5G通信新材料研究進展

劉義鶴 江洪

2019年被稱為“5G元年”。目前，全球有78個國家的182家運營商已經啟動5G建設或正在進行5G網絡測試，有些國家甚至已經實現了5G在部分地區的試商用。5G時代的大幕已經徐徐拉開，而應用于5G通信的新材料，其研究熱度也早已升溫。本文介紹了印制電路板高頻基材、工業化液晶聚合物和塑料天線振子3種5G新材料的最新研究進展。

1 印制電路板高頻基材

印制電路板（PCB）的主要性質由其基材決定。目前普遍使用的PCB基材是聚四氟乙烯（PTFE）及碳氫化合物樹脂。聚苯醚改性環氧樹脂、氰酸酯改性環氧樹脂也有部分應用。聚四氟乙烯板一般用聚四氟乙烯樹脂常溫壓壓模成型，再經燒結、冷卻工藝制成，具有工作溫度范圍廣、抗腐蝕、高潤滑、無毒無害的特點，介電性能高。目前國內高性能基材生產普遍集中于中低端產品，高端產品缺乏，尤其是應用于高頻和高導熱領域的材料。

韓國首爾國立大學的Seon Ho Lee等人利用苯并惡嗪（benzoxazine）和環氧環氧/二氧化硅納米顆?；旌夏ぶ苽涑隽艘环N適用于5G高頻通信用的PCB。通過對2種苯并惡嗪材料的研究，提出制備實現低損耗因子并具有良好機械穩定性PCB的思路。單苯并惡嗪薄膜顯示出脆性，但在環氧樹脂上涂敷高單苯并惡嗪含量的薄膜制出的PCB的損耗因子低至0.005×頻率/10GHz。線性聚苯并惡嗪基薄膜顯示出增強的機械穩定性，但由于缺乏極性官能團而顯示出對銅層的粘附性的限制。為了克服這些缺點，他們利用線性聚苯并惡嗪和環氧樹脂共混體系以制備具有良好粘附性和優異電絕緣性能的膜，其耗散因數約為0.006×頻率/10GHz。

臺灣元智大學的Chien—Chang Huang等人通過探測多個傳輸線（TL）的散射參數（S參數）和探測技術研究了PCB的介電常數（DK）和耗散因子（DF）的表征方法。由于探頭寄生效應造成的相關電纜/連接器和測量設備的非理想特性能夠得到完全消除，因而無需事先校準即可對測量的原始數據進行數學處理。由于傳輸線相位變化180°后，由于小量測量的不確定性，會使解決方案發生較大改變，他們利用多傳輸線設計客服了這種頻率限制。他們根據測量的傳輸線傳播常數評估所需的DK和DF，同時適當地消除導體損耗。他們這種寬帶DK/DF抽取法和傳統直線諧振的方法相比較，并討論了誤差源。

Takao Tanigawa等人開發出一種具有低介電常數（10Ghz的DK為2.4），損耗因子（在10GHz下DF為0.0016）樹脂的新型熱固性樹脂，并通過將這種新樹脂應用于光滑表面粗糙度銅箔，開發出新的低損耗薄膜。新型低損耗薄膜的傳輸損耗（76 GHz時為-0.58 dBi/cm）比目前的超低損耗（ULL）級材料（76 GHz時為-0.75 dBi/cm）低23%。這種材料具有良好的加工性，可以進行激光IVH和電鍍，無需等離子去污等特殊處理。在65℃（15min）的3 000次熱測試循環后，激光IVH的連接電阻值沒有降低（125℃，15min），并且在85℃/85%相對濕度的熱試驗2000h后沒有絕緣劣化。該材料適用于沒有其他粘合片的多層結構。借此可以提出新的PCB設計作為超寬帶的多層天線，有助于增加PCB設計的自由度。

日本尼?；瘜W研究所（Nissan Chemical Industries）的Hideyuki Nawata等人研究了應用于光子集成電路的有機-無機混合材料SUNCONNECT 。他們指出“SUNCONNECT ”材料在1310nm（0.29dBi/cm）和 1550nm（0.45dBi/cm） 下的傳播損耗分別較低。在300℃高溫退火測試和260℃焊接耐熱性測試中，SUNCONNECT 材料表現出高耐熱性。他們經過多模波導85℃/85%相對濕度測試表明，該材料在高溫/高濕試驗后，其插入損耗性能沒有顯著變化。他們指出，對于光子集成電路的應用，已經證明通過使用3種不同的方法制造聚合物光波導。通過使用具有接近間隙曝光的UV光刻，可以在包層上制造單微米芯圖案。而且，單模波導也可以用上包層制造。另一方面，“蚊子法（mosquito method）”和壓印法可用于制造聚合物光波導。值得注意的是，這2種方法可以在不使用光掩模的情況下制造漸變折射型光波導。

意大利LAquila大學的Stefano Piersanti等人使用機器學習方法優化了合成電磁吸收材料的特性。這種材料需要能改善期間2個區域間的屏蔽效果。作者通過用作函數逼近的人工神經網絡的性能，以計算屏蔽值，而無需采用復雜和耗時的全波數值模擬。根據訓練集和算法或其體系結構的變化來評估網絡。他們介紹了材料重要的品質因數，描述和定義需要管理優化問題的自然發起的算法。

法國Univ.Grenoble Alpes的Alexandre Léon等人利用基于鍺碲（GeTe）的相變材料制備出一種高性能、低功耗的射頻—毫米波開關。他們提出了一種與標準CMOS后端兼容的集成工藝，以實現直接開關。在65GHz的射頻信號下，導通電阻為 1Ω，OFF狀態電容為7fF，對應于22 THz截止頻率，是目前為止最先進的品質因數。在2個相位變化中開關時間僅為60ns，因而能獲得比現有技術低10倍的能量消耗。他們通過改變GeTe器件的尺寸，揭示出在開狀態下，RF性能表現出線性變化，而在關狀態下能保持恒定。

2 工業化液晶聚合物

工業化液晶聚合物（LCP）起初是美國杜邦公司開發出來的溶致性聚對亞苯基對苯二甲酰胺，具有優良的電絕緣性能、自增強性、耐熱性及耐腐蝕性，可用于制造印刷電路板或作為集成電路封裝材料。在5G時代，LCP有望脫穎而出，尤其是低介電常數的LCP。國外的住友株式會社、寶理塑料株式會社（以下簡稱“寶鋰塑料”）、東麗株式會社等公司以及國內東莞市友信塑料有限公司、深圳杜邦等均有生產。為滿足高頻傳輸元件的5G和V2X電信的需求，寶理塑料還專門研究開發了LCP系列。

美國佐治亞技術研究所的Xiao Li等人通過流動自組裝（FESA）方便地制造分層排列的含有偶氮苯部分的光可切換液晶聚合物（LCP）條紋。他們通過使一滴LCP溶液在受限制的幾何形狀中干燥，該幾何形狀包括2個幾乎平行的板，其具有固定的上板和可移動的下板，其可在FESA過程中以“停止—移動”的方式可編程地行進，光可切換的LCP產生條紋，顯示2種沉積模式，即大尺寸的周期性主要條紋和位于相鄰主要條紋之間的小尺寸的規則間隔的次要條帶。由于初級和次級條帶之間的厚度差異，這些含有分級偶氮苯部分的條帶表現出順序的光致可逆相變（即光開關）。在LCP條紋上觀察到UV光誘導的膨脹效應。很明顯，FESA快速創建的分層條紋代表了一種強大的方法，可以將聚合物、納米粒子、膠體、DNA等以簡單可控的方式組織成大面積的復雜而有序的圖案，用于表面浮雕光柵，光致動器的潛在用途，如5G通信的光開關設備，防偽標簽等。

英國倫敦大學的Syeda Fizzah Jilani等人利用LCP制備了于在Ka波段（26.5G～40GHz）工作的5G無線網絡的靈活毫米波（毫米波）天線陣列，并對其進行了性能評估。單元件天線由共面波導饋電矩形貼片組成，該貼片在其側面呈錐形，具有2個垂直定向的槽。地面設計有L形短截線，以聚合分散的輻射圖案，以改善方向性和增益。天線制造是通過2種先進的激光銑削和噴墨印刷方法在柔性液晶聚合物薄膜上完成的。該設計擴展為雙元素陣列，以增強增益。測量結果表明，所提出的天線陣列的帶寬為26G～40GHz，35GHz時的峰值增益為11.35dBi，整個Ka波段的高增益曲線均高于9dBi。這種天線陣列能作為未來靈活的5G前端和毫米波可穿戴設備集成的有效解決方案。

日本Fujikura公司的Shailendra Kaushal等人利用LCP制備出應用于毫米波器件和5G的低介電和低損耗天線。他們指出，隨著襯底厚度或損耗角正切增加，天線的傳輸損耗增加。28GHz的5G天線顯示2dBi增益下降，因為損耗角正切增加了4倍。梳狀天線的阻抗帶寬為3.2 GHz，峰值增益為13 dBi，高增益寬帶寬天線在模擬時提供24～26 dBi，在V波段操作時提供22～26 dBi的測量。多層LCP天線顯示±45°波束成形，V波段頻率峰值損失3 dBi。

3 塑料天線振子

天線振子用于導向和放大電磁波，是基站天線的核心器件。傳統鑄造工藝、鈑金工藝制作的天線振子已不適用于5G的發展。而新發展起來的3D塑料振子因為質量輕、體積小、成本優、性能好等特點，必將引領5G潮流中天線振子的發展大向。3D塑料振子的制造工藝一般指注塑工藝+激光工藝，其中激光工藝指在新型的塑料件上用激光直接3D打印電路板的技術。飛榮達近些年取得了飛速的發展，其通過“改性塑料+選擇性電鍍”工藝研發的塑料天線振子是全行業領先技術，已經成為國內5G天線振子的新龍頭。

香港城市大學的Jingtao Zeng等人研究并實現了一種新型寬帶ME偶極天線，用于毫米波應用，特別是用于新的5G應用。由于其互補的天線配置，所提出的天線具有寬帶工作帶寬和高前后輻射水平。該天線還具有單層結構，易于制造且外形小巧。該天線的工作帶寬為50.4%（47.5G～79.5 GHz），完全覆蓋了新的5G標準中新的免許可頻段。該天線具有寬帶，低背輻射水平和低制造成本的優點。

香港城市大學的Xuexuan Ruan等人開發出了應用于5G的差分驅動的傳輸線激勵磁電偶極子（ME偶極子）設計。所提出的天線采用具有鍍通孔技術的單層印刷電路板實現，配置簡單，但可以實現寬帶寬和高增益。天線由2×2個ME偶極子陣列組成，該陣列被矩形腔包圍。還引入了基于E平面三通的差分饋電波導網絡以饋送原型用于測量。測量結果表明，所提出的帶差分饋電網絡的天線在52.6G～70.6 GHz范圍內的阻抗帶寬為29.2%，寬邊增益為10.9～13.7 dBi。所提出的天線在對稱輻射模式和相對低的交叉極化和后向輻射水平中保留了ME-偶極子的所有顯著特征。輻射方向圖大多是穩定的，旁瓣向工作頻帶的較高端增加。

加拿大Alberta大學的Waleed El Halwagy等人提出了一種用于5G無線設備的mm—Wave垂直極化電偶極子陣列解決方案。偶極子采用標準 PCB工藝中的通孔制造，適合手機或平板電腦邊緣，具有寬帶工作，仰角平面（HPBWELEV）具有較寬的半功率波束寬度，高增益和高前—后輻射比（F/B）。為了增強增益，寄生通孔作為導向器添加在偶極子前面。為了在不犧牲增益的情況下改善HPBW，導向器被實現為V形二等分寄生通孔。通孔柵圍繞偶極結構以抑制背輻射并增強F/B。偶極子連接到平行帶狀線（PS），其通過新穎的SIW到PS轉換與主SIW饋源連接。為擬議結構的每個設計參數提供了徹底的調查，優化和參數研究。設計并制造了單偶極子，2×1和4×1陣列，顯示出模擬和測量結果之間的緊密一致性。單偶極子工作在7.23GHz帶寬上，具有穩定的輻射性能。4×1陣列的HPBW ELEV為133.1°，F/B為36.6dBi，交叉極化小于-39.6 dBi，增益為12.61 dBi，輻射效率為95.8%。所提出的偶極子的低成本，緊湊性和良好性能使其成為未來5G移動設備收發器的競爭候選者。

4 結語

材料是感知未來世界和實現顛覆性創新的源泉。顯而易見，隨著5G技術的不斷進步，應用不斷推廣，5G時代帶來的發展機遇是無窮大的。5G通訊是依靠半導體材料和器件，實現無線電磁波遠距離傳輸、收發、處理的通信技術。與傳統4G等通信技術相比，5G需滿足全頻譜接入、高頻段乃至毫米波傳輸、高頻譜效率3大基礎性能要求，因此對器件原材料也提出更高的性能和升級的需求。5G材料的發展，必將助力5G通信的蓬勃發展。