手机天线设计中降低SAR的研究

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一、引言
        随着信息技术的发展，大众在享受无线通信设备带来的各种便利之时，也日益关注无线通信终端的电磁辐射对人体健康的影响。在手机天线的研发以及测试领域，天线工程师除了关注TRP（全向辐射功率），TIS（总全向灵敏度），RL（回波损耗），Efficiency（效率）以外，还很非常注重另一指标---SAR（Specific Absorption Rate）。
         
        SAR 的大小表明了手机电磁辐射对人体健康影响的大小。在手机天线的设计中，主要关注的是无线通信终端的电磁辐射对人类头部的影响。SAR 值的大小和手机的辐射功率密切相关，通常SAR 值的大小与TRP 成正比，在设计中，TRP 和SAR 本身就是一对矛盾，因此，在设计中，需很好地平衡两者的关系。
         
        二、SAR 概述与测试简介
        SAR 定义是生物体单位时间（s）、单位质量（kg）所吸收的电磁辐射（照射）能量，它在美国和欧洲关于SAR有不同的标准，美国是1g的标准，欧洲是10克的 标准，单位均是W/Kg或mw/g。SAR分为局部SAR和平均SAR。由于我们主要关注的是局部SAR，在这里给出局部SAR的相关表达方法：
       
        E ——组织内电场强度的值，单位是伏每米；
        σ——介质导电率，单位是西门子每米；
        ρ——组织密度，单位是千克每立方米；
        C——组织的比热容；
        ——组织内初始时刻温度对时间的微分，单位开尔文每秒。
         
        SAR 测量系统主要由人体模型、电子测量仪器、扫描定位系统和被测设备夹具等组成。测量通过自动定位的迷你小型场强探头测量模型内部的电场分布来进行。根据测得 的场强值可以计算出SAR的分布以及峰值空间平均SAR。在对手机进行SAR测试的时候，如果天线可以伸缩，两个位置都要测试，也就是全伸出和全收缩的位 置；可翻（滑）盖移动电话，如果开盖和合盖时均能打电话，则两种状态都要进行测试。
         

       

        图1、SAR 实验室

         

        三、降低SAR的方法
        在 工程测试中，手机SAR 值主要是测试它的峰值是否超标，因此减小SAR 值的原理是在于如何把电流分布均匀化。在手机设计中SAR 是一个综合的问题，在设计手机天线时既要要求高的TRP 又要有低的SAR 值，这需要在手机整机设计初期对天线有很好的评估，尤其是PCB 布板、天线位置和周围器件的放置对天线都有较大的影响。
         
        在手机设计中，有很多方法可以降低SAR 值。在设计初期，首先要求布板工程师、结构工程师充分考虑PCB 的设计、天线的位置、speaker、micro、vibrator、battery等对天线影响大的器件的合理放置，在设计过程中可以通过调试PCB 上的热点来降低SAR 值；在设计天线时一般采用PIFA 天线，它具有较低的SAR 值，这是因为PIFA 天线和PCB 之间有较大的区域并且和PCB 地构成回路，电流能较均匀地分布，这样SAR 便不会产生较强的Peak 值；在设计后期，可以通过降低发射功率来降低SAR 值，从理论分析看，手机的发射功率降低1dB，SAR 数值大约会降低0.3W/Kg，他们是成正比的，但是在降低发射功率后，会影响手机的发射效率，因此在手机设计中要权衡利弊。
         
        降低SAR 值的的最好的方向是：保证其发射功率，改变天线的方向图，减小面向人头部峰值。本文采用TDK 公司的一种叫软磁性片的材料可以很容易地达到这种目的，如图2 所示，它是由磁性材料和树脂制成的电磁屏蔽材料。该材料具有高磁导率，高电阻率等特点。将这种材料贴到手机键盘和PCB之间，有效地改变了天线的近场，改 变天线的辐射强度。本文通过仿真优化，找出该磁性片最佳的尺寸和放置位置，从而降低手机面向头部的电磁辐射，达到降低SAR 值目的。

       

        图2、磁性片样品

         

         

        四、天线的设计和仿真
        4.1、天线的设计
        在本项目的设计中，考虑到天线的空间有限，天线和PCB板的距离较小，采用PIFA天线难以设计，因此采用monopole天线来设计，同时带来了天线的SAR问题。经过初步的调试，该天线为如下图（图3）：
         

       

        图3、设计的实物天线

         

        4.2、降低SAR 值的处理
        在设计天线后，在SAR 测试后，发现天线的SAR 值不能达到美国标准。从测试结果可以看出，在手机键盘一侧对人脑的辐射较大。因此，我们采用TDK 的磁性片将其贴到手机键盘和PCB 之间来抑制该处天线的辐射，从而降低手机的SAR 值。
         
        4.3、天线的仿真
        4.3.1、仿真模型的建立
        天线设计后，用专门的3D 绘图软件CATIA 画出天线的的3D 实体图，然后将其天线和手机结构图导入到天线三维电磁场仿真软件EMPro 中，再导入人头模型。在导入手机和人头模型后，最好移动人头模型来调整两者的相对位置，这样便于手机天线的调试和导入。
         
        在模型导入后，手机的放置显得尤为重要，它将决定仿真后数据的精确度。标准的人头模型的形状是根据人体学研究中成年男子头部的研究报告而制定的，模型的耳朵模拟人使用手持设备时耳朵的扁平状态。
         
        在 测试SAR 的时候，根据手机的摆放位置不同，分为“贴紧脸颊”和“倾斜15 度”两种，这是根据人们日常打电话的时候持机的习惯不同而定；同时，测试的时候又有左侧和右侧的区分。同样在仿真的时候我们也要严格遵循实际测试时的摆放 方法放置模型（图4 显示了建模后的示意图）。
         

       

        图4、手机&S 人头模型3D 图

         

        在仿真时，人头内部组织液的导电率和介电常数的设置对仿真的精确性有很大的影响。在测试高频和低频的时候所用的组织液的介电常数是不相同的，测试高频时，组 织液的介电常数是40，导电率是1.4S/m，而测试低频时，组织液的介电常数是41.5，导电率是1.4S/m。在仿真的时候也需对高、低频的导电率和 介电常数分别进行相应的设置。在对SAR 值进行仿真的时候要注意选中表面电流这一项，以便于使计算结果更加准确。
         
        4.3.2、天线设计后仿真优化
        在 将手机和人头模型导入软件后，进行仿真后，可以看出天线的辐射图（图3）在在靠向人脑部位有一较强的电磁场强度，且该点的SAR 比较高，因此需要在该方向处加一磁性片从而改变该处的电磁场，降低SAR值。考虑到仿真后天线近场和SAR 值的Peak位置，再综合评估手机内结构，我们将该磁性片贴到键盘下，从而减弱天线向人头方向的辐射。经多次仿真优化磁性片的大小位置后，得到天线SAR 最优点，优化后方向图见图5。

       

        图5、天线方向图

         

         

        五、仿真和实测结果对比
        经过仿真后，可以很直观地看到天线在手机中的辐射图，在手机键盘和PCB 之间增加磁性片后改变了天线的辐射图，通过该软件可以很清楚地看到SAR 的变化。从而给天线设计提供了良好的调试参考。在增加磁性片后，从实验室测试可以看到，实测的结果要好于预期的效果，表1，2 是加磁性片前后仿真和测试的对比数据。

       

        表1 加磁性片前后的仿真数据对比

       

        表2、加磁性片前后的实测数据对比

         

        从测试和仿真的数据可以看出：加磁性片后仿真和测试的差值基本是一致的。这样在仿真中可以很好地为设计提高参考，找出天线辐射的强度，从而可以快捷地设计处好的天线，也很大程度地减少了测试的次数，减低了测试费用，加速设计周期。
         
        六、结束语
        本文采用新型的磁性材料---磁性片很好地解决了手机中的SAR 值问题，采用仿真的方法可以很直观地看出天线的辐射强度，找出天线的热点，从而为设计中磁性片的尺寸和放置提供了良好的指导方向，减低测试成本，加速设计周期。
         
        从 仿真的结果看，该手机的SAR 值达不到美国限值标准1.6W/Kg 的要求。并且从该方向图可以看出，该手机向人头部分的辐射较强，我们在手机键盘和PCB 之间增加一块磁性片，这样可以减弱天线向人头部位的电磁场强度，同时也加强了手机向人头外的电磁场强度。从而得到减低SAR 值的目的。