5G通信基站電磁屏蔽材料及應用
摘要：5G通信電磁波包含FR1和FR2兩個頻段，其中，FR1頻率範圍是450MHz～6GHz，FR2頻率範圍是24.25～52.6GHz。FR2頻段屬於毫米波範疇，該頻段電磁波在空氣中的衰減快，需要採取超密集組網的方式實現網絡連續覆蓋。未來小微基站將會在人員密集的場所進行部署，爲了防止電磁輻射危害人身健康，對基站進行電磁屏蔽處理非常重要。本文簡要介紹了電磁屏蔽的機理及常見的電磁屏蔽材料，着重分析了通信基站電磁屏蔽的處理方法及相關材料，並對未來電磁屏蔽材料開發趨勢進行了簡要總結。
關鍵詞：5G通信，基站，電磁屏蔽，導電漿料，導電硅膠條
一、移動通信發展背景
移動通信是電信產業的一場革命，它將網絡終端從固定場所延伸到個人，人們可以隨時隨地通過移動設備處理和傳遞信息。移動通信的出現使人與人之間的信息溝通及傳送更加及時、緊密、頻繁，人們的生產和生活方式發生了革命性的變化。在物聯網時代，傳統的人與人之間的通信已經無法滿足生產生活的需求，人與物、物與物之間的通信將變得越來越重要和頻繁。
自1973年美國摩托羅拉公司前高管Martin Cooper打通史上第一個移動電話，移動通信已經有 4 6年的歷史了。第一代商用移動通信始於20世紀70年代末至80年代初，當時只能實現簡單的模擬語音通信，在中國就是大家熟知的“大哥大”。而後，移動通信大致每隔10年就會進行一次升級換代。經過40多年的發展，手機的形態和功能發生了翻天覆地的變化。從一定意義上講，手機的發展史就是一部波瀾壯闊的移動通信史。目前，全球主要國家都在加快推進5G商用步伐，2019年10月31日，我國也正式宣佈啓動5G商用。
5G通信將會給人類帶來哪些前所未有的體驗？國際電信聯盟（ITU）描繪了5G通信的三大應用場景：增強移動寬帶、大規模機器通信和低時延高可靠通信。相對於4G移動通信技術，5G通信應用端最大的改變是從人與人之間的通信走向人與物、物與物之間的通信。在5G時代，人們可以享受超高的網絡速率，物聯網、智慧社區能夠真正實現，工業互聯網和自動駕駛也將走進現實。
5G通信並不單純地強調峯值傳輸速率，而是綜合考慮了八大性能指標：峯值速率、用戶體驗速率、頻譜效率、移動性、時間延遲、連接數密度、能效和能量密度，如圖二所示。在以上關鍵性能指標上，5G通信全面超越4G通信。
圖1 移動通信發展歷程
圖2 IMT-2020性能關鍵指標
根據3GPP對5G頻率範圍的定義，5G通信包含了FR1和FR2兩個頻段：FR1（即Sub-6GHz）頻率範圍是450MHz～6GHz，FR2（即Above-6GHz）頻率範圍是24.25～52.6GHz。根據上述規定，FR2頻段電磁波波長範圍是5.7 ~12.4mm，屬於毫米波的範疇。高頻毫米波頻譜帶寬大，這是5G能夠實現高速率傳輸的原因之一。然而，毫米波的波長較短、繞射能力差，信號的空間衰減非常嚴重。要實現5G通信商業化應用，一方面需要部署更多的基站來解決信號衰減的問題，另一方面需要採用高頻和中低頻聯合組網的方式來滿足用戶的不同需求。在5G時代，爲了滿足更高的移動數據需求，5G網絡的無縫覆蓋和深度覆蓋將更加依賴於小型化基站的部署。小微基站的輻射半徑從幾十米到數千米不等，未來在人流密集區域如商場、車站、機場、企業等區域，都將會大量部署小微基站。表1爲各類基站及應用場景概況。
表1 基站的類型及應用場景
通信基站又稱無線基站，是實現信息化的戰略性基礎設施。根據工業和信息化部發布的數據，截至2018年9月，我國移動通信基站數量爲639萬個，未來5G超密集組網將會部署更多的基站。在移動通信基站的建設和運行過程中，電磁輻射成爲人們關注的焦點。基站工作時，電磁波信號由發射天線向空間發送，發射天線是基站電磁輻射的根源。電磁輻射關切到民衆健康，世界各國對基站的電磁防護都有嚴格的規定。由於人們對基站電磁防護細節並不知情，常常會“談基站色變”，近年來多地發生過阻撓基站架設及破壞基站的極端案例（見圖3）。
圖3 公衆對基站輻射的擔憂及破壞示例
我國法律規定，移動通信基站建設必須符合《電磁輻射防護規定》與《環境電磁波衛生標準》的要求，電場強度只有符合小於每米12V或功率密度小於40mW/cm 2 的上限要求時，纔算符合安全標準。2019年1月1日，生態環境部頒發的《移動通信基站電磁輻射防護監測方法》正式生效，凸顯國家對基站電磁防護的高度重視。目前，全球正在加快推動部署5G移動通信商用，移動通信基站及應用終端的電磁屏蔽處理工作尤爲迫切。
二、電磁屏蔽機理及產品設計基本原則
電子設備工作時，既不希望被外界電磁波干擾，又不希望自身輻射出電磁波干擾外界設備，以及危害人體健康，所以需要阻斷電磁波的傳播路徑，這就是電磁屏蔽。電磁波在空間傳播時的衰減主要是基於電磁波的反射和吸收：
（1）電磁波傳播到屏蔽體表面時，由於空氣與屏蔽體界面處波阻抗發生突變，電磁波產生了反射；
（2）電磁波通過金屬材料表面後，金屬材料會由於感應電動勢形成渦流，渦流磁場與原來磁場方向相反、相互抵消，從而實現屏蔽作用，也就是吸收損耗；
（3）在屏蔽體內未衰減掉的電磁波，傳播到屏蔽體另一表面時，遇到阻抗突變的金屬-空氣界面再次發生反射，重新返回屏蔽體內後產生多次反射。
電磁屏蔽效果可用屏蔽衰減來表示，屏蔽衰減代表干擾場強通過屏蔽體受到的衰減值。屏蔽衰減(單位：dB)定義爲：
式中，E1和H1爲入射到屏蔽體前電場強度和磁場強度，E2和H2從屏蔽體透過後的電場強度和磁場強度。
電磁屏蔽的吸收損耗和反射損耗的計算公式如下：
式中，A表示吸收損耗，R表示反射損耗，r表示屏蔽體與場源的距離，μ爲相對磁導率，σ爲相對電導率， f爲電磁波頻率。
從上述公式可以看出，隨着電磁波頻率的增加，吸收損耗所佔的比例隨之增加，而反射損耗所佔的比例隨之減少。因此，對於高頻電磁蔽，主要利用高電導率的金屬材料產生渦流，用以對外來電磁波產生抵消作用。對於低頻電磁波，通常可以採用具有高導磁率的材料，使磁力線限制在屏蔽體內部，防止電磁波擴散。
影響材料電磁屏蔽效能的因素包括材料的電導率、磁導率及厚度等。根據電磁屏蔽的機理，電磁屏蔽產品設計可以結合屏蔽的電磁波頻段，採取高導電率或高導磁率的材料進行開發，根據不同的應用場合和工藝來製作不同形態的電磁屏蔽材料，見表2。目前，電子信息產業廣泛應用的電磁屏蔽材料包括導電漿料、導電膠、導電塗料、導電漆、導電橡膠、導電布、導電泡棉、金屬絲網、透明導電膜等。
表2 電磁屏蔽原材料特性及應用場合
三、電磁屏蔽材料在基站上的應用
基站外殼一般是鋁合金壓鑄件，爲了實現整體的電磁輻射防護，需要在壓鑄件接縫處用導電硅膠條連接（見圖5）。導電硅膠條將鋁合金基站殼體形成一個連續的導電體，通過導電體的渦流效應和反射效應將電磁波限制在基站內部，從而防止電磁波泄露造成輻射。對於5G高頻通信而言，導電硅膠條的電磁屏蔽效能主要是通過渦流效應來實現，材料的導電性越強渦流效應越明顯，因而，要想提高電磁屏蔽效能，需要材料具有更高的導電性。除了導電性以外，導電硅膠條要滿足特定的機械性能才能滿足實際應用需要，例如基站集成商對拉伸強度、撕裂強度、斷裂伸長率、壓縮永久形變等都有嚴格的要求。室外基站的工作環境是較爲惡劣的，如較長時間的高溫、嚴寒、潮溼及腐蝕性環境，都可能造成導電材料性能惡化，因此導電硅膠條必須能夠經受嚴格的環境老化測試。
圖5 電磁屏蔽硅膠條在基站中的應用
除了採用導電膠條對基站殼體進行整體屏蔽以外，基站內部也需要對電子元器件進行局部的電磁屏蔽處理，以防止信號的相互干擾。現場成型工藝（Form in place,簡稱FIP）可以精準地將導電膠塗在所需部位，工藝簡單，可以在複雜表面成型，材料利用率高，非常適合基站設備的局部電磁防護。如圖6所示，採用FIP工藝將導電膠塗在所需部位，固化後形成既導電又具有彈性的“圍牆”，從而起到局部屏蔽的作用。
圖6 FIP工藝及其在基站上的應用
通信基站常用的電磁屏蔽材料包括電磁屏蔽密封條、電磁屏蔽導電膠、電磁屏蔽襯墊等，國際上相關企業包括萊爾德、諾蘭特、固美麗等，國內企業如中石科技、飛榮達。在產品性能上，國外企業長期壟斷了中高端電磁屏蔽產品市場，國內企業的產品性能相對較差，一般用於中低端產品上。另外，國內企業的研發實力和技術創新能力不足，對終端廠商日益提高的性能需求無法滿足。例如，5G高頻電磁波的屏蔽對材料的導電性提出了更高的需求，同時用戶對膠條的拉伸性等也有新的要求。總體上講，國內材料廠商的技術開發水平尚亟待提高。
對於高頻電磁波，材料的導電性越好，產生的反向渦流就會越大，從而削弱高頻電磁場的干擾。因此，高頻電磁屏蔽材料開發的一般思路是提高材料的導電性，可以通過增加導電體含量或提高導電粉體電導率的方式提高材料的導電性。然而，導電粉體的導電性提高有自身瓶頸，同時考慮到材料粘度及成本的限制，導電粉體的添加量也不能太高。根據電磁屏蔽吸收損耗公式，吸收損耗與電導率和磁導率正相關，因此採用高磁導率的原材料也是一種有效可行的方案。例如，金屬鎳的導電性比銀等貴金屬材料差一些，但該材料的磁導率相對比較高，採用鎳系粉體開發的材料也具和銀基材料相當的屏蔽效能。
德樸科技（深圳）有限公司所製備的電磁屏蔽硅膠條是有機硅膠泡棉一種中等密度，硅膠閉合發泡產品，具有較高的拉伸性，旨在提供環境穩定，阻燃性能，用於高性能密封保溫，絕緣和阻尼應用。產品 提供的耐壓縮變形，符合航空 航天、軌道交通、軍事和電子應用領域 對煙霧，火焰和毒性有極其嚴格要求。 產品本身具有良好的耐環境性能，是室 內外高密封應用的選擇，且形變恢復後電阻基本保持不變。
四、5G電磁屏蔽材料開發展望
一代材料成就一代產業。隨着近年來我國在移動通信領域確立的領先地位，以華爲公司爲代表的企業在技術、標準等方面確立了話語權，國內材料及器件廠商開始搶佔先機，爲華爲等公司進行材料的定製開發，爲我國電子新材料的發展提供了良好的機遇。
近年來，在與行業客戶技術交流的過程中，對未來5G領域電磁屏蔽材料的開發方向有一些粗淺的認識，總結如下：
（1）釐米波和毫米波的廣泛應用，要求電磁屏蔽材料向寬頻化方向發展，要求能夠覆蓋中低頻和高頻電磁波的屏蔽；
（2）未來通信基站和電子元器件的體積變小，要求電磁屏蔽材料具有輕量化、超薄化特性；
（3）出於對生命和健康的重視，越來越多的電子設備需要進行電磁防護，電磁屏蔽的標準更加嚴格，屏蔽效能要求更高；
（4）從設計和製造的角度來講，電磁屏蔽材料的加工工藝應更爲簡單，性價比高，適合大批量生產。
