5G网络为什么要降低信号损耗？

根据GSMA Intelligence预测，5G移动用户和企业采用将出现显著增长。截至2022年底，消费者连接数量已超过10亿，2023年将增加至15亿左右，到2025年底将达到20亿。由此可见，与3G和4G相比，5G是发展最快的一代技术。   我国已建成全球规模最大、技术最先进的5G网络，截至今年3月底累计建成5G基站超过264万个，5G网络已经覆盖全国所有地级市、县城城区，5G移动电话用户已达到6.2亿部，5G共建共享基站超过150万个，对建设集约、高效绿色低碳网络发挥了重要作用。在应用层面，5G典型场景融入国民经济97大类中的40余类，规模化应用覆盖矿山、港口等场景。  

虽然目前6G已处于研发阶段，但正式推出恐怕要到2030年以后。所以，5G还在持续创新和演进，同时也为6G愿景和技术方向夯实基础。  

5G移动服务收入（单位：百万美元）

在功耗方面，5G比4G提升了一到两个量级，因此迫切需要低损耗材料的加持。      

从5G智能手机说起

大多数人一定认为，低损耗材料在5G设备中的应用首先是智能手机。毕竟，低损耗材料是实现智能手机先进5G封装天线（AiP）不可或缺的一部分，苹果等知名智能手机制造商一直讨论在他们在旗舰手机中为5G天线选择哪种低损耗材料。   与4G通信相比，5G接入需满足全频谱接入、高频段乃至毫米波传输、超高宽带传输三大基础性能要求，其制备材料需要具有实现大规模集成化、高频化和高频谱效率等特点。苹果从iPhoneX开始使用两组液晶聚合物（LCP）天线取代改性聚酰亚胺（MPI），引发了安卓系的踊跃跟进。   随着5G固定无线接入（FWA）部署不断增加，无需铺设光纤或电缆就可以为家庭和企业提供无线互联网接入。在光纤或电缆安装过于昂贵或困难的地方，FWA能够以与有线宽带连接相当的速度接入高速互联网。  

5G生态

虽然有基于4G/LTE的固定无线技术，但它无法与有线宽带的速度匹配，且在经济上也不可行。5G技术的兴起使这种情况发生了变化。预计下一代5G FWA产品将提供与光纤宽带连接媲美的数据传输速率，而没有光纤安装的复杂性。   5G FWA性能的提高部分源于毫米波5G频段（大于24GHz）的预期使用，以及大规模MIMO和波束成形等先进天线技术。      

为什么要降低信号损耗？

5G网络最具革命性的优势是依赖高频5G技术，即利用26GHz到40GHz频谱的毫米波5G。在如此高频率下，许多技术和设备都面临着挑战。高频信号会导致显著的传输损耗，需要更高的功率和更高效的电源，而且会产生更多的热量。   因此，传输损耗是5G应用中天线设计和射频（RF）集成电路（IC）的痛点。对于低频5G，即sub-6GHz 5G，由于高数据传输速度，也必须降低信号损耗。  

毫米波5G的挑战、趋势和创新

随着毫米波5G的未来崛起，低损耗材料将迅速增长，并发挥越来越重要的作用。从低损耗材料的前景看，有五个衡量其性能的关键因素：介电常数（Dk）、耗散因子（Df）、吸湿性、成本和可制造性。   低损耗材料不仅可用作基板或PCB板，还可以用于先进封装。其中一个强劲趋势是AiP，随着毫米波频率的提高，天线元件的尺寸将缩小，阵列将安装到封装中。这种集成还有助于缩短RF路径，从而最大限度地减少传输损耗。AiP需要针对基板（及重布线层）、电磁干扰（EMI）屏蔽、塑封底部填充（MUF）等的低损耗材料。  

低损耗材料的范围    

  5G设备看好的低损耗材料有哪些？

  低损耗热固性材料：热固性材料主导了3G/4G网络设备市场。然而，高介电常数和耗散因子限制了它们在毫米波5G中的使用。关键材料供应商的战略和研发工作旨在减少这些材料的介电常数和耗散因子。  

聚四氟乙烯（PTFE）：是用于高频应用的最常见材料之一，如汽车雷达系统、高速/高频（HS/HF）板和连接器。  

液晶聚合物（LCP）：是一种高性能特种工程塑料，已用于制造智能手机天线的柔性板。该市场将继续增长，并扩展到其他应用领域。主要生产商包括Du Pont、Ticona、住友、宝理塑料、东丽等。  

低温共烧陶瓷（LTCC）：LTCC的低耗散因子和宽范围介电常数将加速基于LTCC的组件的使用，如紧凑型高频滤波器。  

其他：为了优化5G系统的性能，将使用一种非常多样化的材料，例如碳氢化合物、聚苯醚（PPE或PPO）和玻璃。这些替代材料将占据5G材料市场的很大份额。

针对5G相关设备的低损耗材料的十年预测涵盖频率为sub-6GHz 5G和毫米波5G。细分市场包括用于基础设施、智能手机和CPE的低损耗材料。天线板材、波束成形IC重布线层以及先进封装用途的低损耗材料预测面积如下图所示。  

按频率、细分市场和材料类型划分的低损耗材料    

  降低传输损耗需要材料、设计和部署创新

  sub-6GHz（3.5-7GHz）和毫米波（＞24GHz）波段是5G覆盖频谱的两个新波段。   sub-6GHz频段是一个受欢迎的选择，因为它在提供出色的数据吞吐量和合理的价格之间找到了平衡。另外，由于短信号传输的性质和非视距（NLOS）问题（需要更多的基站），毫米波过于昂贵，无法大规模实施。  

按频率划分的5G商用/预商用服务（2022）

业界正在开发一种将RF组件与天线紧密集成的新封装策略。  

RF组件与天线紧密集成的新封装

不过，随着设备越来越紧凑，电源和热管理变得越发重要。除了设备设计，网络部署策略也是应对功耗挑战的关键研究领域。例如，利用各种技术，如可重新配置的智能表面或中继器，研究建立异构智能电磁（EM）环境。   5G开放式无线接入网络（Open RAN）是一种供应商中立的方法，采用标准化设计，为电信运营商提供了一种基于具有标准化互操作性的分类RAN组件构建网络的替代方式，包括使用非专有的白盒硬件、来自不同供应商的开源软件和开放接口。Open RAN也被视为减少对爱立信、华为和诺基亚“三巨头”依赖的策略，但在采用低损耗材料方面不会受到影响。

  2022年9月，NTT DOCOMO建立了第一个5G Open RAN，更多电信运营商也制定了路线图，在不久的将来使用Open RAN部署5G网络。凭借其高吞吐量和超低延迟，5G可以进入各种高价值领域，如3D机器人控制、数字孪生、远程医疗等。5G功能可以与AR/VR结合，在游戏、教育和制造业中推出各种应用。此外，5G C-V2X（万物互联）也在快速发展。  

5G毫米波商用/预商用服务（2022年9月）      

5G FWA和CPE挑战和低损耗材料的机会

重要的是，5G FWA的实施需要CPE，包括住宅和企业设备，以连接5G接入单元，并在建筑内创建高速Wi-Fi网络。CPE与基站的可比性较低，而更类似于Wi-Fi中继器。CPE从5G基站接收5G蜂窝信号，然后将其转换为Wi-Fi信号，以使建筑内的笔记本电脑等设备连接到5G网络。很明显，对于5G和FWA网络未来向家庭和企业扩展CPE不可或缺。   虽然5G FWA听起来前景可观，但现实应用中仍面临挑战。最大的挑战是毫米波5G无线传输面临的高传输损耗降低了其覆盖面积。此外，毫米波5G信号容易受雨水和树叶等环境因素的干扰。虽然先进天线技术可以缓解这些问题，但实施成本往往很高，这对于5G FWA等商业部署有限的技术来说并不可取。显然，毫米波5G固有的高传输损耗阻碍了5G FWA的全球安装和传播。  

2028年5G CPE低损耗材料需求

  为了降低5G CPE的传输损耗，需要在CPE的PCB和RF组件中广泛使用低损耗材料。虽然一些sub-6GHz 5G CPE已使用了现有介电材料（如环氧树脂层压板），但其性能不足以满足毫米波5G CPE的要求，而要广泛实现5G FWA也需要更高的数据速度。   现有材料也不太适合RF组件的小型化，而小型化是CPE的必需。这为新兴的热塑性塑料和陶瓷提供了绝佳的机会。   不过，新兴的低损耗材料也面临挑战，虽然供应商希望使用超低损耗材料来提高CPE性能，但这些材料也相当昂贵。这可能会使供应商在家庭或企业安装5G CPE时遇到麻烦。      

从5G到6G都需要低损耗材料

  推动5G和6G低损耗材料市场增长的主要应用领域是5G CPE。随着5G频率的上升，以LCP为代表的低损耗材料及其产品的渗透率将逐渐提升。   6G将可能使用太赫兹（THz）频段，其传输能力可能比5G提升100倍，网络延迟也可能从毫秒降到微秒级。6G通信用的材料品种将异常丰富，包括天线材料、导热散热材料、高频覆铜板基材、电磁屏蔽材料等，低损耗材料也将在相关领域发挥更重要的作用。  

编辑：黄飞