行研篇 | 5G基站核心器件-环形器、隔离器
1基本介绍
1.基站核心器件
整个移动通信系统一般由移动通信基础设备、移动通信覆盖系统、移动通信终端产品三大部分组成（如图所示）。
基站属于移动通信基础设备，一个标准的基站通常由铁塔、基站天线及馈线和基站系统等器件组成。
建造高塔使无线电信号在干扰最小的情况下通过基站天线接收。
天线将接收到的电磁信号转换为交流电。
馈线又称电缆线即连接基站天线与基站收发信号设备的射频传输线，仅能传输信号，而不能处理信号。
基站系统通常由射频前端、基站收发信机及基站控制器等组成。其中射频前端负责信号的过滤及隔离，基站收发信机负责信号的接收、发送、放大和缩小，基站控制器负责信号的分析、处理及基站控制。具体见下图。
塔顶放大器是布置在天线塔上紧邻天线的放大器，主要功能为扩大信号覆盖的范围、深化信号穿透深度，改善弱信号或无信号地区的信号强度。其设计难点是，要适应室外阳光直射、风、雨、雷电、盐雾等恶劣环境，同时因维护困难需要高可靠性。该产品主要由双工器、低噪声放大器和AISG通信单元构成。
数字微波可提供50 公里内点对点的大量数据传输。在基站系统数据回传应用中，起到基站之间或基站和通信网络之间数据连接的作用。相对于光纤互连，具有配置灵活，不受地域条件限制，布网迅捷，即刻安装即刻通讯的优点。
滤波器是移动通信设备中对射频信号具有频率选择性的器件，主要用于滤除接收或发射通道的干扰和杂波。
双工器由一个接收端滤波器和一个发射端滤波器组成，实现收/发共用，并且能够减少收/发过程中的一根天线，降低整个基站的成本。双工器是通信过程中把对话双方信号分离、滤除干扰和杂波的关键部件，确保在极其拥挤的电磁波环境中，同时清晰地听到对方的声音，无需对讲切换。
射频子系统除包括滤波器、双工器外，还包括隔离器、功分器、合路器、耦合器、驻波比报警器、低噪声放大器等部件。
隔离器：使正向传输的微波信号以很小的损耗通过，反向传输的微波信号则不能通过。
功率分配器（power divider）是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件。一个功分器的输出端口之间应保证一定的隔离度。
合路器：将两路或多路输入信号合并成一路，合路器一般用于发射端，其作用是将两路或者多路从不同发射机发出的射频信号合为一路送到天线发射的射频器件，同时避免各个端口信号之间的相互影响。合路器一般有两个或多个输入端口，只有一个输出端口。
驻波比报警器：由定向耦合器和检测控制电路构成，用于监视天线系统的匹配状态，能够指示故障，保护系统不受反射过大造成的设备损坏。
低噪声放大器：将接收到的微弱信号经过滤波器过滤后，线性放大以便后续变频设备及基带的处理，具有一定选频功能，其自身噪音较小。
2.基站处理移动信号机理
基站将从手机收到的信号传给交换处理设备，交换处理设备经过处理再发送给基站，之后由基站发送给目标手机，就完成了一次通信。典型的基站示意图如下：
基站处理移动通信信号的机理：对于手机发射、基站接收的通信信号上行通路：由主集（RXA与TX构成）天线和分集（RXB）天线接收到手机的发射信号后，经塔顶放大器放大后传送给机房内的一体化双工器，信号通过双工器中滤波器滤波后经RXA（上行通路的接收端口）和RXB（上行通路的分集端口）送入低噪声放大器进行放大，然后经RF/IF变频器将射频信号转换成中频信号并送解调电路进行数据（Data）解调，数据流通过基带处理电路处理后由双绞线（E1）、微波传输室外单元（ODU）或光缆传送至交换处理设备。
对于基站发射，手机接收的通信信号下行通路：由交换处理设备送来的信号经基带处理电路处理后传递给调制器进行信号调制，完成调制的中频信号经IF/RF变频器进行频率搬移，变换成射频信号后由功放进行放大，合路后经TX（下行通路的发射端口）送入一体化双工器中的发射滤波器滤波，然后经告警检测电路、与其他载波合路后送往天馈系统进行信号发射。
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基本原理
环行器又叫循环器，显著特点为能够单向传输高频信号能量。一般环形器拥有数个端口，信号按照由静偏磁场确定的方向顺序传入下一个端口，只能沿这一确定方向传播，无法反顺序传输。鉴于这一特性，环形器用于发射信号和接收信号之间的隔离，常见于雷达、有源电子扫描天线（AESA）阵列、卫星通信及电信等领域。
环行器单向传输的原理，是由于采用了铁氧体旋磁材料。这种材料在外加高频波场（网络分析仪所发出的测量信号）与恒定磁场共同作用下，产生旋磁特性（又称张量磁导率特性）。
正是这种旋磁特性，使在铁氧体中传播的电磁波发生极化的旋转（法拉第效应），以及电磁波能量强烈吸收（铁磁共振），正是因为铁氧体隔离器利用了电磁波在有外加直流磁场的旋磁铁氧体材料中传输时极化平面发生旋转的法拉第旋转效应。
经过适当设计，使正向传输时电磁波极化平面与接地电阻性插板垂直，因而衰减很小，反向传输时电磁波极化平面与接地性电阻插板平行，几乎完全被吸收，所以利用这个旋磁现象，制做出结型环行器，将环行器的任意一端加一个负载（衰减片）就是隔离器。
如果两个或多个隔离器、环行器串联或并联在一起就叫环行隔离组件。它具有体积小、频带宽、插损小等特点，因而应用十分广泛。
在无线接入网中，环形器主要用于基站天线输出信号与输入信号的隔离。具体用途上，环形器与其他器件配合，可以实现如下功能：
（1）作为天线共用器使用； （2）与拥有迅速衰减性的BPF组合用于分波电路； （3）将终端电阻连接在环形器外部，作为隔离器，即信号由指定端口输入、输出； （4）连接外接ATT，作为带反射功率检测功能的环形器使用。
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产业链
环形器和隔离器对应的产业链上下游如下图所示：
铝材、银材、铜材是射频器件行业生产制造过程中重要的原材料，约占生产成本的20%。原材料价格的波动对射频器件行业的生产成本影响较大。有色金属的供应能够保障行业的生产需求。但有色金属价格的形成主要受期货市场的影响，行业没有议价能力，且相关有色金属材料价格的波动较大。
由于下游通信设备行业的集中度较高，导致移动通信基站射频器件的客户集中度较高。从全球份额的分布来看，目前全球通信主设备市场从原先的十多家群雄逐鹿，演变到目前华为、爱立信、新诺基亚、中兴四足鼎立的竞争格局。
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市场规模
5G关键技术Massive MIMO（Multi Input Multi Output多输入多输出）通道翻倍增加，带来环形器用量大幅攀升。理论上，天线振子间距须大于半个波长，而信号波长与频谱成反比。
中国5G主流中频段3.5GHz 和4.9GHz决定了波长较高频长，使得5G网络天线产品难以进一步小型化。基于此，可以合理推测5G基站将以64通道（64T64R）的Massive MIMO为主，较4G的4T4R-FDD或者8T8R-TDD通道数增加了8-16倍。
5G时代，环形器需求量将随着Massive MIMO的应用而大幅增加。4G时期，主流的宏基站天线方案为8T8R的8通道方案；进入5G时期，主流的宏基站天线方案或将为单面天线集成64通道的Massive MIMO方案，而且部分场景下可能使用更大规模的天线阵列。
经过测算：5G时期环形器在国内基站端的市场空间有望达到115亿元。测算的假设与推断：
根据5G采用频率与组网方式，5G宏基站数量将为4G时期的1.3-1.5倍，假设5G基站建设节奏与4G时期类似，则5G宏基站建设将在2025年基本完成，届时总基站数量将达500万站；
每个基站设立3个天线扇面；
主流天线方案为64通道，若后续采用更大规模天线阵列，则实际市场空间将比测算值更大；
环形器保证基站天线输出信号与输入信号的隔离，当前单通道环形器价值量约为14元。参考4G时期环形器厂商毛利率下降的趋势，环形器价格按照一定速度下降。
综上，预计建设周期（2019-2025年）内，国内5G基站环形器市场空间有望达到115亿元，高峰期市场规模达30亿元。
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竞争对手
环形器市场主要玩家来自日韩、欧美。日本的TDK、日立金属，韩国的Partron，欧美的Skyworks、SDP均是重要的海外厂商。国产厂商主要为华扬通信（天和防务旗下）及国睿科技等。
1.日本TDK
TDK株式会社是一家领先的电子公司，总部位于日本东京。公司成立于1935年，主营铁氧体，是一种用于电子和磁性产品的关键材料。TDK的主力产品包括陶瓷电容器、铝电解电容器、薄膜电容器、磁性产品、高频元件、压电和保护器件、以及传感器和传感器系统（如：温度和压力、磁性和MEMS传感器）等各类被动元器件。
此外，TDK还提供电源和能源装置、磁头等产品。产品品牌包括TDK、爱普科斯(EPCOS)、InvenSense、Micronas、Tronics以及TDK-Lambda。TDK重点开展如信息和通信技术、汽车和工业以及消费电子市场领域。公司在亚洲、欧洲、北美洲和南美洲拥有设计、制造和销售办事处网络。2019年度3月末，TDK的销售总额约为125亿美元，全球雇员105,000人。
2. Skyworks Solutions, Inc
Skyworks Solutions, Inc.是成立于1962年特拉华州的公司。
Skyworks Solutions, Inc.连同其综合附属公司是高性能模拟半导体的创新者。凭借核心技术，Skyworks公司支持汽车、宽带、蜂窝基础设施、能源管理、全球定位系统、工业、医疗、军事、无线网络、智能手机和平板电脑的应用程序。
公司的产品组合包括放大器、衰减器、环形器、解调器、检测器、二极管、定向耦合器、前端模块、混合动力汽车、基础设施射频子系统、隔离器、照明和显示解决方案、混频器、调制器、光耦合器、光隔离器、移相器、 锁相环/合成器/ 压控振荡器 、功率分配器/合成器、电源管理器件、接收器、开关和工业陶瓷。该公司的主要客户包括思科、爱立信、富士康、通用电气、谷歌、霍尼韦尔、宏达电、华为、 因创公司、 LG电子、诺基亚、诺斯罗普·格鲁门公司、飞利浦、三星、胜赛斯、西门子、东芝和中兴通讯。2019年公司取得33.77亿美元的收入，毛利率达到47.5%，净利润8.54亿美元。
3.国睿科技
国睿科技是由中国电子科技集团公司第十四研究所整合旗下优质产业资源和业务板块组建而成的一家国有控股企业。主要产品包括雷达整机系统和子系统、大功率脉冲电源、微波组件、变动磁场微波铁氧体器件、轨道交通控制系统以及二次雷达集成产品等。
公司微波器件产品包括铁氧体器件和其他微波器件产品。公司已成为中兴通讯滤波器产品的主要供应商。2018年公司军品以配套有源相控阵雷达的环形器和隔离器为主。民用微波器件产品系为中兴通讯提供的4G滤波器/双工器产品，由于市场竞争日益剧烈，投标毛利率日益走低。
备注：2018年公司受中兴事件影响，微波器件毛利率大幅下降25.23个百分点。
4.天和防务（华扬通信）
2018年，公司通信电子业务板块围绕5G相关业务及产品发力，完成了对全球重点通信设备商的供货布局。南京彼奥成为全球通信行业的隔离器/环形器主流厂家的核心供应商。
公司2018年第一大客户为中兴通讯，在通信电子领域，围绕5G产品和国产化替代，隔离器等无源器件、射频微波小信号器件、射频单芯片，重点客户已经开始批量采购公司环形器、隔离器等通信器件产品，部分产品已形成持续、稳定的订单收入。
南京彼奥成立于2008年11月，公司始终专注于微波旋磁铁氧体的研发与销售。经过多年研发与经验积累，南京彼奥在小线宽铁氧体材料和高介电常数铁氧体材料的研发及批量生产上 取得了巨大技术突破，打破了高磁性、高尺寸精度和高一致性等的高端铁氧体领 域长期被日韩企业掌控的局面，逐步实现高端材料国产化替代。
深圳市华扬通信技术有限公司成立于2005年10月，是一家从事移动通信射频产品研发、生产和销售的高新技术企业。主营业务是：微波无源器件，微波射频材料，主要产品隔离器、环行器、同频合路器、远端大功率负载、铁氧体、硅钼棒、双工器、滤波器、塔顶放大器等系列产品已广泛应用于国内外 GSM、CDMA2000、 WCDMA 、TD-SCDMA、PHS等系统及军工产品中。
2020年2月4日，天和防务筹划以发行股份的方式收购华扬通信及南京彼奥的剩余股份。
南京彼奥股权价值的暂估值约为4.7亿元（预测2019年净利润3858万元，PE估值12倍）；华扬通信股权价值的暂估值约为9亿元（预测2019年净利润9745万元，PE估值9倍）。
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行业特点
1.技术密集，多技术融合
滤波器等射频器件，本质上是用各种不同的金属元器件及其组合形成具有感性、容性、阻性、导通、阻断功能的电磁通路。
因此，滤波器等射频器件的设计不仅要精确地把握电磁波的原理及其产生和传递的规律，更要理解电磁通路中对各种金属元器件的具体要求，并对其建模仿真以达到最优化设计。
只有对材料的理化性能、材料表面的防护及处理技术、金属材料的成型加工技术及工艺等有深刻理解，掌握材料工程、化工工程、机械工程、电子工程、电气工程等学科领域的多种关键技术，才能设计出性价比高的射频器件，以持续满足通信主设备商对高品质、低价格、快响应的要求。
2.资金密集型
生产射频产品需要购置模具加工设备、压铸机、数控加工中心、网络分析仪等价值较高的设备；此外，通信主设备商一般都凭其良好的信誉要求供应商提供一定的付款信用期。因此，行业内生产商需要投入较多的营运资金。
3.产品定制化程度高
由于全球电信运营商的频率资源比较分散，移动通信基站射频器件无统一的行业标准，产品的参数、规格、技术标准主要根据移动通信主设备商的要求而定，几乎全部为定制化产品。这一行业特点要求移动通信基站射频器件供应商具有较强的研发能力、快速的响应能力，以满足客户的需求。
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投资机会
1. 根据通信运营网络结构、电信网络建设的一般顺序以及电信产业链的上下游关系，5G 相关公司受益的时间序列大致如下：
先期受益的主要是光纤光缆、光传输设备以及5G接入设备的制造商。5G网络建设最早就是从这部分设备的采购开始，先期基站等接入设备的铺设，给基站相关设备行业制造商带来了最早受益的机会。
5G手机终端的放量会滞后于5G网络建设，而5G的爆款应用会在5G手机终端放量之后。我们的投资应该沿着这个节奏去看。
2.从行业特点看，在整个移动通信行业竞争激烈的环境下，华为、爱立信等对其合格供应商的要求愈来愈高，除了要求有批量生产能力外，还要求供应商能够支持其研发项目，因此供应商必须具备较强的研发能力和较快的响应速度。
此外中国的射频器件供应商通过通信主设备商间接面对全球市场，这种“搭船出海”模式使射频器件供应商的产品一旦得到通信主设备商的认证并成为其核心供应商，可以快速扩大市场份额，同时较易建立与其他主设备商的合作关系。
从投资的角度，对于进入华为等合格供应商体系的厂商，可以有比较强烈的业绩预期，可以作为Pre-IPO的项目进行。
3.单从环形器、隔离器的角度看，单品价值含量较低，技术含量较低，主要是5G基站通道数成倍增加，使得该市场容量达到100亿；主流公司的产品对环形器、隔离器有所覆盖，但不是主要产品。这对于专注在此领域的公司，并且有能力扩大产能的公司是非常有利的。
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