5G通信電磁屏蔽技術(shù)研究綜述

梁訓(xùn)波 魯承金 張超 趙蕓

關(guān)鍵詞 5G通信 電磁屏蔽 電磁效能

1引言

在第四次工業(yè)革命的浪潮中，通信技術(shù)逐漸成為推動電信產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的主要動力，它使網(wǎng)絡(luò)終端能夠靈活、便捷地應(yīng)用于各種場景。這不僅極大改善了人與人之間的通信方式，使得信息能夠快速、及時完成傳輸與處理，而且有助于提高生產(chǎn)效率。從整體規(guī)律來看，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)基本延續(xù)了“十年一代”的發(fā)展規(guī)律[1] 。經(jīng)過1G 到4G 的發(fā)展，不僅解決了隨時隨地通信的問題，同時還創(chuàng)造了繁榮的互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟。而在如今這個萬物互聯(lián)的信息時代，隨著人工智能、自動駕駛、遠程醫(yī)療等新興行業(yè)的快速發(fā)展，人與物、物與物之間的信息實時、準(zhǔn)確的傳輸已經(jīng)成為提高生產(chǎn)力不可或缺的重要環(huán)節(jié)[2] 。為了滿足海量移動數(shù)據(jù)的高效傳輸要求，第5 代移動通信網(wǎng)絡(luò)（即5G 技術(shù)）應(yīng)運而生。

相比于前幾代的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，5G 技術(shù)最顯著的特點及優(yōu)勢主要包括傳輸效率高、時延低、大連接等，并已逐漸成為支撐萬物互聯(lián)、經(jīng)濟社會數(shù)字化、智能化的基礎(chǔ)設(shè)施[3] 。與此同時，隨著電子設(shè)備集成度以及時鐘頻率快速提升，導(dǎo)致小型電子設(shè)備及大型儀器等通信設(shè)施很容易受到較為嚴(yán)重的電磁干擾。如何利用電磁信號完成信息傳輸?shù)耐瑫r避免無效信號的干擾，從而達到“兼容并畜”的目的，為芯片封裝，天線系統(tǒng)設(shè)計等諸多領(lǐng)域提出了新的要求與挑戰(zhàn)，也逐漸成為通信技術(shù)發(fā)展過程中不可忽視的重要挑戰(zhàn)[4] 。

25G 移動通信技術(shù)的特征及發(fā)展現(xiàn)狀分析

5G 技術(shù)是4G 技術(shù)的延續(xù)性發(fā)展產(chǎn)物，它將整個通信系統(tǒng)化整為零，分成各個小型的蜂窩模塊[5] ，從而達到了區(qū)域頻道共享的目的。其好處是可以有效提高數(shù)據(jù)傳輸效率。相較于前幾代通信技術(shù)，5G 技術(shù)最為顯著的特點可以總結(jié)為如下幾個方面。（1）高擴展性。5G 技術(shù)完成了對前幾代傳統(tǒng)通信技術(shù)資源的整合，在有效擴大信號覆蓋范圍的同時，提升了信號頻率。（2）高效性。5G 技術(shù)能夠有效提高信息的傳輸效率，保證海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝砸约翱煽啃浴?/p>

（3）低延遲。5G 技術(shù)能夠明顯降低信息在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中的延遲，滿足用戶對高質(zhì)量信息服務(wù)的需求，提升體驗感。

由于5G 技術(shù)對眾多軍事或民用領(lǐng)域的發(fā)展起到關(guān)鍵性的作用，目前其已成為國內(nèi)外通信領(lǐng)域各專家學(xué)者及各個企業(yè)的重點研究方向。早在2013 年年初，歐盟就開啟了對5G 項目進行全面研究的新征程。此外，韓國成立了關(guān)于5G 技術(shù)的發(fā)展論壇。與此同時，我國也積極成立了5G 推進小組，并將相關(guān)重點研究方向列入“863 研究計劃”，從而有效推動5G 技術(shù)的發(fā)展[6] 。據(jù)統(tǒng)計，截至2021 年6 月，我國建成的5G 基站數(shù)量大約為96 萬個，已經(jīng)基本實現(xiàn)了大中型城市5G 信號的全覆蓋，對于其他城鎮(zhèn)，將通過中低頻聯(lián)合組網(wǎng)等技術(shù)手段進行進一步的延伸與完善[7] 。

3電磁屏蔽原理

通常而言，電子設(shè)備在工作時應(yīng)避免受到外界各種電磁設(shè)備的干擾，以保證其能正常進行信息接收與處理，同時還應(yīng)該盡量減少自身的電磁輻射，以避免對操作者的身體帶來危害[8] 。因此，采取一定手段阻斷或減弱電磁的傳播路徑非常有必要，電磁屏蔽的機理如圖1 所示。

按照電磁波衰減機理來劃分，電磁屏蔽通常可以分為三種不同形式。（1）入射波在材料表面（即第一界面）的反射衰減，即在屏蔽材料表面，由于傳播介質(zhì)不同，導(dǎo)致傳播過程中波阻抗產(chǎn)生變化，使部分電磁波信號反射，導(dǎo)致衰減。（2）入射到材料內(nèi)部的吸收衰減。當(dāng)部分電磁波透過屏蔽材料表面進入其內(nèi)部時，金屬材料回由于感應(yīng)產(chǎn)生與原來相反的磁場，從而起到抵消與削弱電磁波的作用。該現(xiàn)象被稱為吸收損耗。（3）入射到材料內(nèi)部的反射衰減。與反射衰減類似，當(dāng)沒有被衰減的電磁波傳到第二界面時，由于傳播介質(zhì)再次發(fā)生改變，導(dǎo)致部分電磁波發(fā)生反射，重新返回到屏蔽體內(nèi)。

此外，對于電磁屏蔽效果的好壞，通常可以通過屏蔽效能（Shielding Effectiveness， SE） 來量化表示。所謂屏蔽效能指的是電磁信號在通過屏蔽材料后的入射波或反射波的衰減值，其具體值可通過如下公式進行計算。

通過公式（2）和（3）可以看出，電磁屏蔽的吸收損耗和反射損耗都與頻率有著密切聯(lián)系，即當(dāng)頻率增加時，吸收損耗增大而反射損耗減小。因此，對于不同的電磁波應(yīng)根據(jù)實際情況選擇不同的屏蔽材料，如當(dāng)信號頻率較低時，可選擇磁導(dǎo)率較高的材料進行防護，從而有利于將磁力線限制在屏蔽材料內(nèi)部，減少電磁擴散。與此相反，如果頻率較高，則可選擇電導(dǎo)率較高的材料，如金屬等，從而產(chǎn)生渦流，以抵消外部電磁信號的干擾。

4電磁屏蔽技術(shù)在5G 基站上的應(yīng)用與現(xiàn)狀

首先，在5G 基站中為了滿足電磁屏蔽需求，應(yīng)對基站的外殼進行處理。目前，對于基站外殼的電磁屏蔽技術(shù)處理已經(jīng)逐步成熟。常規(guī)基站的外殼通常是鋁合金壓鑄件，因此為了能夠提高整體的屏蔽防護效果，通常使用導(dǎo)電硅膠條來實現(xiàn)壓鑄件接縫處的連接。導(dǎo)電硅膠條的主要作用是能夠使基站的外殼形成一個完整、連續(xù)的導(dǎo)體，從而通過導(dǎo)體與介質(zhì)之間的反射效應(yīng)以及渦流效應(yīng)，將所需的電磁波充分、有效地限制在基站的內(nèi)部，并進一步避免由于電磁泄漏導(dǎo)致的輻射。

而對于高頻的5G 信號，利用導(dǎo)電硅膠條實現(xiàn)電磁屏蔽的主要原理是借助渦流效應(yīng)來提升電磁屏蔽效能。當(dāng)基站外殼的導(dǎo)電性能越好時，渦流效應(yīng)則會愈發(fā)明顯，進而屏蔽效能也越高。除此之外，為了使導(dǎo)電硅膠條能夠在不同的應(yīng)用場景中正常工作，其材料在諸如斷裂伸長率、撕裂強度、壓縮永久形變等物理特性方面也應(yīng)具有較好的性能[9] 。同時，由于基站通常暴露在外界環(huán)境，因此往往會受到晝夜溫差、潮濕等不同環(huán)境的影響。因此，導(dǎo)電硅膠條的材料還應(yīng)滿足老化測試需求。

其次，為了保證良好的電磁屏蔽性能，對于5G 基站，除了需要滿足上述一系列外殼的要求外，基站內(nèi)部所用的相關(guān)元件也應(yīng)滿足電磁屏蔽的基本需求，以防止不同元器件之間相互干擾。目前比較成熟的主要技術(shù)為現(xiàn)場成型工藝（Form in place，F(xiàn)IP）技術(shù)，該技術(shù)的主要特點是可以把用于電磁屏蔽的導(dǎo)電膠準(zhǔn)確涂抹在各個元器件的相關(guān)部位，不僅處理工藝簡單，易于操作，而且可以完成復(fù)雜表面的精確涂抹，形成防護“圍墻”，進一步實現(xiàn)良好的屏蔽性能。

隨著通信技術(shù)的不斷迭代與發(fā)展，不同企業(yè)、用戶對電磁屏蔽提出了更高、更明確的性能要求。例如，高頻5G 信號對導(dǎo)電硅膠條的拉伸性就提出了更高的要求。其主要原因是，雖然對于高頻的電磁信號而言，導(dǎo)電材料的性能越好形成的反向渦流越大，從而能夠更好削弱磁場干擾，但是在實際的應(yīng)用中，導(dǎo)電材料的導(dǎo)電性能提升具有一定的局限性。通過在材料中加入導(dǎo)電粉可以提升材料的導(dǎo)電性，但一方面導(dǎo)電粉的成本較高，會受到經(jīng)濟的限制，另一方面當(dāng)導(dǎo)電材料中的導(dǎo)電粉加入過多時，對材料的黏度以及拉伸性也具有較大影響，從而在一定程度上制約了材料的實用性。

5總結(jié)與展望

隨著我國通信技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，在以華為為代表的高科技公司及研究所、高等院校的帶領(lǐng)下，我國在5G 技術(shù)的諸多方面已經(jīng)處于世界領(lǐng)先地位，這也為電磁屏蔽提出了更高的要求。為了避免基站電磁輻射的影響以及其內(nèi)部各元器件之間的電磁干擾，對于電磁屏蔽技術(shù)的研究也變得愈發(fā)重要。針對5G 技術(shù)中的電磁屏蔽問題，本文首先詳細闡述了5G移動通信技術(shù)的特征及發(fā)展現(xiàn)狀，分析了電磁屏蔽的基本原理。同時，詳細闡述了電磁屏蔽技術(shù)在5G 基站上的應(yīng)用現(xiàn)狀，對5G 通信中電磁屏蔽技術(shù)的發(fā)展具有一定的參考價值。