三類手機(jī)天線輻射與SAR仿真對比分析

王 瑩，于利娟，張 民

(西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，陜西西安 710071)

近年來，隨著移動通信和電信業(yè)的迅速發(fā)展，手機(jī)已經(jīng)成為大眾消費品。與此同時，手機(jī)對人體的電磁輻射到底有多大［1］，哪一類手機(jī)天線會對人體帶來的傷害最小，已成為討論的焦點。近年來，對此人們做了大量工作，如康剛等人研究了移動通信手機(jī)天線對人體作用的溫度分布［2］;M.A.Jensen等在900 MHz下研究了人體頭部與手機(jī)天線的相互作用［3］;Mat，D.A.A.等研究了900 MHz的手持電話電磁輻射對人體頭部的影響［4］;聞映紅等人研究了手機(jī)輻射作用下人體內(nèi)外的場強(qiáng)分布［5］;翟磊研究了人頭模型與雙頻PIFA天線相互作用的仿真［6］;張加?xùn)|研究了手機(jī)輻射對人體頭部的電磁輻射仿真［7］;于利娟等對手機(jī)天線輻射與人頭吸收率的仿真做了研究［8］。因此研究手機(jī)對人體的輻射很有意義。

本文選擇3款常見的手機(jī)天線進(jìn)行分析，分別為內(nèi)置PIFA天線、環(huán)形彎曲天線、單極子天線。并分別在手機(jī)天線的接地板方向加載一定厚度銅板，對比分析3款手機(jī)天線對人體頭部的電磁輻射特性。

1 計算仿真及建模

本文研究中，建模仿真將采用HFSS(High Frequency Structure Simulator)模擬仿真軟件。選擇手機(jī)天線依次為PIFA天線、環(huán)形彎曲天線及單極子天線，位置在手機(jī)外殼的下側(cè)，手機(jī)天線的頻率為900 MHz和1 800 MHz。在研究3款手機(jī)天線對人體的輻射時，輻射主要集中在人體頭部，所以只對人體的頭部進(jìn)行建模［9］。在本次研究中，主要通過對比3款手機(jī)天線在加載屏蔽板后的電磁輻射，所以選擇最簡單的人頭模型，即將人頭模型簡化為腦殼和腦液兩部分，本文選用參數(shù):腦殼半徑111.5 mm，厚度5 mm，介電常數(shù)4.6;腦液半徑106.5 mm，介電常數(shù)42.9，電導(dǎo)率0.9。其中3款手機(jī)天線的立體模型如圖1所示，平面圖如圖2所示。

圖1 3款手機(jī)天線立體圖

圖2 3款手機(jī)天線平面圖

分別在PIFA天線接地面的一側(cè)距離接地面0.9 mm處加載了54 mm×32 mm、厚度為0.1 mm，在環(huán)形彎曲天線接地面的一側(cè)距離接地面0.1 mm處加載了60 mm×10 mm、厚度為0.08 mm，在單極子天線接地面的一側(cè)距離接地面0.1 mm處加載了40 mm×11 mm、厚度均為0.09 mm的銅板，以此作為屏蔽板，通過仿真得出手機(jī)天線在人體頭部的輻射情況。

2 仿真結(jié)果分析

S11仿真結(jié)果如圖 3所示，結(jié)果表明，當(dāng) S11＜－10 dB時，PIFA天線在低頻段的帶寬為 92 MHz(871～963 MHz)覆蓋了GSM900頻段，環(huán)形彎曲天線在低頻段的帶寬70 MHz(790～860 MHz)，覆蓋了CDMA800頻段，而單極子天線由于頻率太低對分支的長度要求高，不利于天線小型化的設(shè)計，因此沒有低頻段，3款手機(jī)天線高頻段的帶寬分別為92 MHz(1 772～1 864 MHz)、261 MHz(1 584 ～ 1 845 MHz)、91 MHz(1 769～1 860 MHz)，均覆蓋了DCS1800頻段。高低頻均滿足設(shè)計指標(biāo)要求，說明HFSS仿真結(jié)果表示該天線滿足設(shè)計要求。

通過手機(jī)天線S11的仿真結(jié)果可得出:內(nèi)置PIFA天線的高低諧振頻段是移動通信中常用到的，環(huán)形彎曲天線覆蓋了CDMA800和DCS1800頻段，CDMA800頻率在穿透率和覆蓋面積上擁有較大優(yōu)勢，單極子天線覆蓋了DCS1800頻段。

圖3 3款手機(jī)天線S11仿真結(jié)果

方向圖是天線輻射的重要特性，3款手機(jī)天線的輻射方向圖如下。為便于分析，分別把xoy、xoz和yoz平面內(nèi)的方向圖示于圖4～圖6。圖中點劃線為電場Eφ分量的方向圖，實線為電場Eθ分量的方向圖。

圖4 xoy平面的二維方向圖

圖5 xoz平面的二維方向圖

圖6 yoz平面的二維方向圖

由圖4～圖6分析比較人體頭部對手機(jī)輻射方向圖的影響。對比圖4(a)、圖4(b)與圖4(c)可知，在xoy平面內(nèi)，單極子手機(jī)天線的輻射具有全向性且方向圖的對稱性最好;對比圖5(a)、圖5(b)與圖5(c)可知，PIFA天線在xoz平面內(nèi)的方向圖向下發(fā)生偏斜，這點可由人體頭部對手機(jī)輻射的電磁波向下反射給予解釋，環(huán)形彎曲手機(jī)天線的輻射具有全向性，單極子手機(jī)天線的輻射方向圖的對稱性最好;對比圖6(a)、圖6(b)與圖6(c)可知，在yoz平面內(nèi)，環(huán)形彎曲天線和單極子天線輻射具有全向性。由此可知，在xoy平面內(nèi)PIFA天線和單極子天線的方向性最好，在xoz平面內(nèi)3款手機(jī)天線的方向性均較好，在yoz平面內(nèi)環(huán)形彎曲天線和單極子天線的方向性最佳。

圖7分別是人頭模型SAR隨距離的變化情況。SAR(Specific Absorption Rate)是計量被身體實際吸收的無線電頻率輻射能量的表示單位，叫做特殊吸收比率或稱比吸收率，以W/kg或mW/g來表示。在國際上一般選擇用美國標(biāo)準(zhǔn)或者歐洲標(biāo)準(zhǔn)，其中美國的手機(jī)輻射峰值標(biāo)準(zhǔn)為SAR≤1.6 W/kg，歐洲的手機(jī)輻射峰值標(biāo)準(zhǔn)為SAR≤2.0 W/kg。

圖7 手機(jī)天線SAR值

由圖7可看出，PIFA天線的局部SAR最大值為2.77，平均SAR最大值為2.22，但未達(dá)到歐洲標(biāo)準(zhǔn);環(huán)形彎曲天線的局部SAR最大值為2.0，平均SAR最大值為2.0，達(dá)到了歐洲標(biāo)準(zhǔn);單極子天線的局部SAR最大值為1.0，平均SAR最大值為0.48，達(dá)到了美國標(biāo)準(zhǔn);由此可以看出單極子天線的SAR值最低，對人體頭部的電磁輻射最小。

圖8 手機(jī)天線在人腦的電場輻射圖

由圖8可知，顏色越深說明電場的輻射越大，所以單極子手機(jī)天線的電場輻射最小，PIFA天線的電場輻射最大。

3 結(jié)束語

本文研究了內(nèi)置PIFA天線、環(huán)形彎曲天線及單極子天線的輻射，3類手機(jī)天線的方向性都很好。通過人體頭部模型的SAR分布可看出，單極子天線的SAR值比環(huán)形彎曲天線以及PIFA天線小很多。單極子天線對人體頭部的電磁輻射最小，SAR最大值為1.0，達(dá)到了手機(jī)輻射峰值標(biāo)準(zhǔn)在國際通用的美國標(biāo)準(zhǔn);環(huán)形彎曲天線對人體頭部的輻射次之，SAR最大值為2.0，達(dá)到了手機(jī)輻射峰值標(biāo)準(zhǔn)在國際通用的歐洲標(biāo)準(zhǔn);PIFA天線對人體頭部電磁輻射最大，SAR的最大值為2.77，未達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)。這對正確認(rèn)識手機(jī)天線輻射對人體的影響有一定的參考。

［1］Seetharaman R，Uthayakumar G S，Kumaravel N.Mobile phone antennas and its radiation patterns［C］.Bangalore:10th International Conference on Electromagnetic Interference＆ Compatibility，2008:355－360.

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［5］聞映紅，張林昌.在手機(jī)輻射作用下人體內(nèi)外的場強(qiáng)分析［J］.電波科學(xué)學(xué)報，1998，13(1):97 －101.

［6］翟磊.人頭模型與雙頻PIFA天線相互作用的仿真研究［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2010.

［7］張加?xùn)|.手機(jī)輻射對人體頭部的電磁輻射仿真研究［D］.煙臺:煙臺大學(xué)，2013.

［8］于利娟，李建軍，劉璇，等.手機(jī)天線輻射與人頭吸收率的仿真分析［J］.電子科技，2012，25(12)，56 －61.

［9］侯建強(qiáng)，牛中奇，陳建華.手機(jī)輻射與人體頭顱相互作用的仿真分析［J］.中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報，2009，28(5):714－718.