5G時代來臨，復(fù)合材料將有什么機會？

最近幾年通訊發(fā)展很快，我們短短幾年見證了2G、3G、4G的跨越式發(fā)展。寬帶中國、光纖到戶，見證了銅纜到光纖。而從有線到無線，萬物互聯(lián)，大數(shù)據(jù)，虛擬現(xiàn)實，智能城市，需要更新一代的技術(shù)提供支撐。

2017年5月，全國首批5G試驗網(wǎng)城市確定，分別是：上海市、廣州市、蘇州市、寧波市。據(jù)悉，接下來，中國移動將在上述4個城市開展5G試驗網(wǎng)建設(shè)、進行5G外場測試。這也意味著，5G正從紙張中走向現(xiàn)實。

5G具有速度快，容量大，因此人們都很期待。

通訊技術(shù)分為兩種途徑：有線和無線。有線從銅纜到光纖，速度和容量提升很大。而5G就是著力解決空中傳播，也就是無線部分。中學(xué)我們就知道，信號在空中傳播通過電磁波。小時候用的收音機，從調(diào)幅到調(diào)頻，頻率上又分長波和短波。

無線電波是我們通訊的主要波段，從長波到短波，從低頻到高頻，更高.....手機.中頻~超高頻進行通信，目前主流的4G LTE，屬于超高頻和特高頻，我們國家主要使用超高頻。

隨著1G、2G、3G、4G的發(fā)展，使用的頻率是越來越高的，為什么呢？因為頻率越高，速度越快。因為頻率越高，頻段越寬。

頻段就相當于路的寬度，越寬容納的車子越多，路就越通暢，跑的越快。2017年底，工信部下發(fā)通知：

根據(jù)著名的波速等于頻率乘以波長的公式：

那么：

也就是說5G使用的是毫米波！毫米波比以前4G及以前用的波長長。當年學(xué)物理時，我還是蠻認真的，學(xué)波動力學(xué)，我們知道波有反射、折射、散射，重要的是衍射，波可以繞過物體傳播。但波長越短，繞過物體的能力越差。

毫米波最大的缺點就是穿透力差、衰減大。也就是說，如果5G用高頻段，那么它最大的問題，就是覆蓋能力會大幅減弱?？梢灶A(yù)見的是，未來 5G 移動通信將不再依賴大型基站的布建架構(gòu)，因為大的基站將會有很多死角。這樣大量的小型基站將成為新的趨勢，它可以覆蓋大基站無法觸及的末梢通信。覆蓋同一個區(qū)域，需要的基站數(shù)量將大大超過4G。

根據(jù)天線特性，天線長度應(yīng)與波長成正比，大約在1/10~1/4之間。而5G使用毫米波也就意味著天線可以做到毫米級。毫米級的天線多小啊，也就是說一個基站可以裝多個發(fā)射天線，而一部手機也可以裝多個接受天線。這就是MIMO（Multiple-Input Multiple-Output），意思是多輸入多輸出。

天線也勢必會帶來更多的干擾，如果能有效地控制這些天線，讓它發(fā)出的每個電磁波的空間互相抵消或者增強，就可以形成一個很窄的波束，而不是全向發(fā)射，有限的能量都集中在特定方向上進行傳輸，不僅傳輸距離更遠了，而且還避免了信號的干擾，這種將無線信號（電磁波）按特定方向傳播的技術(shù)叫做波束成形 (beamforming)。這一技術(shù)的優(yōu)勢不僅如此，它可以提升頻譜利用率，通過這一技術(shù)我們可以同時從多個天線發(fā)送更多信息；在大規(guī)模天線基站，我們甚至可以通過信號處理算法來計算出信號的傳輸?shù)淖罴崖窂?，并且最終移動終端的位置。因此，波束成形可以解決毫米波信號被障礙物阻擋以及遠距離衰減的問題。

除此之外， 5G 的還有一大特色--全雙工技術(shù)。全雙工技術(shù)是指設(shè)備的發(fā)射機和接收機占用相同的頻率資源同時進行工作，使得通信兩端在上、下行可以在相同時間使用相同的頻率，突破了現(xiàn)有的頻分雙工（FDD）和時分雙工（TDD）模式，這是通信節(jié)點實現(xiàn)雙向通信的關(guān)鍵之一，也是 5G 所需的高吞吐量和低延遲的關(guān)鍵技術(shù)。

5G具有毫米波、小基站、Massive MIMO、波束成形以及全雙工這五大技術(shù)上，這使5G 具備高性能、低延遲與高容量特性。

前面絮絮叨叨介紹了那么多5G知識，當然好多是抄別人的，不過我又重新演繹了一下，這樣理解起來比較方便（最后一個全雙工沒搞明白）。不過我的目的不是科普5G，而是為了說明5G時代，復(fù)合材料有什么機會。因為新的技術(shù)，需要有新的硬件設(shè)施來支撐。

1、基站外殼

傳統(tǒng)的基站都是又笨又大的鐵塔，當然隨著人們觀念的改變，最近出現(xiàn)許多傻兮兮，奇怪的大樹。

但5G的特點，基站的小型化，就可以實現(xiàn)美觀化、多樣化。

相對于傳統(tǒng)的高大的鐵塔式基站，這些小型的基站可以利用復(fù)合材料制造。這種小型基站的外殼，類似于電器柜，而放置于室外，面臨風吹雨打，光照低溫等耐候性要求。這些要求，SMC、BMC的模壓，甚至LFT的注塑，都可以得到。關(guān)鍵是哪一種材料和工藝可以在滿足要求的情況下可以低成本、快速的實現(xiàn)。

2、天線罩

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output），意思是多輸入多輸出。意味著一個基站內(nèi)可以裝多個天線，而這些天線的尺寸又很小，需要天線罩。天線罩具有良好的電磁波穿透特性，機械性能上能經(jīng)受外部惡劣環(huán)境的作用。室外天線通常置于露天工作，直接受到自然界中暴風雨、冰雪、沙塵以及太陽輻射等侵襲，致使天線精度降低、壽命縮短和工作可靠性差。復(fù)合材料天線外罩能起到絕緣防腐、防雷、抗干擾、經(jīng)久耐用等作用，而且透波效果非常好。

透波復(fù)合材料是由增強纖維和樹脂基體構(gòu)成的，兩者的電性能好才能成型出電性能好的透波材料。通常增強材料的力學(xué)性能和介電特性均優(yōu)于樹脂基體，所以復(fù)合材料的透波性能主要取決于樹脂基體的性能。因此必須選擇具有優(yōu)良電性能的樹脂基體，同時樹脂在復(fù)合材料中也起膠粘劑的作用，是決定復(fù)合材料耐熱性的基本成分。

樹脂基體主要有傳統(tǒng)的不飽和聚酯樹脂(UP)、環(huán)氧樹脂(EP)、改性酚醛樹脂(PF)以及近年來開始研究和應(yīng)用的氰酸酯樹脂(CE)、有機硅樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂(BMI)、聚酰亞胺(P1)、聚四氟乙烯(PTFE)等新型的耐高溫樹脂。

增強體目前大多都采用玻璃纖維，而國內(nèi)透波復(fù)合材料使用的增強材料主要是 E 玻璃纖維和 S 玻璃纖維，M 玻璃纖維使用量較少。Kevlar(芳綸)最初由美國杜邦公司發(fā)明，Spectra1000 在各種頻率下均表現(xiàn)出優(yōu)異的介電性能，且具有的低密度、高強度、高模量和高抗沖擊性能，使其在高性能天線罩的制造中具有極大的吸引力。

3、GFRP/KFRP在光纜中的應(yīng)用

5G分有線和無線，有線部分離不開光纖光纜。

GFRP是玻纖復(fù)合材料，KFRP是芳綸復(fù)合材料，兩種材料都是通過典型的復(fù)合材料工藝——拉擠工作制成連續(xù)的圓柱狀復(fù)合材料，基體樹脂多采用熱固性樹脂如不飽和樹脂、環(huán)氧樹脂等，有報道研究有熱塑性材料做基體樹脂但應(yīng)用不多。

GFRP/KFRP在光纜中經(jīng)常作為加強芯使用。加強芯經(jīng)歷了鋼絲加強芯、GFRP、KFRP三個階段。

GFRP/KFRP加強芯具有以下的優(yōu)點：

• 非金屬材料 對電擊不敏感，適用于多雷電、多雨等氣候環(huán)境地區(qū)；

• 使用FRP加強芯的光纜可緊挨著電源線和電源裝置安裝，不會受電源線或電源裝置產(chǎn)生的感應(yīng)電流干擾；

• 與金屬芯相比，GFRP/KFRP不會產(chǎn)生因金屬與油膏化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體而影響光纖傳輸指標；

• 與金屬芯想比，F(xiàn)RP具有拉伸強度高、重量輕的特點； 5、FRP加強芯光纜防彈、防齒咬、防蟻。

而GFRP/KFRP兩者比較：

• GFRP價格便宜，應(yīng)用性廣。

• KFRP柔韌性好，具有超小的彎曲半徑。特別適合在墻角、踢腳線處安裝。

• KFRP密度更輕，比強度和比模量更高。

• KFRP在安裝使用時折斷的話，因為芳綸的柔韌性，不會刺破護套和光纖。

4、光纖、光纜及其他線纜橋架和溝槽

線纜橋架是用于線纜布線的輔助設(shè)備，由槽式、托盤式或梯級式的直線段、彎通、三通、四通組件以及托臂（臂式支架）、吊架等構(gòu)成具有密接支撐線纜的剛性結(jié)構(gòu)。

5、支架系統(tǒng)

支架是電線電纜在鋪設(shè)時用于托、撐電纜或橋架的固定裝置。

6.通訊塔

高高聳立的通訊塔大都是鋼結(jié)構(gòu)，但腐蝕是個大問題，而復(fù)合材料可以解決這個問題。而且復(fù)合材料比較輕，使用無扣件連接技術(shù)，塔結(jié)構(gòu)的各個獨立部件可以快速組裝，在裝配過程中不需要金屬螺栓，按照方便，還減輕了整個塔體的重量。