5G時代,塑料天線振子開始流行

2021-01-20 深圳市興榮精密機械有限公司

2019年5G基站建設如火如荼，不管是中國，美國，還是韓國，以及中東地區，各個地方上的速度都很快。

           

為滿足5G網絡容量的要求，傳統的MIMO技術將升級為MassiveMIMO，助力提升頻譜利用率和降低幹擾。5GMassiveMIMO技術下的天線數量將呈幾何級數增加，達到64/128/256個，驅動單基站天線數量劇增。 天線振子是天線的核心部件。天線振子作為天線的主要組成部分，主要負責將信號放大和控制信號輻射方向，同樣可以使天線接收到的電磁信號更強。


根據天線的形態，天線振子形態也包括多種多樣，有杆狀、面狀等；根據加工工藝，主要有鈑金、PCB、塑料等。傳統4G天線振子多以金屬鈑金為主，組裝更多的靠人工，效率低下。高精度、低重量和低成本的5G塑膠天線振子有望逐漸成為市場主流。這其中離不開聚苯硫醚PPS的功勞。


一般的5G基站，背面採用壓鑄的鋁合金，對著用戶的一面是塑膠天線罩，通常可以採用PP+玻纖改性的材料。基站內部，靠外面的是天線振子，然後連接連接器、濾波器，然後到收發模塊，最後是線路板。天線振子採用40%玻纖增強改性PPS，嵌件注塑後，雷射粗化，然後化學鍍，形成電路。其中選擇性電鍍雷射工藝適用於較大型的設備，包括宏基站天線。



相比金屬，PPS的重量輕，同時有利於天饋一體化，採用注塑的工藝，然後金屬化，生產效率高，人工成本低。

這裡的PPS注塑後金屬化和傳統改性材料LDS工藝技術有點類似，稍微不同的是，改性塑料裡面不添加LDS的助劑。採用特殊工藝活化以後，然後化學鍍。這種三維表面金屬化工藝可在大部分的非金屬的普通材料上實現立體線路，可實現在650*650*650mm尺寸範圍內（如1×6、1×12等）的多種塑膠振子的量產，產能可以迅速擴充。


5G塑膠天線振子的量產方案中，塑膠供應商有：塞拉尼斯、帝斯曼、SABIC、同益等。PPS預計每個基站可以用到2KG（含水口），也就是說每一百萬個基站大約需要2000噸，材料的成本大概需要2億元。不過材料的附加值不是最高的，做成天線振子的產值起碼是塑料的材料的5倍，每1百萬個基站，天線振子的產值至少10億元。

一、什麼是天線振子


所謂的天線振子，Antenna Raditation Units（radiators）簡單解釋就是發射和接收高頻振蕩信號的一段金屬導體。振子有半波振子和全波振子。八木天線的振子是全波振子，一般單根拉杆天線是半波振子。振子的尺寸要和接收或發射的頻率波長尺寸對應才能達到最大效果。一般用二分之一或四分之一波長設計天線。下圖是4G天線陣子，而5G的，會更加小。


圖 4G天線陣子示意圖，圖片來源網絡


二、5G天線振子材料的選擇


目前振子的材料均為金屬，使用金屬製造的振子目前面臨的主要問題是造價昂貴且重量過大，對天線的重量控制帶來了很大的難度。而使用塑料材料作為天線主材不但可大幅度的降低了重量且很好的控制了振子的成本。


傳統的天線振子實際上就是天線，使用的材料是金屬或PC板。金屬的好處是簡單、便宜，缺點是重量重、體積大；PC板加工容易，但人工成本高，效率低。


在新的天線振子的設計中，有兩個方案。一是LDS材料與金屬材料相結合。用LDS材料做天線振子，背面採用金屬材料降低成本，不需要所有的地方做化學鍍。二是用PPS或者LCP做電鍍。據說5G設計師8*8、8*12、8*16個振子設計，所以需要SMT回流焊，因此選擇的基本上都是高溫工程塑料。


圖 3D塑料振子方案的分類圖解，圖片來自中國報告網


現在有些廠商採用PPS，後期可能會用LCP，LCP的介電損耗更低，PPS的介電損耗在2.5GHz下，差不多是4‰。


振子用LCP材質的原因：在實際的頻率下，LCP的介電損耗1.5‰，在2.5GHz的情況下可能會更低。


高溫尼龍的後期吸水性影響介電性能。天線振子一般是屋外使用，環境比較苛刻，測試時會做耐黴菌測試，高溫尼龍吸水性大，黴菌易滋生。還有線膨脹係數（CPE）的考慮，因為要電鍍，要做線路在天線振子上，線膨脹係數要和金屬的線膨脹係數接近，如線膨脹係數過大，會導致電路斷掉。


在-40℃到-130℃溫度的要求下，CPE要控制在20以內。這樣可以選擇的材料就不多了，PPS是一個選擇，但PPS的損耗沒辦法降到那麼低，通常是4‰，如果可以再降低，PPS將會是一個比較好的選擇。因為PPS的產品結構比較複雜，容易起毛邊，後續消毛邊的工序就很麻煩。現在做振子，削毛邊的工序就佔了很多的時間。


在價格上考慮，LCP的價格是比較高的，是PPS的一倍。這種特殊的LCP不是所有的LCP企業都有的。



PPA

LCP

PPS

價格

價格較LCP便宜

價格較高，是PPS的一倍

價格較LCP便宜

吸水性

吸水性大，黴菌易滋生

低吸溼性

吸水性低，電絕緣性優良

介電損耗

1GHz情況下，介電損耗為PPS的6倍

介電損耗為1.5‰，2.5GHz情況下更低

介電損耗低，2.5GHz情況下為4‰

耐高低溫

耐高溫

耐熱耐燃性能良好

耐高溫

線膨脹係數

比LCP、PPS高

線性膨脹係數極小

線膨脹係數低

加工難易

易加工

易加工

易起毛邊，處理耗時長


以下5G天線產品，由東莞正為精密塑膠有限公司提供圖片

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