5G通信基站电磁屏蔽材料及应用

5G通信电磁波包含FR1和FR2两个频段,其中,FR1频率范围是450MHz~6GHz,FR2频率范围是24.25~52.6GHz。FR2频段属于毫米波范畴,该频段电磁波在空气中的衰减快,需要采取超密集组网的方式实现网络连续覆盖。

未来小微基站将会在人员密集的场所进行部署,为了防止电磁辐射危害人身健康,对基站进行电磁屏蔽处理非常重要。本文简要介绍了电磁屏蔽的机理及常见的电磁屏蔽材料,着重分析了通信基站电磁屏蔽的处理方法及相关材料,并对未来电磁屏蔽材料开发趋势进行了简要总结。

一、移动通信发展背景

移动通信是电信产业的一场革命,它将网络终端从固定场所延伸到个人,人们可以随时随地通过移动设备处理和传递信息。移动通信的出现使人与人之间的信息沟通及传送更加及时、紧密、频繁,人们的生产和生活方式发生了革命性的变化。在物联网时代,传统的人与人之间的通信已经无法满足生产生活的需求,人与物、物与物之间的通信将变得越来越重要和频繁。
 
自1973年美国摩托罗拉公司前高管Martin Cooper打通史上第一个移动电话,移动通信已经有46年的历史了。第一代商用移动通信始于20世纪70年代末至80年代初,当时只能实现简单的模拟语音通信,在中国就是大家熟知的“大哥大”。

而后,移动通信大致每隔10年就会进行一次升级换代。经过40多年的发展,手机的形态和功能发生了翻天覆地的变化。从一定意义上讲,手机的发展史就是一部波澜壮阔的移动通信史。目前,全球主要国家都在加快推进5G商用步伐,2019年10月31日,我国也正式宣布启动5G商用。

图1 移动通信发展历程

5G通信将会给人类带来哪些前所未有的体验?国际电信联盟(ITU)描绘了5G通信的三大应用场景:增强移动宽带、大规模机器通信和低时延高可靠通信。相对于4G移动通信技术5G通信应用端最大的改变是从人与人之间的通信走向人与物、物与物之间的通信。在5G时代,人们可以享受超高的网络速率,物联网、智慧社区能够真正实现,工业互联网和自动驾驶也将走进现实。
 
5G通信并不单纯地强调峰值传输速率,而是综合考虑了八大性能指标:峰值速率、用户体验速率、频谱效率、移动性、时间延迟、连接数密度、能效和能量密度,如图2所示。在以上关键性能指标上,5G通信全面超越4G通信。

图2 IMT-2020性能关键指标(数据来源于3GPP)
 
根据3GPP对5G频率范围的定义,5G通信包含了FR1和FR2两个频段:FR1(即Sub-6GHz)频率范围是450MHz~6GHz,FR2(即Above-6GHz)频率范围是24.25~52.6GHz。根据上述规定,FR2频段电磁波波长范围是5.7~12.4mm,属于毫米波的范畴。高频毫米波频谱带宽大,这是5G能够实现高速率传输的原因之一。

然而,毫米波的波长较短、绕射能力差,信号的空间衰减非常严重。要实现5G通信商业化应用,一方面需要部署更多的基站来解决信号衰减的问题,另一方面需要采用高频和中低频联合组网的方式来满足用户的不同需求。

在5G时代,为了满足更高的移动数据需求,5G网络的无缝覆盖和深度覆盖将更加依赖于小型化基站的部署。小微基站的辐射半径从几十米到数千米不等,未来在人流密集区域如商场、车站、机场、企业等区域,都将会大量部署小微基站。表1为各类基站及应用场景概况。
 
表1 基站的类型及应用场景

通信基站又称无线基站,是实现信息化的战略性基础设施。根据工业和信息化部发布的数据,截至2018年9月,我国移动通信基站数量为639万个,未来5G超密集组网将会部署更多的基站。在移动通信基站的建设和运行过程中,电磁辐射成为人们关注的焦点。

基站工作时,电磁波信号由发射天线向空间发送,发射天线是基站电磁辐射的根源。电磁辐射关切到民众健康,世界各国对基站的电磁防护都有严格的规定。由于人们对基站电磁防护细节并不知情,常常会“谈基站色变”,近年来多地发生过阻挠基站架设及破坏基站的极端案例(见图3)。

图3 公众对基站辐射的担忧及破坏示例
 
我国法律规定,移动通信基站建设必须符合《电磁辐射防护规定》与《环境电磁波卫生标准》的要求,电场强度只有符合小于每米12V或功率密度小于40mW/cm2的上限要求时,才算符合安全标准。2019年1月1日,生态环境部颁发的《移动通信基站电磁辐射防护监测方法》正式生效,凸显国家对基站电磁防护的高度重视。目前,全球正在加快推动部署5G移动通信商用,移动通信基站及应用终端的电磁屏蔽处理工作尤为迫切。
 
二、电磁屏蔽机理及产品设计基本原则

电子设备工作时,既不希望被外界电磁波干扰,又不希望自身辐射出电磁波干扰外界设备,以及危害人体健康,所以需要阻断电磁波的传播路径,这就是电磁屏蔽。电磁波在空间传播时的衰减主要是基于电磁波的反射和吸收:

    (1)电磁波传播到屏蔽体表面时,由于空气与屏蔽体界面处波阻抗发生突变,电磁波产生了反射;

    (2)电磁波通过金属材料表面后,金属材料会由于感应电动势形成涡流,涡流磁场与原来磁场方向相反、相互抵消,从而实现屏蔽作用,也就是吸收损耗;

    (3)在屏蔽体内未衰减掉的电磁波,传播到屏蔽体另一表面时,遇到阻抗突变的金属-空气界面再次发生反射,重新返回屏蔽体内后产生多次反射。

图4 电磁屏蔽机理示意图
 
电磁屏蔽效果可用屏蔽衰减来表示,屏蔽衰减代表干扰场强通过屏蔽体受到的衰减值。屏蔽衰减(单位:dB)定义为:

式中,E1和H1为入射到屏蔽体前电场强度和磁场强度,E2和H2从屏蔽体透过后的电场强度和磁场强度。
 
电磁屏蔽的吸收损耗和反射损耗的计算公式如下:

式中,A表示吸收损耗,R表示反射损耗,r表示屏蔽体与场源的距离,μ为相对磁导率,σ为相对电导率, f为电磁波频率。

从上述公式可以看出,随着电磁波频率的增加,吸收损耗所占的比例随之增加,而反射损耗所占的比例随之减少。因此,对于高频电磁蔽,主要利用高电导率的金属材料产生涡流,用以对外来电磁波产生抵消作用。对于低频电磁波,通常可以采用具有高导磁率的材料,使磁力线限制在屏蔽体内部,防止电磁波扩散。

影响材料电磁屏蔽效能的因素包括材料的电导率、磁导率及厚度等。根据电磁屏蔽的机理,电磁屏蔽产品设计可以结合屏蔽的电磁波频段,采取高导电率或高导磁率的材料进行开发,根据不同的应用场合和工艺来制作不同形态的电磁屏蔽材料,见表2。目前,电子信息产业广泛应用的电磁屏蔽材料包括导电浆料、导电胶、导电涂料、导电漆、导电橡胶、导电布、导电泡棉、金属丝网、透明导电膜等。
 
表2 电磁屏蔽原材料特性及应用场合

三、电磁屏蔽材料在基站上的应用

基站外壳一般是铝合金压铸件,为了实现整体的电磁辐射防护,需要在压铸件接缝处用导电硅胶条连接(见图5)。导电硅胶条将铝合金基站壳体形成一个连续的导电体,通过导电体的涡流效应和反射效应将电磁波限制在基站内部,从而防止电磁波泄露造成辐射。

对于5G高频通信而言,导电硅胶条的电磁屏蔽效能主要是通过涡流效应来实现,材料的导电性越强涡流效应越明显,因而,要想提高电磁屏蔽效能,需要材料具有更高的导电性

除了导电性以外,导电硅胶条要满足特定的机械性能才能满足实际应用需要,例如基站集成商对拉伸强度、撕裂强度、断裂伸长率、压缩永久形变等都有严格的要求。室外基站的工作环境是较为恶劣的,如较长时间的高温、严寒、潮湿及腐蚀性环境,都可能造成导电材料性能恶化,因此导电硅胶条必须能够经受严格的环境老化测试。

图5 电磁屏蔽硅胶条在基站中的应用
 
除了采用导电胶条对基站壳体进行整体屏蔽以外,基站内部也需要对电子元器件进行局部的电磁屏蔽处理,以防止信号的相互干扰。现场成型工艺(Form in place,简称FIP)可以精准地将导电胶涂在所需部位,工艺简单,可以在复杂表面成型,材料利用率高,非常适合基站设备的局部电磁防护。如图6所示,采用FIP工艺将导电胶涂在所需部位,固化后形成既导电又具有弹性的“围墙”,从而起到局部屏蔽的作用。

图6 FIP工艺及其在基站上的应用
 
通信基站常用的电磁屏蔽材料包括电磁屏蔽密封条、电磁屏蔽导电胶、电磁屏蔽衬垫等,国际上相关企业包括莱尔德、诺兰特、固美丽等,国内企业如中石科技、飞荣达

在产品性能上,国外企业长期垄断了中高端电磁屏蔽产品市场,国内企业的产品性能相对较差,一般用于中低端产品上。另外,国内企业的研发实力和技术创新能力不足,对终端厂商日益提高的性能需求无法满足。例如,5G高频电磁波的屏蔽对材料的导电性提出了更高的需求,同时用户对胶条的拉伸性等也有新的要求。总体上讲,国内材料厂商的技术开发水平尚亟待提高。
 
对于高频电磁波,材料的导电性越好,产生的反向涡流就会越大,从而削弱高频电磁场的干扰。因此,高频电磁屏蔽材料开发的一般思路是提高材料的导电性,可以通过增加导电体含量或提高导电粉体电导率的方式提高材料的导电性。

然而,导电粉体的导电性提高有自身瓶颈,同时考虑到材料粘度及成本的限制,导电粉体的添加量也不能太高。根据电磁屏蔽吸收损耗公式,吸收损耗与电导率和磁导率正相关,因此采用高磁导率的原材料也是一种有效可行的方案。例如,金属镍的导电性比银等贵金属材料差一些,但该材料的磁导率相对比较高,采用镍系粉体开发的材料也具和银基材料相当的屏蔽效能。
 
北京中科纳通电子技术有限公司(以下简称“中科纳通公司”)是一家中科院技术背景的电子材料企业,2017年开始布局开发电磁屏蔽浆料和导电胶等产品,主要应用于通信基站和移动终端。

在消费电子领域,在导电浆料开发的基础上,提出了片粉与球粉复合共混的技术路线,主要机理是:片粉和球粉具有不同的比表面积和形状,这两种不同尺寸和形状的粒子在混合时,能够最大程度地增加导电通道和堆积密度。与此同时,通过树脂载体和添加剂的配合,进一步实现导电体之间更加紧密的结合,降低了界面接触电阻,从而最终实现其导电性的大幅提升。

另外,片状粉体被高弹性树脂包裹后,在拉伸时会发生可逆的形变,从而在拉伸恢复后不会改变导电粉体的搭接状态,因而,中科纳通公司所制备的电磁屏蔽硅胶条具有较高的拉伸性,且形变恢复后电阻基本保持不变(见图7)。
 
图7 中科纳通公司制备的电磁屏蔽硅胶条的拉伸及电阻恢复曲线
 
四、5G电磁屏蔽材料开发展望

一代材料成就一代产业。随着近年来我国在移动通信领域确立的领先地位,以华为公司为代表的企业在技术、标准等方面确立了话语权,国内材料及器件厂商开始抢占先机,为华为等公司进行材料的定制开发,为我国电子新材料的发展提供了良好的机遇。
 
近年来,中科纳通在与行业客户技术交流的过程中,对未来5G领域电磁屏蔽材料的开发方向有一些粗浅的认识,总结如下:

(1)厘米波和毫米波的广泛应用,要求电磁屏蔽材料向宽频化方向发展,要求能够覆盖中低频和高频电磁波的屏蔽;

(2)未来通信基站和电子元器件的体积变小,要求电磁屏蔽材料具有轻量化、超薄化特性;

(3)出于对生命和健康的重视,越来越多的电子设备需要进行电磁防护,电磁屏蔽的标准更加严格,屏蔽效能要求更高;

(4)从设计和制造的角度来讲,电磁屏蔽材料的加工工艺应更为简单,性价比高,适合大批量生产。


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本文作者2020-6-28 11:55
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