高频微波射频pcb板在5G和6G应用下的新机遇

只看该作者 · 2023-3-28 15:18

微波介质陶瓷元器件的重要应用方向为移动通信基站，介质谐振器、介质滤波器、双工器和多工器均是通信基站射频单元的关键组件。大规模建立5G基站对微波介质陶瓷材料提出了高速、高频、高度集成化和超低损耗等性能要求，开发出具有低损耗、高稳定性等优异性能的微波介质陶瓷材料是近年功能陶瓷方向研究的重点之一。

微波介质陶瓷行业整体处于5G产业链上游，在各省市的5G规划中，重点关注5G上游射频元器件、有源阵列天线等关键技术与核心元器件的突破和发展，并制定了全方位扶持政策，这将带动微波介质陶瓷元器件的快速发展。5G通信技术提升，基站数量大幅增（将是4G时代的4~5倍），对微波通信元件需求巨大。5G天线的通道数量是4G时代的7~15倍，意味着对射频器件中微波介质陶瓷元器件的需求量是4G时代的7~15倍。小型化和轻量化成为天线设计的基础，相较于金属滤波器，微波陶瓷介质波导滤波器可实现高抑制的系统兼容，体积更小，重量更轻，成为5G基站的主流技术方案。

随着全球5G网络规模化商用步入快车道，针对6G研发的战略性布局已全面拉开帷幕。尽管业界虽然还尚未对6G的愿景、关键技术、标准等形成统一的共识，但普遍预期6G在2030年左右开始商用，未来3~5年将是6G研发的关键窗口期。相较于5G，6G将具有更加泛在的连接、更大的传输带宽、更低的端到端时延、更高的可靠性和确定性以及更智能化的网络特性。

国际电信联盟（ITU）于2019年11月23日宣布，世界无线电通信大会（WRC-19）已确定5G新增频谱的新决议，将24.25 GHz~27.5 GHz、37 GHz~43.5 GHz、66 GHz~71 GHz共14.75GHz带宽的频谱标识用于5G 和未来国际移动通信系统，表明其中部分毫米波频段或可用于6G。同时，WRC-19正式批准了275 GHz~296 GHz、306 GHz~313 GHz、318 GHz~333 GHz和356 GHz~450 GHz共137 GHz带宽的资源可用于固定和陆地移动业务应用，这些频段未来可能用于6G通信业务。

图1. 近十年以特定国家/地区为目的地的6G关键技术专利申请量。

近年来，全球6G专利快速发展（见图1），6G相关的关键技术专利申请量呈攀升态势（2020 年由于受新冠肺炎影响，申请量有所减少），技术开始加速更新迭代。各国已启动6G研究，各大企业与研究机构对6G具体潜在技术的构想略有区别，但已逐步收敛于“至简+柔性+数字孪生”、立体网络覆盖、全频段组网、超大规模天线、感知通信一体化、AI使能空口、新材料、新器件、新天线、新基站、可见光通信、确定性数据传输、算网融合等领域。在面向6G时代的研究中，需强化储备6G潜在关键技术，积极推进新材料、仪器仪表等关联产业基础储备，进行6G 应用场景的前瞻研究和应用试验，保护知识产权，做好专利储备与布局，实现产业链自主可控。

表1. 各国家或组织6G研究情况。

太赫兹通信技术可能是未来6G通信技术发展的一个重要方向。太赫兹频率在0.1～10THz波段，波长为0.03 ~3 mm，处于微波与红外光谱之间。与微波相似，太赫兹能穿透不导电材料，此外，太赫兹的宽频带能提供达几GB/秒的传输速率, 在高速通信等领域有良好的应用前景。但是在太赫兹频段，只有非常少的低损耗材料符合使用要求。目前，太赫兹频段下的研究主要集中在聚合物和半导体，对于陶瓷在太赫兹下介电性能的系统研究刚刚开始。陶瓷在太赫兹频段下的测试面临两个问题：一是陶瓷的低损耗使得信号对比度小，误差增加；另一方面，陶瓷具有相对高的介电常数，在空气与陶瓷界面会引起多反射。微波介质陶瓷的折射率可调（高折射率有利于器件小型化和集成）、耐高温、强度高、成本低，但在太赫兹下损耗和吸收系数较高。因此，要实现微波介质陶瓷在太赫兹频段的应用，首先需要发展准确、可靠的表征技术，确保正确测量材料在太赫兹下的性能；二要进一步降低材料的损耗、提高Q值；三要探索新的、合适的材料体系，简单地认为现有性能优异的微波介质陶瓷材料体系在太赫兹下也能表现出良好性能是不严谨的。

微波介质陶瓷是5G/6G通信的关键基础材料，未来的研究应围绕以下重点展开：①进一步提高材料微波介电性能，降低介电损耗，尤其是研发超低介电常数（εr <20）以及中高介电常数（εr =60~80）的材料；②利用先进测试表征技术和计算方法从本征因素和非本征因素角度研究微波介质陶瓷的介电响应机理；③深入探索烧结助剂的降温机理，发展LTCC技术，在降低微波介质陶瓷烧结温度的同时仍使其具有优异的介电性能；④响应5G/6G技术发展对上游材料及元器件的新需求，研发合适的材料体系，积累生产技术经验，力争实现产业链的自主可控。

6G时代我国将面临比5G时代更为激烈的竞争，乃至不公平的封锁，应贯彻落实“十四五规划纲要”的要求，牢牢把握未来3~5年的关键窗口期，科学有序推进关键材料、关键技术的研发，实现高水平科技自立自强。

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