5G通信基站电磁屏蔽材料及应用

徐文涛 刘 旭 李义香 殷文钢

1.北京中科纳通电子技术有限公司；2.摩尔材料研究院

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与传送更加及时、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要，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，移动通信距今已经有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，在我国就是大家熟知的“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，图1为近40年来移动通信的发展历程概况。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。

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、智慧社区能够真正得以实现，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、能效和流量密度，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1 移动通信发展历程

图2 IMT-2020性能关键指标（数据来源于3GPP）

根据第三代合作伙伴计划（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）的频率范围是 450MHz～6GHz，FR2（即 Above-6GHz）的频率范围是24.25～52.6GHz。根据上述规定，FR2频段电磁波的波长范围是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。

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，我国移动通信基站的数量为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。通信基站工作时，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。电磁辐射关系到民众健康，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）。

表1 基站的类型及应用场景

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12V/m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，这凸显了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，其反应机理如图4所示。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3 公众对基站辐射的担忧及破坏示例

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（单位为dB）的定义为：

式中，E1和H1为入射到屏蔽体前的电场强度和磁场强度；E2和H2为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，对于高频电磁波，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磁导率的材料，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，采取高电导率或高磁导率的材料进行开发，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、金属丝网及透明导电膜等。

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）。导电硅胶条使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，从而防止电磁波泄漏造成辐射。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，基站外壳材料需要具有更高的导电性。除了导电性以外，导电硅胶条只有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较为恶劣，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的恶化，因此导电硅胶条必须能够经受严格的环境老化测试。

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，FIP）可以精准地将导电胶涂在所需部位，具有工艺简单、可以在复杂表面成型及材料利用率高等特点，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，导电胶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。

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，国内企业包括中石科技、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。另外，国内企业的研发实力和技术创新能力不足，无法满足终端厂商日益提高的性能需求。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性能也有新的要求。总体上讲，国内材料厂商的技术开发水平亟待提高。

图5 电磁屏蔽硅胶条在基站中的应用

图6 FIP工艺及其在基站上的应用

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，技术人员可以通过增加导电体含量或提高导电粉体电导率的方式实现这一要求。然而，导电粉体的导电性提高有自身瓶颈，同时考虑到材料黏度及成本的限制，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呈正相关，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有与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”）是一家有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，公司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强的拉伸性，且形变恢复后其电阻值基本保持不变（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逐渐确立领先地位，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，以及我国电子新材料的发展提供了良好机遇。

近年来，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，并能够实现中低频和高频电磁波的屏蔽效能；

（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。