天線設計如何降低手機電磁輻射對人體健康影響(SAR)的研究【轉發(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多個不同版本的設計,前期必須對所有的情況進行仿真,并對相關參數(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
隨著信息技術的發(fā)展,大眾在享受無線通信設備帶來的各種便利之時,也日益關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)以及測試領域,天線工程師除了關注TRP(全向輻射功率),TIS(總全向靈敏度),RL(回波損耗),Efficiency(效率)以外,還很非常注重另一指標---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。在手機天線的設計中,主要關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,通常SAR 值的大小與TRP 成正比,在設計中,TRP 和SAR 本身就是一對矛盾,因此,在設計中,需很好地平衡兩者的關系。
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,它在美國和歐洲關于SAR有不同的標準,美國是1g的標準,歐洲是10克的 標準,單位均是W/Kg或mw/g。SAR分為局部SAR和平均SAR。由于我們主要關注的是局部SAR,在這里給出局部SAR的相關表達方法:
E ——組織內(nèi)電場強度的值,單位是伏每米;
σ——介質(zhì)導電率,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;
——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。
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,因此減小SAR 值的原理是在于如何把電流分布均勻化。在手機設計中SAR 是一個綜合的問題,在設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。
在手機設計中,有很多方法可以降低SAR 值。在設計初期,首先要求布板工程師、結構工程師充分考慮PCB 的設計、天線的位置、speaker、micro、vibrator、battery等對天線影響大的器件的合理放置,在設計過程中可以通過調(diào)試PCB 上的熱點來降低SAR 值;在設計天線時一般采用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,因此在手機設計中要權衡利弊。
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。
圖2、磁性片樣品 四、天線的設計和仿真
4.1、天線的設計
在本項目的設計中,考慮到天線的空間有限,天線和PCB板的距離較小,采用PIFA天線難以設計,因此采用monopole天線來設計,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):
圖3、設計的實物天線
4.2、降低SAR 值的處理
在設計天線后,在SAR 測試后,發(fā)現(xiàn)天線的SAR 值不能達到美國標準。從測試結果可以看出,在手機鍵盤一側對人腦的輻射較大。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構圖導入到天線三維電磁場仿真軟件EMPro 中,再導入人頭模型。在導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)試和導入。
在模型導入后,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。標準的人頭模型的形狀是根據(jù)人體學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候持機的習慣不同而定;同時,測試的時候又有左側和右側的區(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)。
圖4、手機&S 人頭模型3D 圖
在仿真時,人頭內(nèi)部組織液的導電率和介電常數(shù)的設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,導電率是1.4S/m。在仿真的時候也需對高、低頻的導電率和 介電常數(shù)分別進行相應的設置。在對SAR 值進行仿真的時候要注意選中表面電流這一項,以便于使計算結果更加準確。
4.3.2、天線設計后仿真優(yōu)化
在 將手機和人頭模型導入軟件后,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。考慮到仿真后天線近場和SAR 值的Peak位置,再綜合評估手機內(nèi)結構,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。
圖5、天線方向圖 五、仿真和實測結果對比
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,實測的結果要好于預期的效果,表1,2 是加磁性片前后仿真和測試的對比數(shù)據(jù)。
表1 加磁性片前后的仿真數(shù)據(jù)對比
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計提高參考,找出天線輻射的強度,從而可以快捷地設計處好的天線,也很大程度地減少了測試的次數(shù),減低了測試費用,加速設計周期。
六、結束語
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,從而為設計中磁性片的尺寸和放置提供了良好的指導方向,減低測試成本,加速設計周期。
從 仿真的結果看,該手機的SAR 值達不到美國限值標準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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