手機(jī)天線設(shè)計(jì)中降低SAR的研究

2016-10-25  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

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(shí),也日益關(guān)注無線通信終端的電磁輻射對(duì)人體健康的影響。在手機(jī)天線的研發(fā)以及測(cè)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(jī)電磁輻射對(duì)人體健康影響的大小。在手機(jī)天線的設(shè)計(jì)中,主要關(guān)注的是無線通信終端的電磁輻射對(duì)人類頭部的影響。SAR 值的大小和手機(jī)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(jì)中,TRP 和SAR 本身就是一對(duì)矛盾,因此,在設(shè)計(jì)中,需很好地平衡兩者的關(guān)系。

二、SAR 概述與測(cè)試簡(jiǎn)介

SAR 定義是生物體單位時(shí)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(zhǔn),美國是1g的標(biāo)準(zhǔn),歐洲是10克的 標(biāo)準(zhǔn),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(dá)方法:

E ——組織內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)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;

——組織內(nèi)初始時(shí)刻溫度對(duì)時(shí)間的微分,單位開爾文每秒。

SAR 測(cè)量系統(tǒng)主要由人體模型、電子測(cè)量?jī)x器、掃描定位系統(tǒng)和被測(cè)設(shè)備夾具等組成。測(cè)量通過自動(dòng)定位的迷你小型場(chǎng)強(qiáng)探頭測(cè)量模型內(nèi)部的電場(chǎng)分布來進(jìn)行。根據(jù)測(cè)得 的場(chǎng)強(qiáng)值可以計(jì)算出SAR的分布以及峰值空間平均SAR。在對(duì)手機(jī)進(jìn)行SAR測(cè)試的時(shí)候,如果天線可以伸縮,兩個(gè)位置都要測(cè)試,也就是全伸出和全收縮的位 置;可翻(滑)蓋移動(dòng)電話,如果開蓋和合蓋時(shí)均能打電話,則兩種狀態(tài)都要進(jìn)行測(cè)試。

圖1、SAR 實(shí)驗(yàn)室

三、降低SAR的方法

在 工程測(cè)試中,手機(jī)SAR 值主要是測(cè)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(jī)設(shè)計(jì)中SAR 是一個(gè)綜合的問題,在設(shè)計(jì)手機(jī)天線時(shí)既要要求高的TRP 又要有低的SAR 值,這需要在手機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)初期對(duì)天線有很好的評(píng)估,尤其是PCB 布板、天線位置和周圍器件的放置對(duì)天線都有較大的影響。

在手機(jī)設(shè)計(jì)中,有很多方法可以降低SAR 值。在設(shè)計(jì)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(jì)、天線的位置、speaker、micro、vibrator、battery等對(duì)天線影響大的器件的合理放置,在設(shè)計(jì)過程中可以通過調(diào)試PCB 上的熱點(diǎn)來降低SAR 值;在設(shè)計(jì)天線時(shí)一般采用PIFA 天線,它具有較低的SAR 值,這是因?yàn)镻IFA 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(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的Peak 值;在設(shè)計(jì)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(jī)的發(fā)射功率降低1dB,SAR 數(shù)值大約會(huì)降低0.3W/Kg,他們是成正比的,但是在降低發(fā)射功率后,會(huì)影響手機(jī)的發(fā)射效率,因此在手機(jī)設(shè)計(jì)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(dá)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(diǎn)。將這種材料貼到手機(jī)鍵盤和PCB之間,有效地改變了天線的近場(chǎng),改 變天線的輻射強(qiáng)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(jī)面向頭部的電磁輻射,達(dá)到降低SAR 值目的。

圖2、磁性片樣品 四、天線的設(shè)計(jì)和仿真

4.1、天線的設(shè)計(jì)

在本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)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(jì),因此采用monopole天線來設(shè)計(jì),同時(shí)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(shè)計(jì)的實(shí)物天線

4.2、降低SAR 值的處理

在設(shè)計(jì)天線后,在SAR 測(cè)試后,發(fā)現(xiàn)天線的SAR 值不能達(dá)到美國標(biāo)準(zhǔn)。從測(cè)試結(jié)果可以看出,在手機(jī)鍵盤一側(cè)對(duì)人腦的輻射較大。因此,我們采用TDK 的磁性片將其貼到手機(jī)鍵盤和PCB 之間來抑制該處天線的輻射,從而降低手機(jī)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(jì)后,用專門的3D 繪圖軟件CATIA 畫出天線的的3D 實(shí)體圖,然后將其天線和手機(jī)結(jié)構(gòu)圖導(dǎo)入到天線三維電磁場(chǎng)仿真軟件EMPro 中,再導(dǎo)入人頭模型。在導(dǎo)入手機(jī)和人頭模型后,最好移動(dòng)人頭模型來調(diào)整兩者的相對(duì)位置,這樣便于手機(jī)天線的調(diào)試和導(dǎo)入。

在模型導(dǎo)入后,手機(jī)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(zhǔn)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(bào)告而制定的,模型的耳朵模擬人使用手持設(shè)備時(shí)耳朵的扁平狀態(tài)。

在 測(cè)試SAR 的時(shí)候,根據(jù)手機(jī)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(shí)候持機(jī)的習(xí)慣不同而定;同時(shí),測(cè)試的時(shí)候又有左側(cè)和右側(cè)的區(qū)分。同樣在仿真的時(shí)候我們也要嚴(yán)格遵循實(shí)際測(cè)試時(shí)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(jī)&S 人頭模型3D 圖

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

4.3.2、天線設(shè)計(jì)后仿真優(yōu)化

在 將手機(jī)和人頭模型導(dǎo)入軟件后,進(jìn)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(qiáng)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度,且該點(diǎn)的SAR 比較高,因此需要在該方向處加一磁性片從而改變?cè)撎幍碾姶艌?chǎng),降低SAR值。考慮到仿真后天線近場(chǎng)和SAR 值的Peak位置,再綜合評(píng)估手機(jī)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(diǎn),優(yōu)化后方向圖見圖5。

圖5、天線方向圖 五、仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

經(jīng)過仿真后,可以很直觀地看到天線在手機(jī)中的輻射圖,在手機(jī)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(jì)提供了良好的調(diào)試參考。在增加磁性片后,從實(shí)驗(yàn)室測(cè)試可以看到,實(shí)測(cè)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(cè)試的對(duì)比數(shù)據(jù)。

表1 加磁性片前后的仿真數(shù)據(jù)對(duì)比

表2、加磁性片前后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

從測(cè)試和仿真的數(shù)據(jù)可以看出:加磁性片后仿真和測(cè)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(jì)提高參考,找出天線輻射的強(qiáng)度,從而可以快捷地設(shè)計(jì)處好的天線,也很大程度地減少了測(cè)試的次數(shù),減低了測(cè)試費(fèi)用,加速設(shè)計(jì)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(jī)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(qiáng)度,找出天線的熱點(diǎn),從而為設(shè)計(jì)中磁性片的尺寸和放置提供了良好的指導(dǎo)方向,減低測(cè)試成本,加速設(shè)計(jì)周期。

從 仿真的結(jié)果看,該手機(jī)的SAR 值達(dá)不到美國限值標(biāo)準(zhǔn)1.6W/Kg 的要求。并且從該方向圖可以看出,該手機(jī)向人頭部分的輻射較強(qiáng),我們?cè)谑謾C(jī)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(chǎng)強(qiáng)度,同時(shí)也加強(qiáng)了手機(jī)向人頭外的電磁場(chǎng)強(qiáng)度。從而得到減低SAR 值的目的。

作者:郝衛(wèi)東、熊鄴、周志麗,富士康(北京)科技集團(tuán)

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