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。（一種FM天線的設(shè)計(jì)）
二、SAR 概述與測試簡介
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(shè)備夾具等組成。測量通過自動(dòng)定位的迷你小型場強(qiáng)探頭測量模型內(nèi)部的電場分布來進(jìn)行。根據(jù)測得的場強(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測試的時(shí)候，如果天線可以伸縮，兩個(gè)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(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)行測試。
圖1、SAR 實(shí)驗(yàn)室
三、降低SAR 的方法
在工程測試中，手機(jī)SAR 值主要是測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。（HFSS在手機(jī)MIMO天線中的應(yīng)用）
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，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 測試后，發(fā)現(xiàn)天線的SAR 值不能達(dá)到美國標(biāo)準(zhǔn)。從測試結(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(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)室測試可以看到，實(shí)測的結(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)測數(shù)據(jù)對(duì)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(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試的次數(shù)，減低了測試費(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)，我們在手機(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強(qiáng)度，同時(shí)也加強(qiáng)了手機(jī)向人頭外的電磁場強(qiáng)度。從而得到減低SAR 值的目的。
