5G通信新材料研究进展

刘义鹤 江洪

2019年被称为“5G元年”。目前，全球有78个国家的182家运营商已经启动5G建设或正在进行5G网络测试，有些国家甚至已经实现了5G在部分地区的试商用。5G时代的大幕已经徐徐拉开，而应用于5G通信的新材料，其研究热度也早已升温。本文介绍了印制电路板高频基材、工业化液晶聚合物和塑料天线振子3种5G新材料的最新研究进展。

1 印制电路板高频基材

印制电路板（PCB）的主要性质由其基材决定。目前普遍使用的PCB基材是聚四氟乙烯（PTFE）及碳氢化合物树脂。聚苯醚改性环氧树脂、氰酸酯改性环氧树脂也有部分应用。聚四氟乙烯板一般用聚四氟乙烯树脂常温压压模成型，再经烧结、冷却工艺制成，具有工作温度范围广、抗腐蚀、高润滑、无毒无害的特点，介电性能高。目前国内高性能基材生产普遍集中于中低端产品，高端产品缺乏，尤其是应用于高频和高导热领域的材料。

韩国首尔国立大学的Seon Ho Lee等人利用苯并恶嗪（benzoxazine）和环氧环氧/二氧化硅纳米颗粒混合膜制备出了一种适用于5G高频通信用的PCB。通过对2种苯并恶嗪材料的研究，提出制备实现低损耗因子并具有良好机械稳定性PCB的思路。单苯并恶嗪薄膜显示出脆性，但在环氧树脂上涂敷高单苯并恶嗪含量的薄膜制出的PCB的损耗因子低至0.005×频率/10GHz。线性聚苯并恶嗪基薄膜显示出增强的机械稳定性，但由于缺乏极性官能团而显示出对铜层的粘附性的限制。为了克服这些缺点，他们利用线性聚苯并恶嗪和环氧树脂共混体系以制备具有良好粘附性和优异电绝缘性能的膜，其耗散因数约为0.006×频率/10GHz。

台湾元智大学的Chien—Chang Huang等人通过探测多个传输线（TL）的散射参数（S参数）和探测技术研究了PCB的介电常数（DK）和耗散因子（DF）的表征方法。由于探头寄生效应造成的相关电缆/连接器和测量设备的非理想特性能够得到完全消除，因而无需事先校准即可对测量的原始数据进行数学处理。由于传输线相位变化180°后，由于小量测量的不确定性，会使解决方案发生较大改变，他们利用多传输线设计客服了这种频率限制。他们根据测量的传输线传播常数评估所需的DK和DF，同时适当地消除导体损耗。他们这种宽带DK/DF抽取法和传统直线谐振的方法相比较，并讨论了误差源。

Takao Tanigawa等人开发出一种具有低介电常数（10Ghz的DK为2.4），损耗因子（在10GHz下DF为0.0016）树脂的新型热固性树脂，并通过将这种新树脂应用于光滑表面粗糙度铜箔，开发出新的低损耗薄膜。新型低损耗薄膜的传输损耗（76 GHz时为-0.58 dBi/cm）比目前的超低损耗（ULL）级材料（76 GHz时为-0.75 dBi/cm）低23%。这种材料具有良好的加工性，可以进行激光IVH和電镀，无需等离子去污等特殊处理。在65℃（15min）的3 000次热测试循环后，激光IVH的连接电阻值没有降低（125℃，15min），并且在85℃/85%相对湿度的热试验2000h后没有绝缘劣化。该材料适用于没有其他粘合片的多层结构。借此可以提出新的PCB设计作为超宽带的多层天线，有助于增加PCB设计的自由度。

日本尼桑化学研究所（Nissan Chemical Industries）的Hideyuki Nawata等人研究了应用于光子集成电路的有机-无机混合材料SUNCONNECT 。他们指出“SUNCONNECT ”材料在1310nm（0.29dBi/cm）和 1550nm（0.45dBi/cm） 下的传播损耗分别较低。在300℃高温退火测试和260℃焊接耐热性测试中，SUNCONNECT 材料表现出高耐热性。他们经过多模波导85℃/85%相对湿度测试表明，该材料在高温/高湿试验后，其插入损耗性能没有显著变化。他们指出，对于光子集成电路的应用，已经证明通过使用3种不同的方法制造聚合物光波导。通过使用具有接近间隙曝光的UV光刻，可以在包层上制造单微米芯图案。而且，单模波导也可以用上包层制造。另一方面，“蚊子法（mosquito method）”和压印法可用于制造聚合物光波导。值得注意的是，这2种方法可以在不使用光掩模的情况下制造渐变折射型光波导。

意大利LAquila大学的Stefano Piersanti等人使用机器学习方法优化了合成电磁吸收材料的特性。这种材料需要能改善期间2个区域间的屏蔽效果。作者通过用作函数逼近的人工神经网络的性能，以计算屏蔽值，而无需采用复杂和耗时的全波数值模拟。根据训练集和算法或其体系结构的变化来评估网络。他们介绍了材料重要的品质因数，描述和定义需要管理优化问题的自然发起的算法。

法国Univ.Grenoble Alpes的Alexandre Léon等人利用基于锗碲（GeTe）的相变材料制备出一种高性能、低功耗的射频—毫米波开关。他们提出了一种与标准CMOS后端兼容的集成工艺，以实现直接开关。在65GHz的射频信号下，导通电阻为 1Ω，OFF状态电容为7fF，对应于22 THz截止频率，是目前为止最先进的品质因数。在2个相位变化中开关时间仅为60ns，因而能获得比现有技术低10倍的能量消耗。他们通过改变GeTe器件的尺寸，揭示出在开状态下，RF性能表现出线性变化，而在关状态下能保持恒定。

2 工业化液晶聚合物

工业化液晶聚合物（LCP）起初是美国杜邦公司开发出来的溶致性聚对亚苯基对苯二甲酰胺，具有优良的电绝缘性能、自增强性、耐热性及耐腐蚀性，可用于制造印刷电路板或作为集成电路封装材料。在5G时代，LCP有望脱颖而出，尤其是低介电常数的LCP。国外的住友株式会社、宝理塑料株式会社（以下简称“宝锂塑料”）、东丽株式会社等公司以及国内东莞市友信塑料有限公司、深圳杜邦等均有生产。为满足高频传输元件的5G和V2X电信的需求，宝理塑料还专门研究开发了LCP系列。

美国佐治亚技术研究所的Xiao Li等人通过流动自组装（FESA）方便地制造分层排列的含有偶氮苯部分的光可切换液晶聚合物（LCP）条纹。他们通过使一滴LCP溶液在受限制的几何形状中干燥，该几何形状包括2个几乎平行的板，其具有固定的上板和可移动的下板，其可在FESA过程中以“停止—移动”的方式可编程地行进，光可切换的LCP产生条纹，显示2种沉积模式，即大尺寸的周期性主要条纹和位于相邻主要条纹之间的小尺寸的规则间隔的次要条带。由于初级和次级条带之间的厚度差异，这些含有分级偶氮苯部分的条带表现出顺序的光致可逆相变（即光开关）。在LCP条纹上观察到UV光诱导的膨胀效应。很明显，FESA快速创建的分层条纹代表了一种强大的方法，可以将聚合物、纳米粒子、胶体、DNA等以简单可控的方式组织成大面积的复杂而有序的图案，用于表面浮雕光栅，光致动器的潜在用途，如5G通信的光开关设备，防伪标签等。

英国伦敦大学的Syeda Fizzah Jilani等人利用LCP制备了于在Ka波段（26.5G～40GHz）工作的5G无线网络的灵活毫米波（毫米波）天线阵列，并对其进行了性能评估。单元件天线由共面波导馈电矩形贴片组成，该贴片在其侧面呈锥形，具有2个垂直定向的槽。地面设计有L形短截线，以聚合分散的辐射图案，以改善方向性和增益。天线制造是通过2种先进的激光铣削和喷墨印刷方法在柔性液晶聚合物薄膜上完成的。该设计扩展为双元素阵列，以增强增益。测量结果表明，所提出的天线阵列的带宽为26G～40GHz，35GHz时的峰值增益为11.35dBi，整个Ka波段的高增益曲线均高于9dBi。这种天线阵列能作为未来灵活的5G前端和毫米波可穿戴设备集成的有效解决方案。

日本Fujikura公司的Shailendra Kaushal等人利用LCP制备出应用于毫米波器件和5G的低介电和低损耗天线。他们指出，随着衬底厚度或损耗角正切增加，天线的传输损耗增加。28GHz的5G天线显示2dBi增益下降，因为损耗角正切增加了4倍。梳状天线的阻抗带宽为3.2 GHz，峰值增益为13 dBi，高增益宽带宽天线在模拟时提供24～26 dBi，在V波段操作时提供22～26 dBi的测量。多层LCP天线显示±45°波束成形，V波段频率峰值损失3 dBi。

3 塑料天线振子

天线振子用于导向和放大电磁波，是基站天线的核心器件。传统铸造工艺、钣金工艺制作的天线振子已不适用于5G的发展。而新发展起来的3D塑料振子因为质量轻、体积小、成本优、性能好等特点，必将引领5G潮流中天线振子的发展大向。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打印電路板的技术。飞荣达近些年取得了飞速的发展，其通过“改性塑料+选择性电镀”工艺研发的塑料天线振子是全行业领先技术，已经成为国内5G天线振子的新龙头。

香港城市大学的Jingtao Zeng等人研究并实现了一种新型宽带ME偶极天线，用于毫米波应用，特别是用于新的5G应用。由于其互补的天线配置，所提出的天线具有宽带工作带宽和高前后辐射水平。该天线还具有单层结构，易于制造且外形小巧。该天线的工作带宽为50.4%（47.5G～79.5 GHz），完全覆盖了新的5G标准中新的免许可频段。该天线具有宽带，低背辐射水平和低制造成本的优点。

香港城市大学的Xuexuan Ruan等人开发出了应用于5G的差分驱动的传输线激励磁电偶极子（ME偶极子）设计。所提出的天线采用具有镀通孔技术的单层印刷电路板实现，配置简单，但可以实现宽带宽和高增益。天线由2×2个ME偶极子阵列组成，该阵列被矩形腔包围。还引入了基于E平面三通的差分馈电波导网络以馈送原型用于测量。测量结果表明，所提出的带差分馈电网络的天线在52.6G～70.6 GHz范围内的阻抗带宽为29.2%，宽边增益为10.9～13.7 dBi。所提出的天线在对称辐射模式和相对低的交叉极化和后向辐射水平中保留了ME-偶极子的所有显着特征。辐射方向图大多是稳定的，旁瓣向工作频带的较高端增加。

加拿大Alberta大学的Waleed El Halwagy等人提出了一种用于5G无线设备的mm—Wave垂直极化电偶极子阵列解决方案。偶极子采用标准 PCB工艺中的通孔制造，适合手机或平板电脑边缘，具有宽带工作，仰角平面（HPBWELEV）具有较宽的半功率波束宽度，高增益和高前—后辐射比（F/B）。为了增强增益，寄生通孔作为导向器添加在偶极子前面。为了在不牺牲增益的情况下改善HPBW，导向器被实现为V形二等分寄生通孔。通孔栅围绕偶极结构以抑制背辐射并增强F/B。偶极子连接到平行带状线（PS），其通过新颖的SIW到PS转换与主SIW馈源连接。为拟议结构的每个设计参数提供了彻底的调查，优化和参数研究。设计并制造了单偶极子，2×1和4×1阵列，显示出模拟和测量结果之间的紧密一致性。单偶极子工作在7.23GHz带宽上，具有稳定的辐射性能。4×1阵列的HPBW ELEV为133.1°，F/B为36.6dBi，交叉极化小于-39.6 dBi，增益为12.61 dBi，辐射效率为95.8%。所提出的偶极子的低成本，紧凑性和良好性能使其成为未来5G移动设备收发器的竞争候选者。

4 结语

材料是感知未来世界和实现颠覆性创新的源泉。显而易见，随着5G技术的不断进步，应用不断推广，5G时代带来的发展机遇是无穷大的。5G通讯是依靠半导体材料和器件，实现无线电磁波远距离传输、收发、处理的通信技术。与传统4G等通信技术相比，5G需满足全频谱接入、高频段乃至毫米波传输、高频谱效率3大基础性能要求，因此对器件原材料也提出更高的性能和升级的需求。5G材料的发展，必将助力5G通信的蓬勃发展。