手機天線設計中降低SAR的研究

一、引言

隨著信息技術的發展，大眾在享受無線通信設備帶來的各種便利之時，也日益關注無線通信終端的電磁輻射對人體健康的影響。在手機天線的研發以及測試領域，天線工程師除了關注TRP（全向輻射功率），TIS（總全向靈敏度），RL（回波損耗），Efficiency（效率）以外，還很非常注重另一指標---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。在手機天線的設計中，主要關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，通常SAR 值的大小與TRP 成正比，在設計中，TRP 和SAR 本身就是一對矛盾，因此，在設計中，需很好地平衡兩者的關系。

二、SAR 概述與測試簡介

SAR 定義是生物體單位時間（s）、單位質量（kg）所吸收的電磁輻射（照射）能量，它在美國和歐洲關于SAR有不同的標準，美國是1g的標準，歐洲是10克的 標準，單位均是W/Kg或mw/g。SAR分為局部SAR和平均SAR。由于我們主要關注的是局部SAR，在這里給出局部SAR的相關表達方法：

E ——組織內電場強度的值，單位是伏每米；
σ——介質導電率，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；
——組織內初始時刻溫度對時間的微分，單位開爾文每秒。

SAR 測量系統主要由人體模型、電子測量儀器、掃描定位系統和被測設備夾具等組成。測量通過自動定位的迷你小型場強探頭測量模型內部的電場分布來進行。根據測得 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，則兩種狀態都要進行測試。

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，因此減小SAR 值的原理是在于如何把電流分布均勻化。在手機設計中SAR 是一個綜合的問題，在設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。

在手機設計中，有很多方法可以降低SAR 值。在設計初期，首先要求布板工程師、結構工程師充分考慮PCB 的設計、天線的位置、speaker、micro、vibrator、battery等對天線影響大的器件的合理放置，在設計過程中可以通過調試PCB 上的熱點來降低SAR 值；在設計天線時一般采用PIFA 天線，它具有較低的SAR 值，這是因為PIFA 天線和PCB 之間有較大的區域并且和PCB 地構成回路，電流能較均勻地分布，這樣SAR 便不會產生較強的Peak 值；在設計后期，可以通過降低發射功率來降低SAR 值，從理論分析看，手機的發射功率降低1dB，SAR 數值大約會降低0.3W/Kg，他們是成正比的，但是在降低發射功率后，會影響手機的發射效率，因此在手機設計中要權衡利弊。

降低SAR 值的的最好的方向是：保證其發射功率，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，達到降低SAR 值目的。

圖2、磁性片樣品