综述：5G毫米波系统中的衬底技术进展与设计挑战 阿里·哈马德·阿里（Ali Hamad Ali）、 西蒂·马万吉·穆罕默德·马哈鲁姆（Siti Marwangi Mohamad Maharum） 以及 祖哈尼斯·曼索尔（Zuhanis Mansor）

《Electronics》：Advancements in Substrate Technologies and Design Challenges for 5G mmWave Systems Ali Hamad Ali, Siti Marwangi Mohamad Maharum and Zuhanis Mansor

　　摘要：基板已成为制造轻量化电子组件的关键材料，尤其是在支持先进通信技术方面。这一进展得益于新型基板材料和尖端制造技术的不断进步，推动了高频器件设计的极限。本文探讨了5G毫米波基板技术面临的挑战与突破，重点关注材料、器件制造和集成方法方面的最新发展，这些发展提升了性能，并深入分析了毫米波技术的重要性。文章还强调了研究人员和学者在基板设计中需要关注的关键问题，以加速天线工程和集成电路技术等领域基板设计的发明与商业化进程，同时解决了可扩展性、柔性基板的热影响以及基于人工智能的RSSI感知波束成形及其影响等关键问题。由于高频下的材料损耗和基板制造限制日益严重，本文还详细分析了与毫米波传播和高频器件制造设计相关的问题。本文旨在通过采用先进策略和材料来优化天线和系统的可靠性，并指出现有需求，以增强5G毫米波基础设施和服务。

1. 引言
第五代（5G）技术的到来为提供超快数据传输速率、极低延迟以及显著提高的频谱效率带来了巨大潜力，这是通过首次在移动通信基础设施中使用毫米波（mmWave）频谱实现的[1]。多项研究[2]认为毫米波频谱是5G服务的重要候选者。在毫米波频段，系统受到基板材料电磁特性的极大影响；因此，准确了解这些特性对于设计和实现最先进、最稳健的系统至关重要。毫米波通信的独特特性带来了一系列阻碍，这些阻碍涉及集成电路和整体系统架构、干扰控制、空间重用、遮挡补偿以及自适应系统监控[3,4]。

基板可以是纹理化的，也可以是均匀平整的，它们作为后续铺设导电层的基础平台[5]。基板材料的选择不仅是制造细节，从根本上影响着器件的运行和最终性能[5]。例如，[6]中的作者在天线设计中使用了Rogers基板，并观察到明显的性能变化，他们将这种变化与基板的介电常数和其他毫米波参数相关联，这一发现后来在[7]中得到了验证。在选择基板时，工程师需要权衡多种标准：电气损耗、加工精度、制造速度和机械耐用性[8]。因此，基板设计必须满足预期的性能指标，同时还要能够承受其上层功能层施加的化学、热和机械应力[9,10]。

文献中已发表了大量关于毫米波的研究[11]。这些研究探讨了与传播行为、应用、毫米波技术以及设计考虑因素（包括环境条件、使用场景和操作频率）相关的问题[4,11,12]。然而，它们并未对5G毫米波基板设计进行全面分析[13]。尽管在5G毫米波系统的材料和电路技术方面取得了显著进展，但文献中仍有一些关键挑战尚未得到充分解决[3,12,14]。一个主要问题是60 GHz以上频率缺乏标准化的介电特性评估方法，测量不确定性、固定装置寄生效应和频率色散使得介电常数和损耗正切的准确提取变得复杂[15,16,17]。此外，新兴基板（特别是基于聚合物和复合材料的基板）在热循环、湿度和机械应力下的长期可靠性尚未完全了解，这引发了对其在实际应用中性能稳定性的担忧[7,18,19]。另一个未解决的问题是可大规模生产的低损耗混合材料的可制造性问题，这些材料需要同时满足电气性能、机械强度和成本要求[20,21,22]。这些挑战突显了对毫米波系统基板技术和设计方法进行全面评估的必要性。

因此，本文旨在系统地回顾5G毫米波基板的最新进展、挑战和测量方面的问题，分析材料和制造之间的权衡，并确定研究重点，以支持开发可靠、可制造且高性能的5G毫米波应用基板，针对最新的技术发展并分析未来研究的潜在方向。具体而言，我们关注以下方面：
- 毫米波通信的最新发展和研究贡献；
- 5G应用的毫米波基板设计挑战和测量方法；
- 低介电常数和低损耗正切材料的需求；
- 制造方法和实现稳健、高性能毫米波器件的关键设计考虑因素；
- 新兴技术，包括MIMO、基于人工智能的RSSI感知波束成形及其影响，以及与其相关的安全问题；
- 加速5G毫米波基板创新的重大近期研究；
- 未来研究方向和毫米波基板开发中的差距。

本文的其余部分结构如下：第2节提供了审查方法；第3节及其子节概述了毫米波频率及其重要性；第4节讨论了毫米波基板的挑战；第5节讨论了毫米波基板的制造技术；第6节讨论了毫米波基板的热管理；第7节提供了基板电气性能的概述；第8节描述了基板的机械稳定性；第9节涵盖了各种混合毫米波基板材料；第10节讨论了基于人工智能的RSSI感知波束成形及其对基板设计的影响；最后，第11节和第12节分别为未来研究指明了方向。

2. 审查方法
本回顾采用系统的方法来识别、评估和分析与5G毫米波天线和基板设计相关的最新研究。过程包括文献搜索、筛选、数据提取和标准化，以确保纳入高质量和相关的研究成果。

2.1. 文献搜索和数据库
文献搜索在多个知名的科学数据库中进行，包括IEEE Explore、Science Direct、Springer Link、Scopus和MDPI。同时使用Google Scholar进行了补充搜索，以捕获上述数据库中未收录的相关文献。搜索策略结合了关键词，如“毫米波天线设计”、“5G基板材料”、“基于石墨烯的天线”、“SIW技术”、“MIMO”、“基于人工智能的RSSI感知波束成形”和“高频介电特性”。

2.2. 发表时间范围
为确保与当前技术进展的相关性，发表时间范围严格限定在2018年至2026年之间，涵盖了5G和毫米波技术的快速发展时期。只有那些提供关于基板行为或设计原则基础信息的较早但被广泛引用的基准研究也被纳入考虑。

2.3. 纳入和排除标准
纳入标准侧重于同行评审的期刊文章和会议论文，这些研究和论文展示了24 GHz以上（毫米波范围）的实验或模拟天线/基板性能，强调基板材料属性（介电常数、损耗正切和热稳定性）的研究，以及描述实际5G应用（如MIMO、SIW、基于人工智能的RSSI感知波束成形或基于石墨烯的天线）的工作。排除标准包括非英文出版物、缺乏定量性能数据的文章、专利，以及与低频天线和/或基板无关的研究（<10 GHz）。

2.4. 数据提取和标准化
从每篇论文中提取的关键信息包括基板类型、介电常数（εr）、损耗正切（tan δ）、操作频率、带宽、增益和辐射效率。数据被标准化为一致的单位（GHz、dBi等），并根据天线类型和应用频段进行分类。必要时，结果会在多个来源之间交叉验证以确保准确性。标准化的数据集被制成表格，以便比较分析基板的性能，并突出显示在毫米波和5G应用中表现出优异效率、稳定性的材料。图1总结了审查过程。

3. 5G毫米波频率及其重要性
毫米波频率范围为30 GHz至300 GHz，对应波长在1至10 mm之间[12,23]；见表1。从早期蜂窝系统到5G毫米波的移动通信世代演进中，强调了关键的技术转变，如操作频率的增加、波束成形的采用、更高的带宽需求和密集化趋势。如图2所示，移动通信系统向毫米波操作的演进引入了新的性能要求，这些要求直接影响基板材料的选择和天线设计。图2还详细说明了移动通信世代中的关键技术，包括相控阵的集成、射频前端模块和高频互连。此外，图2强调了系统演进与物理层约束之间的关系，包括介电损耗、热管理和与毫米波基板设计相关的制造考虑因素，这些内容在本文第4节和第6节中也有讨论。

表1. 毫米波频率段[13]。
图2. 移动通信世代。在5G背景下，毫米波通常指24 GHz至100 GHz的频率段[24,25]。这些频率提供了非常高的带宽和支持异常快速的数据传输速率。然而，这些频率的信号更容易受到建筑物、植被和降雨的干扰，并且由于波长较短而更容易受到恶劣天气的影响[1]。毫米波频段由于其能够实现接近10 Gbps的数据传输速率、提供丰富的带宽、支持窄波束成形、确保高传输质量和强大的检测能力而受到广泛的研究关注[23]。

图3中的5G频谱分为三个层次，平衡了物理定律和现代数据的需求：低频段（<1 GHz）作为基础覆盖层，利用长波长实现深度室内覆盖和广泛的地理覆盖；中频段（1–6 GHz，常称为“sub-6 GHz黄金地带”，网络在此实现了可靠的信号传播和显著增加的数据容量之间的最佳平衡；高频段或毫米波频谱（>24 GHz）则提供了超高速、多Gbps的吞吐量和近乎即时的延迟；然而，由于这些高频信号存在极端的路径损耗和大气吸收[1]，部署复杂的基于人工智能的波束成形成为精确聚焦能量到用户端的绝对必要条件[26,27]。

近年来，由于毫米波频段的独特特性和广泛的应用前景，学术界和研究人员对其给予了越来越多的关注[4,12,28]（见图4）。

3.1. 5G毫米波
目前，数十亿无线设备在全球范围内进行语音和数据通信，导致数据流量显著增加[29]。为此，5G毫米波技术应运而生，具备先进的功能和增强的服务[30]。由于全球带宽短缺，无线运营商转向了毫米波频段——这一在宽带通信中未被充分利用的频段，特别是24 GHz至100 GHz的频段，现在被设计用于5G[35]。目前，文献中有大量研究致力于室外和室内环境中的毫米波传播[11,28,31,32]，尤其是在人口密集区域[29]。5G毫米波频段目前使用较少；其信号传输的数据量比低频波更多，并且可以与MIMO天线集成，从而可能比现有通信系统提供更大的容量[33]。

3.2. 毫米波技术的进步
最近无线通信的进步得益于毫米波技术的出现，它使得现代电子系统具有更高的处理速度和更高的集成密度[1]。如图6所示，毫米波正在被应用于当前和新兴的各种应用中，例如IEEE 802.11ad WiGig、卫星通信、汽车雷达和机场安全扫描仪[4,34]。在过去几年中，开展了大量研究，旨在开发满足5G系统性能要求的毫米波天线技术。多项研究提出了不同的设计方案，旨在实现紧凑性、宽带宽、高增益和MIMO兼容性。例如，参考文献[35]在图7中报道了一种28 GHz的MIMO天线，该天线采用机器学习（ML）方法实现了10.34 dBi的增益和超过26 dB的隔离度，而参考文献[36]的作者则提出了一种适用于5G移动终端的八端口槽阵列，如图8所示。图7：(A) 所提出的天线设计的一般布局：(1) 单个元件，(2) 天线阵列，以及(3) 所提出的MIMO配置[35]；(B) 在无回声室中进行的辐射模式测量；(C) 反射系数结果；(D) 每个设计阶段的增益和效率；(E) 所提出的MIMO天线的反射系数(S11)[35]。图8：(A) 制作的智能手机天线PCB，显示(a) 顶视图，(b) 底视图，以及(c) 连接到电缆和负载的原型；(B) 制作天线元件的(S-参数)和辐射模式的测量设置[36]；(C) 天线元件的效率结果；(D) 所提出的智能手机MIMO天线的测量S-参数结果[36]。像[35]这样的研究为开发具有可重构波束成形、圆极化和低互耦合的高定向度低剖面天线做出了贡献，从而增强了其在密集和便携设备中的集成能力。参考文献[37]的作者对材料进行了研究，识别出适用于高达115 GHz的毫米波范围的低损耗基板，而参考文献[38]的作者提出了一种用于26 GHz的紧凑型基于超材料的天线。此外，参考文献[39]开发了一种在28 GHz下具有双波束支持和高效率的方形环形印刷天线；见图9。图9：所提出的天线阵列的配置：(A) 正视图和(B) 后视图；制造的阵列原型：(C) 正视图和(D) 后视图；(E) 仿真与测量结果的对比；(F) 所提阵列的关键性能指标[39]。参考文献[31]中的定向角天线增强了Ka波段应用的波束成形能力和馈电网络。参考文献[40]的工作介绍了一种使用多层PCB技术的差分馈电宽带天线阵列，专为基站优化。参考文献[1]的研究提出了一种基于石墨烯的液体天线，能够在多个28 GHz频率上重新配置波束。另外，参考文献[41]展示了5G如何支持智能电网中电力物联网和网络物理系统的集成。此外，参考文献[42]开发了一种基于RSIW的对偶维瓦迪天线，具有增强的带宽、增益和低信号损耗，提高了5G和雷达系统的性能。同样，参考文献[43]设计了一种50 μm聚酰亚胺芯片SIW天线，实现了紧凑的尺寸、低介质损耗和高效率，适用于毫米波和物联网应用。这些创新共同推进了下一代毫米波技术的紧凑、高效和宽带解决方案；它们还共同解决了毫米波传播中的关键挑战，为下一代5G通信系统提供了可扩展和高性能的天线解决方案，如表2所示，其中使用1-5刻度的成本指数（CI）根据材料价格、制造复杂性和可用性等加权因素比较了毫米波设备的成本，提供了一种透明且一致的方法来将成本分类为低、中等或高，而不依赖于变化的市场价格。表2：毫米波天线先进技术的比较分析。

3.3. 基板对毫米波性能的影响
基板为电路在毫米波频率下有效运行提供了必要的物理环境和结构支持。对于毫米波而言，基板是支持信号传播、热耗散、机械可靠性、组件集成和环境稳定性的关键元素，同时也与制造工艺兼容[49]。基板技术对于30-300 GHz毫米波通信系统的实现也至关重要[50]。基板设计通常涉及结合不同特性的材料，以实现良好的高频电气性能和良好的机械及环境稳定性[50]。基板在毫米波技术中的作用如图10所示。

3.4. 5G毫米波系统中常用的基板类型
对于5G毫米波频率，基板的选择对辐射效率、阻抗稳定性和热性能有重大影响。在实际的5G天线实现中，由于其良好的介电损耗和可制造性，通常采用低损耗层压板和LCP基混合材料，而陶瓷则提供了更高的热稳定性和尺寸稳定性，适用于高可靠性系统[20,51,52,53]。传统的有机基板如FR-4表现出过高的介电损耗，通常不适合高效毫米波辐射器[54]。表3中对毫米波应用的典型基板类型进行了比较，突出了在选择毫米波系统基板时电气性能、热管理和成本之间的权衡。层压板和混合材料为5G应用提供了实用的平衡，而陶瓷在高功率或高可靠性环境中更受青睐，有机基板则适用于成本敏感的设计。表3：毫米波应用的典型基板类型比较。为了加强定量评估，表3中加入了常见毫米波基板类别和工作频段（28、39和60 GHz）的介电常数、损耗正切和热导率的标准值范围，并与提供的比较分析相结合。这些范围与近期关于低损耗层压板、陶瓷、玻璃基板和用于相控阵和高频互连的混合材料的测量结果一致[17,20,22,51,52,53,55,56,57]。包含频率依赖性特性范围使得材料权衡的评估更加清晰，并支持对高效率天线系统的基板适用性进行更严格的评估，同时也加强了表3中呈现的成本-性能关系。表4提供了跨不同基板类别的交叉参考基板分类，以确保与表3的一致性，并为评估不同基板的介电和热性能提供了频率依赖性的基准。根据表4中的数据，层压板提供了适合宽带天线的低介电常数[17,51,58,59,60]，而陶瓷则提供了更好的热性能和尺寸稳定性，这表明在毫米波系统设计中必须考虑固有的权衡[53,55,61,62,63]，因为在毫米波频率（28-60 GHz）下，由于极化松弛和偶极损耗机制的增加，介电色散变得更加明显，导致有效介电常数的变化略微增加，损耗正切随频率的增加而可测量地升高[64]。例如PTFE基层压板在这一频率范围内表现出相对稳定的εr[17,19,51,65]，而有机基板和一些混合系统由于分子极化效应表现出更强的频率依赖性[64]。这一趋势强调了在为宽带5G应用设计天线基板时进行频率特定特性的重要性。

3.4.1. 层压板基板
层压板在毫米波中至关重要，因为它们的介电特性在电路和子系统设计布局中至关重要[67]。然而，这种类型的基板存在成本效率问题，材料和制造过程都有负面权衡[50]。使用不同的技术对这些材料进行了全频谱测量，范围从低频到极高频率，为设计高达THz频率的工程师提供了有价值的数据[67]。用于制造的两种典型层压板基板是FR-4和Duroid。Duroid的特性，如高效均匀传输高频信号和几乎可忽略的信号损耗，以及轻微的热问题（与高频基板中的热量产生、温度上升和性能退化相关的热管理挑战），使其成为新一代通信设备的理想候选材料。参考文献[68]介绍了一种使用混合理论的低损耗、低介电常数层压板基板的设计策略，适用于微波和毫米波频率系统。

3.4.2. 陶瓷基板
陶瓷是非常具有吸引力的低损耗毫米波频率基板，由于其吸引人的特性而越来越多地被使用。例如，Alumina Ribbon Ceramic（ARC）已被报道用于5G毫米波贴片天线，具有低损耗和小巧的设计，适用于移动通信[69]。参考文献[70]介绍了作为一种毫米波应用介电基板的新型超低温共烧玻璃陶瓷复合材料的介电特性。陶瓷基板的优点包括稳定性、低信号损耗、精确的线宽、高热导率以及耐热和耐冷性能。通常，它们被分为薄膜型、厚膜型、低温共烧和高温共烧陶瓷[50]。

3.4.3. 基于有机材料的基板
有机基板基本上是由有机基复合层形成的层压板[66]。另一方面，它们显示出良好的电气性能和低成本的制造工艺，但在尺寸精度和表面粗糙度方面被认为是巨大的挑战[8]。液晶聚合物（LCP）是毫米波下具有优异特性的著名有机层压板示例[18]。例如，LCP材料的介电常数在140-220 GHz范围内为2.0-4.5，有些还具有非色散性能[71]。例如，参考文献[72]设计了一种基于LCP基板的5G和毫米波物联网应用的共形超宽带MIMO天线。环烯烃聚合物（COPs）和聚合物-陶瓷复合材料也是其他有机基板[66]。同样，参考文献[73]提出了一种创新的多核PCB和有机基板方法，用于实现28 GHz和39 GHz的宽带双极化天线，适用于5G毫米波通信。

3.4.4. 其他材料基板
在毫米波频率下，可以使用薄膜基板如玻璃或蓝宝石、混合复合材料和柔性基板[50]。主要由非晶硅（SiO2）组成的玻璃具有低损耗正切和低热膨胀系数（CTE），使其成为高频应用的合适基板。蓝宝石是一种单晶形式的Al2O3，具有六方晶体结构，与氧化铝类似的优势，但在许多情况下具有更好的表面平滑度，因此是理想的选择。图12展示了适用于毫米波通信的主要基板类别。

3.5. 毫米波基板的关键特性和要求
选择毫米波应用的基板目前是学术界和研究人员面临的主要挑战之一。例如，参考文献[6]的作者广泛研究了不同基板介电材料如何影响宽带磁电偶极（MED）相控阵天线的性能，使用了四种商业上可获得的基板用于毫米波应用。他们的研究提供了关于介电特性如何影响基板性能的基础见解，为选择适合5G毫米波系统的介电基板提供了宝贵的参考。为了实现设备间的高速数据传输并减少误差，应优先考虑使用低介电常数（εr）和损耗因子（tan δ）的材料。最近提出了许多低εr和tan δ的材料，例如改性聚酰亚胺（MPI）、环氧树脂、聚苯醚（PPE）和聚苯并噁唑（PBO）。然而，上述材料的介电特性和 moisture stability 对于高速应用来说还不够理想[56]。因此，实现高频下的高信号完整性和低传输延迟促使学术界和研究工作致力于开发具有低εr和tan δ的层间介电材料[19]。同样，为了有效构建毫米波系统，基板材料应具有低εr[20]，因为较低的εr可以减少电容，从而最小化电容耦合引起的串扰[20]。它还促进了信号通过基板的更快传输，实现了更高的数据速率和更低的延迟[37]。此外，低tan δ确保了无源组件中的信号衰减最小，并支持高效的天线性能[32]。这些低损耗介电材料允许在第一重布线层（RDL）中集成高质量的片外元件，如电感器、滤波器和谐振器[74]。此外，低tan δ值减少了毫米波频率下的固有高衰减，使得设备内部的信号传输变得可以接受[37]。这些低损耗电介质有助于将高质量的非芯片组件（如电感器、滤波器和谐振器）集成到第一重分布层（RDL）中。此外，通过降低tan δ值，还可以抑制毫米波频率下的自然高衰减，以确保设备中的信号传输足够畅通。

3.5.1 介电常数
介电常数（εr），通常称为相对介电常数，描述了材料在原子层面对应电场的响应，对于离散基板而言，其值通常在3-4之间[50]。随着研究的深入，εr在材料性能中的作用也在逐渐增加[50]。介电常数较低的材料能够实现更快的信号传播和更低的衰减[50]。因此，为了实现高效的毫米波操作，基板在整个体积内应具有均匀的介电特性[50]。多项研究探讨了εr对5G毫米波应用中设备性能的影响[75]。文献[76]的研究调查了基板εr和厚度对38 GHz矩形微带天线性能的影响。同样，文献[77]分析了不同介电基板上28 GHz微带贴片天线的性能。此外，文献[37]对用于选择5G毫米波候选材料的电介质进行了全面表征。

3.5.2 损耗正切（耗散因子）
损耗正切（tan δ）或耗散因子用于量化基板材料中的介电损耗，它是除了εr之外的另一个重要因素[50]。降低tan δ有助于减少传输线中的衰减，从而获得更好的信号性能[50]。此外，介电材料的品质因数是tan δ的倒数，反映了其在高频下的效率[50]。文献[78]研究了tan δ和导电表面粗糙度对5G毫米波频率下传输线损耗的影响，结果表明在薄基板上导体损耗占主导地位，并指出了低粗糙度铜箔的优势。对多种材料（5-115 GHz）的介电特性进行全面表征后发现，εr和tan δ大致保持恒定，且随频率线性增长[37]。有许多研究关注了介电材料中tan δ对5G毫米波应用的影响及改进措施。例如，文献[65]研究了介电特性对5G平面分支线耦合器性能的影响。文献[21]报道了一种在10 GHz下使用的新型低损耗电介质材料，因为这一频率在材料数据表和标准化测量技术中广泛使用，便于不同基板技术之间的比较。此外，εr和tan δ都表现出频率依赖性；总体材料趋势仍能指示其在更高频率下的性能。在毫米波频率下，由于偶极松弛、表面粗糙度效应以及导体损耗增加，介电损耗通常会增加。因此，从10 GHz数据外推时应谨慎对待，精确的毫米波设计需要针对预期工作频率进行表征或使用频率依赖模型。文献[79]开发了一种低tan δ的粘合剂，以减少毫米波基板中的传输损耗。文献[80]报道了一种新的电介质材料，在39 GHz下的tan δ小于0.003，适用于5G毫米波射频模块。

3.5.3 电导率
电导率（σ）是电阻率的倒数，是由材料原子结构中的自由电子决定的[50]。在基板设计中，尤其是金属层中，电导率是非常重要的，同时也显著影响半导体行为[50]。已有大量研究致力于5G毫米波基板的σ测量。文献[81]开发了一种基于平衡型圆盘谐振器（BCDR）的宽带测量方法，用于评估20 GHz至100 GHz范围内的σ和εr。他们的研究发现，随着温度和频率的升高，基板的tan δ会增加，而σ会降低。文献[78]分析了不同传输线的损耗特性，发现导体损耗在薄基板中占主导地位，低粗糙度铜箔能有效减少损耗。文献[82]测量了用于5G频段可穿戴天线的基板的电参数，包括σ。文献[83]介绍了一种适用于5G射频模块的低损耗电介质材料，在毫米波频率范围内表现出优越的电可靠性及滤波性能。

3.5.4 皮肤深度（穿透深度）
皮肤深度是一个频率依赖性属性，对基板中的金属化选择具有显著影响。它指的是在高频率下，射频电流主要局限于导体表面层，而不是流经其整个截面[50]。文献[84]提出了一种基于Ni沉积的电磁波（EM）吸收器设计方案，该方案形成周期性亚皮肤深度图案，在结构上产生电阻性（而非反射性）特性，从而增强了对EM波的吸收。

3.5.5 热性能
热性能对毫米波基板的设计至关重要，因为热密度随频率增加而增加。重要的热性能指标包括热导率（材料导热能力，例如在富含自由电子的材料中（如钻石、TPG和CNTs））和热膨胀系数（CTE）[50]。为了抑制热失配，应设计具有低CTE或使用兼容组件的基板。对于高频应用，推荐使用层压板和TPG等材料[50]。最近的研究详细探讨了毫米波基板的热性能，重点是其在不同热环境下的可靠性和导电能力。文献[52]表明，混合基板在毫米波模块的热可靠性方面优于FR-4基板。另一篇文献[85]展示了β-Si3N4作为出色的散热材料，具有良好的热导率和电磁通信所需的介电性能。文献[86]还研究了损耗正切和电导率对微带线路随温度和频率变化的影响。此外，文献[68]设计了一种低损耗、低介电常数的电介质基板，基于Maxwell Garnett混合理论，在高频应用中表现出优异的电性能。

3.5.6 电介质击穿（绝缘失效）
电介质击穿是基板材料的一个关键性能，定义为绝缘材料在过高的电场强度下开始导电的电压阈值。当超过这一阈值时，电流会通过电介质，使其绝缘能力受损[50]。在毫米波5G系统中，文献[6]研究了电介质基板对磁电偶极子相控阵天线性能的影响，而文献[67,76]则对常见基板的介电行为进行了表征，以评估其适用于高频应用的潜力。

3.5.7 可靠性和机械应力因素
电子系统的可靠性通常指其能够长期稳定运行而不发生故障[50]。对于基板而言，可靠性具体体现在材料抵抗应力和应变的能力上。应力反映了内部力，而应变则由外部载荷引起。杨氏模量（定义为拉伸应力与拉伸应变的比值）量化了材料抵抗变形的能力[50]。文献[87]研究了毫米波模块在热循环条件下的可靠性，并将焊点失效与基板翘曲联系起来。后来，文献[52]发现基于混合基板的毫米波模块在温度应力下的可靠性优于传统FR4基板。

3.5.8 其他基板特性
其他重要的基板特性包括厚度、玻璃化转变温度、分解温度、易燃性、吸湿性、耐化学腐蚀性和表面粗糙度[50]。如文献[88]所示，玻璃基板具有低介电损耗和平滑表面，使其成为5G和毫米波应用的理想候选材料。

3.6 毫米波基板的进步
近年来，毫米波基板的进展明显趋向于使用可调和高性能材料。目前，已经开发出多种毫米波设备，采用不同的基板材料来满足5G应用的需求[89]。多项研究（如文献[54]）探讨了在Rogers RT/Duroid-5880、FR4-环氧和Rogers RT5880上制造的微带贴片天线，强调了基于不同εr和tan δ的成本效益和高性能选择。此外，文献[90]提出了使用FR-4、Rogers RT5880、RO5880、Duroid-5880和RO4350B等基板的MIMO天线阵列，实现了高增益、隔离和宽频带。这些研究表明，通过适当选择基板并优化天线几何结构，可以实现紧凑且高增益的5G毫米波系统。文献[91]进一步验证了Rogers RT5880在低损耗天线设计中的优异性能，而文献[53]则提出了基于LTCC技术的氟化钡（BaF2）陶瓷在毫米波应用中的前景。同样，文献[1]介绍了一种基于LCP基板的石墨烯液体天线，在28 GHz下实现了360°波束重构和约7 dBi的增益，体现了石墨烯的可重构性和灵活性。文献[92]使用了双层石墨烯薄膜基板，在29.6至40 GHz范围内实现了频率调谐，低反射损耗，展示了石墨烯在自适应毫米波系统中的潜力。文献[35]使用Rogers RT/Duroid 5880基板设计了28/38 GHz MIMO天线，实现了高隔离度和宽带宽。这些研究共同表明，将传统低损耗基板与新兴的石墨烯基材料结合使用，可以提高毫米波天线的性能、可调性和效率。此外，文献[56]开发了具有低介电常数、低损耗正切和在高湿度条件下高稳定性的先进热固性硅氧烷混合基板，提升了毫米波微带线和滤波器的性能和可靠性。文献[93]专注于THz频率下的精确介电表征，使用THz测量技术准确评估了基板的介电常数和损耗。这些研究通过提高基板材料质量，为高效的高频天线和电路设计提供了必要的数据。文献[94,95]展示了在5G MIMO天线系统中使用低损耗Rogers RT/Duroid 5880基板设计的重大进展，实现了高增益、宽频带和优异的隔离性能。

3.6.1 毫米波基板的挑战
5G和毫米波系统基板的进步受到电磁、材料、制造和经济因素的综合制约[3,105]。在24 GHz以上的频率下，信号传播对介电损耗、导体表面粗糙度和尺寸公差非常敏感，因此需要具有严格控制性能的基板[49,105]。尽管通过低损耗聚合物[19]、陶瓷[53]和混合复合材料[56]取得了显著进展，但仍存在一些未解决的问题，这些问题限制了性能优化和大规模部署。4.1. 技术挑战从技术角度来看，信号损耗是最关键的挑战之一。由于极化松弛和减小了 Skin Depth（皮肤深度），介电损耗和导体损耗会随着频率的增加而增加，导致衰减和天线效率降低[16,78]。目前的方法主要集中在使用低损耗材料，如基于 PTFE 的层压板、液晶聚合物和陶瓷基材；然而，这些材料往往在机械强度、加工复杂度或成本方面存在权衡[19,21]。此外，在毫米波频率下，表面粗糙度的影响变得越来越显著，需要更光滑的导体或更先进的粗糙度校正模型，但这些解决方案可能会影响附着力或增加制造难度[78]。在毫米波频率下进行准确的介电特性测量仍然是一个重大挑战[67,106]。诸如谐振器方法、传输线提取和自由空间测量等测量技术由于校准灵敏度和设备依赖性可能会产生不一致的结果[78,107,108]。60 GHz 以上缺乏标准化的测试协议，使得材料比较和设计验证变得复杂，这突显了改进测量框架的必要性[23]。在毫米波系统设计中，如果要获得更宽的带宽和更低的信号损耗，使用低 εr 和 tan δ 的基材是必不可少的[13]。尽管有许多好处，毫米波通信仍然受到某些技术问题的困扰，如高传输损耗、大气衰减、信号阻塞和缺乏空间复用[3]。非技术障碍包括基础设施的高成本和用户数字素养低[3,12]。作者在 [105] 中指出的问题是由于毫米波的短波长导致的窄波束宽度和高指向性。由于在这些高频下信号生成、接收和传播仍然很困难，因此准确的信道建模是必要的[109]。为了解决这些问题，参考文献 [110] 建议在发射端和接收端使用增益更高的定向天线。热管理在保持性能稳定性方面也起着关键作用[12,111,112]。紧凑型收发器模块中的高功率密度可能导致介电常数和损耗 tangent 的温度依赖性变化，从而导致频率失谐。虽然导热填充物和陶瓷基材可以减轻热量积聚，但它们通常会引入更高的介电常数或增加加工复杂性，从而产生性能权衡[55,113]。4.2. 工程挑战从工程角度来看，成本和可扩展性是广泛采用的重大障碍。高性能基材通常依赖于专用材料和精密制造工艺，这增加了生产成本[68]。尽管开发低成本混合层压板的努力显示出希望，但由于工艺变异性，在大规模生产过程中保持一致的介电性能仍然具有挑战性[56]。与先进封装技术（如封装内天线架构）的集成还需要在热膨胀和机械性能方面的兼容性，以确保长期可靠性[56]。在环境应力下（包括湿度、热循环和机械应变）的长期可靠性是另一个问题[83]。材料老化会随着时间改变介电性能并影响系统性能。通常会使用保护涂层和封装技术，但它们可能会引入额外的损耗或厚度限制[53,83]。与传统的低 GHz 射频相比，毫米波传输面临更多的挑战，因为其传播损耗高且链路范围有限。这些困难既源于传播特性，也源于技术限制。[50] 中的研究确定了关键问题，包括收发器设计复杂性、高制造成本、在高频率下无源组件性能下降、阻抗匹配要求以及封装不足。尽管有大量的研究工作旨在降低制造成本，但仍然存在其他问题[50]。作者在 [23] 中指出，毫米波基材设计涉及高的机械制造成本，并且由于极端的频率谱而面临效率损失。进一步的挑战包括制造公差和工艺可靠性，这些都会影响系统性能[23]。因此，这些挑战强调了集成材料创新、先进特性分析和可扩展制造策略的必要性，以便充分发挥基材在下一代毫米波通信系统中的潜力。表 6 提供了毫米波基材的挑战、解决方案和限制分析的总结。表 6. 毫米波基材的挑战、解决方案和限制分析。5. 制造技术由于功能材料和制造方法的创新，柔性电子技术正在迅速发展，使得能够创造独特形状且成本低廉的设备[49]。5G 的出现进一步推动了在毫米波频率下运行的 RF 设备的发展，用于无线通信、汽车雷达、高分辨率成像和千兆网络[8]。这些应用需要紧凑、高密度、低损耗且成本效益高的系统集成[8]。因此，基材的选择必须考虑电气损耗、可加工性、产量和机械稳定性等因素[8]。例如，[114] 的作者展示了利用介电谐振器天线配置的毫米波通信系统中深度学习辅助基材成形的优势。5.1. 各种毫米波制造技术本节介绍了各种制造技术，如毫米波涂层和化学沉积、溅射以及多种图案化和成形技术，如光刻、3D 打印、模具成形和新的集成技术，包括用于设计或修改基材结构的热压。5.1.1. 复合技术涂层技术涂层方法（如旋涂）涉及使用刷子或机器等工作将含颗粒的液体混合物沉积在柔性基材上，然后可以暴露于热源或让其干燥形成均匀的复合薄膜[115]。例如，[116] 的作者成功制造了一种 FeSiAl/WS2 软磁复合材料，它是 FeSiAl 颗粒上的微米级 WS2 层的均匀涂层；这种复合材料具有典型的低涡流损耗和中等有效磁导率，适用于高频应用。化学沉积技术化学沉积包括在真空下通过化学溶液将金属或氧化物沉积在柔性基材上，形成薄导电膜[115]。例如，[117] 的作者通过化学沉淀制备了磁性聚二甲基硅氧烷（PDMS）水凝胶；将 PDMS 水凝胶浸入 Fe2+/Fe3+ 溶液中，然后处理以在膜中均匀分散磁性纳米颗粒。溅射技术溅射是一种薄膜沉积技术，其中高能粒子在真空中撞击靶材，将原子喷射到基材上[115]。这使得金属、合金和化合物的沉积变得容易[118]。例如，[119] 的作者使用磁控溅射在预拉伸的 PDMS 上沉积了 5 纳米的钽层。释放后，不匹配的杨氏模量会导致表面起皱，然后利用这一点溅射了 150 纳米的 FeCoTa 薄膜，形成一个柔性磁性层。5.1.2. 图案化和结构化技术光刻是一种广泛使用的微纳制造技术，其中使用光阻剂和步进工具将图案转移到基材上，然后通过刻蚀形成纳米到微米尺度的微结构，包括软光刻、纳米压印、电子束光刻和扫描探针光刻等变体[115]。例如，[120] 的作者通过标准光刻剥离方法在负性光阻膜上制造了柔性 3D 纳米结构，如纳米轴。形成的结构在化学和机械上都是稳定的，因此适用于可穿戴设备和生物电子学应用。类似地，[121] 参考文献基于 PEG 光刻制造了 AgNW 微图案，无需通用刻蚀，将其转移到水凝胶上。所产生的 AgNW 图案表现出良好的导电性、柔韧性和水稳定性，显示出在下一代生物电子设备和植入式设备中的应用潜力。三维打印技术已经开发出用于制造柔性电子设备的技术，直接在柔性基材（包括聚合物、纸张和丝绸）上打印导电和电阻材料[4,115]。其中，FDM 是最受欢迎的方法之一，它使用加热的热塑性聚合物进行挤出，分辨率由喷嘴的大小决定[114]。例如，[122] 的作者使用 FDM 制造了柔性传感器，包括聚偏二氟乙烯和钴铁氧体的复合材料，显示出令人满意的电气和机械性能，适用于可穿戴设备。直接书写方法也可以用于创建具有高导电性和柔韧性的柔性金属电路[115]。另一种方法是选择性激光烧结（SLS），它通过逐层烧结粉末材料来构建结构[116]。[124] 的作者制造了一种热塑性聚醚嵌段酰胺（TPE）和多壁碳纳米管（MWCNTs）/纳米复合材料传感器，用于敏感可靠的电子皮肤健康监测。此外，[125] 参考文献实现了聚乙烯醇（PVA）和 AgNO3 作为聚合物-金属前体的界面反应的直接书写，用于柔性电路。总的来说，这些方法表明 3D 打印和直接书写在制造定制的、高性能且经济友好的柔性基材方面具有巨大的潜力。使用模具的制造成型工艺提供了一种简单方便的方法，可以将多种材料（如聚合物、硅胶或其他弹性体）结合在可重复使用的模具中，然后按照所需的形状和轮廓固化[115]。它们可以塑造具有定义的形状、弹性-机械性能和表面平滑度的柔性结构[115]。通过改变模具设计，可以生产出定制配置的成型结构。例如，[126] 参考文献使用蚯蚓的运动原理制备了一种微结构成型隔膜，保证在 40 mT 的低磁场下具有显著的三维双向变形，这归因于其分段和径向磁化验证结构。这些可以很容易地适应与柔性机器人系统的集成。同样，[127] 参考文献使用 Ecoflex 橡胶与 NdFeB 颗粒混合制造了一种快速响应的柔性执行器。该执行器可以制成不同尺寸的抓取器，表现出超快响应时间（<0.1 秒）、超大幅度应变（<120%）和长期稳定性，并适用于抓取球形和圆柱形物体。5.2. 集成技术热压热压（HP）是一种廉价且简单的工艺，可以通过控制温度和压力将柔性基材与电子和导电元件结合在一起，精度高[115]。特别是，它是改进聚合物和复合材料物理性能的有希望的工具[128]。[128] 中的工作还表明，热压是一种有效的方法，可以将酸处理过的聚合物 PEDOT:PSS 薄膜的电气和热导率提高到 1500 S/cm 和 1.11 W/mK 的水平，这得益于优化的微观结构，从而使热处理后的薄膜既可以用作柔性导体，也可以用作散热器。[129] 的作者开发了一种可生物降解的纸状柔性复合材料，使用纤维素和石墨烯纳米片。热压后，纳米片嵌入纤维网络中，实现了高达 ~10 Ω sq?1 的高各向同性导电性，超过了传统的导电纸技术。因此，热压提高了材料性能，并支持高度导电和热效率高且环保的柔性电子产品的可扩展生产。5.3. 其他制造技术其他值得注意的毫米波设备制造技术包括使用可光刻玻璃（PEG）来创建基材集成波导（SIW），正如 [130] 的作者所展示的。PEG 的可光刻性能使得可以通过 (TGVs) 形成玻璃，使其适合作为基于 SIW 的 5G 应用的介电材料。同样，带有 TGVs 的玻璃基材已被用于高频应用中的封装基材和间隔层[22,131]，支持滤波器、天线和波导等组件[132]。此外，[133] 参考文献讨论了在高频率应用中使用高电阻率的全耗尽硅-on-绝缘体（FD-SOI）基材，重点讨论了材料和制造挑战。表 7 提供了柔性设备制造技术的总结。表 7. 制造技术概述：优点、限制和成本影响。6. 热管理毫米波系统的高频操作不仅引入了更高的功率耗散，还由于导体损耗、介电损耗和表面波限制而产生了局部热梯度[53,127]。这些效应可能导致热故障机制，例如基材、铜迹线、焊料接头和封装层之间的热膨胀系数（CTE）不匹配，从而在热循环过程中导致机械应力积聚、微裂纹、分层或翘曲[21]。在 24 GHz 以上的频率下，即使是轻微的温度升高也会改变介电常数和损耗 tangent，从而影响阻抗稳定性和辐射性能[134]。此外，重复的热循环会加速材料疲劳，并降低功能层之间的粘附力，尤其是在多层叠层结构和柔性基底中[135]。从工程角度来看，实际的系统如5G基站天线阵列通常采用导热基底（例如，填充陶瓷的叠层材料或氮化铝基材），并结合散热器和热界面材料来有效地散发热量[136,137]。在一个典型的部署场景中，高功率波束成形阵列集成了铜散热器和强制对流冷却，以保持天线元件之间的温度均匀性，防止相位漂移和性能下降[138]。另一个例子是相控阵前端模块，在这些模块中，通过拼接、金属背板和热通孔来减少热阻并最大限度地降低高传输负载下的热点[139]。这些方法展示了如何通过细致的热设计来补充材料选择，从而提高可靠性，并确保在持续的高频负载下稳定运行。

6.1. 毫米波基底中的散热问题
材料属性也会影响毫米波基底的热管理，大多数解决方案都是被动的，需要对基底材料进行精细调整。低散热能力会对电子系统的性能和可靠性产生不利影响。温度变化会导致电气特性改变，从而引起信号完整性问题、时序延迟和故障。过高的工作温度会缩短电子元件的寿命，降低焊点的质量，并增加灾难性故障的可能性。良好的散热性能是维持电子设备正常运行水平、降低故障率和延长运行时间的关键前提[140]。一些研究人员更加关注毫米波基底和设备中的散热问题，并提出了先进的冷却和热管理方法。[141]的作者提出了一种使用肖特基二极管集成CVD金刚石基材的解决方案，以实现更好的散热和设备功率效率。另一项研究[52]表明，混合基底可以提高毫米波模块的机械热可靠性。同样，在[126]中，作者发现氮化铝（AlN）在改善太赫兹量子级激光器（THz QCLs）的热特性方面比砷化镓（GaAs）更有效。在[142]中，作者研究了添加3%钼（Mo）的氮化铝：钼（AlN:Mo）陶瓷在W波段辐射下的优化效果。[143]中的工作则展示了一种基于4H-SiC和堆叠层的透明辐射冷却器，用于被动冷却。此外，[140]中的工作使用c-BN薄膜来改善LED的冷却效果，作者能够将温度降低5-17°C，并将输出功率提高27.9%。总之，这些报告（如表8所总结的）强调了高导热材料、混合基底和被动冷却方法在提高先进电子设备散热性能中的重要性。

6.2. 提高热性能的策略
多项研究已经探讨了改进5G毫米波基底热性能的成功方法[111]。这些技术（如表9所总结的）旨在解决关键的热散问题，并增强机械鲁棒性和系统可靠性。通过考虑这些方法并应用适当的设计原则，可以设计出能够在各种工作条件下提供高效散热的同时确保可靠性的金属基底PCB[19]。本研究中的热管理是通过耦合电磁热协同设计框架来论述的，其中由于导体损耗、介质损耗和射频集成电路（RFIC）操作产生的热量通过热扩散方程来控制[145,146]：
(1)
其中Δ是表示空间导数的向量微分算子，κ是热导率，T是材料中的温度分布，Q是体积热生成率。在毫米波频率下，增加的衰减和电流拥挤会提高局部热密度，而温度依赖的介电常数和导热率会引入反馈效应，这些效应可以通过热诱导的色散和耦合变化来改变阻抗匹配和辐射特性[147,148]。在密集集成的架构中，如相控阵和天线集成封装（AiP）模块中，基底、金属化和芯片之间的热梯度和热膨胀系数不匹配可能导致机械应力和性能漂移，这突显了未来高频前端需要具有优化热导率、低介质损耗和稳定电磁特性的基底[149,150,151]。

7. 电气性能
7.1. 基底材料对信号传输损耗的影响
根据[19]作者的观点，高频下的信号传输速度V受到传输损耗和层间介电树脂的影响：
(2)
其中c是真空中的光速，k是一个常数，εr是基底的介电常数；较低的εr会导致更快的信号传播。在毫米波频率下，即使介电常数的微小变化也会显著影响相位速度、色散和时序精度，这直接影响信号完整性和系统性能。此外，由于多种耦合机制，毫米波频率下的传输损耗变得更加明显。同样，介电损耗也会增加，因为分子极化无法快速跟随变化的电场，导致能量以损耗正切的形式耗散。此外，导体损耗会因趋肤效应而放大，趋肤效应将电流限制在非常薄的表层，该层的厚度随频率的增加而减小，从而增加了有效电阻。铜迹线的表面粗糙度也会导致额外的散射损耗，尤其是在20-30 GHz以上。而且，随着波长的缩短，阻抗不匹配和辐射损耗变得更加敏感，因此基底介电常数的稳定性变得至关重要。本节强调，低介电常数和低损耗的基底可以减少电磁能量存储和衰减，从而实现更高的信号传输速度、更低的相位延迟和在高频互连和天线结构中的更高功率效率。这对于在毫米波频段运行的5G及以后的系统尤为重要，因为材料的电磁特性直接决定了带宽能力和链接可靠性。此外，根据[19]作者的观点，基底的介电损耗正切（tan δ）也会影响信号损耗：
(3)
其中α是传输损耗，φ表示相位常数，即复传播常数的实部，代表沿传输介质的相位传播的波数，与基底的有效介电常数直接相关，f是频率；较低的tan δ会导致信号衰减减小。鉴于信号速度和效率与铜包覆叠层的介电属性密切相关[19]。PCB中高频信号的传输受到RC延迟、串扰、能量损耗和阻抗不匹配等问题的影响，这使得PCB难以实现微型化和信号完整性的提升[19]。可以通过分子结构设计和引入功能性填充物（尤其是碳纳米填充物）来减少这些问题，这些填充物可以根据其形态、浓度和制造方法轻松控制其介电属性[19]。之前已经提出了多种技术来提高高频下的信号传输。例如，[152]的作者注意到损耗因子对插入损耗的影响最大，而介电常数的影响较小。[153]的作者指出，在较低频率下使用更薄的介电材料可以更有效地减少基底损耗。[154]的作者通过银种子半添加工艺实现了更平滑的传输线路，最小化了导体和整体传输损耗。[155]的作者发现泡沫基底为天线提供了最低的信号损耗和最高的辐射效率及增益。此外，[156]的研究证实，在低损耗刚性基底上镀银可以增强导体的平滑度，进一步降低信号损耗。这些发现共同支持了高频电子系统高效、高性能基底的发展。

7.2. 介电能量损耗的机制
当分子极化无法跟上振荡电场的速度时，就会发生介电损耗。如果松弛时间等于或小于电场的频率，则损耗最小[19]。然而，当电场振荡速度超过极化的响应速度时，能量会被吸收并以热的形式耗散[19]。有趣的是，当极化完全无法响应电场时，损耗再次变得最小[19]。複合介电常数（ε*）描述了这种行为，包括表示介电常数的实部（ε′）和表示介电损耗的虚部（ε″）[19]：
(4)
它们的比率给出了介电损耗正切：
(5)
多项研究已经研究了5G毫米波系统中的介电损耗机制，重点关注材料表征和损耗降低方法。例如，[78]的作者强调使用表面粗糙度较低的铜箔可以显著减少传输线中的导体损耗。[37]的作者进行了高达115 GHz的宽带介电特性测试，确定了适合5G的低色散、低损耗材料。[79]的作者引入了新的低损耗介电材料，这些材料与光滑铜箔具有强粘附性，显著降低了传输损耗。[83]的研究专门为5G和6G毫米波应用开发了低损耗介电材料。综上所述，这些研究的结果为5G无线系统中使用的高频设备的介电损耗机制优化提供了指导。

7.3. 降低信号传输损耗的程序
信号损耗是高速基底中的关键问题之一，因为它会负面影响系统性能和可靠性[112]。导体损耗、介电损耗、趋肤效应、辐射损耗、阻抗不匹配和串扰是主要原因。为了解决这些问题，选择低损耗介电材料和改进铜箔类型（如反向处理或超低轮廓（VLP）箔）在高频下对减少导体损耗和信号完整性起着关键作用[159]。多项研究提出了新的机制来对抗毫米波系统中的信号传播损耗。[160]的作者提出了一种新型的无接触空气填充基底集成波导（CAF-SIW）带通滤波器，在这种滤波器中，通过不使用任何介电材料来抑制介电损耗，并实现了多层集成。[161]的工作最近提出了一种基于螺旋电感器和金属-绝缘体-金属（MIM）电容器的薄膜集成无源器件（TFIPD）滤波器，该滤波器在5G频段具有低插入损耗和高回波损耗。[162]的作者在PCB上涂覆了SiCOx/SiOx，不仅改善了信号损耗，还提高了表面附着力和厚度。此外，[163]的研究制备了具有表面改性铝片层的环氧树脂基底，将εr从1降低到10 GHz。[51]的研究在聚酰亚胺基础上制备了柔性铜包覆叠层（FCCLs），实现了非常低的插入损耗（最高0.03–0.06 dB/mm，适用于40 GHz），其性能优于粘合剂基底的同类产品。[164]的作者实现了太赫兹石墨烯天线，并配备了一个折叠的四分之一波变压器，获得了高增益（8.65 dB）和几乎完美的辐射效率（99.8%）。这些工作表明，在毫米波频率下降低损耗需要整合低损耗材料、精心设计结构和先进的制造工艺。它们共同强调了材料创新、表面工程和架构改进对于实现5G和太赫兹系统所需的高性能的重要性。

7.4. 5G毫米波基底中导体粗糙度的影响
最近的研究指出，毫米波技术在5G系统中的快速应用引入了重大的设计挑战，特别是由于导体表面粗糙度会导致高频下的信号传输和天线性能下降。[164]作者的研究表明，随着工作频率接近并超过30 GHz，表面粗糙度的增加会降低导电性并提高损耗。低粗糙度的铜箔（如VLP）已被证明能有效减少薄毫米波基底中的信号损耗。此外，[166,167]中的模型显示，导体损耗与粗糙度之间存在强烈的、通常是指数级的依赖关系，这强调了先进制造技术的重要性，以确保未来高频5G系统具有可靠且低损耗的传输线路。同样，参考文献[168]探讨了表面粗糙度对微波和毫米波段波传播的影响；该论文研究了电磁波的传播，并重点关注了具有金属波导结构表面粗糙度的内部环境中的传播损耗，可以使用各种商业场求解器来准确高效地处理涉及导电微波结构的所有工作中的表面粗糙度效应。

7.4.1 降低传输线导体损耗
在毫米波频率（≥30 GHz）下，由于导体-介质界面处的散射增加和电流分布不均匀，导体表面粗糙度成为插入损耗的主要因素[78,164]。当均方根粗糙度（RMS）高度（Δ）接近或超过趋肤深度（δ）时（在30–60 GHz范围内，铜的趋肤深度通常为0.35–0.7 μm），有效导体电阻会显著上升[78]。Hammerstad和Bekkadal粗糙度校正模型得出以下公式[158]：
\[ R_r = \frac{\tan^{-1}\left(\frac{\Delta}{\delta}\right)\sqrt{2\mu}{\sigma} \]
其中 \(R_r\) 是粗糙导体表面电阻，\(\tan^{-1}\) 是反正切函数（结果以弧度为单位），\(\Delta\) 是均方根（RMS）表面粗糙度高度，\(\delta\) 是频率依赖的趋肤深度，\(R_s\) 是光滑导体表面电阻（每单位面积）[78,168]，其公式为：
\[ R_s = \frac{\mu_0\sigma}{\omega}\]
其中 \(\mu_0\) 是真空磁导率，\(\sigma\) 是铜的导电率（5.8 × 10^7 S/m）。对于铜来说，这导致 (\(delta\) (30 GHz) ≈ 0.382 μm，\(\delta\) (40 GHz) ≈ 0.330 μm，\(\delta\) (60 GHz) ≈ 0.270 μm)，计算公式为：
\[ \delta = \frac{\omega}{\sqrt{2\mu\sigma}} \]
为了考虑粗糙度的影响，Hammerstad和Bekkadal校正通过以下粗糙度因子 \(Fr\) 对\(R_s\) 进行修正[158]：
\[ R_r = R_s \times Fr \]
传输线或天线馈线的导体损耗大约与 \(R_s,rough\) 成正比，因此 \(Fr\) 的百分比变化直接对应导体损耗的百分比变化[158]。使用方程（6）得到的常见铜箔的代表性RMS粗糙度值：RA（轧制退火）：Δ ≈ 1.8 μm；LP（低轮廓）：Δ ≈ 0.9 μm；VLP（非常低轮廓）：Δ ≈ 0.4 μm。应用Hammerstad和Bekkadal公式（方程（9））得出的因子和百分比减少如下（RA → VLP），如表11所示。百分比减少的计算公式为：
\[ \Delta\% = (\Delta_{VLP}-\Delta_{RA}) \times 100\]
表11. 代表性RMS粗糙度及其对损耗影响的估计。表11的结果表明，在毫米波频率下，从RA变为VLP可以将粗糙度因子以及因此的导体损耗减少大约11–15%，适用于上述代表性的Δ值。绝对百分比取决于Δ/δ：当Δ ? δ时，进一步减少粗糙度的好处会降低（\(\tan^{-1}\) 接近π/2），因此改进效果会饱和；当Δ与δ相当时，提高表面光滑度最为有效。

5G和毫米波天线及PCB设计的实际意义如下：
铜箔的选择很重要。使用VLP铜可以显著降低导体损耗，从而在馈线中实现更低的插入损耗，并提高天线的实际增益/效率。
频率依赖性。随着频率的增加，较光滑铜箔的增益百分比会降低（因为Δ/δ变得非常大且校正效果饱和），但在大多数5G/毫米波频段内，较光滑的铜箔仍然有益。
几何形状和基板耦合。导体损耗只是总损耗的一部分；介质损耗（\(\tan\delta\)、辐射效率和导体几何形状（微带与CPW）也很重要；然而，在毫米波频段，对于标准低损耗层压板，导体粗糙度的重要性通常与介质损耗相当。
制造和成本权衡。VLP箔更昂贵且可能使加工复杂化（黏附性、蚀刻特性）。设计者必须权衡10–15%的导体损耗改进与成本和加工兼容性。
缓解策略：使用VLP或电沉积的超光滑铜，采用更光滑的镀层/平面化处理，使用更厚的导体（减少电流拥挤），优化走线几何形状，或在导体粗糙度不那么关键的场合使用波导/SIW结构。

该模型预测，从轧制退火（RA）铜（约1.8 μm RMS）转变为非常低轮廓（VLP）铜（约0.4 μm RMS）可以在30–40 GHz范围内将导体损耗降低约25–35%，在60 GHz时可降低高达45%，具体取决于基板类型和线路几何形状。

7.4.2 计算导体粗糙度对毫米波传输损耗的影响
为了评估导体粗糙度的影响，研究了Rogers RO4350B基板（\(\epsilon_r = 3.48, \tan\delta = 0.0037, 厚度 = 0.254 mm）上50 Ω微带线在30–60 GHz范围内的性能。线路宽度（\(Weff = 0.56 mm\)）产生了标准50 Ω阻抗（\(Z_0\)）。使用方程（6），从[78,168]估计了单位长度的总导体损耗（\(\alpha_c\)）。表12提供了计算出的导体损耗（cm^-1），图13显示了不同铜箔粗糙度下的导体损耗与频率的关系[11]：
[ \(\alpha_c = \frac{\tan^{-1}\left(\frac{\Delta}{\delta}\right)\sqrt{2\mu}\frac{R_r\mu_0\sigma}{\omega}\left(\frac{R_s}{\sigma}\right)\]
结果清楚地表明，在毫米波频率下，导体表面粗糙度对信号损耗有直接影响，此时趋肤深度与铜表面的纹理相当。在60 GHz时，用VLP铜（RMS ≈ 0.4 μm）替换RA铜（RMS ≈ 1.8 μm）可以将导体损耗从0.094 dB/cm降低到0.062 dB/cm，大约提高了34%。
表12. 计算出的导体损耗。图13. 不同铜箔粗糙度下的导体损耗与频率的关系。这种损耗的减少有助于降低插入损耗、提高辐射效率，并改善天线系统和馈线网络的增益。随着粗糙度高度与趋肤深度比的增加，粗糙度的影响随频率增加而增强，因为这加剧了导体-介质边界处的电磁散射。虽然超光滑铜箔（RMS < 0.4 μm）或后处理平面化可以进一步降低损耗，但这些方法会增加额外的制造成本。因此，使用VLP或其他低粗糙度铜箔在5G毫米波互连、相控阵模块和MIMO天线基板上实现了性能提升与可制造性之间的实际平衡。

如图13所示，所有类型的铜箔的导体损耗都随频率增加而增加；然而，粗糙度较高的铜箔（如RA）始终显示出最高的损耗，其次是LP，而VLP则显示出最低的损耗。由于趋肤深度的减小，这种趋势在更高频率下变得更加明显。因此，最小化导体粗糙度是实现低损耗、高效毫米波设计的关键要求。

7.4.3 理论粗糙度模型与毫米波频率下实验观测的比较
为了加强关于导体表面粗糙度效应的讨论，本节比较了理论粗糙度模型与最近毫米波研究中报告的代表性实验观测结果[78,158,164,166,167,168,169,170]。在使用轧制退火（RA）、低轮廓（LP）和非常低轮廓（VLP）铜箔的基板上进行的测量传输损耗数据表明，随着表面粗糙度的增加，由于电流拥挤加剧、有效导体路径长度增加以及随着趋肤深度与粗糙度特征的相当而导致的散射增强，插入损耗也随之增加[158,170,171,172,173]。
尽管分析公式（如Hammerstad校正[158]和Huray雪球模型[174]）能够准确预测总体趋势[158,173,174,175,176,177,178,179]，但由于实际因素（包括制造公差、铜晶粒形态变化、表面氧化和测量装置不确定性）的影响，实验结果往往显示出略微更高的衰减[158,169,170,171,172,173,180,181]。这种模拟和测量证据的结合强调了选择低粗糙度导体和精确材料表征在实现5G及未来5G毫米波天线基板低损耗性能方面的重要性，从而提高了本综述研究的稳健性和实际相关性。

8. 机械稳定性 基板材料的机械性能
柔性电子技术的进步增加了对能够在重复机械应力下保持可靠性和性能的基板的需求。许多研究探讨了增强先进毫米波应用基板机械性能的策略。例如，参考文献[11]强调了基板在频繁弯曲循环下的稳定性需求，而[182]回顾了几种创新的机械增强技术。[183]的作者证明了基板的机械完整性直接影响应变和多层系统的可靠性。
在其他研究中，例如[184]，通过铁氧体纳米颗粒提高了基板的柔顺性和灵敏度及柔性。[57]的作者研究了不同厚度的Al-Cu基板在EB-DED中的晶粒结构演变。同样，在[185]中，MD方法被用来研究生长条件对SiNx薄膜应力和韧性的影响。[186]的作者描述了一种用于准确确定软基板上薄膜模量的压痕方法。[187]的工作通过halloysite纳米管开发了梯度纳米复合涂层，以实现良好的表面硬度和表面过渡。[188]的研究通过Ag-Mn掺杂和退火提高了ZnO薄膜的硬度。[189]的作者引入了壳聚糖-四乙氧基硅烷（TEOS）混合涂层以改善黏附性和抗性。此外，在[190]中，作者证明了当TiN与基板之间的模量不匹配时，可能会发生黏附失效，而参考文献[191]优化了Ag/Al的比例以增加硬度并减少Cu-Ag-Al涂层中的摩擦。
总之，这些工作说明了组成设计、表面工程和先进制造方法（包括掺杂、梯度涂层沉积策略、模拟引导的生长和混合层叠）在调整基板机械性能以适应高科技应用中的作用。表13总结了各项研究中关于毫米波基板的性能特性和散热考虑因素。

9. 混合毫米波基板材料
近年来，信息传输技术的发展推动了电子设备向小型化、高频率和更快数据速率的方向发展[19]。薄膜技术已成为这一转变中的关键技术，提供了适合毫米波应用的高分辨率图案化，并实现了高性能无源组件的集成[192]。混合基板材料因其低介质损耗、高热稳定性和在5G毫米波系统中的潜力而受到广泛关注。例如，参考文献[56]制备了掺杂石英预浸料的热固性硅氧烷混合物（Singi GTM-1和2），该复合材料在10 GHz下的传输损耗很低。[193]的作者制备了一种基于环状烯烃共聚物（COC）的基板，具有超低损耗因子，适用于毫米波和THz应用。同样，在[184]中，作者使用CaxCo(0.90-x)Zn0.10Fe2O4在FR-4中制造了一种柔性 metamaterial传感器，用于化学传感。
在其他相关工作中，如[55]，作者使用铝带陶瓷（ARC）实现了低插入损耗和高性能的传输线和滤波器。此外，在[194]中，作者使用气溶胶喷射印刷的氧化铝制造了具有良好弹性的泄漏波天线。在[195]中，作者在石英和硅上展示了MEMS开关，插入损耗低于3 dB，覆盖范围达到750 GHz。另外，在[196]中，作者使用Graphene-Assembled Film（GAF）开发了具有良好带宽和低旁瓣的128天线阵列。在[197]中，作者展示了在硅/蓝宝石上的双层LiNbO3用于高Q值声学谐振器，而[198]的研究提出了具有多层超strate的亚6 GHz 5G高增益矩形贴片天线。
所有这些分析都强调了像COC、ARC、GAF、硅氧烷-石英和LiNbO3堆叠这样的混合形成基板对于实现低损耗、高性能和多功能性在即将到来的毫米波5G系统中的重要性。这些材料在高频应用中表现出色，包括天线、滤波器、传感器、开关和谐振器，支持高数据吞吐量、低衰减、紧凑性和机械可靠性。表14提供了这些混合基板的总结。

9. 混合毫米波基板材料的设计原理和性能增强机制
混合毫米波基板材料作为一种战略方法，旨在平衡低介质损耗、机械灵活性、热稳定性和可扩展制造的竞争要求。混合基板的创新机制在于有机聚合物基质与无机填料或框架的协同组合，实现了电磁特性和热机械特性的同时调谐。在频率高于24 GHz时，介质色散、表面波效应和尺寸公差会显著影响天线效率。此时，混合材料技术能够精确控制有效介电常数和损耗正切，同时提高结构可靠性[189,193,195]。从电磁角度来看，聚四氟乙烯（PTFE）、液晶聚合物（LCP）或环氧树脂等有机基材具有较低的介电常数和较小的偶极松弛损耗，这对于减少信号衰减非常有利[18,163,199]。然而，这些材料通常导热性较低且尺寸稳定性有限。通过加入石英、二氧化硅、陶瓷纳米颗粒或玻璃纤维等无机成分，可以引入低损耗的介质路径并抑制分子运动，从而在毫米波（mmWave）频率下减少介质色散并提高相位稳定性[55,106,189]。通过填充物体积分数、粒子形态和界面键合，可以调整有效介质的行为，从而精确控制介电常数（εr）和损耗正切（tan δ）；因此，可以利用有效介质理论推导出的混合复合材料公式来估算其有效介电常数[200,201]。常用的近似公式是Maxwell–Garnett公式[200,201]：

(12)
其中，ηm 是基材的介电常数，ηf 是填充物的介电常数，v 是填充物的体积分数。

该公式说明了如何通过组成控制来调整介电特性，以实现毫米波天线的目标阻抗和相位速度特性[201,202]。对于较高填充量或互连微结构的情况，Bruggeman对称模型[203]提供了更准确的描述[13]。

这些模型突出了微观结构拓扑在决定介电响应和指导低损耗传输线及辐射元件材料优化中的作用[202,203]。机械增强是另一个关键机制。有机-无机界面能够分散机械应力并减少热膨胀不匹配，这对于经历温度循环和高射频功率密度的天线基底尤为重要[52,187]。混合网络还能提高抗翘曲和微裂纹的能力，保持宽频带的阻抗一致性[162]。此外，通过表面功能化或偶联剂进行界面工程可以减少水分吸收路径，否则在高频率下会导致介质性能下降[75]。

有机基材如PTFE、LCP和改性环氧树脂由于偶极松弛减小而具有较低的固有介电损耗[18,199]，而无机填料如二氧化硅、石英和陶瓷纳米颗粒则能抑制分子运动并减少介质色散[61,106]。由此产生的复合材料在毫米波频段表现出更好的相位稳定性和更低的衰减。通过表面功能化或偶联剂进行界面工程可以最小化界面极化损耗，否则在数十吉赫兹频率下这种损耗可能变得显著[64,204]。

机械和热性能的提升源于有机-无机界面间的应力传递，减少了导电层与基底之间的热膨胀不匹配。这对于在温度循环和射频加热下保持阻抗稳定性至关重要[135,189]。混合结构还提高了尺寸稳定性和抗翘曲能力，保持了辐射模式的完整性并最小化了失谐效应[57,189]。新兴的混合系统，如石墨烯增强复合材料，在低于电渗透阈值时可通过声子传输引入高导热性路径，同时保持低介电损耗[205,206]。这些材料有助于在高功率天线模块中改善热散发，并减少可能引起性能漂移的热梯度[1,113]。类似地，硅氧烷-石英混合物结合了分子柔韧性和超低介电损耗，提供了出色的环境稳定性和较低的水分吸收[56]。

微观结构优化，包括纳米级分散、梯度填充物分布和多层混合层压板，通过减少散射损耗并实现电场的定制限制，进一步提升了性能。这些策略支持开发适用于5G和未来毫米波系统密集集成的紧凑高效天线基底[52]。总体而言，混合基底体现了“按设计选择材料”的理念，其中电磁性能、热管理和机械坚固性通过受控的组成和结构共同优化。它们的持续发展有望支撑可靠的高频天线平台和下一代无线基础设施的可扩展制造路径。

此外，上述提到的有效介质理论也可以用来解释混合基底平台，其中复合材料的介电常数和损耗行为源自异质相间的电磁场相互作用，影响波传播常数、色散和表面电流分布[200,201,207]。有机-无机混合，包括石墨烯增强复合材料和硅氧烷-石英系统，能够同时降低损耗正切并增强热传导路径，从而减轻高密度互连环境中的损耗引起的加热和寄生耦合[52,187]。这类材料在AiP（Antenna-in-Package）和相控阵实现中支持更好的场限制和减少辐射泄漏，并提供机械柔韧性，减轻温度循环下的应力，使其成为可扩展的毫米波和太赫兹模块的有希望的候选材料[187,208]。

10. 人工智能驱动的RSSI感知波束成形及其对5G毫米波基底设计的影响
5G和新兴6G毫米波系统的最新进展表明，人工智能（AI）技术，特别是基于接收信号强度指示器（RSSI）的波束成形和深度学习波束管理，在应对24 GHz以上频率的高方向性传播、遮挡敏感性和快速信道变化挑战方面变得越来越重要[6,26,27,209,210,211,212]。虽然人工智能驱动的波束成形提高了链路适应性，但其有效性本质上取决于天线基底的电磁稳定性和损耗特性，这突显了算法与材料协同设计的必要性。[210]中的研究强调了辅助信息（如定位和信号测量）在减少波束训练开销方面的重要性，指出RSSI辅助策略可以显著加快波束对齐速度。以安全为导向的研究，如[26]中的BeamSecure-AI，进一步展示了AI如何利用信号特征（包括接收功率模式）来监测波束级异常，从而增强毫米波无线接入网络的韧性。

深度学习方法已被广泛用于联合波束和功率优化。[211]的研究提出了一种基于学习的框架，将信道特征融入以提升波束和功率分配效率。强化学习方法，如[213]中的方法，能够实现车辆毫米波通信中的自适应波束管理和中继选择，以应对快速信道动态。[27]明确将RSSI测量纳入深度学习模型用于混合波束成形，表明信号强度反馈可以指导波束选择并减少训练开销。

新兴应用将AI波束成形扩展到特殊环境。[214]的工作将深度学习应用于RIS辅助的海上网络，展示了在具有挑战性的传播条件下的鲁棒性，而[215]发现联合学习在未来的太赫兹（THz）系统中的安全波束成形中的应用，表明了基于AI方法的可行性。此外，[216]提供了关于机器学习增强智能天线系统的更广泛视角，强调了数据驱动优化的作用。

补充的硬件导向研究强调了AI波束成形所处的物理层背景。[6]的研究确定了基底属性如何影响相控阵性能，[212]分析了 wrinkles（皱纹）等机械效应对电磁行为的影响，[217]展示了实用的波束可操控天线阵列。这些工作表明，准确的波束成形决策，包括RSSI解释，取决于基础的天线和材料特性。

本节回顾的研究共同表明，RSSI感知的AI技术提高了波束选择精度，减少了训练延迟，增强了毫米波网络对移动性的鲁棒性，并实现了自适应资源管理。然而，它们也揭示了持续的挑战，包括跨环境的通用性、与硬件的集成需求以及标准化评估框架的必要性。AI波束成形性能从根本上受到射频前端损耗、介电稳定性和导体粗糙度的限制；因此，将其纳入本研究提供了将智能算法与基底工程联系起来的跨层视角，如图14和表15所示。

11. 结论
在5G和毫米波天线设计中，基底选择在确定关键性能特性（如增益、带宽、辐射效率、阻抗稳定性和整体设备可靠性）方面起着核心作用。这项工作强调了材料工程、先进的电磁设计和准确的系统级建模在开发支持高频操作的新兴5G及未来通信系统基底中的重要性。毫米波频段具有较大的带宽和极高的数据传输率优势；然而，在24 GHz以上频率实现高效辐射需要具有低介电常数的基底，以减少表面波传播和低损耗正切，从而限制介质能量损耗。

在传统的高频层压材料中，Rogers RT/Duroid 5880、Arlon DiClad 880和Rogers CLTE-MW由于介电常数低、损耗正切低以及良好的热稳定性和环境稳定性而被广泛使用。例如，Rogers RT/Duroid 5880（εr ≈ 2.20, tan δ ≈ 0.0009）在77 GHz以上表现出优异的辐射效率，同时具有最小程度的水分吸收和稳定的介电常数热系数。Arlon DiClad 880（εr ≈ 2.17, tan δ ≈ 0.0009）具有光滑的铜表面，减少了导体损耗，并在90 GHz以下保持稳定的阻抗。Rogers CLTE-MW（εr ≈ 2.94, tan δ ≈ 0.0015）具有强大的尺寸稳定性，适用于60 GHz WLAN和短距离雷达等苛刻的毫米波环境。

除了这些传统基底外，下一代材料也引起了关注。基于石墨烯的基底具有可重构性、高导电性和可调的介电响应，使其成为自适应和波束可控天线的有希望的选择。柔性基底如液晶聚合物（LCP）由于其机械柔韧性、低损耗（tan δ ≈ 0.002）和最小的水分吸收，支持紧凑且可穿戴的5G设备。同时，低温烧结陶瓷（LTCC）的介电常数为5.8–7.0，提供了多层电路集成和热稳定性，适用于77 GHz左右的紧凑相控阵和汽车雷达。

总体而言，Rogers RT/Duroid 5880、Arlon DiClad 880和Rogers CLTE-MW因其介电性能和可靠性而非常适用于毫米波系统，而石墨烯、LCP和LTCC材料代表了走向灵活、可调和高度集成5G及未来通信技术的未来方向。

12. 未来展望和研究空白
本节总结了全文中发现的关键研究空白，并指出了未来研究的优先方向。对新型基底材料、改进的制造技术和增强建模的持续研究对于克服现有限制至关重要。标准化和环境稳定性考虑对于广泛部署也非常重要。5G和毫米波系统基底技术的不断进步将推动高性能、小型化和成本效益高的天线和电路设计的发展。尽管在低损耗材料、制造技术和混合基底概念方面取得了重大进展，但仍存在一些未解决的挑战，包括60 GHz以上频率的标准化介电表征方法缺乏、对高频操作下长期热-机械可靠性的理解有限，以及制造先进混合基底的规模化限制。此外，导体表面粗糙度效应、环境稳定性和与新兴AI驱动自适应系统的集成也需要进一步研究。解决这些空白将有助于实现稳健的、改进的表面处理、建模技术、高效毫米波天线平台，并支持下一代无线系统。未来的工作还应探索更多关于AI辅助的基底优化、环保材料、开发低损耗、热稳定和成本效益高的材料（如石墨烯复合材料、LCP和CLTE-MW），以在变化的环境条件下提升天线效率、集成性和可靠性测试，从而实现稳定、可扩展和高性能的5G和6G应用基底。

表16总结了本研究中发现的研究空白，这些空白源自对技术和工程挑战（第4节）、热机制和可靠性考虑（第6节）、导体粗糙度建模和实验限制（第7节）以及混合基底创新途径（第9节）的深入分析。与主要单独讨论天线结构或材料发展的先前调查不同，本研究提供了一个综合考虑介电行为、导体效应、热可靠性、制造限制和新兴混合材料策略的全面且基于物理的整合。解决这些空白对于实现可靠的超高频平台和支持向6G系统的演进至关重要，在该系统中，极宽的带宽、亚太赫兹（sub-THz）操作和智能自适应网络将需要材料、设备和系统架构之间的紧密协调进步。

因此，从未来发展的角度来看，未来的6G和太赫兹平台将需要能够同时管理电磁色散、热传输和多物理耦合的基底解决方案。在亚太赫兹频率下，波长缩小加剧了对表面粗糙度、介电不均匀性和互连寄生效应的敏感性，而更高的功率密度会加剧热生成和热机械相互作用，从而影响链路稳定性和波束成形精度[218,219,220]。跨层协同优化的进展，涵盖天线阵列、射频电路、封装和材料工程，对于实现超低损耗传播、稳定的波束指向和下一代无线系统的可靠操作至关重要。