劉義鶴 江洪

2019年被稱(chēng)為“5G元年”。目前，全球有78個(gè)國(guó)家的182家運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)啟動(dòng)5G建設(shè)或正在進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)測(cè)試，有些國(guó)家甚至已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了5G在部分地區(qū)的試商用。5G時(shí)代的大幕已經(jīng)徐徐拉開(kāi)，而應(yīng)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(yè)化液晶聚合物和塑料天線(xiàn)振子3種5G新材料的最新研究進(jìn)展。

1 印制電路板高頻基材

印制電路板（PCB）的主要性質(zhì)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?xì)浠衔飿?shù)脂。聚苯醚改性環(huán)氧樹(shù)脂、氰酸酯改性環(huán)氧樹(shù)脂也有部分應(yīng)用。聚四氟乙烯板一般用聚四氟乙烯樹(shù)脂常溫壓壓模成型，再經(jīng)燒結(jié)、冷卻工藝制成，具有工作溫度范圍廣、抗腐蝕、高潤(rùn)滑、無(wú)毒無(wú)害的特點(diǎn)，介電性能高。目前國(guó)內(nèi)高性能基材生產(chǎn)普遍集中于中低端產(chǎn)品，高端產(chǎn)品缺乏，尤其是應(yīng)用于高頻和高導(dǎo)熱領(lǐng)域的材料。

韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)的Seon Ho Lee等人利用苯并惡嗪（benzoxazine）和環(huán)氧環(huán)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(guò)對(duì)2種苯并惡嗪材料的研究，提出制備實(shí)現(xiàn)低損耗因子并具有良好機(jī)械穩(wěn)定性PCB的思路。單苯并惡嗪薄膜顯示出脆性，但在環(huán)氧樹(shù)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(xiàn)性聚苯并惡嗪基薄膜顯示出增強(qiáng)的機(jī)械穩(wěn)定性，但由于缺乏極性官能團(tuán)而顯示出對(duì)銅層的粘附性的限制。為了克服這些缺點(diǎn)，他們利用線(xiàn)性聚苯并惡嗪和環(huán)氧樹(shù)脂共混體系以制備具有良好粘附性和優(yōu)異電絕緣性能的膜，其耗散因數(shù)約為0.006×頻率/10GHz。

臺(tái)灣元智大學(xué)的Chien—Chang Huang等人通過(guò)探測(cè)多個(gè)傳輸線(xiàn)（TL）的散射參數(shù)（S參數(shù)）和探測(cè)技術(shù)研究了PCB的介電常數(shù)（DK）和耗散因子（DF）的表征方法。由于探頭寄生效應(yīng)造成的相關(guān)電纜/連接器和測(cè)量設(shè)備的非理想特性能夠得到完全消除，因而無(wú)需事先校準(zhǔn)即可對(duì)測(cè)量的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理。由于傳輸線(xiàn)相位變化180°后，由于小量測(cè)量的不確定性，會(huì)使解決方案發(fā)生較大改變，他們利用多傳輸線(xiàn)設(shè)計(jì)客服了這種頻率限制。他們根據(jù)測(cè)量的傳輸線(xiàn)傳播常數(shù)評(píng)估所需的DK和DF，同時(shí)適當(dāng)?shù)叵龑?dǎo)體損耗。他們這種寬帶DK/DF抽取法和傳統(tǒng)直線(xiàn)諧振的方法相比較，并討論了誤差源。

Takao Tanigawa等人開(kāi)發(fā)出一種具有低介電常數(shù)（10Ghz的DK為2.4），損耗因子（在10GHz下DF為0.0016）樹(shù)脂的新型熱固性樹(shù)脂，并通過(guò)將這種新樹(shù)脂應(yīng)用于光滑表面粗糙度銅箔，開(kāi)發(fā)出新的低損耗薄膜。新型低損耗薄膜的傳輸損耗（76 GHz時(shí)為-0.58 dBi/cm）比目前的超低損耗（ULL）級(jí)材料（76 GHz時(shí)為-0.75 dBi/cm）低23%。這種材料具有良好的加工性，可以進(jìn)行激光IVH和電鍍，無(wú)需等離子去污等特殊處理。在65℃（15min）的3 000次熱測(cè)試循環(huán)后，激光IVH的連接電阻值沒(méi)有降低（125℃，15min），并且在85℃/85%相對(duì)濕度的熱試驗(yàn)2000h后沒(méi)有絕緣劣化。該材料適用于沒(méi)有其他粘合片的多層結(jié)構(gòu)。借此可以提出新的PCB設(shè)計(jì)作為超寬帶的多層天線(xiàn)，有助于增加PCB設(shè)計(jì)的自由度。

日本尼?；瘜W(xué)研究所（Nissan Chemical Industries）的Hideyuki Nawata等人研究了應(yīng)用于光子集成電路的有機(jī)-無(wú)機(jī)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(cè)試和260℃焊接耐熱性測(cè)試中，SUNCONNECT 材料表現(xiàn)出高耐熱性。他們經(jīng)過(guò)多模波導(dǎo)85℃/85%相對(duì)濕度測(cè)試表明，該材料在高溫/高濕試驗(yàn)后，其插入損耗性能沒(méi)有顯著變化。他們指出，對(duì)于光子集成電路的應(yīng)用，已經(jīng)證明通過(guò)使用3種不同的方法制造聚合物光波導(dǎo)。通過(guò)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(dǎo)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(dǎo)。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(dǎo)。

意大利LAquila大學(xué)的Stefano Piersanti等人使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法優(yōu)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(gè)區(qū)域間的屏蔽效果。作者通過(guò)用作函數(shù)逼近的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能，以計(jì)算屏蔽值，而無(wú)需采用復(fù)雜和耗時(shí)的全波數(shù)值模擬。根據(jù)訓(xùn)練集和算法或其體系結(jié)構(gòu)的變化來(lái)評(píng)估網(wǎng)絡(luò)。他們介紹了材料重要的品質(zhì)因數(shù)，描述和定義需要管理優(yōu)化問(wèn)題的自然發(fā)起的算法。

法國(guó)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(kāi)關(guān)。他們提出了一種與標(biāo)準(zhǔn)CMOS后端兼容的集成工藝，以實(shí)現(xiàn)直接開(kāi)關(guān)。在65GHz的射頻信號(hào)下，導(dǎo)通電阻為 1Ω，OFF狀態(tài)電容為7fF，對(duì)應(yīng)于22 THz截止頻率，是目前為止最先進(jìn)的品質(zhì)因數(shù)。在2個(gè)相位變化中開(kāi)關(guān)時(shí)間僅為60ns，因而能獲得比現(xiàn)有技術(shù)低10倍的能量消耗。他們通過(guò)改變GeTe器件的尺寸，揭示出在開(kāi)狀態(tài)下，RF性能表現(xiàn)出線(xiàn)性變化，而在關(guān)狀態(tài)下能保持恒定。

2 工業(yè)化液晶聚合物

工業(yè)化液晶聚合物（LCP）起初是美國(guó)杜邦公司開(kāi)發(fā)出來(lái)的溶致性聚對(duì)亞苯基對(duì)苯二甲酰胺，具有優(yōu)良的電絕緣性能、自增強(qiáng)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(shí)代，LCP有望脫穎而出，尤其是低介電常數(shù)的LCP。國(guó)外的住友株式會(huì)社、寶理塑料株式會(huì)社（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“寶鋰塑料”）、東麗株式會(huì)社等公司以及國(guó)內(nèi)東莞市友信塑料有限公司、深圳杜邦等均有生產(chǎn)。為滿(mǎn)足高頻傳輸元件的5G和V2X電信的需求，寶理塑料還專(zhuān)門(mén)研究開(kāi)發(fā)了LCP系列。

美國(guó)佐治亞技術(shù)研究所的Xiao Li等人通過(guò)流動(dòng)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(guò)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(gè)幾乎平行的板，其具有固定的上板和可移動(dòng)的下板，其可在FESA過(guò)程中以“停止—移動(dòng)”的方式可編程地行進(jìn)，光可切換的LCP產(chǎn)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(guī)則間隔的次要條帶。由于初級(jí)和次級(jí)條帶之間的厚度差異，這些含有分級(jí)偶氮苯部分的條帶表現(xiàn)出順序的光致可逆相變（即光開(kāi)關(guān)）。在LCP條紋上觀察到UV光誘導(dǎo)的膨脹效應(yīng)。很明顯，F(xiàn)ESA快速創(chuàng)建的分層條紋代表了一種強(qiáng)大的方法，可以將聚合物、納米粒子、膠體、DNA等以簡(jiǎn)單可控的方式組織成大面積的復(fù)雜而有序的圖案，用于表面浮雕光柵，光致動(dòng)器的潛在用途，如5G通信的光開(kāi)關(guān)設(shè)備，防偽標(biāo)簽等。

英國(guó)倫敦大學(xué)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的靈活毫米波（毫米波）天線(xiàn)陣列，并對(duì)其進(jìn)行了性能評(píng)估。單元件天線(xiàn)由共面波導(dǎo)饋電矩形貼片組成，該貼片在其側(cè)面呈錐形，具有2個(gè)垂直定向的槽。地面設(shè)計(jì)有L形短截線(xiàn)，以聚合分散的輻射圖案，以改善方向性和增益。天線(xiàn)制造是通過(guò)2種先進(jìn)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(shè)計(jì)擴(kuò)展為雙元素陣列，以增強(qiáng)增益。測(cè)量結(jié)果表明，所提出的天線(xiàn)陣列的帶寬為26G～40GHz，35GHz時(shí)的峰值增益為11.35dBi，整個(gè)Ka波段的高增益曲線(xiàn)均高于9dBi。這種天線(xiàn)陣列能作為未來(lái)靈活的5G前端和毫米波可穿戴設(shè)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(yīng)用于毫米波器件和5G的低介電和低損耗天線(xiàn)。他們指出，隨著襯底厚度或損耗角正切增加，天線(xiàn)的傳輸損耗增加。28GHz的5G天線(xiàn)顯示2dBi增益下降，因?yàn)閾p耗角正切增加了4倍。梳狀天線(xiàn)的阻抗帶寬為3.2 GHz，峰值增益為13 dBi，高增益寬帶寬天線(xiàn)在模擬時(shí)提供24～26 dBi，在V波段操作時(shí)提供22～26 dBi的測(cè)量。多層LCP天線(xiàn)顯示±45°波束成形，V波段頻率峰值損失3 dBi。

3 塑料天線(xiàn)振子

天線(xiàn)振子用于導(dǎo)向和放大電磁波，是基站天線(xiàn)的核心器件。傳統(tǒng)鑄造工藝、鈑金工藝制作的天線(xiàn)振子已不適用于5G的發(fā)展。而新發(fā)展起來(lái)的3D塑料振子因?yàn)橘|(zhì)量輕、體積小、成本優(yōu)、性能好等特點(diǎn)，必將引領(lǐng)5G潮流中天線(xiàn)振子的發(fā)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(shù)。飛榮達(dá)近些年取得了飛速的發(fā)展，其通過(guò)“改性塑料+選擇性電鍍”工藝研發(fā)的塑料天線(xiàn)振子是全行業(yè)領(lǐng)先技術(shù)，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)5G天線(xiàn)振子的新龍頭。

香港城市大學(xué)的Jingtao Zeng等人研究并實(shí)現(xiàn)了一種新型寬帶ME偶極天線(xiàn)，用于毫米波應(yīng)用，特別是用于新的5G應(yīng)用。由于其互補(bǔ)的天線(xiàn)配置，所提出的天線(xiàn)具有寬帶工作帶寬和高前后輻射水平。該天線(xiàn)還具有單層結(jié)構(gòu)，易于制造且外形小巧。該天線(xiàn)的工作帶寬為50.4%（47.5G～79.5 GHz），完全覆蓋了新的5G標(biāo)準(zhǔn)中新的免許可頻段。該天線(xiàn)具有寬帶，低背輻射水平和低制造成本的優(yōu)點(diǎn)。

香港城市大學(xué)的Xuexuan Ruan等人開(kāi)發(fā)出了應(yīng)用于5G的差分驅(qū)動(dòng)的傳輸線(xiàn)激勵(lì)磁電偶極子（ME偶極子）設(shè)計(jì)。所提出的天線(xiàn)采用具有鍍通孔技術(shù)的單層印刷電路板實(shí)現(xiàn)，配置簡(jiǎn)單，但可以實(shí)現(xiàn)寬帶寬和高增益。天線(xiàn)由2×2個(gè)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(dǎo)網(wǎng)絡(luò)以饋送原型用于測(cè)量。測(cè)量結(jié)果表明，所提出的帶差分饋電網(wǎng)絡(luò)的天線(xiàn)在52.6G～70.6 GHz范圍內(nèi)的阻抗帶寬為29.2%，寬邊增益為10.9～13.7 dBi。所提出的天線(xiàn)在對(duì)稱(chēng)輻射模式和相對(duì)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(wěn)定的，旁瓣向工作頻帶的較高端增加。

加拿大Alberta大學(xué)的Waleed El Halwagy等人提出了一種用于5G無(wú)線(xiàn)設(shè)備的mm—Wave垂直極化電偶極子陣列解決方案。偶極子采用標(biāo)準(zhǔn) PCB工藝中的通孔制造，適合手機(jī)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(qiáng)增益，寄生通孔作為導(dǎo)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(dǎo)向器被實(shí)現(xiàn)為V形二等分寄生通孔。通孔柵圍繞偶極結(jié)構(gòu)以抑制背輻射并增強(qiáng)F/B。偶極子連接到平行帶狀線(xiàn)（PS），其通過(guò)新穎的SIW到PS轉(zhuǎn)換與主SIW饋源連接。為擬議結(jié)構(gòu)的每個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)提供了徹底的調(diào)查，優(yōu)化和參數(shù)研究。設(shè)計(jì)并制造了單偶極子，2×1和4×1陣列，顯示出模擬和測(cè)量結(jié)果之間的緊密一致性。單偶極子工作在7.23GHz帶寬上，具有穩(wěn)定的輻射性能。4×1陣列的HPBW ELEV為133.1°，F(xiàn)/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(lái)5G移動(dòng)設(shè)備收發(fā)器的競(jìng)爭(zhēng)候選者。

4 結(jié)語(yǔ)

材料是感知未來(lái)世界和實(shí)現(xiàn)顛覆性創(chuàng)新的源泉。顯而易見(jiàn)，隨著5G技術(shù)的不斷進(jìn)步，應(yīng)用不斷推廣，5G時(shí)代帶來(lái)的發(fā)展機(jī)遇是無(wú)窮大的。5G通訊是依靠半導(dǎo)體材料和器件，實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)電磁波遠(yuǎn)距離傳輸、收發(fā)、處理的通信技術(shù)。與傳統(tǒng)4G等通信技術(shù)相比，5G需滿(mǎn)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(chǔ)性能要求，因此對(duì)器件原材料也提出更高的性能和升級(jí)的需求。5G材料的發(fā)展，必將助力5G通信的蓬勃發(fā)展。