天線設(shè)計如何降低手機電磁輻射對人體健康影響（SAR）的研究【轉(zhuǎn)發(fā)】

2017-08-01 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

編者注:前段時間和一個蘋果公司的天線工程師說,他們對天線設(shè)計的要求非常高,所有產(chǎn)品的天線要做N多個不同版本的設(shè)計,前期必須對所有的情況進行仿真,并對相關(guān)參數(shù)做統(tǒng)計對比,仿真達到要求之后再試產(chǎn)調(diào)試。。。。。。

作者:郝衛(wèi)東、熊鄴、周志麗,富士康(北京)科技集團

一、引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展,大眾在享受無線通信設(shè)備帶來的各種便利之時,也日益關(guān)注無線通信終端的電磁輻射對人體健康的影響。在手機天線的研發(fā)以及測試領(lǐng)域,天線工程師除了關(guān)注TRP(全向輻射功率),TIS(總?cè)蜢`敏度),RL(回波損耗),Efficiency(效率)以外,還很非常注重另一指標(biāo)---SAR(Specific Absorption Rate)。

SAR 的大小表明了手機電磁輻射對人體健康影響的大小。在手機天線的設(shè)計中,主要關(guān)注的是無線通信終端的電磁輻射對人類頭部的影響。SAR 值的大小和手機的輻射功率密切相關(guān),通常SAR 值的大小與TRP 成正比,在設(shè)計中,TRP 和SAR 本身就是一對矛盾,因此,在設(shè)計中,需很好地平衡兩者的關(guān)系。

二、SAR 概述與測試簡介

SAR 定義是生物體單位時間(s)、單位質(zhì)量(kg)所吸收的電磁輻射(照射)能量,它在美國和歐洲關(guān)于SAR有不同的標(biāo)準,美國是1g的標(biāo)準,歐洲是10克的標(biāo)準,單位均是W/Kg或mw/g。SAR分為局部SAR和平均SAR。由于我們主要關(guān)注的是局部SAR,在這里給出局部SAR的相關(guān)表達方法:

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E ——組織內(nèi)電場強度的值,單位是伏每米;
σ——介質(zhì)導(dǎo)電率,單位是西門子每米;
ρ——組織密度,單位是千克每立方米;
C——組織的比熱容;
天線設(shè)計如何降低手機電磁輻射對人體健康影響（SAR）的研究【轉(zhuǎn)發(fā)】HFSS分析圖片2 ——組織內(nèi)初始時刻溫度對時間的微分,單位開爾文每秒。

SAR 測量系統(tǒng)主要由人體模型、電子測量儀器、掃描定位系統(tǒng)和被測設(shè)備夾具等組成。測量通過自動定位的迷你小型場強探頭測量模型內(nèi)部的電場分布來進行。根據(jù)測得的場強值可以計算出SAR的分布以及峰值空間平均SAR。在對手機進行SAR測試的時候,如果天線可以伸縮,兩個位置都要測試,也就是全伸出和全收縮的位置;可翻(滑)蓋移動電話,如果開蓋和合蓋時均能打電話,則兩種狀態(tài)都要進行測試。

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圖1、SAR 實驗室

三、降低SAR的方法

在工程測試中,手機SAR 值主要是測試它的峰值是否超標(biāo),因此減小SAR 值的原理是在于如何把電流分布均勻化。在手機設(shè)計中SAR 是一個綜合的問題,在設(shè)計手機天線時既要要求高的TRP 又要有低的SAR 值,這需要在手機整機設(shè)計初期對天線有很好的評估,尤其是PCB 布板、天線位置和周圍器件的放置對天線都有較大的影響。

在手機設(shè)計中,有很多方法可以降低SAR 值。在設(shè)計初期,首先要求布板工程師、結(jié)構(gòu)工程師充分考慮PCB 的設(shè)計、天線的位置、speaker、micro、vibrator、battery等對天線影響大的器件的合理放置,在設(shè)計過程中可以通過調(diào)試PCB 上的熱點來降低SAR 值;在設(shè)計天線時一般采用PIFA 天線,它具有較低的SAR 值,這是因為PIFA 天線和PCB 之間有較大的區(qū)域并且和PCB 地構(gòu)成回路,電流能較均勻地分布,這樣SAR 便不會產(chǎn)生較強的Peak 值;在設(shè)計后期,可以通過降低發(fā)射功率來降低SAR 值,從理論分析看,手機的發(fā)射功率降低1dB,SAR 數(shù)值大約會降低0.3W/Kg,他們是成正比的,但是在降低發(fā)射功率后,會影響手機的發(fā)射效率,因此在手機設(shè)計中要權(quán)衡利弊。

降低SAR 值的的最好的方向是:保證其發(fā)射功率,改變天線的方向圖,減小面向人頭部峰值。本文采用TDK 公司的一種叫軟磁性片的材料可以很容易地達到這種目的,如圖2 所示,它是由磁性材料和樹脂制成的電磁屏蔽材料。該材料具有高磁導(dǎo)率,高電阻率等特點。將這種材料貼到手機鍵盤和PCB之間,有效地改變了天線的近場,改變天線的輻射強度。本文通過仿真優(yōu)化,找出該磁性片最佳的尺寸和放置位置,從而降低手機面向頭部的電磁輻射,達到降低SAR 值目的。

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圖2、磁性片樣品四、天線的設(shè)計和仿真

4.1、天線的設(shè)計

在本項目的設(shè)計中,考慮到天線的空間有限,天線和PCB板的距離較小,采用PIFA天線難以設(shè)計,因此采用monopole天線來設(shè)計,同時帶來了天線的SAR問題。經(jīng)過初步的調(diào)試,該天線為如下圖(圖3):

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圖3、設(shè)計的實物天線

4.2、降低SAR 值的處理

在設(shè)計天線后,在SAR 測試后,發(fā)現(xiàn)天線的SAR 值不能達到美國標(biāo)準。從測試結(jié)果可以看出,在手機鍵盤一側(cè)對人腦的輻射較大。因此,我們采用TDK 的磁性片將其貼到手機鍵盤和PCB 之間來抑制該處天線的輻射,從而降低手機的SAR 值。

4.3、天線的仿真

4.3.1、仿真模型的建立

天線設(shè)計后,用專門的3D 繪圖軟件CATIA 畫出天線的的3D 實體圖,然后將其天線和手機結(jié)構(gòu)圖導(dǎo)入到天線三維電磁場仿真軟件EMPro 中,再導(dǎo)入人頭模型。在導(dǎo)入手機和人頭模型后,最好移動人頭模型來調(diào)整兩者的相對位置,這樣便于手機天線的調(diào)試和導(dǎo)入。

在模型導(dǎo)入后,手機的放置顯得尤為重要,它將決定仿真后數(shù)據(jù)的精確度。標(biāo)準的人頭模型的形狀是根據(jù)人體學(xué)研究中成年男子頭部的研究報告而制定的,模型的耳朵模擬人使用手持設(shè)備時耳朵的扁平狀態(tài)。

在測試SAR 的時候,根據(jù)手機的擺放位置不同,分為“貼緊臉頰”和“傾斜15 度”兩種,這是根據(jù)人們?nèi)粘４螂娫挼臅r候持機的習(xí)慣不同而定;同時,測試的時候又有左側(cè)和右側(cè)的區(qū)分。同樣在仿真的時候我們也要嚴格遵循實際測試時的擺放方法放置模型(圖4 顯示了建模后的示意圖)。

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圖4、手機&S 人頭模型3D 圖

在仿真時,人頭內(nèi)部組織液的導(dǎo)電率和介電常數(shù)的設(shè)置對仿真的精確性有很大的影響。在測試高頻和低頻的時候所用的組織液的介電常數(shù)是不相同的,測試高頻時,組織液的介電常數(shù)是40,導(dǎo)電率是1.4S/m,而測試低頻時,組織液的介電常數(shù)是41.5,導(dǎo)電率是1.4S/m。在仿真的時候也需對高、低頻的導(dǎo)電率和介電常數(shù)分別進行相應(yīng)的設(shè)置。在對SAR 值進行仿真的時候要注意選中表面電流這一項,以便于使計算結(jié)果更加準確。

4.3.2、天線設(shè)計后仿真優(yōu)化

在將手機和人頭模型導(dǎo)入軟件后,進行仿真后,可以看出天線的輻射圖(圖3)在在靠向人腦部位有一較強的電磁場強度,且該點的SAR 比較高,因此需要在該方向處加一磁性片從而改變該處的電磁場,降低SAR值?？紤]到仿真后天線近場和SAR 值的Peak位置,再綜合評估手機內(nèi)結(jié)構(gòu),我們將該磁性片貼到鍵盤下,從而減弱天線向人頭方向的輻射。經(jīng)多次仿真優(yōu)化磁性片的大小位置后,得到天線SAR 最優(yōu)點,優(yōu)化后方向圖見圖5。

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圖5、天線方向圖五、仿真和實測結(jié)果對比

經(jīng)過仿真后,可以很直觀地看到天線在手機中的輻射圖,在手機鍵盤和PCB 之間增加磁性片后改變了天線的輻射圖,通過該軟件可以很清楚地看到SAR 的變化。從而給天線設(shè)計提供了良好的調(diào)試參考。在增加磁性片后,從實驗室測試可以看到,實測的結(jié)果要好于預(yù)期的效果,表1,2 是加磁性片前后仿真和測試的對比數(shù)據(jù)。

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表1 加磁性片前后的仿真數(shù)據(jù)對比

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表2、加磁性片前后的實測數(shù)據(jù)對比

從測試和仿真的數(shù)據(jù)可以看出:加磁性片后仿真和測試的差值基本是一致的。這樣在仿真中可以很好地為設(shè)計提高參考,找出天線輻射的強度,從而可以快捷地設(shè)計處好的天線,也很大程度地減少了測試的次數(shù),減低了測試費用,加速設(shè)計周期。

六、結(jié)束語

本文采用新型的磁性材料---磁性片很好地解決了手機中的SAR 值問題,采用仿真的方法可以很直觀地看出天線的輻射強度,找出天線的熱點,從而為設(shè)計中磁性片的尺寸和放置提供了良好的指導(dǎo)方向,減低測試成本,加速設(shè)計周期。

從仿真的結(jié)果看,該手機的SAR 值達不到美國限值標(biāo)準1.6W/Kg 的要求。并且從該方向圖可以看出,該手機向人頭部分的輻射較強,我們在手機鍵盤和PCB 之間增加一塊磁性片,這樣可以減弱天線向人頭部位的電磁場強度,同時也加強了手機向人頭外的電磁場強度。從而得到減低SAR 值的目的。

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