充電器對移動電話比吸收率影響的研究

楊彥彰，林 斌，劉 暉，吳飛云，王育亮

（深圳市計量質量檢測研究院，廣東 深圳 518055）

0 引 言

移動電話與基站之間保持聯(lián)系是通過高頻電磁波來進行，高頻電磁波作用于物體后，一部分被反射，一部分被吸收，被吸收的輻射能量會使組織體內(nèi)的分子和電介質產(chǎn)生振動，引起媒質的磨擦，把動能轉化為熱能，從而使組織體溫度升高[1]，這種溫度升高對人體產(chǎn)生的效應稱為熱效應[2]。除了熱效應外，高頻電磁波輻射對人體的影響還有非熱效應[2]。非熱效應是指當人體暴露在強度不大的輻射環(huán)境中，體溫雖然沒有明顯增高，但往往會出現(xiàn)一些反應，這些反應主要表現(xiàn)在破壞腦組織細胞并引起血液內(nèi)白細胞和紅細胞變化。高頻電磁波與生物組織的相互作用，是多種參數(shù)相互作用的復雜函數(shù)，人們對其的認知還在不斷的研究和探索中，但是對于移動電話輻射的熱效應，在科學界已經(jīng)有一套比較完備的計量標準，就是比吸收率（specific absorption rate，SAR）值。

1 比吸收率

1.1 SAR定義

在外電場的作用下，人體內(nèi)將產(chǎn)生感應電磁場。由于人體各種器官均為有耗介質，所以人體內(nèi)的電磁場將會產(chǎn)生電流，同時吸收和耗散電磁波能量。

SAR的定義為單位時間單位質量的生物組織所吸收的電磁波能量，其定義式[3]為

式中：SAR——比吸收率，單位是W/kg；

dW——機體組織吸收的電磁波能量，單位是J；

dm——表示無窮小集體組織的質量，單位是kg。

經(jīng)過換算，SAR值測量可轉換成對機體組織模擬液中的電場測試來進行計算，表達式[4]為：

即給定物質密度（ρ）下的一體積單元（dV）中單位物質（dm）吸收（耗損）的單位電磁能量（dW）相對于時間的導數(shù)。

式中：E——細胞組織中的電場強度有效值，V/m；

σ——人體組織的電導率，S/m；

ρ——人體組織密度，kg/m3。

現(xiàn)有的SAR測量系統(tǒng)通常是根據(jù)式（2），利用測試的電場值、測試液體的電導率和密度來計算單位質量的SAR，最終選取單位質量體平均SAR的最大值，即最大空間平均SAR為整體的SAR。

1.2 SAR的測試

一般情況下，移動電話暴露的SAR測定利用計算機控制的機器人進行，機器人可對置于充滿組織模擬液體的人體模型中的探頭進行定位，并通過探頭測量移動電話的輻射量，用計算機進行記錄和分析，最終形成測試結果。SAR測試系統(tǒng)主要由機器人及數(shù)據(jù)記錄器、機器人、探頭寄讀數(shù)裝置、人體模型、設備夾具等組成，具體測試系統(tǒng)如圖1[5]所示。

圖1 典型SAR測試系統(tǒng)

1.3 SAR限值

目前世界上許多國家和地區(qū)以及國際組織都制定出移動電話的SAR限值，這些限值都是在對人體產(chǎn)生危害的輻射量基礎上，考慮安全因素而制定出來。由于考慮的因素不完全一樣，各個國家、地區(qū)和國際組織制定出的SAR限值也不一樣。我國在2007年也制定出了移動電話的限值。表1列出主要國家和組織的移動電話SAR限值。

表1 主要國家和組織移動電話SAR限值

2 影響SAR值的因素

移動電話輻射大小，主要取決于其天線、外觀設計等因素，也就是說和移動電話本身的設計緊密相關的，不同的設計會產(chǎn)生不同的輻射。除此之外影響移動電話SAR值的因素還有很多，圖2給出了移動電話SAR測試結果的主要影響因素。

從圖2可以看出，移動電話本身的設計、測試設備的特性以及設備布置等因素都會影響被測移動電話的場分布，最終影響SAR測量值。在實際工作中發(fā)現(xiàn)移動電話的外部連線對SAR值有很大的影響，本文僅對外部連線中的充電器進行研究。

3 外部連線等效天線模型

一般而言，移動電話都需要外部連接線。外部連接線包括數(shù)據(jù)線、耳機、充電器輸出線等。當移動電話等效成共模騷擾源時，這些外部連接線就等效成共模源的發(fā)射天線。本來起屏蔽作用的機殼（金屬材質），此時也變成了天線的一部分，一起參與輻射發(fā)射。其原理如圖3所示。

圖3 外接電纜和機殼等效成發(fā)射天線

等效天線是由共模騷擾源驅動的。該騷擾源在電路原理圖上并不存在，它是在產(chǎn)品設計過程中由于沒有充分考慮電磁兼容設計原則而產(chǎn)生的。另一方面，有用信號源可以通過電流驅動模式或電壓驅動模式產(chǎn)生共模騷擾源。

4 基于等效天線模型的對比試驗

為驗證外部連線等效天線模型理論，本研究選用某品牌的GSM移動電話，在DASY 5系統(tǒng)上通過對比試驗加以驗證。試驗按照GB21288-2007《移動電話電磁輻射局部暴露限值》進行，其標準限值為任意10g生物組織、任意連續(xù)6min平均SAR值不得超過2.0W/kg[3]。試驗在移動電話不接充電器和連接充電器充電兩種情況下進行。為了確認充電器是否產(chǎn)生較高的電磁輻射，也對充電器連接負載的狀態(tài)下進行測試。試驗所得結果如表2所示。

表2 測試結果

從結果中可以看出，充電器本身對SAR值并不產(chǎn)生影響，SAR值僅為0.0015W/kg。而移動電話連接充電器（充電）的SAR值為13.1W/kg，已遠遠超過2.0W/kg的限值要求。

5 應對措施

本實驗得出等效天線效應對移動電話的SAR值會產(chǎn)生一定的影響。由于等效天線效應是由共模騷擾源產(chǎn)生的，而共模騷擾源在移動電話中無法避免，為了減少等效天線效應的影響，建議主要圍繞以下3點采取相應的措施：（1）抑制電磁干擾源；（2）切斷電磁干擾耦合路徑；（3）降低電磁敏感裝置的敏感性。對于移動電話產(chǎn)品，應該在設計階段考慮等效天線效應，盡量降低該效應的影響。一般來說主要的抑制方法有3種：（1）在PCB板上增加地層，這樣可以讓板層間的信號層實現(xiàn)局部隔離，同時也可以減少不同區(qū)域間地電勢差。但是移動電話產(chǎn)品由于市場的競爭激烈，有的生產(chǎn)廠家為了降低成本，在實現(xiàn)功能的情況下，盡可能少地采用地層，導致PCB板上不同區(qū)域的地電勢差別比較明顯，形成較強的共模干擾。另外由于接地層的減少，電路在工作時，差模信號也會因為線路的走線不合理轉變成共模干擾。因此在設計時，盡量采用增加地層、線路等走線嚴格按照高速數(shù)字電路的設計原則，將共模騷擾降低到最低。（2）在PCB板上安裝射頻模塊區(qū)域，增加屏蔽罩，實現(xiàn)局部的屏蔽，從而切斷干擾路徑，減少共模干擾的形成。（3）采用尺寸比較短的線纜或屏蔽線纜，可以減低由于線纜較長而充當了發(fā)射天線的情況，從而減少共模干擾的形成。

6 結束語

移動電話是否連接充電器對移動電話的SAR值產(chǎn)生較大影響。雖然目前在符合性評定過程中SAR測試僅在不連接充電器即電池供電的配置下進行，但建議移動電話制造商在移動電話設計階段應該考慮到充電器的影響，以彌補測試標準的缺失；另一方面，考慮到在移動電話充電時，移動電話的輻射會增加，使用者應盡量避免在充電時進行通話，以減少移動電話輻射對人體的影響。

[1]李忻，李方偉.手機輻射問題研究[J].移動通信，2001（6）：21-24.

[2]高攸綱.談高頻場電磁污染[C]∥第二屆電磁輻射與健康國際研討會論文集.北京：中國生物醫(yī)學工程學會，2000.

[3]GB 21288—2007移動電話電磁輻射局部暴露限值[S].北京：中國標準出版社，2008.

[4]Chou C K，Ph D.手持移動電話射頻計量方法 [C]∥99北京電磁輻射與健康國際研討會論文集.北京：衛(wèi)生部衛(wèi)生法制與監(jiān)督司，1999.

[5]IEEE Std 1528TM—2003，IEEE recommended practice for determining the peak spatial-average specific absorption rate（SAR）in the Human Head from wireless communicationsdevices：measurementtechniques [S].New York：The Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc，2003.

[6]IEC.IEC62209-1 First Edition 2005-02 Human exposure to radio frequency fieldsfrom hand-held and body-mounted wireless communication devices-human models，instrumentation,and procedures-Part 1：Procedure to determine the specific absorption rate（SAR）for hand-held devices used in close proximity to the ear（frequency range of 300 MHz to 3 GHz）[S].Geneva,Switzerland:IEC Central Office，2005.

[7]FCC.Supplement C（Edition 01-01）to OET Bulletin 65（Edition 97-01），Additional Information for Evaluating Compliance of Mobile and Portable Devices with FCC Limits for Human Exposure to Radiofrequency Emissions[S].Washington:Office of Engineering and Technology Federal Communications Commission，2001.

[8]ICNIRP.Guidelines for limiting exposure to time-varying electric，magnetic，and electromagnetic fields（up to 300GHz）[J].International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection （ICNIRP）， Health Physics，1998，74（4）：494-522.