手機(jī)天線輻射與人頭吸收率的仿真分析

于利娟，李建軍，劉 璇，杜文權(quán)

(西安電子科技大學(xué)理學(xué)院，陜西 西安 710071)

隨著移動(dòng)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(fèi)品。與此同時(shí)，手機(jī)對(duì)人體的電磁輻射是否會(huì)對(duì)人體帶來傷害也成為人們討論的焦點(diǎn)。手機(jī)輻射，是指手機(jī)通過電磁波進(jìn)行信息傳遞，這些電波就被稱為手機(jī)輻射。手機(jī)輻射對(duì)人體健康的危害是客觀存在的問題，世界衛(wèi)生組織目前表示，手機(jī)輻射可能引發(fā)腦癌，被列為“致癌性危害物”。一些血例和實(shí)驗(yàn)已表明這種電磁輻射對(duì)人體具有潛在的影響。所以研究在不影響移動(dòng)通信的基礎(chǔ)上減少手機(jī)天線對(duì)人體的輻射具有一定的意義。手機(jī)天線的類型大致可分為外置單極、雙極天線和內(nèi)置PIFA(Planar Inverted F－shaped Antenna)天線等。Sang il Kwark等人研究了加載EBG結(jié)構(gòu)的PIFA手機(jī)天線的電磁輻射特性，電磁波對(duì)人體的輻射有所減弱［1］;M.A.Jensen等在900 MHz下研究了頭部與手機(jī)天線的相互作用［2］;聞?dòng)臣t等人研究了手機(jī)輻射作用下人體內(nèi)外的場(chǎng)強(qiáng)分布［3］。

研究手機(jī)天線電磁輻射屏蔽的方法有兩種:(1)在手機(jī)靠近人腦一側(cè)涂上吸波材料以降低輻射。(2)利用電磁場(chǎng)的輻射原理，在手機(jī)中添加有效的隔離裝置，用于降低對(duì)人腦的電磁輻射。文中將采用手機(jī)常用的PIFA天線，在天線的接地板方向加載一定厚度的銅板來降低手機(jī)天線對(duì)頭部的電磁輻射，從而減少對(duì)人體的危害。

1 計(jì)算仿真及建模

文中建模仿真采用Windows圖形用戶界面的一款高性能全波電磁場(chǎng)(EM)段任意3D無源器件的HFSS(High Frequency Structure Simulator)模擬仿真軟件。Ansoft HFSS使用有限元法(FEM)，自適應(yīng)網(wǎng)格劃分和高性能的圖形界面，便于遇到三維EM問題時(shí)使用、易于學(xué)習(xí)，有仿真、可視化、立體建模、自動(dòng)控制的功能，使得3D EM問題能快速而準(zhǔn)確地得到求解。

對(duì)研究的對(duì)象進(jìn)行建模，手機(jī)和頭部模型的相對(duì)位置如圖1所示。

選擇的手機(jī)天線為PIFA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1800 MHz。在研究手機(jī)天線對(duì)人體的輻射時(shí)，輻射主要集中在人體的頭部，所以只對(duì)頭部進(jìn)行建模［4］。文中主要研究手機(jī)電磁輻射的屏蔽方法和措施，所以選擇最簡(jiǎn)單的頭部模型，即把頭部模型簡(jiǎn)化為腦殼和腦液兩部分，本文選用參數(shù)為:腦殼的半徑為111.5 mm，厚度為5 mm，介電常數(shù)為4.6;腦液的半徑為106.5 mm，介電常數(shù)為42.9，電導(dǎo)率為0.9。手機(jī)天線的立體模型如圖2所示。

圖1 手機(jī)天線模型與人體頭部模型的相對(duì)位置

如圖5所示，在天線接地面的一側(cè)距離接地面0.9 mm處加載了與地面相同大小，厚度為0.1 mm的銅板，以此作為一個(gè)屏蔽板，通過仿真得出手機(jī)在頭部方向的輻射情況，如果加入屏蔽體后輻射在人體頭部的電場(chǎng)和SAR分布減少，那么這種設(shè)想成立。

圖5 加載屏蔽板的手機(jī)PIFA天線

2 仿真結(jié)果分析

如圖2所示，在PIFA天線一側(cè)加載了寄生單元，其目的是增加天線的帶寬，在未加載寄生單元時(shí)天線S11仿真結(jié)果如圖6所示，結(jié)果表明，當(dāng)S11＜－10 dB時(shí)，低頻段的帶寬有92 MHz(891～983 MHz)，覆蓋了GSM頻段，卻沒有高頻帶寬，所以在此天線的基礎(chǔ)上加載寄生單元，從而達(dá)到雙頻天線的要求。加載寄生單元的天線S11參數(shù)仿真計(jì)算結(jié)果如圖7所示，結(jié)果表明，當(dāng)S11＜－10 dB時(shí)，低頻段帶寬92 MHz(871～963 MHz)，覆蓋了GSM頻段，高頻段帶寬有92 MHz(1772～1864 MHz)，覆蓋了DCS頻段。高低頻都滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，HFSS仿真結(jié)果表明該天線滿足設(shè)計(jì)要求。

方向圖是天線輻射的重要特性，下面首先給出頭部對(duì)手機(jī)輻射方向圖的影響。為便于分析，分別把xoy、xoz和 yoz平面內(nèi)的方向圖如圖8～圖10所示。因?yàn)轭^部對(duì)方向圖的影響是相對(duì)于沒有頭顱存在時(shí)而言的，因而在各圖中附有手機(jī)自由空間中輻射的方向圖。圖中帶點(diǎn)的曲線為電場(chǎng)Eφ分量的方向圖，不帶點(diǎn)的曲線為電場(chǎng)Eθ分量的方向圖。

由圖8～圖10分析頭顱對(duì)手機(jī)輻射方向圖的影響。對(duì)比圖8(a)與圖8(b)可知，xoy平面內(nèi)的方向圖受到的影響微小，這點(diǎn)可解釋為:在該平面內(nèi)，手機(jī)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)而頭顱也大體為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，且二者的對(duì)稱中心基本重合;對(duì)比圖9(a)和圖9(b)可知，xoz平面內(nèi)的方向圖均向下發(fā)生偏斜，這點(diǎn)可由頭部對(duì)手機(jī)輻射的電磁波向下反射給予解釋;對(duì)比圖10(a)與圖10(b)可知，yoz平面內(nèi)的方向圖均向頭部右下方偏斜，由此可知，增加的屏蔽板使頭部對(duì)電磁功率的吸收降低了，達(dá)到了設(shè)計(jì)效果。

圖11是頭部的SAR_Line位置，圖12和圖13分別是沒有加屏蔽板和加載屏蔽板后，頭部模型沿SAR_Line方向的SAR隨距離的變化情況。

由圖12和圖13可以明顯看出，未加屏蔽板時(shí)，局部SAR最大值為3.18，平均SAR最大值為2.43;而加載屏蔽板之后的局部SAR最大值為2.77，平均SAR最大值為2.22。由此可見，加入屏蔽板后SAR值有明顯降低，減少了手機(jī)對(duì)頭部的電磁輻射。

如圖14所以，屏蔽板的厚度對(duì)手機(jī)PIFA天線的帶寬基本沒有影響，所以不必考慮其厚度的問題，可以盡量使其輕薄，不至于影響手機(jī)的外形。

圖14 屏蔽板厚度的變化對(duì)S11參數(shù)的影響

3 結(jié)束語(yǔ)

從以上測(cè)試結(jié)果可以看出，屏蔽板的屏蔽效果明顯，而且屏蔽的效果與屏蔽板的厚度無關(guān)，所以不會(huì)影響到手機(jī)的大小。通過頭部模型的SAR分布可以看出，未加載屏蔽板的局部峰值和平均峰值都比加載屏蔽板時(shí)大，所以可以明顯地看出加載屏蔽板的效果。

［1］SANG I K，DONG － UK S，JONG H K.SAR reduction on a mobile phoe antenna using the EBG structure［C］.Proceedings of the 38th European Microwave Confererce，2007:1308－1311.

［2］JENSEN M A，RAHMAT －SAMII Y.EM interaction of handset aantennas and a human in personal communications［J］.Proceedings of the IEEE，1995，83(1):7 －17.

［3］聞?dòng)臣t，張林昌.在手機(jī)輻射作用下人體內(nèi)外的場(chǎng)強(qiáng)分布［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，1998，13(1):97 －101.

［4］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(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)，2009，28(5):714－718.