5G時代來臨，復合材料將有什么機會？

最近幾年通訊發展很快，我們短短幾年見證了2G、3G、4G的跨越式發展。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，大數據，虛擬現實，智能城市，需要更新一代的技術提供支撐。

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

5G具有速度快，容量大，因此人們都很期待。

通訊技術分為兩種途徑：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，從調幅到調頻，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，工信部下發通知：

根據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。當年學物理時，我還是蠻認真的，學波動力學，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。可以預見的是，未來 5G 移動通信將不再依賴大型基站的布建架構，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。覆蓋同一個區域，需要的基站數量將大大超過4G。

根據天線特性，天線長度應與波長成正比，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叫做波束成形 (beamforming)。這一技術的優勢不僅如此，它可以提升頻譜利用率，通過這一技術我們可以同時從多個天線發送更多信息；在大規模天線基站，我們甚至可以通過信號處理算法來計算出信號的傳輸的最佳路徑，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。全雙工技術是指設備的發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，突破了現有的頻分雙工（FDD）和時分雙工（TDD）模式，這是通信節點實現雙向通信的關鍵之一，也是 5G 所需的高吞吐量和低延遲的關鍵技術。

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，復合材料有什么機會。因為新的技術，需要有新的硬件設施來支撐。

1、基站外殼

傳統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，就可以實現美觀化、多樣化。

相對于傳統的高大的鐵塔式基站，這些小型的基站可以利用復合材料制造。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。

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，機械性能上能經受外部惡劣環境的作用。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。復合材料天線外罩能起到絕緣防腐、防雷、抗干擾、經久耐用等作用，而且透波效果非常好。

透波復合材料是由增強纖維和樹脂基體構成的，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性能和介電特性均優于樹脂基體，所以復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良電性能的樹脂基體，同時樹脂在復合材料中也起膠粘劑的作用，是決定復合材料耐熱性的基本成分。

樹脂基體主要有傳統的不飽和聚酯樹脂(UP)、環氧樹脂(EP)、改性酚醛樹脂(PF)以及近年來開始研究和應用的氰酸酯樹脂(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，而國內透波復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明，Spectra1000 在各種頻率下均表現出優異的介電性能，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在光纜中的應用

5G分有線和無線，有線部分離不開光纖光纜。

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

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

GFRP/KFRP加強芯具有以下的優點：

• 非金屬材料 對電擊不敏感，適用于多雷電、多雨等氣候環境地區；

• 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生的感應電流干擾；

• 與金屬芯相比，GFRP/KFRP不會產生因金屬與油膏化學反應產生的氣體而影響光纖傳輸指標；

• 與金屬芯想比，FRP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）、吊架等構成具有密接支撐線纜的剛性結構。

5、支架系統

支架是電線電纜在鋪設時用于托、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構，但腐蝕是個大問題，而復合材料可以解決這個問題。而且復合材料比較輕，使用無扣件連接技術，塔結構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。