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，也日益關(guān)注無線通信終端的電磁輻射對人體健康的影響。在手機天線的研發(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 的大小表明了手機電磁輻射對人體健康影響的大小。在手機天線的設(shè)計中，主要關(guān)注的是無線通信終端的電磁輻射對人類頭部的影響。SAR 值的大小和手機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)計中，TRP 和SAR 本身就是一對矛盾，因此，在設(shè)計中，需很好地平衡兩者的關(guān)系。（一種FM天線的設(shè)計）
二、SAR 概述與測試簡介
SAR定義是生物體單位時間（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)初始時刻溫度對時間的微分，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。測量通過自動定位的迷你小型場強探頭測量模型內(nèi)部的電場分布來進(jìn)行。根據(jù)測得的場強值可以計算出SAR的分布以及峰值空間平均SAR。在對手機進(jìn)行SAR測試的時候，如果天線可以伸縮，兩個位置都要測試，也就是全伸出和全收縮的位置；可翻（滑）蓋移動電話，如果開蓋和合蓋時均能打電話，則兩種狀態(tài)都要進(jìn)行測試。
圖1、SAR 實驗室
三、降低SAR 的方法
在工程測試中，手機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。在手機設(shè)計中SAR 是一個綜合的問題，在設(shè)計手機天線時既要要求高的TRP 又要有低的SAR 值，這需要在手機整機設(shè)計初期對天線有很好的評估，尤其是PCB 布板、天線位置和周圍器件的放置對天線都有較大的影響。（HFSS在手機MIMO天線中的應(yīng)用）
在手機設(shè)計中，有很多方法可以降低SAR 值。在設(shè)計初期，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、天線的位置、speaker、micro、vibrator、battery等對天線影響大的器件的合理放置，在設(shè)計過程中可以通過調(diào)試PCB 上的熱點來降低SAR 值；在設(shè)計天線時一般采用PIFA 天線，它具有較低的SAR 值，這是因為PIFA 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 便不會產(chǎn)生較強的Peak 值；在設(shè)計后期，可以通過降低發(fā)射功率來降低SAR 值，從理論分析看，手機的發(fā)射功率降低1dB，SAR 數(shù)值大約會降低0.3W/Kg，他們是成正比的，但是在降低發(fā)射功率后，會影響手機的發(fā)射效率，因此在手機設(shè)計中要權(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。將這種材料貼到手機鍵盤和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)計和仿真
4.1、天線的設(shè)計
在本項目的設(shè)計中，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，因此采用monopole天線來設(shè)計，同時帶來了天線的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)計的實物天線
4.2、降低SAR 值的處理
在設(shè)計天線后，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，在手機鍵盤一側(cè)對人腦的輻射較大。因此，我們采用TDK 的磁性片將其貼到手機鍵盤和PCB 之間來抑制該處天線的輻射，從而降低手機的SAR 值。
4.3、天線的仿真
4.3.1、仿真模型的建立
天線設(shè)計后，用專門的3D 繪圖軟件CATIA 畫出天線的的3D 實體圖，然后將其天線和手機結(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)入手機和人頭模型后，最好移動人頭模型來調(diào)整兩者的相對位置，這樣便于手機天線的調(diào)試和導(dǎo)入。
在模型導(dǎo)入后，手機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告而制定的，模型的耳朵模擬人使用手持設(shè)備時耳朵的扁平狀態(tài)。
在測試SAR 的時候，根據(jù)手機的擺放位置不同，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候持機的習(xí)慣不同而定；同時，測試的時候又有左側(cè)和右側(cè)的區(qū)分。同樣在仿真的時候我們也要嚴(yán)格遵循實際測試時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&S 人頭模型3D 圖
在仿真時，人頭內(nèi)部組織液的導(dǎo)電率和介電常數(shù)的設(shè)置對仿真的精確性有很大的影響。在測試高頻和低頻的時候所用的組織液的介電常數(shù)是不相同的，測試高頻時，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，組織液的介電常數(shù)是41.5，導(dǎo)電率是1.4S/m。在仿真的時候也需對高、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SAR 值進(jìn)行仿真的時候要注意選中表面電流這一項，以便于使計算結(jié)果更加準(zhǔn)確。
4.3.2、天線設(shè)計后仿真優(yōu)化
在將手機和人頭模型導(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的電磁場強度，且該點的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，再綜合評估手機內(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，優(yōu)化后方向圖見圖5。
圖5、天線方向圖
五、仿真和實測結(jié)果對比
經(jīng)過仿真后，可以很直觀地看到天線在手機中的輻射圖，在手機鍵盤和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)計提供了良好的調(diào)試參考。在增加磁性片后，從實驗室測試可以看到，實測的結(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比數(shù)據(jù)。
表1 加磁性片前后的仿真數(shù)據(jù)對比
表2、加磁性片前后的實測數(shù)據(jù)對比
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)計提高參考，找出天線輻射的強度，從而可以快捷地設(shè)計處好的天線，也很大程度地減少了測試的次數(shù)，減低了測試費用，加速設(shè)計周期。
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度，找出天線的熱點，從而為設(shè)計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)計周期。
從仿真的結(jié)果看，該手機的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，該手機向人頭部分的輻射較強，我們在手機鍵盤和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度，同時也加強了手機向人頭外的電磁場強度。從而得到減低SAR 值的目的。
