5G通信电磁屏蔽技术研究综述

梁训波 鲁承金 张超 赵芸

关键词 5G通信 电磁屏蔽 电磁效能

1引言

在第四次工业革命的浪潮中，通信技术逐渐成为推动电信产业快速发展的主要动力，它使网络终端能够灵活、便捷地应用于各种场景。这不仅极大改善了人与人之间的通信方式，使得信息能够快速、及时完成传输与处理，而且有助于提高生产效率。从整体规律来看，网络通信技术基本延续了“十年一代”的发展规律[1] 。经过1G 到4G 的发展，不仅解决了随时随地通信的问题，同时还创造了繁荣的互联网经济。而在如今这个万物互联的信息时代，随着人工智能、自动驾驶、远程医疗等新兴行业的快速发展，人与物、物与物之间的信息实时、准确的传输已经成为提高生产力不可或缺的重要环节[2] 。为了满足海量移动数据的高效传输要求，第5 代移动通信网络（即5G 技术）应运而生。

相比于前几代的通信网络技术，5G 技术最显著的特点及优势主要包括传输效率高、时延低、大连接等，并已逐渐成为支撑万物互联、经济社会数字化、智能化的基础设施[3] 。与此同时，随着电子设备集成度以及时钟频率快速提升，导致小型电子设备及大型仪器等通信设施很容易受到较为严重的电磁干扰。如何利用电磁信号完成信息传输的同时避免无效信号的干扰，从而达到“兼容并畜”的目的，为芯片封装，天线系统设计等诸多领域提出了新的要求与挑战，也逐渐成为通信技术发展过程中不可忽视的重要挑战[4] 。

25G 移动通信技术的特征及发展现状分析

5G 技术是4G 技术的延续性发展产物，它将整个通信系统化整为零，分成各个小型的蜂窝模块[5] ，从而达到了区域频道共享的目的。其好处是可以有效提高数据传输效率。相较于前几代通信技术，5G 技术最为显著的特点可以总结为如下几个方面。（1）高扩展性。5G 技术完成了对前几代传统通信技术资源的整合，在有效扩大信号覆盖范围的同时，提升了信号频率。（2）高效性。5G 技术能够有效提高信息的传输效率，保证海量数据传输的高效性以及可靠性。

（3）低延迟。5G 技术能够明显降低信息在网络传输过程中的延迟，满足用户对高质量信息服务的需求，提升体验感。

由于5G 技术对众多军事或民用领域的发展起到关键性的作用，目前其已成为国内外通信领域各专家学者及各个企业的重点研究方向。早在2013 年年初，欧盟就开启了对5G 项目进行全面研究的新征程。此外，韩国成立了关于5G 技术的发展论坛。与此同时，我国也积极成立了5G 推进小组，并将相关重点研究方向列入“863 研究计划”，从而有效推动5G 技术的发展[6] 。据统计，截至2021 年6 月，我国建成的5G 基站数量大约为96 万个，已经基本实现了大中型城市5G 信号的全覆盖，对于其他城镇，将通过中低频联合组网等技术手段进行进一步的延伸与完善[7] 。

3电磁屏蔽原理

通常而言，电子设备在工作时应避免受到外界各种电磁设备的干扰，以保证其能正常进行信息接收与处理，同时还应该尽量减少自身的电磁辐射，以避免对操作者的身体带来危害[8] 。因此，采取一定手段阻断或减弱电磁的传播路径非常有必要，电磁屏蔽的机理如图1 所示。

按照电磁波衰减机理来划分，电磁屏蔽通常可以分为三种不同形式。（1）入射波在材料表面（即第一界面）的反射衰减，即在屏蔽材料表面，由于傳播介质不同，导致传播过程中波阻抗产生变化，使部分电磁波信号反射，导致衰减。（2）入射到材料内部的吸收衰减。当部分电磁波透过屏蔽材料表面进入其内部时，金属材料回由于感应产生与原来相反的磁场，从而起到抵消与削弱电磁波的作用。该现象被称为吸收损耗。（3）入射到材料内部的反射衰减。与反射衰减类似，当没有被衰减的电磁波传到第二界面时，由于传播介质再次发生改变，导致部分电磁波发生反射，重新返回到屏蔽体内。

此外，对于电磁屏蔽效果的好坏，通常可以通过屏蔽效能（Shielding Effectiveness， SE） 来量化表示。所谓屏蔽效能指的是电磁信号在通过屏蔽材料后的入射波或反射波的衰减值，其具体值可通过如下公式进行计算。

通过公式（2）和（3）可以看出，电磁屏蔽的吸收损耗和反射损耗都与频率有着密切联系，即当频率增加时，吸收损耗增大而反射损耗减小。因此，对于不同的电磁波应根据实际情况选择不同的屏蔽材料，如当信号频率较低时，可选择磁导率较高的材料进行防护，从而有利于将磁力线限制在屏蔽材料内部，减少电磁扩散。与此相反，如果频率较高，则可选择电导率较高的材料，如金属等，从而产生涡流，以抵消外部电磁信号的干扰。

4电磁屏蔽技术在5G 基站上的应用与现状

首先，在5G 基站中为了满足电磁屏蔽需求，应对基站的外壳进行处理。目前，对于基站外壳的电磁屏蔽技术处理已经逐步成熟。常规基站的外壳通常是铝合金压铸件，因此为了能够提高整体的屏蔽防护效果，通常使用导电硅胶条来实现压铸件接缝处的连接。导电硅胶条的主要作用是能够使基站的外壳形成一个完整、连续的导体，从而通过导体与介质之间的反射效应以及涡流效应，将所需的电磁波充分、有效地限制在基站的内部，并进一步避免由于电磁泄漏导致的辐射。

而对于高频的5G 信号，利用导电硅胶条实现电磁屏蔽的主要原理是借助涡流效应来提升电磁屏蔽效能。当基站外壳的导电性能越好时，涡流效应则会愈发明显，进而屏蔽效能也越高。除此之外，为了使导电硅胶条能够在不同的应用场景中正常工作，其材料在诸如断裂伸长率、撕裂强度、压缩永久形变等物理特性方面也应具有较好的性能[9] 。同时，由于基站通常暴露在外界环境，因此往往会受到昼夜温差、潮湿等不同环境的影响。因此，导电硅胶条的材料还应满足老化测试需求。

其次，为了保证良好的电磁屏蔽性能，对于5G 基站，除了需要满足上述一系列外壳的要求外，基站内部所用的相关元件也应满足电磁屏蔽的基本需求，以防止不同元器件之间相互干扰。目前比较成熟的主要技术为现场成型工艺（Form in place，FIP）技术，该技术的主要特点是可以把用于电磁屏蔽的导电胶准确涂抹在各个元器件的相关部位，不仅处理工艺简单，易于操作，而且可以完成复杂表面的精确涂抹，形成防护“围墙”，进一步实现良好的屏蔽性能。

随着通信技术的不断迭代与发展，不同企业、用户对电磁屏蔽提出了更高、更明确的性能要求。例如，高频5G 信号对导电硅胶条的拉伸性就提出了更高的要求。其主要原因是，虽然对于高频的电磁信号而言，导电材料的性能越好形成的反向涡流越大，从而能够更好削弱磁场干扰，但是在实际的应用中，导电材料的导电性能提升具有一定的局限性。通过在材料中加入导电粉可以提升材料的导电性，但一方面导电粉的成本较高，会受到经济的限制，另一方面当导电材料中的导电粉加入过多时，对材料的黏度以及拉伸性也具有较大影响，从而在一定程度上制约了材料的实用性。

5总结与展望

随着我国通信技术的不断发展与完善，在以华为为代表的高科技公司及研究所、高等院校的带领下，我国在5G 技术的诸多方面已经处于世界领先地位，这也为电磁屏蔽提出了更高的要求。为了避免基站电磁辐射的影响以及其内部各元器件之间的电磁干扰，对于电磁屏蔽技术的研究也变得愈发重要。针对5G 技术中的电磁屏蔽问题，本文首先详细阐述了5G移动通信技术的特征及发展现状，分析了电磁屏蔽的基本原理。同时，详细阐述了电磁屏蔽技术在5G 基站上的应用现状，对5G 通信中电磁屏蔽技术的发展具有一定的参考价值。