手机天线设计中降低SAR的研究

一、引言

随着信息技术的发展，大众在享受无线通信设备带来的各种便利之时，也日益关注无线通信终端的电磁辐射对人体健康的影响。在手机天线的研发以及测试领域，天线工程师除了关注TRP（全向辐射功率），TIS（总全向灵敏度），RL（回波损耗），Efficiency（效率）以外，还很非常注重另一指标---SAR（Specific Absorption Rate）。

SAR 的大小表明了手机电磁辐射对人体健康影响的大小。在手机天线的设计中，主要关注的是无线通信终端的电磁辐射对人类头部的影响。SAR 值的大小和手机的辐射功率密切相关，通常SAR 值的大小与TRP 成正比，在设计中，TRP 和SAR 本身就是一对矛盾，因此，在设计中，需很好地平衡两者的关系。

二、SAR 概述与测试简介

SAR定义是生物体单位时间（s）、单位质量（kg）所吸收的电磁辐射（照射）能量，它在美国和欧洲关于SAR有不同的标准，美国是1g的标准，欧洲是10克的标准，单位均是W/Kg或mw/g。SAR分为局部SAR和平均SAR。由于我们主要关注的是局部SAR，在这里给出局部SAR的相关表达方法：

E ——组织内电场强度的值，单位是伏每米；
σ——介质导电率，单位是西门子每米；
ρ——组织密度，单位是千克每立方米；
C——组织的比热容；
——组织内初始时刻温度对时间的微分，单位开尔文每秒。

SAR测量系统主要由人体模型、电子测量仪器、扫描定位系统和被测设备夹具等组成。测量通过自动定位的迷你小型场强探头测量模型内部的电场分布来进行。根据测得的场强值可以计算出SAR的分布以及峰值空间平均SAR。在对手机进行SAR测试的时候，如果天线可以伸缩，两个位置都要测试，也就是全伸出和全收缩的位置；可翻（滑）盖移动电话，如果开盖和合盖时均能打电话，则两种状态都要进行测试。

图1、SAR 实验室

三、降低SAR 的方法

在工程测试中，手机SAR 值主要是测试它的峰值是否超标，因此减小SAR 值的原理是在于如何把电流分布均匀化。在手机设计中SAR 是一个综合的问题，在设计手机天线时既要要求高的TRP 又要有低的SAR 值，这需要在手机整机设计初期对天线有很好的评估，尤其是PCB 布板、天线位置和周围器件的放置对天线都有较大的影响。

在手机设计中，有很多方法可以降低SAR 值。在设计初期，首先要求布板工程师、结构工程师充分考虑PCB 的设计、天线的位置、speaker、micro、vibrator、battery等对天线影响大的器件的合理放置，在设计过程中可以通过调试PCB 上的热点来降低SAR 值；在设计天线时一般采用PIFA 天线，它具有较低的SAR 值，这是因为PIFA 天线和PCB 之间有较大的区域并且和PCB 地构成回路，电流能较均匀地分布，这样SAR 便不会产生较强的Peak 值；在设计后期，可以通过降低发射功率来降低SAR 值，从理论分析看，手机的发射功率降低1dB，SAR 数值大约会降低0.3W/Kg，他们是成正比的，但是在降低发射功率后，会影响手机的发射效率，因此在手机设计中要权衡利弊。

降低SAR 值的的最好的方向是：保证其发射功率，改变天线的方向图，减小面向人头部峰值。本文采用TDK 公司的一种叫软磁性片的材料可以很容易地达到这种目的，如图2 所示，它是由磁性材料和树脂制成的电磁屏蔽材料。该材料具有高磁导率，高电阻率等特点。将这种材料贴到手机键盘和PCB之间，有效地改变了天线的近场，改变天线的辐射强度。本文通过仿真优化，找出该磁性片最佳的尺寸和放置位置，从而降低手机面向头部的电磁辐射，达到降低SAR 值目的。

图2、磁性片样品

四、天线的设计和仿真

4.1、天线的设计

在本项目的设计中，考虑到天线的空间有限，天线和PCB板的距离较小，采用PIFA天线难以设计，因此采用monopole天线来设计，同时带来了天线的SAR问题。经过初步的调试，该天线为如下图（图3）：

图3、设计的实物天线

4.2、降低SAR 值的处理

在设计天线后，在SAR 测试后，发现天线的SAR 值不能达到美国标准。从测试结果可以看出，在手机键盘一侧对人脑的辐射较大。因此，我们采用TDK 的磁性片将其贴到手机键盘和PCB 之间来抑制该处天线的辐射，从而降低手机的SAR 值。

4.3、天线的仿真

4.3.1、仿真模型的建立

天线设计后，用专门的3D 绘图软件CATIA 画出天线的的3D 实体图，然后将其天线和手机结构图导入到天线三维电磁场仿真软件EMPro 中，再导入人头模型。在导入手机和人头模型后，最好移动人头模型来调整两者的相对位置，这样便于手机天线的调试和导入。

在模型导入后，手机的放置显得尤为重要，它将决定仿真后数据的精确度。标