple watch。
iPhone X 中有3个LCP材料,如图①②③,iPhone X中将上下wifi天线做在了LCP软板上面,故也可将其称为LCP天线,但目前来看,LCP更多的是替代同轴线缆的作用。未来增加的天线放在LCP上也是选择方案之一。
(2)LCP材料性能优越
1.低介电常数(f<>
2.损耗正切角小较小(0.002-0.0045)。电介质在单位时间内每单位体积中将电能转化为热能(以发热形式)而消耗的能量小。
3.操作频带范围宽(操作频段<>
4.优异的低吸水性(吸水率<>
5.热可塑性,可无需额外黏合层而实现叠层。
(3)LCP性能对比
射频传输性能:射频同轴连接线》LCP》PI
LCP连接线 vs 同轴连接线:a)能够做多层,更薄,更节省空间;b)可弯折,走线更方便,部分高速线也可以做在上面;
LCP-FPC vs PI-FPC:LCP高频性能好;低吸水性;可做更多层
ps:LCP软板与PI软板最大的区别在于FCCL的基材膜的材料不同,如图所示:
(4)LCP天线产业链情况
LCP树脂==》LCP薄膜==》FCCL==》LCP-based FPC==》LCP天线模组
LCP(液晶体聚合物)粒子:日本(宝理,住友,松下,东丽);美国(杜邦,泰科纳);
LCP薄膜:加工制成技术门槛高。Superex(美国)、Kuraray(日本)、Primatec/村田(日本)等;
FCCL:村田/primate,杜邦(美国);松下(日本); azotek(台湾)
FPC:村田、嘉联益、台珺
LCP模组:包括弯折、测试、SMT(BTB)等环节。村田、安费诺等
(5)LCP天线的难点在哪儿?
a)LCP薄膜:加工制成技术门槛高,膜的厚度控制,均匀性很难。
b)FCCL 压铜:LCP膜是热熔型的,是用无胶工艺压上去的,对于温度以及工艺控制难度高。
c)FPC钻孔:LCP软板层数很多,钻孔很难,目前村田用的埋孔技术,嘉联益用的激光打孔(设备提供:ESIO;激光打孔设备也是增量,传统FPC用的机械打孔)
d)BTB能力:LCP线是通过BTB连接器连接到主板的,BTB以前都是传数字信号多,对于一些高频特性,信号连续性等考虑不多,而LCP的BTB连接器要用专门的LCP粒子注塑来做,现在基本只有村田在做。
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6、如何看待信维2018年可能不会大量做LCP天线?
立讯精密:可能是与嘉联益合作,主要做折弯和测试,以及SMT环节。
Q:如何看待信维2018年可能不会大量做LCP天线?
A:信维要做射频,绕不开LCP,而且要做到价值量更高的环节。
(1)如果只做弯折测试smt,可能不赚钱:18年如果做更多是配合村田,做后段弯折、测试、SMT,加工完之后重新发回给村田。单价上讲,在材料上的耗费就就 3 美元多,交回去不到 5 美元的回款,投入也比较大,基本不赚钱,不符合信维现阶段的标准。
(2)受LCP影响,村田17年业绩下修:业绩预告下调了22亿人民币,主要是LCP投入太大,良率低(材料贵)导致的。
(3)信维旨在从前端材料到后段加工一体化,目标切入19年苹果新产品:信维要从前端材料开始做,和后端的加工就一体化,利润率会高很多,目标是做进19年苹果新机。但公司并不排除 2018 年会做一部分 iPhone X ,总的投资额不大。19年用自己的LCP材料做。