5G通讯与改性塑料介电常数的关系 – 艾邦高分子

电磁波频率越高,则波长越短。我国的5G初始中频频段为3.3-3.6GHz和4.8-5GHz两个频段,24.75-27.5GHz、37-42.5GHz高频频段正在征集意见;而国际上主要使用28GHz进行试验。这意味着5G通讯采用毫米波波段。电磁波的波长越短,绕射能力就越差,传播过程中的电磁波的衰减也越大,意味着5G通讯的电磁波覆盖能力和传输信号强度相对于4G通讯时代的大幅度下降,材料方面就需要我们调控介电性能以降低此影响。
麦克斯韦方程组是电磁学的基础方程组,也是联系电磁学和材料介电常数的纽带。根据麦克斯韦方程组及其推导,改性塑料电性能对电磁信号传输特性影响表现在四个方面:

  1. 介电常数与电磁信号传输速度ν的关系

式中,ν为电磁信号传输速度, 为介电常数。μ为磁导率。

上式表明,材料的介电常数值越高,电磁信号传输速度越小。

  1. 介电常数与电磁信号延迟Td的关系

式中,Td为信号传输延迟时间,L为信号传输的长度;c为光速。

上式表明,材料的介电常数值越高,电磁信号的延迟越显著。

  1. 传输信号损失与电性能的关系

式中,αD为传输损失; k是常数;f为电磁波频率;c为光速;εr是材料介电常数;tanδ为介电损耗。

上式表明,介电常数值越高,电磁信号的传输损失越高。

  1. 介电常数与天线长度的关系

式中,λ为电磁信号在天线中传输的波长; λ0为电磁信号在真空中的波长。
上式表明,介电常数值越高,电磁信号在天线中传输的波长越高。而根据天线特性,天线长度应与波长λ成正比,大约在λ的1/10~1/4之间。
5G通讯采用毫米波电磁信号,天线的长度也跟着缩短成毫米级,智能终端多采用多个天线阵列以保证信号传输。不过,天线特性要求,多天线阵列要求天线之间的距离保持在半个波长以上。调整和控制天线材料的介电常数εr即可控制智能终端中天线阵列的容量与排列方式。
从上面的分析可知,改性塑料的介电常数对5G通讯毫米波的信号传输速度、信号延迟、信号损失等的影响很大,降低改性塑料的介电常数有利于提高智能终端的信号传输速度、降低信号延迟、减少信号损失。因此,低介电常数改性塑料蓄势待发,研究、设计并制备各行各业适用的低介电常数改性塑料迫在眉睫。
低介电常数改性塑料的六大应用领域:

  1. 5G基站、微基站系统的壳体和包覆、防护材料;
  2. 数据通讯终端、多媒体终端等智能终端的壳体、中框等支撑、包覆、防护材料;
  3. 天线与射频模块包覆、防护材料;
  4. VR、AR等可穿戴设备的外壳、中框等防护、包覆材料;
  5. 智慧生态物联网、车联网中各元素的壳体、框架等支撑、防护材料;
  6. 工业自动化、远程医疗、自动驾驶的仪器与设备的壳体与框架材料。

改性塑料为多成分并经过高温物理化学过程的复合材料,降低其介电常数的途径很多,最常用的例如:

  1. 选择介电常数较低的树脂例如PPO、PS、POK等作为基材或者作为合金成分;
  2. 增强纤维采用低介电常数品种;例如最常用的玻璃纤维的介电常数6-7左右,目前市场已有介电常数为4-5的低介电玻璃纤维出现;
  3. 配方设计时尽量选择低介电常数的助剂,例如增韧剂尽可能采用POE、SEBS等,润滑剂尽可能采用PE蜡、PTFE蜡粉等;
  4. 配方中引入低介电常数填充料,例如云母粉、高岭土等;
  5. 通过添加特殊成分或生产工艺改变材料的微观拓扑结构与形态;
  6. 空气的介电常数近似1,改性塑料中引入纳米或微米级的微孔可以显著降低材料的介电常数。

以低介电常数改性塑料为基础,结合LDS技术、3D打印技术、NMT技术等新工艺技术,改性塑料必将更好更快的支持和响应智慧生态的到来。必须强调的是,5G时代,改性塑料设计人员既要关注改性塑料的力学性能、耐热性和加工性能,又要关注并协调材料的介电性能,才能设计和制备出满足万物互联生态智慧的材料。
材料产业也迎来了5G新时代,在应用端手机、基站、物联网、汽车等硬件载体都将对5G新材料有更多的需求和更高的要求。欢迎长按下方二维码加入艾邦5G材料交流群进行交流,共谋发展进步!

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