真空泵及真空技術(shù)在5G產(chǎn)業(yè)鏈中的技術(shù)應(yīng)用

昊青氣體裝備技術(shù)（江蘇）有限公司

2020-12-18

隨著5G商業(yè)的大幕在我國(guó)逐漸拉開(kāi)，作為傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)向數(shù)字經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，5G開(kāi)始并逐漸傳播并滲透到社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。5G產(chǎn)業(yè)鏈相當(dāng)龐雜，包括主設(shè)備、零部件、運(yùn)營(yíng)商以及下游應(yīng)用等眾多環(huán)節(jié)。5G的初始投資主要包括無(wú)線設(shè)備、傳輸設(shè)備、基站設(shè)備、小型基站、光通信設(shè)備網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和實(shí)施等。從應(yīng)用的角度來(lái)看，5G應(yīng)用包括三個(gè)主要方向，分別是產(chǎn)業(yè)數(shù)字化，智能生活和數(shù)字化治理。

作為與應(yīng)用科學(xué)緊密結(jié)合的現(xiàn)代基礎(chǔ)科學(xué)，真空泵及真空技術(shù)在5G產(chǎn)業(yè)鏈中具有普遍的應(yīng)用。從5G基站材料和設(shè)備的制備過(guò)程，到進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)中光通信設(shè)備的真空泄漏檢測(cè)，再到5G手機(jī)、VR/AR設(shè)備和無(wú)人駕駛汽車的核心組件的制備，都能輕易找到真空泵和真空技術(shù)普遍參與和應(yīng)用的身影。現(xiàn)在，讓我們走進(jìn)5G產(chǎn)業(yè)鏈，共同探索真空泵及真空技術(shù)在5G產(chǎn)業(yè)鏈中的應(yīng)用。

一、5G產(chǎn)業(yè)鏈簡(jiǎn)介

從硬件的角度來(lái)看，5G產(chǎn)業(yè)鏈主要分為兩類：5G網(wǎng)絡(luò)和5G終端。其中5G網(wǎng)絡(luò)又可分為三個(gè)區(qū)域，即接入網(wǎng)（包括5G基站及其配套電源、天線、射頻設(shè)備等），承載網(wǎng)（包括光纖、光纜、光模塊、光通信設(shè)備等）和核心網(wǎng)（包括服務(wù)器以及交換設(shè)備等）。

圖1 5G網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)鏈的三個(gè)領(lǐng)域

5G終端則是指5G技術(shù)的應(yīng)用端，包括一系列新的適用于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景，比如3D通信、超高清視頻、在線AR / VR、云辦公、云游戲，以及物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)人駕駛汽車、工業(yè)自動(dòng)化和電子醫(yī)療等等。

二、真空技術(shù)在5G接入網(wǎng)的具體應(yīng)用

2.1 基片隔離器、環(huán)形器

我國(guó)的5G系統(tǒng)頻率使用計(jì)劃中明確規(guī)定，將3300-3400MHz（原則上為室內(nèi)上限）、3400-3600MHz和4800-5000MHz頻段用作5G系統(tǒng)的工作頻段；規(guī)定5G系統(tǒng)使用以上的工作頻段，并且不得對(duì)使用相同頻段或相鄰頻段在國(guó)內(nèi)依法開(kāi)展的射電天文業(yè)務(wù)和其他無(wú)線電業(yè)務(wù)會(huì)造成有害干擾。因此，之前4G基站中使用的基片隔離器和環(huán)形器就需要進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，才能達(dá)到5G使用的需求。5G基站中使用的基片隔離器/環(huán)形器，目前在兩個(gè)方面會(huì)用到真空鍍膜技術(shù)，一個(gè)方面是在陶瓷表面上制作金屬底電極，另一方面是使用真空鍍膜技術(shù)（例如PLD激光脈沖沉積）制備YIG膜本身。

圖2 5G基片隔離器

2.2 陶瓷介質(zhì)濾波器

隨著5G基站逐漸往小型化、輕量化和高集成度的方向發(fā)展，基站天線技術(shù)也不斷升級(jí)，對(duì)濾波器的需求將大幅度增加。陶瓷介質(zhì)電濾波器具有低插損、介電強(qiáng)度大、體積小、重量輕、成本低的優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為5G基站濾波器的市場(chǎng)主流，取代了之前普遍用于4G基站的金屬腔體濾波器。目前，陶瓷介質(zhì)濾波器的金屬化解決方案，主要是銀漿工藝和真空鍍膜工藝。真空鍍膜工藝是將干凈的多腔微波介質(zhì)陶瓷基板放置在無(wú)污染、零排放的真空鍍膜設(shè)備中，并使用高能離子PVD技術(shù)在陶瓷表面鍍制致密的金屬銀層，以實(shí)現(xiàn)陶瓷過(guò)濾器金屬化的目的。

圖3 陶瓷介質(zhì)濾波器在真空鍍銀工藝前后的對(duì)比

2.3 磷酸鐵鋰電池

由于5G基站使用更大尺寸的陣列天線，以及更高的帶寬，因此單個(gè)站點(diǎn)的滿載功率將近3800W，這是以往4G基站功耗的3.5倍。若考慮到機(jī)房其他設(shè)備的能耗，5G基站的能耗將達(dá)到5300W。以4小時(shí)的備用時(shí)間計(jì)算，單個(gè)基站的備用電源容量將需要21.2KWh。由于5G基站功耗的大幅度增加，使用備用電源削峰填谷以降低電費(fèi)的成本支出，將成為5G基站的標(biāo)配功能。磷酸鋰鐵電池的循環(huán)壽命是鉛酸電池的4倍，它具有良好的速率性能，支持快速充電，并且溫度范圍廣，更適合與5G基站搭配成為其備用電源。因此，大規(guī)模建設(shè)5G基站將會(huì)增加對(duì)磷酸鐵鋰電池的需求量。在鋰電池的制備過(guò)程中，需要檢查外殼焊接部位的泄漏情況，如果鋰電池內(nèi)部的電解液由于外殼沒(méi)達(dá)到良好的密封而泄漏，不僅會(huì)影響設(shè)備的使用壽命，還會(huì)對(duì)操作人員形成危害。因此非常有必要在鋰電池的組裝和密封（焊接圓柱形及棱柱形單元）過(guò)程中進(jìn)行泄漏測(cè)試。還可以選擇氦質(zhì)譜檢漏儀或氦氣檢漏系統(tǒng)，以應(yīng)對(duì)不同生產(chǎn)工藝的需求。

圖4 一種磷酸鐵鋰電池殼體的氦質(zhì)譜檢漏方案

三、真空技術(shù)在5G承載網(wǎng)的應(yīng)用

3.1 光無(wú)源器件

不包含光能源的光功能器件的總稱，就是光無(wú)源器件，它們主要實(shí)現(xiàn)諸如光路中的連接、能量衰減、反向隔離、分離或合路、信號(hào)調(diào)制和濾波之類的功能。

光無(wú)源器件對(duì)密封的要求非常高，任何的泄漏都將會(huì)影響其性能和準(zhǔn)確性。光通信行業(yè)的漏率標(biāo)準(zhǔn)是小于5×10^-9Pa·m3/s，因此需要進(jìn)行泄漏檢測(cè)。氦質(zhì)譜檢漏法使用氦氣作為示蹤氣體，可以準(zhǔn)確地定位泄漏點(diǎn)，替代了傳統(tǒng)的泡沫檢漏法和壓差檢漏法，它已被普遍用于光器件的生產(chǎn)過(guò)程中。

圖5 等待檢漏的光無(wú)源器件

3.2 薄膜濾光片（TFF）

光纖通信的一個(gè)明顯優(yōu)點(diǎn)，就是可以在一條光纖中同時(shí)傳輸數(shù)十個(gè)波長(zhǎng)，這被稱為波分復(fù)用（WDM）。WDM傳輸?shù)幕驹闶枪鈱W(xué)濾波器，可以通過(guò)諸如光纖熔合錐（FBT）、薄膜濾光片（TFF）、陣列波導(dǎo)光柵（AWG）和光學(xué)梳狀濾波等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，最常用的兩種WDM技術(shù)便TFF和AWG?；诒∧V光片的設(shè)備普遍用于WDM的前傳和中傳。薄膜濾光片目前主要由等離子束直接濺射鍍膜或使用帶光控的等離子體輔助電子束蒸發(fā)鍍膜（IAD）制成。

5G承接網(wǎng)中使用的薄膜濾光片，通過(guò)真空鍍膜工藝，在濾光片表面交替沉積SiO2和Ti2O5，沉積厚度為分子層數(shù)量級(jí)，根據(jù)需要，沉積層從數(shù)層至數(shù)百層不等，層數(shù)越多，通過(guò)的響應(yīng)譜曲線越接近矩形，濾波器的性能越好。

圖6 某種薄膜濾光片結(jié)構(gòu)

四、真空技術(shù)在5G終端的應(yīng)用

4.1 5G手機(jī)
5G手機(jī)背板的鍍膜

5G通訊使用高頻信號(hào)，能明顯屏蔽高頻信號(hào)的金屬手機(jī)背板將逐漸退出市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)舞臺(tái)，而逐漸由玻璃背板和陶瓷背板取代。由于不能使用傳統(tǒng)的陽(yáng)極氧化鋁合金染色工藝，光學(xué)裝飾鍍膜已成為玻璃染色的優(yōu)先選擇的工藝。在陶瓷底板的制造過(guò)程中，磁控濺射鍍膜也已逐步成為印制logo、裝飾條紋的優(yōu)先選擇的方案。

圖7 某品牌手機(jī)的極光色玻璃背板

5G手機(jī)的電磁屏蔽鍍膜

用于5G手機(jī)的Massive MIMO天線數(shù)量眾多，高頻、高速的趨勢(shì)顯而易見(jiàn)，這進(jìn)一步增加了對(duì)電磁屏蔽的需求。在通常情況下，5G手機(jī)制造商將覆蓋膜和電磁屏蔽膜壓合在FPC（柔性印刷電路板）上，以解決電磁屏蔽問(wèn)題的困擾。電磁屏蔽膜是一種電磁屏蔽材料，目前主要被用于FPC及其相關(guān)部件，在電磁屏蔽和吸波領(lǐng)域具有可觀的應(yīng)用空間。電磁屏蔽膜需要具有屏蔽效率高、厚度薄、重量輕、抗彎曲、剝離強(qiáng)度高、接地電阻低的特征。5G手機(jī)的電磁屏蔽膜主要是通過(guò)真空卷繞式磁控濺射的工藝來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)的。

圖8 FPC上的電磁屏蔽膜

5G手機(jī)的OLED顯示屏

根據(jù)手機(jī)面板的背板技術(shù)，5G顯示器主要分為四類：柔性O(shè)LED，剛性O(shè)LED，低溫多晶硅LTPS-LCD和非晶硅α-Si-LCD。OLED屏幕因其快速的響應(yīng)速度和節(jié)能優(yōu)勢(shì)而成為5G手機(jī)的核心配件。OLED材料的制備與真空鍍膜技術(shù)息息相關(guān)，其中真空蒸鍍則是OLED制造工藝的關(guān)鍵，直接影響OLED屏幕的顯示效果。蒸鍍機(jī)的工作就是將OLED有機(jī)發(fā)光材料準(zhǔn)確、均勻且可控地蒸鍍到基板上。同時(shí)，OLED有機(jī)發(fā)光材料的制備也需要在真空泵創(chuàng)造的真空環(huán)境中進(jìn)行。

圖9 OLED真空蒸鍍示意圖

5G手機(jī)的攝像頭和濾光片

從3G-4G-5G技術(shù)演變，每一代通信網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)都意味著更高的信息吞吐量。目前，主流的5G手機(jī)無(wú)一例外地增加了攝像頭的數(shù)量，單攝像頭的像素增強(qiáng)也已成為重要趨勢(shì)。在這種趨勢(shì)下，用于手機(jī)相機(jī)的鏡頭和紅外截止濾光片的數(shù)量將會(huì)大幅增加，也同時(shí)在大大增加了對(duì)光學(xué)鍍膜的需求。

圖10 手機(jī)攝像頭結(jié)構(gòu)

4.2 VR/AR設(shè)備

在4G時(shí)代，智能手機(jī)就已經(jīng)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。隨著5G時(shí)代的到來(lái)，人們不禁猜測(cè)下一代消費(fèi)電子終端將會(huì)是什么樣的一種形態(tài)，其中，最受關(guān)注的就是VR/AR設(shè)備。這兩者的核心功能都是新的顯示系統(tǒng)，除圖像顯示設(shè)備外，近眼顯示（Near-eye Display）光學(xué)透鏡組則更為關(guān)鍵。AR和VR設(shè)備的鏡頭解決方案不同。目前，AR鏡頭解決方案主要包括棱鏡、自由曲面和光波導(dǎo)，其中平面光波導(dǎo)為主流，基于平面光波導(dǎo)技術(shù)方案的光學(xué)器件主要通過(guò)光學(xué)鍍膜制造。而VR鏡頭解決方案，則主要使用菲涅爾透鏡，其中真空鍍膜技術(shù)主要應(yīng)用于鏡片內(nèi)側(cè)的防霧膜和鏡片防反射膜的制備。

圖11 VR/AR設(shè)備（效果圖）

4.3 VR/AR智能家居

5G技術(shù)將推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，并為智能家居提供通訊基礎(chǔ)。目前，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了一系列智能家居產(chǎn)品，例如智能臺(tái)燈、智能安防系統(tǒng)、智能窗簾、智能溫度控制系統(tǒng)、智能音頻系統(tǒng)等。不管是智能家居本身的生產(chǎn)過(guò)程，還是實(shí)現(xiàn)“物物”相互連通的通訊系統(tǒng)，真空技術(shù)都是不容忽視的存在。

圖12 智能家居示意圖

五、發(fā)展發(fā)展真空技術(shù)，助力5G產(chǎn)業(yè)

作為新一代的移動(dòng)通信技術(shù)，5G的服務(wù)客體已從人與人之間的連接，擴(kuò)展到人與物、物與物的之間的連接，其應(yīng)用領(lǐng)域也已從移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展到移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)，開(kāi)創(chuàng)了無(wú)所不在的萬(wàn)物互聯(lián)、人機(jī)深度交互和智能引領(lǐng)變革的全新旅程，代表著新一代的信息通信技術(shù)的發(fā)展方向和戰(zhàn)略制高點(diǎn)。

作為不斷發(fā)展的現(xiàn)代基礎(chǔ)科學(xué)，真空技術(shù)已普遍應(yīng)用于5G行業(yè)的各個(gè)方面。未來(lái)，昊青氣體裝備將繼續(xù)鞏固其在真空技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)，以戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)為基礎(chǔ)，專注于5G、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等前沿技術(shù)，并繼續(xù)為該技術(shù)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

昊青氣體裝備作為一家專業(yè)研發(fā)和制造永磁變頻螺桿真空泵和鼓風(fēng)機(jī)的生產(chǎn)廠家，旗下產(chǎn)品效率更高且穩(wěn)定節(jié)能，享有完備的售后保障服務(wù)。如果您想更多地了解昊青永磁變頻螺桿真空泵和鼓風(fēng)機(jī)，歡迎留言咨詢或撥打昊青氣體裝備全國(guó)24小時(shí)免費(fèi)客服熱線：400-068-5898。

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