周 峰，卜振釗，馬 蓁，高 峰，劉健哲，苑斌斌，余雪飛

（1.中國信息通信研究院， 北京 100191； 2.中國移動通信集團設(shè)計院有限公司，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實驗室，北京 100876）

多種壁紙的電波穿透損耗測量

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.中國信息通信研究院， 北京 100191； 2.中國移動通信集團設(shè)計院有限公司，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實驗室，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。針對不同壁紙材料的穿透損耗測試數(shù)據(jù)匱乏的問題，采用屏蔽室開窗法對0.831～2.661 GHz頻段上無線通信常用頻點電磁波通過不同種類壁紙材料的穿透損耗進行測量。測量材料包括金箔壁紙、銀箔壁紙、PVC壁紙和純紙壁紙。其中銀箔壁紙在某頻點上有超過40 dB的穿透損耗。測試結(jié)果表明，對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)對穿透損耗影響較大。

壁紙；穿透損耗；測量

引言

當(dāng)前世界處于無線信息時代，無線數(shù)據(jù)傳輸作為互聯(lián)網(wǎng)和移動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價值。

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。因此壁紙被廣泛應(yīng)用于各類場所的室內(nèi)裝修中，如酒店、辦公室、住宅和各類娛樂場所。

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。主要特點反光性好，價值較高，具有光亮的金屬色澤[1]。

因此，對于室內(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，對于不同壁紙材料的穿透損耗是缺乏充分的測量數(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測量了2 m×1.2 m×12 mm的玻璃在2.4 GHz頻段上17個頻點的穿透損耗，筆者所在科研團隊測量了多種玻璃在移動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個常用的頻點進行測量研究。這22個頻點覆蓋了包括GSM、TD-SCDMA以及TD-LTE頻段在內(nèi)的大部分通信頻段。

1 測量方法

測試采用Agilent E8267D矢量信號發(fā)生器產(chǎn)生連續(xù)波信號，并將信號發(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；接收端使用同型號喇叭口天線連接Agilent N9030A頻譜分析儀接收被測信號。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。

測試選取四種壁紙材料進行穿透損耗測量，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[4]中提出的屏蔽室“開窗法”對四種壁紙的穿透損耗進行測量。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。需測量的材料完全覆蓋在框架上，每次進行測試時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 屏蔽室開窗法測試場景

在測試實驗中，首先進行參考功率的測量，調(diào)整收發(fā)天線使其口面正對，并移除直射路徑上的障礙物，測量不同頻點的接收功率得到參考功率，如圖3。參考功率測定后，僅將不同壁紙材料完整覆蓋于塑鋼框架（如圖4）。

2 測量結(jié)果

圖4 使用屏蔽室開窗法測試銀箔壁紙穿透損耗

表1 接收功率測量值

參考功率和不同壁紙材料阻礙時的接收功率如表1所示。

對表1中實驗數(shù)據(jù)進行處理，用同頻率的參考功率減去不同壁紙材料阻礙時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，但是測量發(fā)現(xiàn)金箔和銀箔壁紙其表面電導(dǎo)率是很低的，如圖6進行測量，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行測量，結(jié)果類似。

表2 穿透損耗測量值

圖5 不同壁紙材料穿透損耗測量值

圖6 用萬用表測量壁紙的表面電阻

圖7 對壁紙進行燃燒試驗

對金箔、銀箔壁紙進行燃燒試驗（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)。

從表面電阻率測量來看，本次試驗所用金、銀箔壁紙不具備完整的片狀金屬組織結(jié)構(gòu)。從燃燒試驗看，金銀箔壁紙可能參雜有機材料。文獻[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 測試分析

由圖5金箔和銀箔壁紙的測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)系并且會出現(xiàn)一定的波動，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隨著的波動變化也作波0動變化，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，但是由于伴隨波動從而 產(chǎn)生非嚴(yán)格遞增的現(xiàn)象。

表2中的測試數(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，這是由于本次測試實驗處于非完全開闊的區(qū)域，喇叭天線的發(fā)射信號與周圍的墻壁或其他物體會產(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（相對于無障礙物的情形）。

4 結(jié)論

實驗測試表明，純紙壁紙和PVC壁紙在0.831～2.661 GHz的移動通信頻點上的穿透損耗較小，從統(tǒng)計意義上看接近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)在裝修前無線信號覆蓋很好，在采取貼壁紙等裝修措施后，電平分布會發(fā)生較大變化，會產(chǎn)生信號盲區(qū)。這就需要在覆蓋設(shè)計時充分考慮裝修方案，將壁紙等因素作為無線傳播環(huán)境的一個組成部分。

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

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

[1] 單文婷.中國壁紙行業(yè)的現(xiàn)狀及未來發(fā)展分析[D] ： [碩士學(xué)位論文].北京：對外經(jīng)濟貿(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量[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報, 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其屏蔽效能的影響[J]. 紡織學(xué)報, 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[J].中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2005(06)： 938-943.

周峰，男，籍貫寧夏，泰爾實驗室高級工程師，博士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，主要研究方向為無線電計量測試與電磁兼容技術(shù)。

卜振釗，男，籍貫北京，中國移動通信集團設(shè)計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)計工作。

馬蓁，女，籍貫陜西西安，碩士研究生，主要研究方向為移動通信。

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

劉健哲，男，籍貫陜西西安，泰爾實驗室工程師，碩士畢業(yè)于電信科學(xué)技術(shù)研究院，主要研究方向為無線電計量測試與數(shù)字信號處理技術(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

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