真空泵及真空技术在5G产业链中的技术应用
昊青气体装备技术（江苏）有限公司
2020-12-18
随着5G商业的大幕在我国逐渐拉开，作为传统经济向数字经济转型的关键基础设施，5G开始并逐渐传播并渗透到社会的各个领域。5G产业链相当庞杂，包括主设备、零部件、运营商以及下游应用等众多环节。5G的初始投资主要包括无线设备、传输设备、基站设备、小型基站、光通信设备网络规划和实施等。从应用的角度来看，5G应用包括三个主要方向，分别是产业数字化，智能生活和数字化治理。
作为与应用科学紧密结合的现代基础科学，真空泵及真空技术在5G产业链中具有普遍的应用。从5G基站材料和设备的制备过程，到进行网络中光通信设备的真空泄漏检测，再到5G手机、VR/AR设备和无人驾驶汽车的核心组件的制备，都能轻易找到真空泵和真空技术普遍参与和应用的身影。现在，让我们走进5G产业链，共同探索真空泵及真空技术在5G产业链中的应用。
一、5G产业链简介
从硬件的角度来看，5G产业链主要分为两类：5G网络和5G终端。其中5G网络又可分为三个区域，即接入网（包括5G基站及其配套电源、天线、射频设备等），承载网（包括光纤、光缆、光模块、光通信设备等）和核心网（包括服务器以及交换设备等）。
图1 5G网络产业链的三个领域
5G终端则是指5G技术的应用端，包括一系列新的适用于移动互联网和物联网的应用场景，比如3D通信、超高清视频、在线AR / VR、云办公、云游戏，以及 物联网、无人驾驶汽车、工业自动化和电子医疗等等。
二、真空技术在5G接入网的具体应用
2.1 基片隔离器、环形器
我国的5G系统频率使用计划中明确规定，将3300-3400MHz（原则上为室内上限）、3400-3600MHz和4800-5000MHz频段用作5G系统的工作频段；规定5G系统使用以上的工作频段，并且不得对使用相同频段或相邻频段在国内依法开展的射电天文业务和其他无线电业务会造成有害干扰。因此，之前4G基站中使用的基片隔离器和环形器就需要进行技术升级，才能达到5G使用的需求。5G基站中使用的基片隔离器/环形器，目前在两个方面会用到真空镀膜技术，一个方面是在陶瓷表面上制作金属底电极，另一方面是使用真空镀膜技术（例如PLD激光脉冲沉积）制备YIG膜本身。
图2 5G基片隔离器
2.2 陶瓷介质滤波器
随着5G基站逐渐往小型化、轻量化和高集成度的方向发展，基站天线技术也不断升级，对滤波器的需求将大幅度增加。陶瓷介质电滤波器具有低插损、介电强度大、体积小、重量轻、成本低的优点，已逐渐成为5G基站滤波器的市场主流，取代了之前普遍用于4G基站的金属腔体滤波器。目前，陶瓷介质滤波器的金属化解决方案，主要是银浆工艺和真空镀膜工艺。真空镀膜工艺是将干净的多腔微波介质陶瓷基板放置在无污染、零排放的真空镀膜设备中，并使用高能离子PVD技术在陶瓷表面镀制致密的金属银层，以实现陶瓷过滤器金属化的目的。
图3 陶瓷介质滤波器在真空镀银工艺前后的对比
2.3 磷酸铁锂电池
由于5G基站使用更大尺寸的阵列天线，以及更高的带宽，因此单个站点的满载功率将近3800W，这是以往4G基站功耗的3.5倍。若考虑到机房其他设备的能耗，5G基站的能耗将达到5300W。以4小时的备用时间计算，单个基站的备用电源容量将需要21.2KWh。由于5G基站功耗的大幅度增加，使用备用电源削峰填谷以降低电费的成本支出，将成为5G基站的标配功能。磷酸锂铁电池的循环寿命是铅酸电池的4倍，它具有良好的速率性能，支持快速充电，并且温度范围广，更适合与5G基站搭配成为其备用电源。因此，大规模建设5G基站将会增加对磷酸铁锂电池的需求量。在锂电池的制备过程中，需要检查外壳焊接部位的泄漏情况，如果锂电池内部的电解液由于外壳没达到良好的密封而泄漏，不仅会影响设备的使用寿命，还会对操作人员形成危害。因此非常有必要在锂电池的组装和密封（焊接圆柱形及棱柱形单元）过程中进行泄漏测试。还可以选择氦质谱检漏仪或氦气检漏系统，以应对不同生产工艺的需求。
图4 一种磷酸铁锂电池壳体的氦质谱检漏方案
三、真空技术在5G承载网的应用
3.1 光无源器件
不包含光能源的光功能器件的总称，就是光无源器件，它们主要实现诸如光路中的连接、能量衰减、反向隔离、分离或合路、信号调制和滤波之类的功能。
光无源器件对密封的要求非常高，任何的泄漏都将会影响其性能和准确性。光通信行业的漏率标准是小于5×10-9Pa·m³/s，因此需要进行泄漏检测。氦质谱检漏法使用氦气作为示踪气体，可以准确地定位泄漏点，替代了传统的泡沫检漏法和压差检漏法，它已被普遍用于光器件的生产过程中。
图5 等待检漏的光无源器件
3.2 薄膜滤光片（TFF）
光纤通信的一个明显优点，就是可以在一条光纤中同时传输数十个波长，这被称为波分复用（WDM）。WDM传输的基本元件便是光学滤波器，可以通过诸如光纤熔合锥（FBT）、薄膜滤光片（TFF）、阵列波导光栅（AWG）和光学梳状滤波等技术来实现，最常用的两种WDM技术便TFF和AWG。基于薄膜滤光片的设备普遍用于WDM的前传和中传。薄膜滤光片目前主要由等离子束直接溅射镀膜或使用带光控的等离子体辅助电子束蒸发镀膜（IAD）制成。
5G承接网中使用的薄膜滤光片，通过真空镀膜工艺，在滤光片表面交替沉积SiO2和Ti2O5，沉积厚度为分子层数量级，根据需要，沉积层从数层至数百层不等，层数越多，通过的响应谱曲线越接近矩形，滤波器的性能越好。
图6 某种薄膜滤光片结构
四、真空技术在5G终端的应用
4.1 5G手机
5G手机背板的镀膜
5G通讯使用高频信号，能明显屏蔽高频信号的金属手机背板将逐渐退出市场竞争舞台，而逐渐由玻璃背板和陶瓷背板取代。由于不能使用传统的阳极氧化铝合金染色工艺，光学装饰镀膜已成为玻璃染色的优先选择的工艺。在陶瓷底板的制造过程中，磁控溅射镀膜也已逐步成为印制logo、装饰条纹的优先选择的方案。
图7 某品牌手机的极光色玻璃背板
5G手机的电磁屏蔽镀膜
用于5G手机的Massive MIMO天线数量众多，高频、高速的趋势显而易见，这进一步增加了对电磁屏蔽的需求。在通常情况下，5G手机制造商将覆盖膜和电磁屏蔽膜压合在FPC（柔性印刷电路板）上，以解决电磁屏蔽问题的困扰。电磁屏蔽膜是一种电磁屏蔽材料，目前主要被用于FPC及其相关部件，在电磁屏蔽和吸波领域具有可观的应用空间。电磁屏蔽膜需要具有屏蔽效率高、厚度薄、重量轻、抗弯曲、剥离强度高、接地电阻低的特征。5G手机的电磁屏蔽膜主要是通过真空卷绕式磁控溅射的工艺来进行生产的。
图8 FPC上的电磁屏蔽膜
5G手机的OLED显示屏
根据手机面板的背板技术，5G显示器主要分为四类：柔性OLED，刚性OLED，低温多晶硅LTPS-LCD和非晶硅α-Si-LCD。OLED屏幕因其快速的响应速度和节能优势而成为5G手机的核心配件。OLED材料的制备与真空镀膜技术息息相关，其中真空蒸镀则是OLED制造工艺的关键，直接影响OLED屏幕的显示效果。蒸镀机的工作就是将OLED有机发光材料准确、均匀且可控地蒸镀到基板上。同时，OLED有机发光材料的制备也需要在真空泵创造的真空环境中进行。
图9 OLED真空蒸镀示意图
5G手机的摄像头和滤光片
从3G-4G-5G技术演变，每一代通信网络的升级都意味着更高的信息吞吐量。目前，主流的5G手机无一例外地增加了摄像头的数量，单摄像头的像素增强也已成为重要趋势。在这种趋势下，用于手机相机的镜头和红外截止滤光片的数量将会大幅增加，也同时在大大增加了对光学镀膜的需求。
图10 手机摄像头结构
4.2 VR/AR设备
在4G时代，智能手机就已经得到了长足的发展。随着5G时代的到来，人们不禁猜测下一代消费电子终端将会是什么样的一种形态，其中，最受关注的就是VR/AR设备。这两者的核心功能都是新的显示系统，除图像显示设备外，近眼显示（Near-eye Display）光学透镜组则更为关键。AR和VR设备的镜头解决方案不同。目前，AR镜头解决方案主要包括棱镜、自由曲面和光波导，其中平面光波导为主流，基于平面光波导技术方案的光学器件主要通过光学镀膜制造。而VR镜头解决方案，则主要使用菲涅尔透镜，其中真空镀膜技术主要应用于镜片内侧的防雾膜和镜片防反射膜的制备。
图11 VR/AR设备（效果图）
4.3 VR/AR智能家居
5G技术将推动物联网的快速发展，并为智能家居提供通讯基础。目前，国内出现了一系列智能家居产品，例如智能台灯、智能安防系统、智能窗帘、智能温度控制系统、智能音频系统等。不管是智能家居本身的生产过程，还是实现“物物”相互连通的通讯系统，真空技术都是不容忽视的存在。
图12 智能家居示意图
五、发展发展真空技术，助力5G产业
作为新一代的移动通信技术，5G的服务客体已从人与人之间的连接，扩展到人与物、物与物的之间的连接，其应用领域也已从移动互联网扩展到移动物联网，开创了无所不在的万物互联、人机深度交互和智能引领变革的全新旅程，代表着新一代的信息通信技术的发展方向和战略制高点。
作为不断发展的现代基础科学，真空技术已普遍应用于5G行业的各个方面。未来，昊青气体装备将继续巩固其在真空技术方面的优势，以战略性新兴产业为基础，专注于5G、人工智能和物联网等前沿技术，并继续为该技术的发展做出贡献。
昊青气体装备作为一家专业研发和制造永磁变频螺杆真空泵和鼓风机的生产厂家，旗下产品效率更高且稳定节能，享有完备的售后保障服务。如果您想更多地了解昊青永磁变频螺杆真空泵和鼓风机，欢迎留言咨询或拨打昊青气体装备全国24小时免费客服热线：400-068-5898。
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