多種壁紙的電波穿透損耗測(cè)量

周 峰，卜振釗，馬 蓁，高 峰，劉健哲，苑斌斌，余雪飛

（1.中國(guó)信息通信研究院， 北京 100191； 2.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080；3.北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)建與融合北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100876）

多種壁紙的電波穿透損耗測(cè)量

周 峰1，卜振釗2，馬 蓁3，高 峰3，劉健哲1，苑斌斌1，余雪飛1

（1.中國(guó)信息通信研究院， 北京 100191； 2.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080；3.北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)建與融合北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100876）

目前，廣泛應(yīng)用的壁紙已成為影響室內(nèi)分布式系統(tǒng)覆蓋的重要因素。針對(duì)不同壁紙材料的穿透損耗測(cè)試數(shù)據(jù)匱乏的問題，采用屏蔽室開窗法對(duì)0.831～2.661 GHz頻段上無線通信常用頻點(diǎn)電磁波通過不同種類壁紙材料的穿透損耗進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量材料包括金箔壁紙、銀箔壁紙、PVC壁紙和純紙壁紙。其中銀箔壁紙?jiān)谀愁l點(diǎn)上有超過40 dB的穿透損耗。測(cè)試結(jié)果表明，對(duì)于不同壁紙的電波穿透損耗，材料是影響穿透損耗的本質(zhì)原因，材料含有的金屬物質(zhì)對(duì)穿透損耗影響較大。

壁紙；穿透損耗；測(cè)量

引言

當(dāng)前世界處于無線信息時(shí)代，無線數(shù)據(jù)傳輸作為互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)終端通信的橋梁其傳播效能則顯得尤為重要，而室內(nèi)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)則占據(jù)了總數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的70 %以上。對(duì)比室外無線傳輸系統(tǒng)較小的室內(nèi)傳輸系統(tǒng)，其更容易受到傳播環(huán)境中的建筑材料等障礙物的阻擋和屏蔽等影響，因此對(duì)室內(nèi)分布式覆蓋系統(tǒng)中的電波傳播具有非常高的研究?jī)r(jià)值。

壁紙作為一種墻面裝飾材料，色彩豐富，花色繁多，風(fēng)格迥異，兼顧裝飾性和藝術(shù)性，具有涂料等其他墻面裝飾材料難以比擬的優(yōu)勢(shì)。因此壁紙被廣泛應(yīng)用于各類場(chǎng)所的室內(nèi)裝修中，如酒店、辦公室、住宅和各類娛樂場(chǎng)所。

金屬質(zhì)感壁紙采用金銀銅等金屬色彩作為主色，使用真空鍍膜等工藝，結(jié)合印花壓花程序，在壁紙表面形成金屬材料的鎏金質(zhì)感。主要特點(diǎn)反光性好，價(jià)值較高，具有光亮的金屬色澤[1]。

因此，對(duì)于室內(nèi)分布式系統(tǒng)下的短距離通信，必須考慮電波穿透不同壁紙材料的穿透損耗，目前，對(duì)于不同壁紙材料的穿透損耗是缺乏充分的測(cè)量數(shù)據(jù)的。

而方法類似的研究有：伊拉克學(xué)者穆罕默德Y.E測(cè)量了2 m×1.2 m×12 mm的玻璃在2.4 GHz頻段上17個(gè)頻點(diǎn)的穿透損耗，筆者所在科研團(tuán)隊(duì)測(cè)量了多種玻璃在移動(dòng)通信頻段的穿透損耗[2～3]。

為此，本文選取了無線通信頻段0.831～2.661 GHz上22個(gè)常用的頻點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量研究。這22個(gè)頻點(diǎn)覆蓋了包括GSM、TD-SCDMA以及TD-LTE頻段在內(nèi)的大部分通信頻段。

1 測(cè)量方法

測(cè)試采用Agilent E8267D矢量信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生連續(xù)波信號(hào)，并將信號(hào)發(fā)生器輸出連接功率放大器使得輸出功率達(dá)到33 dBm并連接使用三腳架固定的接喇叭口天線；接收端使用同型號(hào)喇叭口天線連接Agilent N9030A頻譜分析儀接收被測(cè)信號(hào)。極化方式均選取垂直極化方式。收發(fā)天線口面間距為2 m，收發(fā)天線口面中心距離地面均為1.5 m。

測(cè)試選取四種壁紙材料進(jìn)行穿透損耗測(cè)量，分別為金箔壁紙、銀箔壁紙、PVC壁紙和純紙壁紙。其中金箔和銀箔壁紙的表面紋理如圖1、圖2所示。

仿照文獻(xiàn)[4]中提出的屏蔽室“開窗法”對(duì)四種壁紙的穿透損耗進(jìn)行測(cè)量。在屏蔽室門處架設(shè)寬度略大于屏蔽門的塑鋼框架，框架與門之間的空間部分使用屏蔽布遮蓋以去除繞射的影響，如圖3。使用的專用屏蔽布是射頻段穿透損耗超過40 dB。需測(cè)量的材料完全覆蓋在框架上，每次進(jìn)行測(cè)試時(shí)更換框架上的材料即可。如圖4所示。接收天線與發(fā)射天線分別放置于屏蔽室內(nèi)外，并使得收發(fā)天線均與被測(cè)材料距離相等。

圖1 金箔壁紙表面紋理

圖2 銀箔壁紙表面紋理

圖3 屏蔽室開窗法測(cè)試場(chǎng)景

在測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，首先進(jìn)行參考功率的測(cè)量，調(diào)整收發(fā)天線使其口面正對(duì)，并移除直射路徑上的障礙物，測(cè)量不同頻點(diǎn)的接收功率得到參考功率，如圖3。參考功率測(cè)定后，僅將不同壁紙材料完整覆蓋于塑鋼框架（如圖4）。

2 測(cè)量結(jié)果

圖4 使用屏蔽室開窗法測(cè)試銀箔壁紙穿透損耗

表1 接收功率測(cè)量值

參考功率和不同壁紙材料阻礙時(shí)的接收功率如表1所示。

對(duì)表1中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，用同頻率的參考功率減去不同壁紙材料阻礙時(shí)的接收功率即得到相應(yīng)的穿透損耗（dBm量綱），如表2所示。

為直觀分析，將表2中各種材料的穿透損耗數(shù)據(jù)作圖，如圖5所示。

從圖5可以看出，金箔壁紙和銀箔壁紙的穿透損耗在25 dB左右，而PVC、純紙這類絕緣介質(zhì)材料壁紙其穿透損耗在0 dB左右。

電磁屏蔽理論指出[5]： 高電導(dǎo)率材料可有效屏蔽電場(chǎng)，但是測(cè)量發(fā)現(xiàn)金箔和銀箔壁紙其表面電導(dǎo)率是很低的，如圖6進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)其表面幾乎是絕緣的（電阻超過萬用表量程），使用萬用表探針刺破壁紙表面進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果類似。

表2 穿透損耗測(cè)量值

圖5 不同壁紙材料穿透損耗測(cè)量值

圖6 用萬用表測(cè)量壁紙的表面電阻

圖7 對(duì)壁紙進(jìn)行燃燒試驗(yàn)

對(duì)金箔、銀箔壁紙進(jìn)行燃燒試驗(yàn)（如圖7所示），發(fā)現(xiàn)材料可燃，燃煙具有刺鼻氣味，燃燒后產(chǎn)生的灰燼呈粉末狀，其中沒有呈顆粒狀、片狀或者塊狀的金屬物質(zhì)。

從表面電阻率測(cè)量來看，本次試驗(yàn)所用金、銀箔壁紙不具備完整的片狀金屬組織結(jié)構(gòu)。從燃燒試驗(yàn)看，金銀箔壁紙可能參雜有機(jī)材料。文獻(xiàn)[6]指出很多金屬質(zhì)感壁紙并非使用完整的金屬單質(zhì)薄膜制作，而是使用電沉積工藝制備納米晶合金箔，是一種成分復(fù)雜的材料。

3 測(cè)試分析

由圖5金箔和銀箔壁紙的測(cè)量曲線可知其穿透損耗與頻率之間并無嚴(yán)格的單調(diào)遞增關(guān)系并且會(huì)出現(xiàn)一定的波動(dòng)，但是穿透損耗在高頻段高于低頻段。本文根據(jù)電磁屏蔽體的特性和規(guī)律針對(duì)這種非穿透損耗非嚴(yán)格單調(diào)遞增的現(xiàn)象做出了說明解釋。電磁體的屏蔽作用包括吸收屏蔽和反射屏蔽兩部分，計(jì)算公式如（1）所示[5]：

其中，γ為渦流系數(shù)，t為屏蔽體厚度，N為介質(zhì)波阻抗與屏蔽體波阻抗之比。

屏蔽體內(nèi)的渦流熱損耗引起吸收屏蔽，分析Sn的計(jì)算公式中可以得出吸收屏蔽效能與頻率以及屏蔽體越厚度成正比。而由S0的計(jì)算公式可以得出S0在1至0范圍內(nèi)隨頻率的增大而迅速變化，屏蔽效果在Sn為0時(shí)達(dá)到理論最好狀態(tài)，如圖8(a)所示。

圖8 吸收屏蔽(Sn)和反射屏蔽(S0)隨頻率而變化的情況

反射屏蔽決定于屏蔽物的材質(zhì)與包圍屏蔽物的介質(zhì)兩者波阻抗特性的不一致程度。隨著渦流系數(shù)和屏蔽體厚度的變化，S隨著的波動(dòng)變化也作波0動(dòng)變化，如圖8(b)。

電磁屏蔽體（本文中為不同的壁紙材料）穿透損耗受到反射屏蔽的波動(dòng)化和吸收屏蔽的單調(diào)下降共同影響從而產(chǎn)生了隨著頻率增加而遞增的趨勢(shì)，但是由于伴隨波動(dòng)從而 產(chǎn)生非嚴(yán)格遞增的現(xiàn)象。

表2中的測(cè)試數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)純紙壁紙和PVC壁紙的穿透損耗值出現(xiàn)了負(fù)值，這是由于本次測(cè)試實(shí)驗(yàn)處于非完全開闊的區(qū)域，喇叭天線的發(fā)射信號(hào)與周圍的墻壁或其他物體會(huì)產(chǎn)生多次反射現(xiàn)象。接收功率在多徑的環(huán)境中受到復(fù)雜的影響，如果障礙物能夠有效阻擋相對(duì)于主徑分量的反相多徑分量，那么就有可能使得接收電平不降反升（相對(duì)于無障礙物的情形）。

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，純紙壁紙和PVC壁紙?jiān)?.831～2.661 GHz的移動(dòng)通信頻點(diǎn)上的穿透損耗較小，從統(tǒng)計(jì)意義上看接近0 dB。而金箔和銀箔壁紙的穿透損耗較大，在25 dB左右。這就有可能造成這樣的現(xiàn)象：某建筑室內(nèi)在裝修前無線信號(hào)覆蓋很好，在采取貼壁紙等裝修措施后，電平分布會(huì)發(fā)生較大變化，會(huì)產(chǎn)生信號(hào)盲區(qū)。這就需要在覆蓋設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮裝修方案，將壁紙等因素作為無線傳播環(huán)境的一個(gè)組成部分。

當(dāng)然，類似的含金屬壁紙可對(duì)外封鎖內(nèi)部Wi-Fi等無線信號(hào)，對(duì)于防止信息泄露和“蹭網(wǎng)”，都是有利的。

傳統(tǒng)上認(rèn)為壁紙的穿透損耗小，本次測(cè)量數(shù)據(jù)有利于深化、拓展原有的認(rèn)識(shí)。測(cè)量和分析常見壁紙材料的穿透損耗值對(duì)室內(nèi)無線信號(hào)的覆蓋設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

[1] 單文婷.中國(guó)壁紙行業(yè)的現(xiàn)狀及未來發(fā)展分析[D] ： [碩士學(xué)位論文].北京：對(duì)外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué), 2014.

[2] 穆罕默德·Y·E，阿樸杜拉·A·S，劉元安.室內(nèi)2.4 GHz頻率上穿透損耗的測(cè)量[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 27(2)：98-102+112.

[3] 馬蓁,卜振釗,潘翔,高澤華,周峰,高峰,劉健哲.多種玻璃材料的電波穿透損耗測(cè)量[J].現(xiàn)代電信科技, 2014(12)： 32-36.

[4] 伏廣偉,湛權(quán),王瑞,楊金純. 防電磁輻射服裝暴露面積對(duì)其屏蔽效能的影響[J]. 紡織學(xué)報(bào), 2009,(12)：103-107.

[5] 高攸綱.屏蔽與接地[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社, 2004：29-32.

[6] 鄧姝皓,龔竹青,易丹青，等.電沉積制備鐵-鎳-鉻納米晶合金箔工藝的正交設(shè)計(jì)[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2005(06)： 938-943.

周峰，男，籍貫寧夏，泰爾實(shí)驗(yàn)室高級(jí)工程師，博士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，主要研究方向?yàn)闊o線電計(jì)量測(cè)試與電磁兼容技術(shù)。

卜振釗，男，籍貫北京，中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司北京分公司工程師，本科，主要從事室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

馬蓁，女，籍貫陜西西安，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信。

高峰，男，籍貫黑龍江齊齊哈爾，北京郵電大學(xué)博士，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信與寬帶無線接入技術(shù)。

劉健哲，男，籍貫陜西西安，泰爾實(shí)驗(yàn)室工程師，碩士畢業(yè)于電信科學(xué)技術(shù)研究院，主要研究方向?yàn)闊o線電計(jì)量測(cè)試與數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。

Measurement of Penetration Loss of Wall-coverings

ZHOU Feng1, BU Zhen-zhao2, MA Zhen3, GAO Feng3, LIU Jian-zhe1, YUAN Bin-bin1, YU Xue-fei1
（1. China Academy of Information and Communication Technology, Beijing 100191; 2. China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080; 3. Beijing Key Laboratory of Network System Architecture and Convergence Beijing University of Posts and Telecommunication, Beijing 100876）

Currently, the extensive application of wall-coverings materials has become an important factor of impact of indoor distribution system. In view of the current lack of penetration loss test data, different types of wall-coverings material penetration loss are measured by using fenestration in a shielding room on the 0.831～2.661 GHz frequency band. Materials under measurement including gold foil wall-covering, silver foil wall-covering, PVC wall-covering and pure paper wall-covering. The penetration loss of silver foil wall-covering in a frequency point is over 40 dB. The test results show that material is the essential reason of the penetration loss; and metal containing in the material affects the penetration loss seriously.

wall-coverings; penetration loss; measurement

TN92

A

1004-7204（2015）04-0055-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.61271120/F010508)。國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(No. 2014BAK02BO2，No. 2014BAK02BO5)。國(guó)家科技重大專項(xiàng)“新一代寬帶無線移動(dòng)通信網(wǎng)”項(xiàng)目2015ZX03001011-002。