4G基站辐射防护板材设计及其电磁污染控制特性

陈伟鹏，郝万军，何 楠，李兴超，栗 志

(1.海南大学 材料与化工学院，海南 海口 570228； 2.海南大学 海南热带岛屿资源先进材料教育部重点实验室，海南 海口 570228)

1 引 言

随着科学技术的发展，电磁辐射污染不断加剧[1-2]。尤其是进入4G时代，基站增多且普遍靠近人们的生活区域，担忧辐射的舆论和争议广泛存在[3-4]，但却一直没有有效的解决方法和防护措施。4G网络频段是1.88～2.66GHz，其辐射机理与微波炉发出微波(2.45GHz)的机理相类似，对生物体危害主要有波热效应和生化效应[5-6]。目前，吸波材料的研究主要针对8～18GHz频段[7-8]，因此针对基站辐射防护的研究就更为迫切。

采用电磁波吸收性建筑材料进行电磁污染控制是当前非常有效的手段。考虑到4G基站皆在户外以及成本因素，传统的水泥、石膏、铁氧体等厚重吸波材料无法满足实际需要，因此将电磁波吸收体制备成轻质建筑隔热板材具有广阔应用前景[9]。膨胀珍珠岩相对密度小，质量轻，隔音和隔热效果优异，且无毒不易燃烧，是常用的无机填料之一[10]；环氧树脂耐高温、阻燃、耐腐蚀及强度质量比优异，是制备复合材料的理想原料[11]，本研究根据材料的阻抗匹配设计，利用电阻膜复合，采用环氧树脂/珍珠岩复合材料，制备出具有优异电磁吸收性能、轻质、高强、阻燃和价廉的4G基站辐射防护板材。

2 多层结构吸波材料的吸波原理

吸收量S=20Log10|Γ|(单位：dB)

(1)

图1 多层组合设计Fig.1 Multilayer composite design

3.1 基础复合材料的制备

考虑轻质、高强、耐高温、耐腐蚀以及成本因素，选择了环氧树脂/珍珠岩复合材料制备电磁污染控制板材。综合考虑保温、隔音、质轻及强度因素，实验中珍珠岩的掺入量在20%～40%较为适宜[14-15]。

将市售的E44环氧树脂和其配套的固化剂以质量比为1∶1的比例添加，再加入适量的稀释剂搅拌混合，最后加入一定量的珍珠岩(P-80)混合均匀后将适量的混合浆料浇入18×18×10mm的模具中，常温下成型，得到环氧树脂/珍珠岩复合板材，试样编号及配比如表1所示。

表1 样品配比参数Table 1 Sample recipe formula

3.2 珍珠岩/环氧树脂复合材料的电磁参数测试

材料电磁参数是吸波性能的决定因素之一，故本研究首先对吸波体材料的介电常数进行分析。对于介电材料其复介电常数一般采用同轴管方法测试，但珍珠岩/环氧树脂吸波体由于珍珠岩颗粒较大，整体复合材料无法制备成同轴管样品直接测试，因此分别制备成λ/4结构吸波体[16]进行复介电常数理论反演进行参数确定[17]。

将市售金属膜、粘结剂、自制电阻膜[18]及珍珠岩/环氧树脂复合材料介质层制备成λ/4结构吸波体，其中复合介质层厚度为9mm，电阻膜阻值为380Ω/□，电阻膜厚度为0.1mm，粘结剂层厚度为0.9mm。采用AV3629D矢量网络分析仪吸波测试系统按照平板反射法测试各样品的电磁波吸收性能。

λ/4结构吸波体的实验与模拟吸收曲线如图2所示。通过理论计算可以得出样品B、C、D的平均介电常数分别为3.18～0.31j，3.38～0.38j和3.45～0.42j。数据表明材料的介电常数随着珍珠岩掺入量的增大而增大。计算模拟得到的复介电常数只是这一频段的平均复介电常数，但一般来讲，普通介电复合材料在这一频段复介电常数波动不大[19]，因此可以将此结果用于吸波体的设计并从实验上进一步验证。

图2 样品B(a), C(b)和D(c)吸收曲线的实验值和理论模拟曲线Fig.2 Experimental curves and corresponding theoretical simulation of sample B, C and D

考虑制备便捷和推广的因素，结构吸波体中每一层复合介质层的厚度为9mm(与市售的建筑板材规格一致)。根据阻抗匹配原理，吸波体最表面的输入阻抗Zk与自由空间的阻抗Z0(377Ω)达到阻抗匹配，同时层界面的输入阻抗和层的本征阻抗尽可能相近，才能达到优异的吸波效果[13]。基于λ/4吸波模型[16]，利用式(1)、(2)和(3)，模拟计算了双层双膜结构吸波体分别在1.88和2.66GHz的R1-R2-S等吸收线关系图。

由图可知，在0～1000Ω范围内，随着各层阻值的增加，双层双膜结构吸波体的吸波能力逐渐增强。当R1=200Ω，R2≥800Ω时，大部分区域都有-10dB左右的吸收效果。随着R2 的阻值增大而逐渐增强，材料界面的输入阻抗和层的本征阻抗更为匹配，所以双层双膜结构吸波体的吸波能力增强。综合考虑吸波能力和电阻膜的制备，选择电阻膜的阻值为1000Ω/□和200Ω/□。

图3 吸收量S(dB)与R1，R2的关系： (a) f=1.88GHz和(b) f=2.66GHz(样品B)；(c) f=1.88GHz和(d) f=2.66GHz(样品C)； (e) f=1.88GHz和(f) f=2.66GHz(样品D)Fig.3 Relationship of absorption S to R1 and R2: (a) f=1.88GHz and (b) f=2.66GHz(for sample B) ,(c) f=1.88GHz and (d) f=2.66GHz (for sample C) and (e) f=1.88GHz and f) f=2.66GHz (for sample D)

5 4G吸波材料制备及特性分析

将制备的炭黑电阻膜(A:1000Ω/□和B:200Ω/□)、珍珠岩/环氧树脂板材(其中环氧树脂作为粘接剂)以及市售金属铝膜采用普通粘结剂按照图4所示复合，即可制得吸波体。吸波体总厚度为20mm。复合吸波体的等效电路图如图5所示。

图4 复合吸波体模型Fig.4 Composite absorber model

图5 复合吸波体的等效电路图Fig.5 Equivalent circuit for composite absorber model

图6为各样品复合炭黑电阻膜所得吸波体的反射率曲线。从图可见，三个样品的反射率曲线的峰值、峰位及走势均相似，所有样品在1.88～4GHz均有低于-9dB的吸收，吸收效果十分明显。其中，样品C在1.88～2.7GHz均有低于-10dB的吸收，且样品C在整个S带(2～4GHz)也均有低于-10dB的吸收。从图可知，珍珠岩的掺入量几乎不影响结构吸波体的吸波效果，适当的掺入量促使双层双模结构吸波体的吸波曲线峰位略微前移，在低频部分往下移，使整个4G频段都可有-10dB的吸收。整体实验也表明，在大结构颗粒掺杂的复合材料体系情况下，材料复介电常数无法通过传统的同轴管方法测试，而采用λ/4结构吸波体复介电常数反演的方式则是可行的，实验达到了预期的效果，也成功实现了4G辐射防护板材的制备。综合考虑，样品C的性价比最好。

图6 结构吸波体反射率曲线Fig.6 Reflectivity curves of absorbing structure

6 结 论

本研究采用珍珠岩/环氧树脂复合材料结合电阻膜设计了双层双膜结构的吸波体，成功实现了4G移动基站辐射防护板材料的制备；新材料在4G频段(1.88～2.7GHz)均有低于-10dB的吸收；且在整个S带(2～4GHz)也均有低于-10dB的吸收，对4G网络以及S带的电磁波辐射有优异的防护作用。