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5G时代降临,复合材料能做什么
发布时间:2019-09-19   浏览次数:95

6月6日工信部向中国移动、中国电信、中国联通和中国广电4家公司发放5G正式商用牌照。工信部跳过预商用牌照直接发放5G正式商用牌照,较此前市场预期提前了半年左右。中国成为继韩国、美国、瑞士、英国之后,第五个宣布5G商用的国家,跻身5G第一梯队!5G给我们带来的是超越光纤的传输速度(Mobile Beyond Giga),超越工业总线的实时能力(Real-Time World)以及全空间的连接(All-Online Everywhere), 5G将开启充满机会的时代。

5G建设科普

小编先来科普一下5G建设的基础知识。首先需要知道的是,随着1G、2G、3G、4G的发展,使用的电磁波频率是越来越高的,为什么呢?因为频率越高,速度越快;频率越高,频段越宽。频段就相当于路的宽度,越宽容纳的车子就越多,路就越通畅,跑的越快。目前,国际上主要使用28GHz的频率进行试验。根据c=λυ,可以得出一个结论——5G信号用的是毫米波。高中物理曾经学过,波长越短,波绕过障碍物的能力越差。所以5G信号速度快的代价就是信号随距离的衰减比4G信号还要严重。为此,要实现全覆盖的话就需要建设远比4G多的基站。但是根据天线长度设计的规则,天线的最佳长度为波长的1/4时,传输效果最佳,而目前5G信号使用毫米波,也就意味着,5G信号用天线的长度也是毫米级的!如此小巧的天线便可以很方便地应用到Massive MIMO技术,即大规模天线技术。通俗点讲就是通过增加天线数量来弥补路径损耗,同时也不会增加天线阵列的尺寸。

所以看完以上介绍,咱们对5G建设的基本印象应该是这样的——更多的基站,更多、更小的天线。那在5G时代建设中,复合材料能帮上什么忙呢?

基站外壳

之前的基站是这样的:

注:铁塔上的东西并不是基站的全部组成,铁塔上只有天馈部分和RRU,而基站一般是由天馈系统、RRU和BBU三部分组成,BBU一般安置在机房内。

那5G的基站由于天线很小巧,一系列的配件也就很小巧,所以它可以是这样的。以下是华为的5G基站。

这样的基站外壳用复合材料来做会是很不错的选择。因为室外环境对基站有风吹雨打光照等耐候性的要求。耐腐蚀本就是复合材料的强项,耐紫外线则可以通过添加助剂或喷漆的方式实现。

天线罩

由于5G天线遵循MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)概念,意思是多输入多输出,这意味着一个基站内可安装多个天线,而这些天线的尺寸又很小,需要天线罩的保护。

天线罩要具有良好的电磁波穿透特性,机械性能上要能经受外部恶劣环境的侵蚀如暴风雨、冰雪、沙尘以及太阳辐射等。

在材料要求方面,要求在工作频率下的介电常数和损耗角正切要低,及要有足够的机械强度。

一般而言,充气天线罩常用涂有海帕龙橡胶或氯丁橡胶的聚酯纤维薄膜;刚性天线罩用玻璃纤维增强塑料;夹层结构中的夹心多用蜂窝状芯子或泡沫塑料。

而在5G趋势下,性能优越的复合材料成为备受欢迎的天线外罩材料。复合材料能起到绝缘防腐、防雷、抗干扰、经久耐用等作用,而且透波效果非常好。

透波复合材料由增强纤维和树脂基体构成,通常,增强材料的力学性能和介电特性均优于树脂基体,故此复合材料的透波性能主要取决于树脂基体的性能。

因此,选择具有优良电性能的树脂基体至关重要,同时树脂在复合材料中也起胶粘剂的作用,是决定复合材料耐热性的基本成分。

树脂基体主要选择包括:传统的不饱和聚酯树脂(UP)、环氧树脂(EP)、改性酚醛树脂(PF)以及近年来开始研究和应用的氰酸酯树脂(CE)、有机硅树脂、双马来酰亚胺树脂(BMI)、聚酰亚胺(PI)、聚四氟乙烯(PTFE)等新型耐高温树脂。

印刷电路板

在5G基站中,印刷电路板(Printed Circuit Board,简称PCB)作为最基础的连接装置将被广泛使用。

PCB是指在基材上按照预先设计好的形成点之间连接和印刷元件的基板。PCB的功能是让电子元器件按照预定电路连接(就是关键互连件)。

首先5G基站的天线振子需要使用PCB作为连接;其次5G基站的滤波器等元器件将大幅增加,需要使用一块单独的PCB来连接这些元器件;最后5G基站的CU/DU等部分也需要使用PCB。

5G建设初期,对于PCB的需求增量直接体现在无线网和传输网上,对PCB背板、高频板、高速多层板的需求较大。

目前PCB产业界广泛应用的基板材料是玻纤布增强的环氧型基材FR-4(环氧树脂玻纤布覆铜板),该材料是由一层或者多层浸渍过环氧树脂的玻璃纤维布构成。

因为它成本较低,且电气和机械性能适于多方面的需求,所以是应用最广的一类基板材料。但是FR-4的介电常数(ε)高达4.2~4.8以上,介质损失因子(tanδ)大于0.0015,难以满足高频应用的需求。

PCB上游原材料主要包括铜箔、玻璃纤维布、以及PTFE在内的特殊树脂和陶瓷等其他化工材料。

原材料中,铜箔是最主要的组成部分,约占覆铜板成本的30%-50%(取决于覆铜板的薄厚),它作为性能良好的导电体在PCB中起到导电和散热的作用。

此外,玻璃纤维布和特殊树脂也是重要的原材料,玻璃纤维布作为增强材料,起着绝缘和增加强度的作用;特殊树脂作为填充材料,起着粘合和提升板材性能的作用。

天线振子

天线振子是天线的核心部件。天线振子作为天线的主要组成部分,主要负责将信号放大和控制信号辐射方向,同样可以使天线接收到的电磁信号更强。

根据天线的形态,天线振子形态也包括多种多样,有杆状、面状等;根据加工工艺,主要有钣金、PCB、塑料等。传统4G天线振子多以金属钣金为主。

从5G设备商测试情况来看,在热点高容量地区优先选择64通道的天线设备,同时因为192振子天线设备相比128振子在覆盖能力上能提升1.7dB,目前设备商测试64通道天线大都采用96个双极化天线振子,即192个天线振子。

一个基站需要三面天线,假设未来单面天线主流方案采用192振子,对应一个基站需要3*192=576个振子。

相较于现有4G网络(视天线通道数的不同,一般为10-40个天线振子),5G天线含有的振子数将大幅增加。

天线振子加工方式主要有金属压铸/钣金、PCB贴片和塑料振子,4G时代更多以金属压铸/钣金方式加工,组装更多的靠人工,效率低下。

5G时代由于频段更高且采用Massive-MIMO技术,天线振子尺寸变小且数量大幅增长,综合考虑天线性能及AAU安装问题,塑料天线振子方案具有一定的综合优势。

为了应对5G新型天线的变化,市场上出现了全新的工艺——3D选择性电镀塑料振子方案。

所谓塑料天线振子即采用内含有机金属复合物的改性塑料材料,用注塑成型的方式将复杂的3D立体形状一次性制造出来,再利用特殊技术使塑料表面金属化。

塑料振子在保证天线满足5G电器性能的同时,产品重量大大减轻,减少了危险过程工序,也节约了成本。

3D塑料振子的制造工艺一般指注塑工艺+激光工艺,其中激光工艺指在新型的塑料件上用激光直接3D打印电路板的技术。激光工艺中又分为选择性电镀和LDS两种工艺。

LDS激光工艺适用于小型电子器件,目前最广泛的应用是手机天线和各类智能终端。

而选择性电镀激光工艺适用于较大型的设备,包括宏基站天线。

3D塑料振子除了重量非常轻,还能满足钣金和压铸工艺所不能实现的精度要求。注塑和选择性电镀都是精度非常高的工艺,将它们结合在一起,可以保证天线振子精度满足3.5G以上的高频场景要求。

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来源:复合材料传媒
 关键词:电子电气
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