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2019年中國手機天線發展趨勢分析、2019年無線充電市場發展接收端、發射端發展趨勢分析[圖]

2019年10月16日 13:51:26字號:T|T

    手機天線主要負責接收和發射電磁波,如果沒有天線,手機將無法通信。從天線的設置方式來看,分為內置和外置。最開始的手機天線是外置的,隨著技術的進步以及通信頻段往高頻發展(頻率越高,波長越短,天線業績越短),手機天線從之前的外置變為現在普遍流行的內置。在內置的手機天線中,除了主通信芯片用于訪問運營商網絡,還包括了Wi-fi天線、GPS天線、NFC天線以及無線充電芯片。

    從內置天線的工藝來看,主要有FPC、金屬中框以及LDS天線工藝。FPC天線是用塑料膜中間夾著銅薄膜做成的導線當做手機天線。以iPhone3GS為例子,該款手機采用了FPC天線,依靠銅箔輻射信號,其優點是設計簡單并且生產成本較低,缺點是比較容易受到五金件及裝配精度影響,而且在此款手機上出現過連接不牢固的情況。

    金屬中框天線是直接把手機金屬中框的一部分當做天線來用,iPhone4就采用這個方案。該款手機的金屬邊框采用了CNC不銹鋼工藝,這個邊框不僅起到了機身框架的作用,同時還是手機的無線天線。并且這個邊框左側和頂部的兩條縫隙將其分為兩段,兩段中的左半部分起到了WiFi、藍牙和GPS天線的作用,右半段則是UMTS/GSM手機網絡天線。

    LDS(LaserDirectStructuring,激光直接成型)天線是利用特殊的激光將設定好的線路圖雕刻在塑料器件表面,經過化學電鍍等步驟后,在塑料表面形成一層金屬層電路的工藝。這種方法讓天線可以“寄生”在其他塑料元件上,不再需要單獨的放置空間。蘋果公司從iPhone6開始采用LDS天線,在金屬后蓋上注塑,看似一體成型的金屬后蓋被切分成A/BCD/E三段,其中A、E分別為上部分天線和下半部分天線,中間BCD部分是相互導通的,充當天線接地部分。

    與傳統的天線的相比,LDS天線性能穩定,一致性好,精度高,并且由于是將天線鐳射在手機外殼上,不僅避免了手機內部元器件的干擾,保證了手機的信號,而且增強了手機的空間的利用率,滿足了智能手機輕薄化的要求。

    從目前的實際運用來看,FPC和LDS方案是主流,其中FPC方案主要用在中低端手機,LDS方案用在高端手機上。

    隨著5G的到來,手機天線的設計會迎來新的變化。在5G低頻范圍(低于6GHZ的頻段),天線的長度和4G相差不大,但是為了提高速度,天線數量上將有大幅的提高,MIMO(Multiple-InputMultiple-Output)多天線技術將得到更加廣泛的應用。以4×4MIMO為例,它擁有4根發射端天線和4根接收端天線,1x1MIMO只有1根發射天線與1根接收天線。從傳輸速度來看,4x4MIMO在傳輸速率上遙遙領先1x1MIMO。目前來看,4G手機中,4x4MIMO天線只用在部分旗艦機中,主流還是2x2MIMO。未來新出的5G手機,至少需要4x4MIMO,8x8MIMO將成為標配,手機天線數量有望大幅提升。

    4x4MIMO天線示意圖

數據來源:公開資料整理

    從近期手機廠商發布的5G手機來看,新款手機天線數量明顯比4G手機有大幅提升。8月22日,vivo子品牌iQOO發布新品iQOOPro和iQOOPro5G,iQOOPro5G手機采用了“5G6天線”設計,把普通的4根5G天線增加到了6根。9月19日,華為發布Mate30系列,該系列采用了最尖端天線系統,內部集成了21顆天線,其中14根天線用于5G連接,支持8頻段5G和雙5GSIM卡連接,采用金屬中框和LDS相結合的方案,天線數量相比4G手機有了大幅提升。

    到了5G高頻范圍,波長開始進入了毫米波范圍,手機天線設計從單天線且波束固定的天線設計,轉變為天線陣列(多天線單元)的設計。現在手機毫米波天線陣列比較主流方向一般是基于相控陣(phasedantennaarray)的方式,相控陣毫米波天線陣列實現的方式主要包括以下三種:

    AoB(AntennaonBoard,天線陣列位于系統主板上);AiP(AntennainPackage,天線陣列位于芯片的封裝內);AiM(AntennainModule,即天線陣列與RFIC形成一模組)。從目前業界的選擇來看,AiM方式為業界普遍接受,AiM天線一般會以輻射波束互補的天線種類(片天線和準八木天線)進行搭配設計,從而實現更廣的空間覆蓋。采用陣列天線的設計方式,不僅手機天線的數量大幅提高,而且手機天線設計的難度也將大大增加,有望帶動手機天線價值進一步提高。

    2018年,全球智能手機天線市場規模達152億元,同比增長2.7%。受智能手機出貨量減少影響,近三年全球智能手機天線市場增速呈現一定下滑趨勢。

    從近期手機廠商發布的5G手機來看,新款手機天線數量明顯比4G手機有大幅提升。8月22日,vivo子品牌iQOO發布新品iQOOPro和iQOOPro5G,iQOOPro5G手機采用了“5G6天線”設計,把普通的4根5G天線增加到了6根。9月19日,華為發布Mate30系列,該系列采用了最尖端天線系統,內部集成了21顆天線,其中14根天線用于5G連接,支持8頻段5G和雙5GSIM卡連接,采用金屬中框和LDS相結合的方案,天線數量相比4G手機有了大幅提升。

    2014-2019年全球智能手機天線市場規模及增速趨勢

數據來源:公開資料整理

    一、天線趨勢

    5G不僅對天線的數量提出了要求,對天線的材料也有更加高的要求。傳統天線軟板是以PI為基材,這種材料在高頻的時候會遇到比較嚴重的傳輸損耗,難以適應5G高頻的需求。為了克服PI材料的缺陷,業界提出了LCP(液晶聚合物)材料作為新的天線材料。與PI基材相比,LCP材料擁有更多的優秀特質能更加適應5G高頻的需求,主要體現在:(1)介電常數更低,阻抗帶寬較寬,無明顯表面波;(2)操作頻帶范圍較寬(操作頻段<100GHz),在5G高頻的毫米波段下能穩定工作;(3)損耗正切角較小(0.002-0.0045),電介質在單位時間內每單位體積中將電能轉化為熱能(以發熱形式)而消耗的能量小;(4)優異的低吸水性(吸水率<0.004%),相對介電常數和損耗正切角在各種環境下保持穩定;(5)熱可塑性,可無需額外黏合層而實現疊層。

    PI基材由于具有介電常數相對較大,操作頻帶范圍窄,高頻傳輸損耗嚴重等缺點,已難以滿足未來5G時代數據傳輸高頻高速的需求,LCP天線能較好克服上述缺陷,未來有望實現對PI的替代。雖然LCP材料在性能上顯著領先于PI基材,然而LCP也有一定的缺陷,主要體現在LCP天線工藝復雜,成本較高,良率較低,供應商少等。為了解決LCP材料的缺點,業界提出了MPI材料來作為PI向LCP材料過渡期間的選項。MPI是PI的一種改進方案,由于是非結晶性的材料,所以操作溫度寬,在低溫壓合銅箔下易操作,表面能夠與銅較易接著,且價格較親民。隨著工藝的改進,在中低頻范圍內,MPI性能已經和LCP材料非常接近,并且在價格、產能上均有較大優勢,未來或將形成MPI運用在5G的中低頻范圍,LCP運用在高頻范圍的局面。

LCP、MPI和PI材料對比

材料
傳輸損耗
操作溫度
熱膨脹性
吸濕性
成本
PI
損耗多
很寬
很小
較高
MPI
損耗一般
較寬
很小
一般
較低
LCP
損耗少
較窄
很小
很低

數據來源:公開資料整理

    LCP除了運用在替代傳統的PI基材的天線,減少高頻信號傳輸損耗,也可以運用于替代同軸電纜,從而減少該部件的體積。傳統同軸電纜傳輸損耗小,可用于高頻信號傳輸,但由于體積太大,在智能手機內部零部件越來越多,可用空間越來越少的背景下,同軸電纜的體積難以滿足廠商輕薄化的設計要求。與同軸電纜相比,LCP軟板體積只有傳統同軸電纜的65%,用LCP軟板替代同軸電纜可以為手機電池等組件節約大量空間。另外,LCP軟板在做到體積減小的同時保證了極低的傳輸損耗,能給手機內部空間帶來更高的利用率。

    從目前LCP材料的實際運用情況來看,主要是蘋果在推動。iPhoneX首次使用了LCP天線,該款手機共使用了2組LCP天線,iPhone8/8Plus局部使用了1組。其中每組LCP天線價值約4-5美元,而此前的iPhone7使用的PI天線約0.4美元,ASP提高了將近20倍。除了用于天線,iPhoneX將LCP軟板用于中繼線和攝像頭模組,替代同軸電纜從而減少空間占用。到了iPhoneXR/XS/XSMax,蘋果增加了LCP天線的數量,三款手機均使用了6根LCP天線(由于新增了4×4MIMO,天線數量增加到6組),較上一代有大幅提高。

    未來隨著5G的到來,高頻高速的需求將越來越迫切。在蘋果的推動下,LCP天線有望接替LDS天線,成為天線行業下一個重要增長點。

    二、無線充電市場

    無線充電技術(Wirelesschargingtechnology)源于無線電能傳輸技術,傳統的充電方式需要使用線纜連接電路和終端設備,這會對終端設備使用的靈活性造成一定的限制。無線充電技術能使終端設備和充電器等擺脫線路的限制,實現電器和電源完全分離,大幅提升設備使用的靈活性。

    從無線充電的技術類型來看,主要包括四種,分別為電磁感應、磁場共振、微波方式、電場耦合式,其中電磁感應當前手機市場中用得最多的技術,磁共振技術未來潛力巨大,有望成為主流技術。

    電磁感應的原理是在充電底座以及手機終端分別內置了送電線圈和受電線圈,當兩者靠近,發射線圈(送電線圈)基于一定頻率的交流電通過電磁感應在手機接收線圈(受電線圈)中產生一定的電流,從而將電能從發射端轉移到接收端,從充電座向手機進行供電。電磁感應的方式實現比較簡單,是目前手機中最主流的方案,主要存在的問題是傳輸距離受到嚴重限制。

    磁感應無線充電只能支持1對1的無線充電,并且存在充電功率低,充電距離短等缺陷,為了能實現一對多無線充電,提高功率以及擁有更彈性與自由的充電距離,磁共振的無線充電開始受到業界的關注。

    磁共振無線充電的原理是通過頻率共振進行能量轉換,能夠一對多進行充電,其中磁振器是由一個小電容并聯或串聯的大電感線圈構成,通過相同的共振頻率來實現能量轉移。

    比如兩個線圈作為共振器,如果發射端以10MHz頻率振動向周圍散出電磁場,那么接受端需要以10MHz頻率振動才能接收到這個傳遞過來的能量。與電磁感應相比,磁共振無線充電具備長傳輸距離,大功率,支持一對多充電的優點,主要缺點是接收端和發射端需要同時在同一共振頻率,電路調頻很重要的,這個問題目前比較難解決。

    無線充電技術的應用使得人們不再需要頻繁地更換數據線,避免了線多混亂的情況,符合現在簡化移動設備接口的需求,受到手機廠商和可穿戴設備廠商的追捧。截至2019年8月,市面上已經有超過155款手機和多款智能手表、TWS耳機具備無線充電功能。

    目前來看,無線充電市場仍處于爆發的前夕,2018年支持無線充電的手機數量僅比2億部略多,且幾乎全部都是磁感應的方式,預計未來幾年無線充電將得到迅速普及,2024年支持無線充電手機數量將突破12億部,且磁共振方式的無線充電將逐步替代磁感應的方式成為主流。

    2018-2024年智能手機無線充電接收端出貨量及預測

數據來源:公開資料整理

    1、接收端

    無線充電產業分為接收端和發射端,發射端包含接收端不論從價值量還是技術壁壘來看,均要高于發射端。從無線充電產業來看,主要分為方案設計、電源芯片、磁性材料、傳輸線圈、模組制造等幾個環節,各個環節的主要情況如下:

    方案設計:方案設計一般由終端廠商提需求,方案廠做設計,難度和附加值最高,該環節主要由國外大廠如蘋果、高通、特斯拉等主導,國內廠商如中興通信、信維通信、萬安科技等均有布局,其中中興通訊和萬安科技布局汽車無線充電,信維通信主要專注于手機無線充電。

    電源芯片:電源芯片包括發射端和接收端,發射端按照特定頻段的無線電信號輸入電源,接收端將無線信號轉化成電能,從而完成充電。無線充電芯片目前主要被國外芯片巨頭掌控,主要包括高通、博通、TI、IDT、NXP、MTK等,其中IDT目前占據主導地位,產品應用在三星、華為、小米等主流手機廠商中。

    磁性材料:磁性材料主要用于屏蔽功能,消除磁場對電池和其他零組件影響,目前主流用的磁性材料有鐵氧體和納米晶。在此領域國內有較多廠商進入,包括信維通信、橫店東磁、合力泰等。信維通信在鐵氧體和納米晶均有布局,其中鐵氧體是通過公司旗下的綿陽九所提供,納米晶材料方面公司產品已經在無線充電上面大量使用,產品性能在一致性和散熱性上的做到了行業領先。

    傳輸線圈:傳輸線圈需要按照客戶需求定制,該領域的進入壁壘在于廠商的精密加工水平以及與上下游的銜接能力。目前該領域的廠商主要包括村田、TDK、松下、立訊精密、東尼電子、信維通信、碩貝德和順絡電子等。

    模組制造:模組制造環節技術壁壘相對較低,參與的廠商主要包括立訊精密、安潔科技、信維通信。

    從各個環節所占據的利潤分布來看,方案設計、電源芯片和磁性材料是利潤最大的部分,分別占據無線充電產業鏈32%、28%、20%的利潤。

    無線充電產業鏈利潤分布

數據來源:公開資料整理

    2、發射端

    汽車無線充電是目前無線充電應用的一個非常好的場景,可以讓車主無需頻繁拔插電源線,直接將手機往車上一放就可實現充電,有效地增加了行車安全以及提高了車主生活,極大的改善了車內手機使用和充電的體驗。

    車載無線充電分為前裝和后裝,前裝是汽車在出廠前帶有無線充電裝置,一般位于中央儲物盒、扶手箱等位置,車主直接把手機放到無線充電裝置上即可實現充電。后裝是在汽車出廠后安裝的,一般是在汽車上額外加裝一個車載支架等從而實現無線充電,安裝位置可選擇安裝于空調通風口、汽車中控臺等位置。前裝市場由于滿足嚴苛的車規級硬件標準,并且對工作溫度范圍、防水防塵等也有比較高的要求,準入門檻比較高。

    車載無線充電給車主帶來的便利性以及良好的市場前景吸引了各大車企紛紛入局,根據汽車之家的數據,目前國內市場累計有1238個車系,其中支持手機無線充電的有161個車系,占比約為13%。從車載無線充電的滲透率來看,仍然較低,未來隨著手機無線充電的普及,車主對于車載無線充電的需求有望進一步提升,進而推動車載無線充電市場的發展。

    2019年車載前裝無線充電市場

數據來源:公開資料整理

    相關報告:智研咨詢發布的《2020-2026年中國手機天線行業市場專項調研及戰略咨詢研究報告》 

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