5G通信基站電磁屏蔽材料及應(yīng)用

5G通信基站電磁屏蔽材料及應(yīng)用 1.北京中科納通電子技術(shù)有限公司 2.摩爾材料研究院 摘要：5G通信電磁波包含F(xiàn)R1和FR2兩個頻段，其中，F(xiàn)R1頻率范圍是450MHz～6GHz，F(xiàn)R2頻率范圍是24.25～52.6GHz。FR2頻段屬于毫米波范疇，該頻段電磁波在空氣中的衰減快，需要采取超密集組網(wǎng)的方式實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連續(xù)覆蓋。未來小微 基 站將會在人員密集的場所進行部署，為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，著重分析了通信基站電磁屏蔽的處理方法及相關(guān)材料，并對未來電磁屏蔽材料開發(fā)趨勢進行了簡要總結(jié)。 關(guān)鍵詞：5G通信，基站，電磁屏蔽，導(dǎo)電漿料，導(dǎo)電硅膠條 一、移動通信發(fā)展背景 移動通信是電信產(chǎn)業(yè)的一場革命，它將網(wǎng)絡(luò)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(shè)備處理和傳遞信息。移動通信的出現(xiàn)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(chǎn)和生活方式發(fā)生了革命性的變化。在物聯(lián)網(wǎng)時代，傳統(tǒng)的人與人之間的通信已經(jīng)無法滿足生產(chǎn)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(jīng)有46年的歷史了。第 一代商用移動通信始于20世紀70年代末至80年代初，當時只能實現(xiàn)簡單的模擬語音通信，在中國就是大家熟知的“大哥大”。而后，移動通信大致每隔10年就會進行一次升級換代。經(jīng)過40多年的發(fā)展，手機的形態(tài)和功能發(fā)生了翻天覆地的變化。從一定意義上講，手機的發(fā)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，我國也正式宣布啟動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(lián)盟（ITU）描繪了5G通信的三大應(yīng)用場景：增強移動寬帶、大規(guī)模機器通信和低時延高可靠通信。相對于4G移動通信技術(shù)，5G通信應(yīng)用端較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(wǎng)絡(luò)速率，物聯(lián)網(wǎng)、智慧社區(qū)能夠真正實現(xiàn)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和自動駕駛也將走進現(xiàn)實。 5G通信并不單純地強調(diào)峰值傳輸速率，而是綜合考慮了八大性能指標：峰值速率、用戶體驗速率、頻譜效率、移動性、時間延遲、連接數(shù)密度、能效和能量密度，如圖2所示。在以上關(guān)鍵性能指標上，5G通信全面超越4G通信。 根據(jù)3GPP對5G頻率范圍的定義，5G通信包含了FR1和FR2兩個頻段：FR1（即Sub-6GHz）頻率范圍是450MHz～6GHz，F(xiàn)R2（即Above-6GHz）頻率范圍是24.25～52.6GHz。根據(jù)上述規(guī)定，F(xiàn)R2頻段電磁波波長范圍是5.7~12.4mm，屬于毫米波的范疇。高頻毫米波頻譜帶寬大，這是5G能夠?qū)崿F(xiàn)高速率傳輸?shù)脑蛑?。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(xiàn)5G通信商業(yè)化應(yīng)用，一方面需要部署更多的基站來解決信號衰減的問題，另一方面需要采用高頻和中低頻聯(lián)合組網(wǎng)的方式來滿足用戶的不同需求。在5G時代，為了滿足更高的移動數(shù)據(jù)需求，5G網(wǎng)絡(luò)的無縫覆蓋和深度覆蓋將更加依賴于小型化基站的部署。小微 基 站的輻射半徑從幾十米到數(shù)千米不等，未來在人流密集區(qū)域如商場、車站、機場、企業(yè)等區(qū)域，都將會大量部署小微 基 站。表1為各類基站及應(yīng)用場景概況。 通信基站又稱無線基站，是實現(xiàn)信息化的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施。根據(jù)工 業(yè) 和 信 息 化 部發(fā)布的數(shù)據(jù)，截至2018年9月，我國移動通信基站數(shù)量為639萬個，未來5G超密集組網(wǎng)將會部署更多的基站。在移動通信基站的建設(shè)和運行過程中，電磁輻射成為人們關(guān)注的焦點。基站工作時，電磁波信號由發(fā)射天線向空間發(fā)送，發(fā)射天線是基站電磁輻射的根源。電磁輻射關(guān)切到民眾健康，世界各國對基站的電磁防護都有嚴格的規(guī)定。由于人們對基站電磁防護細節(jié)并不知情，常常會“談基站色變”，近年來多地發(fā)生過阻撓基站架設(shè)及破壞基站的極端案例（見圖3）。 我國法律規(guī)定，移動通信基站建設(shè)必須符合《電磁輻射防護規(guī)定》與《環(huán)境電磁波衛(wèi)生標準》的要求，電場強度只有符合小于每米12V或功率密度小于40mW/cm2的上限要求時，才算符合安全標準。2019年1月1日，生態(tài)環(huán)境部頒發(fā)的《移動通信基站電磁輻射防護監(jiān)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(yīng)用終端的電磁屏蔽處理工作尤為迫切。 二、電磁屏蔽機理及產(chǎn)品設(shè)計基本原則 電子設(shè)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(shè)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于電磁波的反射和吸收： （1）電磁波傳播到屏蔽體表面時，由于空氣與屏蔽體界面處波阻抗發(fā)生突變，電磁波產(chǎn)生了反射； （2）電磁波通過金屬材料表面后，金屬材料會由于感應(yīng)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(xiàn)屏蔽作用，也就是吸收損耗； （3）在屏蔽體內(nèi)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(fā)生反射，重新返回屏蔽體內(nèi)后產(chǎn)生多次反射。 隨著電磁波頻率的增加，吸收損耗所占的比例隨之增加，而反射損耗所占的比例隨之減少。因此，對于高頻電磁蔽，主要利用高電導(dǎo)率的金屬材料產(chǎn)生渦流，用以對外來電磁波產(chǎn)生抵消作用。對于低頻電磁波，通常可以采用具有高導(dǎo)磁率的材料，使磁力線限制在屏蔽體內(nèi)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(dǎo)率、磁導(dǎo)率及厚度等。根據(jù)電磁屏蔽的機理，電磁屏蔽產(chǎn)品設(shè)計可以結(jié)合屏蔽的電磁波頻段，采取高導(dǎo)電率或高導(dǎo)磁率的材料進行開發(fā)，根據(jù)不同的應(yīng)用場合和工藝來制作不同形態(tài)的電磁屏蔽材料，見表2。目前，電子信息產(chǎn)業(yè)廣泛應(yīng)用的電磁屏蔽材料包括導(dǎo)電漿料、導(dǎo)電膠、導(dǎo)電涂料、導(dǎo)電漆、導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電布、導(dǎo)電泡棉、金屬絲網(wǎng)、透明導(dǎo)電膜等。 三、電磁屏蔽材料在基站上的應(yīng)用 基站外殼一般是鋁合金壓鑄件，為了實現(xiàn)整體的電磁輻射防護，需要在壓鑄件接縫處用導(dǎo)電硅膠條連接。導(dǎo)電硅膠條將鋁合金基站殼體形成一個連續(xù)的導(dǎo)電體，通過導(dǎo)電體的渦流效應(yīng)和反射效應(yīng)將電磁波限制在基站內(nèi)部，從而防止電磁波泄露造成輻射。對于5G高頻通信而言，導(dǎo)電硅膠條的電磁屏蔽效能主要是通過渦流效應(yīng)來實現(xiàn)，材料的導(dǎo)電性越強渦流效應(yīng)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(dǎo)電性。除了導(dǎo)電性以外，導(dǎo)電硅膠條要滿足特定的機械性能才能滿足實際應(yīng)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(huán)境是較為惡劣的，如較長時間的高溫、嚴寒、潮濕及腐蝕性環(huán)境，都可能造成導(dǎo)電材料性能惡化，因此導(dǎo)電硅膠條必須能夠經(jīng)受嚴格的環(huán)境老化測試。 除了采用導(dǎo)電膠條對基站殼體進行整體屏蔽以外，基站內(nèi)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?，F(xiàn)場成型工藝（Form in place,簡稱FIP）可以精準地將導(dǎo)電膠涂在所需部位，工藝簡單，可以在復(fù)雜表面成型，材料利用率高，非常適合基站設(shè)備的局部電磁防護。采用FIP工藝將導(dǎo)電膠涂在所需部位，固化后形成既導(dǎo)電又具有彈性的“圍墻”，從而起到局部屏蔽的作用。 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(dǎo)電膠、電磁屏蔽襯墊等，國際上相關(guān)企業(yè)包括萊爾德、諾蘭特、固美麗等，國內(nèi)企業(yè)如中石科技、飛榮達。在產(chǎn)品性能上，國外企業(yè)長期壟斷了中高端電磁屏蔽產(chǎn)品市場，國內(nèi)企業(yè)的產(chǎn)品性能相對較差，一般用于中低端產(chǎn)品上。另外，國內(nèi)企業(yè)的研發(fā)實力和技術(shù)創(chuàng)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(dǎo)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?？傮w上講，國內(nèi)材料廠商的技術(shù)開發(fā)水平尚亟待提高。 對于高頻電磁波，材料的導(dǎo)電性越好，產(chǎn)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(fā)的一般思路是提高材料的導(dǎo)電性，可以通過增加導(dǎo)電體含量或提高導(dǎo)電粉體電導(dǎo)率的方式提高材料的導(dǎo)電性。然而，導(dǎo)電粉體的導(dǎo)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(dǎo)電粉體的添加量也不能太高。根據(jù)電磁屏蔽吸收損耗公式，吸收損耗與電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率正相關(guān)，因此采用高磁導(dǎo)率的原材料也是一種有效可行的方案。例如，金屬鎳的導(dǎo)電性比銀等貴金屬材料差一些，但該材料的磁導(dǎo)率相對比較高，采用鎳系粉體開發(fā)的材料也具和銀基材料相當?shù)钠帘涡堋?北京中科納通電子技術(shù)有限公司（以下簡稱“中科納通公司”）是一家中科院技術(shù)背景的電子材料企業(yè)，2017年開始布局開發(fā)電磁屏蔽漿料和導(dǎo)電膠等產(chǎn)品，主要應(yīng)用于通信基站和移動終端。在消費電子領(lǐng)域，在導(dǎo)電漿料開發(fā)的基礎(chǔ)上，提出了片粉與球粉復(fù)合共混的技術(shù)路線，主要機理是：片粉和球粉具有不同的比表面積和形狀，這兩種不同尺寸和形狀的粒子在混合時，能夠較大程度地增加導(dǎo)電通道和堆積密度。與此同時，通過樹脂載體和添加劑的配合，進一步實現(xiàn)導(dǎo)電體之間更加緊密的結(jié)合，降低了界面接觸電阻，從而實現(xiàn)其導(dǎo)電性的大幅提升。另外，片狀粉體被高彈性樹脂包裹后，在拉伸時會發(fā)生可逆的形變，從而在拉伸恢復(fù)后不會改變導(dǎo)電粉體的搭接狀態(tài)，因而，中科納通公司所制備的電磁屏蔽硅膠條具有較高的拉伸性，且形變恢復(fù)后電阻基本保持不變。 四、5G電磁屏蔽材料開發(fā)展望 一代材料成就一代產(chǎn)業(yè)。隨著近年來我國在移動通信領(lǐng)域確立的領(lǐng)先地位，以華為公司為代表的企業(yè)在技術(shù)、標準等方面確立了話語權(quán)，國內(nèi)材料及器件廠商開始搶占先機，為華為等公司進行材料的定制開發(fā)，為我國電子新材料的發(fā)展提供了良好的機遇。 近年來，在與行業(yè)客戶技術(shù)交流的過程中，對未來5G領(lǐng)域電磁屏蔽材料的開發(fā)方向有一些粗淺的認識，總結(jié)如下： （1）厘米波和毫米波的廣泛應(yīng)用，要求電磁屏蔽材料向?qū)掝l化方向發(fā)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）出于對生命和健康的重視，越來越多的電子設(shè)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(shè)計和制造的角度來講，電磁屏蔽材料的加工工藝應(yīng)更為簡單，性價比高，適合大批量生產(chǎn)。