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根據(jù)GSMA Intelligence預(yù)測(cè)，5G移動(dòng)用戶(hù)和企業(yè)采用將出現(xiàn)顯著增長(zhǎng)。截至2022年底，消費(fèi)者連接數(shù)量已超過(guò)10億，2023年將增加至15億左右，到2025年底將達(dá)到20億。由此可見(jiàn)，與3G和4G相比，5G是發(fā)展最快的一代技術(shù)。
我國(guó)已建成全球規(guī)模最大、技術(shù)最先進(jìn)的5G網(wǎng)絡(luò)，截至今年3月底累計(jì)建成5G基站超過(guò)264萬(wàn)個(gè)，5G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)覆蓋全國(guó)所有地級(jí)市、縣城城區(qū)，5G移動(dòng)電話(huà)用戶(hù)已達(dá)到6.2億部，5G共建共享基站超過(guò)150萬(wàn)個(gè)，對(duì)建設(shè)集約、高效綠色低碳網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮了重要作用。在應(yīng)用層面，5G典型場(chǎng)景融入國(guó)民經(jīng)濟(jì)97大類(lèi)中的40余類(lèi)，規(guī)?；瘧?yīng)用覆蓋礦山、港口等場(chǎng)景。
雖然目前6G已處于研發(fā)階段，但正式推出恐怕要到2030年以后。所以，5G還在持續(xù)創(chuàng)新和演進(jìn)，同時(shí)也為6G愿景和技術(shù)方向夯實(shí)基礎(chǔ)。如果像IDTechEx預(yù)測(cè)的那樣，到2033年，5G消費(fèi)類(lèi)移動(dòng)服務(wù)帶來(lái)的營(yíng)收將增長(zhǎng)到約8400億美元，這也就意味著2030年以后5G仍將扮演重要的角色。
5G移動(dòng)服務(wù)收入（單位：百萬(wàn)美元）
在功耗方面，5G比4G提升了一到兩個(gè)量級(jí)，因此迫切需要低損耗材料的加持。IDTechEx指出，低損耗材料在5G中的應(yīng)用是一個(gè)隱藏在眾目睽睽之下的價(jià)值18億美元的市場(chǎng)，而重要的驅(qū)動(dòng)力則是5G用戶(hù)終端設(shè)備（CPE）。
從5G智能手機(jī)說(shuō)起
大多數(shù)人一定認(rèn)為，低損耗材料在5G設(shè)備中的應(yīng)用首先是智能手機(jī)。畢竟，低損耗材料是實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)先進(jìn)5G封裝天線（AiP）不可或缺的一部分，蘋(píng)果等知名智能手機(jī)制造商一直討論在他們?cè)谄炫炇謾C(jī)中為5G天線選擇哪種低損耗材料。
與4G通信相比，5G接入需滿(mǎn)足全頻譜接入、高頻段乃至毫米波傳輸、超高寬帶傳輸三大基礎(chǔ)性能要求，其制備材料需要具有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成化、高頻化和高頻譜效率等特點(diǎn)。蘋(píng)果從iPhoneX開(kāi)始使用兩組液晶聚合物（LCP）天線取代改性聚酰亞胺（MPI），引發(fā)了安卓系的踴躍跟進(jìn)。
隨著5G固定無(wú)線接入（FWA）部署不斷增加，無(wú)需鋪設(shè)光纖或電纜就可以為家庭和企業(yè)提供無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)接入。在光纖或電纜安裝過(guò)于昂貴或困難的地方，F(xiàn)WA能夠以與有線寬帶連接相當(dāng)?shù)乃俣冉尤敫咚倩ヂ?lián)網(wǎng)。
5G生態(tài)
雖然有基于4G/LTE的固定無(wú)線技術(shù)，但它無(wú)法與有線寬帶的速度匹配，且在經(jīng)濟(jì)上也不可行。5G技術(shù)的興起使這種情況發(fā)生了變化。預(yù)計(jì)下一代5G FWA產(chǎn)品將提供與光纖寬帶連接媲美的數(shù)據(jù)傳輸速率，而沒(méi)有光纖安裝的復(fù)雜性。
5G FWA性能的提高部分源于毫米波5G頻段（大于24GHz）的預(yù)期使用，以及大規(guī)模MIMO和波束成形等先進(jìn)天線技術(shù)。據(jù)IDTechEx預(yù)測(cè)，到2033年，5G FWA總收入將達(dá)到近3000億美元。
為什么要降低信號(hào)損耗？
5G網(wǎng)絡(luò)最具革命性的優(yōu)勢(shì)是依賴(lài)高頻5G技術(shù)，即利用26GHz到40GHz頻譜的毫米波5G。在如此高頻率下，許多技術(shù)和設(shè)備都面臨著挑戰(zhàn)。高頻信號(hào)會(huì)導(dǎo)致顯著的傳輸損耗，需要更高的功率和更高效的電源，而且會(huì)產(chǎn)生更多的熱量。
因此，傳輸損耗是5G應(yīng)用中天線設(shè)計(jì)和射頻（RF）集成電路（IC）的痛點(diǎn)。對(duì)于低頻5G，即sub-6GHz 5G，由于高數(shù)據(jù)傳輸速度，也必須降低信號(hào)損耗。
毫米波5G的挑戰(zhàn)、趨勢(shì)和創(chuàng)新
隨著毫米波5G的未來(lái)崛起，低損耗材料將迅速增長(zhǎng)，并發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。從低損耗材料的前景看，有五個(gè)衡量其性能的關(guān)鍵因素：介電常數(shù)（Dk）、耗散因子（Df）、吸濕性、成本和可制造性。
低損耗材料不僅可用作基板或PCB板，還可以用于先進(jìn)封裝。其中一個(gè)強(qiáng)勁趨勢(shì)是AiP，隨著毫米波頻率的提高，天線元件的尺寸將縮小，陣列將安裝到封裝中。這種集成還有助于縮短RF路徑，從而最大限度地減少傳輸損耗。AiP需要針對(duì)基板（及重布線層）、電磁干擾（EMI）屏蔽、塑封底部填充（MUF）等的低損耗材料。
低損耗材料的范圍
5G設(shè)備看好的低損耗材料有哪些？
·低損耗熱固性材料：熱固性材料主導(dǎo)了3G/4G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備市場(chǎng)。然而，高介電常數(shù)和耗散因子限制了它們?cè)诤撩撞?G中的使用。關(guān)鍵材料供應(yīng)商的戰(zhàn)略和研發(fā)工作旨在減少這些材料的介電常數(shù)和耗散因子。
聚四氟乙烯（PTFE）：是用于高頻應(yīng)用的最常見(jiàn)材料之一，如汽車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)、高速/高頻（HS/HF）板和連接器。
液晶聚合物（LCP）：是一種高性能特種工程塑料，已用于制造智能手機(jī)天線的柔性板。該市場(chǎng)將繼續(xù)增長(zhǎng)，并擴(kuò)展到其他應(yīng)用領(lǐng)域。主要生產(chǎn)商包括Du Pont、Ticona、住友、寶理塑料、東麗等。
低溫共燒陶瓷（LTCC）：LTCC的低耗散因子和寬范圍介電常數(shù)將加速基于LTCC的組件的使用，如緊湊型高頻濾波器。
其他：為了優(yōu)化5G系統(tǒng)的性能，將使用一種非常多樣化的材料，例如碳?xì)浠衔?、聚苯醚（PPE或PPO）和玻璃。這些替代材料將占據(jù)5G材料市場(chǎng)的很大份額。
針對(duì)5G相關(guān)設(shè)備的低損耗材料的十年預(yù)測(cè)涵蓋頻率為sub-6GHz 5G和毫米波5G。細(xì)分市場(chǎng)包括用于基礎(chǔ)設(shè)施、智能手機(jī)和CPE的低損耗材料。天線板材、波束成形IC重布線層以及先進(jìn)封裝用途的低損耗材料預(yù)測(cè)面積如下圖所示。
按頻率、細(xì)分市場(chǎng)和材料類(lèi)型劃分的低損耗材料
根據(jù)材料面積和價(jià)格趨勢(shì)預(yù)測(cè)，到2031年，低損耗材料總市場(chǎng)將超過(guò)1.1億美元，2026年至2031年的年均增長(zhǎng)率為28%。
降低傳輸損耗需要材料、設(shè)計(jì)和部署創(chuàng)新
從頻段開(kāi)始，sub-6GHz（3.5-7GHz）和毫米波（＞24GHz）波段是5G覆蓋頻譜的兩個(gè)新波段。數(shù)據(jù)顯示，實(shí)際上53%的5G商業(yè)/預(yù)商業(yè)服務(wù)是基于sub-6GHz的頻率，毫米波僅占市場(chǎng)的不到10%。
sub-6GHz頻段是一個(gè)受歡迎的選擇，因?yàn)樗谔峁┏錾臄?shù)據(jù)吞吐量和合理的價(jià)格之間找到了平衡。另外，由于短信號(hào)傳輸的性質(zhì)和非視距（NLOS）問(wèn)題（需要更多的基站），毫米波過(guò)于昂貴，無(wú)法大規(guī)模實(shí)施。
按頻率劃分的5G商用/預(yù)商用服務(wù)（2022）
由于5G承諾的許多特性，如1ms延遲，將需要毫米波操作，因此需要開(kāi)發(fā)新材料、新設(shè)備設(shè)計(jì)和新的網(wǎng)絡(luò)部署策略來(lái)克服上述挑戰(zhàn)。例如，毫米波器件需要具有低介電常數(shù)和低損耗材料，以防止大量傳輸損耗。為此，業(yè)界正在開(kāi)發(fā)一種將RF組件與天線緊密集成的新封裝策略。
RF組件與天線緊密集成的新封裝
不過(guò)，隨著設(shè)備越來(lái)越緊湊，電源和熱管理變得越發(fā)重要。除了設(shè)備設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)部署策略也是應(yīng)對(duì)功耗挑戰(zhàn)的關(guān)鍵研究領(lǐng)域。例如，利用各種技術(shù)，如可重新配置的智能表面或中繼器，研究建立異構(gòu)智能電磁（EM）環(huán)境。
5G開(kāi)放式無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)（Open RAN）是一種供應(yīng)商中立的方法，采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，為電信運(yùn)營(yíng)商提供了一種基于具有標(biāo)準(zhǔn)化互操作性的分類(lèi)RAN組件構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的替代方式，包括使用非專(zhuān)有的白盒硬件、來(lái)自不同供應(yīng)商的開(kāi)源軟件和開(kāi)放接口。Open RAN也被視為減少對(duì)愛(ài)立信、華為和諾基亞“三巨頭”依賴(lài)的策略，但在采用低損耗材料方面不會(huì)受到影響。
2022年9月，NTT DOCOMO建立了第一個(gè)5G Open RAN，更多電信運(yùn)營(yíng)商也制定了路線圖，在不久的將來(lái)使用Open RAN部署5G網(wǎng)絡(luò)。憑借其高吞吐量和超低延遲，5G可以進(jìn)入各種高價(jià)值領(lǐng)域，如3D機(jī)器人控制、數(shù)字孿生、遠(yuǎn)程醫(yī)療等。5G功能可以與AR/VR結(jié)合，在游戲、教育和制造業(yè)中推出各種應(yīng)用。此外，5G C-V2X（萬(wàn)物互聯(lián)）也在快速發(fā)展。
5G FWA和CPE挑戰(zhàn)和低損耗材料的機(jī)會(huì)
重要的是，5G FWA的實(shí)施需要CPE，包括住宅和企業(yè)設(shè)備，以連接5G接入單元，并在建筑內(nèi)創(chuàng)建高速Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)。CPE與基站的可比性較低，而更類(lèi)似于Wi-Fi中繼器。CPE從5G基站接收5G蜂窩信號(hào)，然后將其轉(zhuǎn)換為Wi-Fi信號(hào)，以使建筑內(nèi)的筆記本電腦等設(shè)備連接到5G網(wǎng)絡(luò)。很明顯，對(duì)于5G和FWA網(wǎng)絡(luò)未來(lái)向家庭和企業(yè)擴(kuò)展CPE不可或缺。
雖然5G FWA聽(tīng)起來(lái)前景可觀，但現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中仍面臨挑戰(zhàn)。最大的挑戰(zhàn)是毫米波5G無(wú)線傳輸面臨的高傳輸損耗降低了其覆蓋面積。此外，毫米波5G信號(hào)容易受雨水和樹(shù)葉等環(huán)境因素的干擾。雖然先進(jìn)天線技術(shù)可以緩解這些問(wèn)題，但實(shí)施成本往往很高，這對(duì)于5G FWA等商業(yè)部署有限的技術(shù)來(lái)說(shuō)并不可取。顯然，毫米波5G固有的高傳輸損耗阻礙了5G FWA的全球安裝和傳播。
2028年5G CPE低損耗材料需求
為了降低5G CPE的傳輸損耗，需要在CPE的PCB和RF組件中廣泛使用低損耗材料。雖然一些sub-6GHz 5G CPE已使用了現(xiàn)有介電材料（如環(huán)氧樹(shù)脂層壓板），但其性能不足以滿(mǎn)足毫米波5G CPE的要求，而要廣泛實(shí)現(xiàn)5G FWA也需要更高的數(shù)據(jù)速度。
現(xiàn)有材料也不太適合RF組件的小型化，而小型化是CPE的必需。這為新興的熱塑性塑料和陶瓷搶占市場(chǎng)份額提供了絕佳的機(jī)會(huì)。
不過(guò)，新興的低損耗材料也面臨挑戰(zhàn)，雖然供應(yīng)商希望使用超低損耗材料來(lái)提高CPE性能，但這些材料也相當(dāng)昂貴。這可能會(huì)使供應(yīng)商在家庭或企業(yè)安裝5G CPE時(shí)遇到麻煩。
盡管如此，三星、諾基亞和華為等眾多主要5G供應(yīng)商都推出了自己的CPE，因?yàn)槲磥?lái)幾年，隨著數(shù)百萬(wàn)潛在的CPE安裝，5G FWA可能會(huì)發(fā)展成為一個(gè)價(jià)值數(shù)千億美元的市場(chǎng)。5G CPE的安裝數(shù)量更接近5G智能手機(jī)，使用的材料更接近小型基站，低損耗材料有望成為主要應(yīng)用。
從5G到6G都需要低損耗材料
推動(dòng)5G和6G低損耗材料市場(chǎng)增長(zhǎng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域是5G CPE。隨著5G頻率的上升，以LCP為代表的低損耗材料及其產(chǎn)品的滲透率將逐漸提升。
6G將可能使用太赫茲（THz）頻段，其傳輸能力可能比5G提升100倍，網(wǎng)絡(luò)延遲也可能從毫秒降到微秒級(jí)。6G通信用的材料品種將異常豐富，包括天線材料、導(dǎo)熱散熱材料、高頻覆銅板基材、電磁屏蔽材料等，低損耗材料也將在相關(guān)領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用。
下載ECAD模型
