基于矩量法的手机天线辐射的

[摘 要]基于矩量法,分析了三维各向同性介质的散射问题.并以此为基础,研究了反映各向同性介质在电磁场下热效应的参数-比吸收率(SAR).针对实际手机使用中的辐射问题,给出了一个简单模型下的SAR数值仿真结果,并与IEEE标准作了比较,提出了具体的安全距离建议.最后,比较了矩量法,时域有限差分法,有限元法在手机天线辐射研究中的优缺点.

[关 键 词 ]矩量法手机天线SAR

[中图分类号]TN9 [文献标识码]A [文章编号]1007-9416(2009)08-0120-02

Research on MoM based cell phone antenna's radiation

Long Zheng1,Chen Yun1,Yang Jun2

(1.College of Photo-Electronic Engineering, Chongqing University of Post & Telemunications, Chongqing 400065,2. Jiangsu Posts & Telemunications Planning and Designing Institute Co., Ltd 210036)

[Abstract]3-D isotropic medium's scattering problems is analyzed based on MoM, and SAR which is typically character of isotropic medium's thermal effect under electromagic field is also studied.For the radiation problem of cell phone in real life, a SAR simulation result is given based on a simple model, and is pared with the IEEE standards.A safety distance between cell phone and brain is suggested.Finally,MoM,FDTD & FEM which are used in radiation problem of cell phone's antenna are pared.

[Key words]MoMcell phoneantennaSAR

0 引言*

对于人们暴露在无线电射频辐射下的关注已经不是一个新问题了.新标准和测试方法的提出,其主要目的是确保射频设备的安全性.为此,电磁辐射暴露限值(SAR值)的概念已提出好几年了,SAR值被定义为人体组织单位质量,单位时间吸收的电磁辐射能量,单位是w/kg.SAR可分为局部SAR和平均SAR.局部SAR可表示为.为电导率,为密度.以上各式可见,场强分布是SAR评估的基础.从射频安全的观点来看,RF的热辐射更为引起人们的关注.

1.电磁辐射标准

通常,商用手机的电磁辐射采用针对普通公众的“非受控”电磁环境下的辐射限值来约束.专业射频通信网络设备的辐射则采用“受控”电磁环境下的辐射限值来约束.最基本的电磁辐射限值是,适用于受控环境的、任意6分钟全身平均的SAR限值0.4w/kg (IEEE 1982、IEEE 1992、CENELEC 1995、ICNIRP 1998).在非受控环境下全身平均的SAR应小于0.08w/kg.只要6分钟平均SAR不超过给定的限值,SAR可以短时间地超过上述限值.关键是,使用者头部的局部SAR必须得到限制,以防止头部的局部升温.局部最大SAR值如表1所示.表中的值适用于头部和躯干.对于四肢来说,局部SAR值可以是这些值的两倍.可见,最大SAR在8w/kg-10w/1kg之间变化.

2.近区散射场的计算

由等效电流产生的近区磁场为

由上面两式可以数值计算出由等效电流分布产生的空间中任一点的场强,对于等效磁流产生的近区场的表达式,可由对偶原理方便的获得.

3.SAR的计算

3.1 激励源的设置

本文的天线采用半波偶极子天线,辐射电阻73.直接在馈电处馈入900MHz,600mW的输入功率

3.2 网格剖分

将人脑近似为一半径15cm的均匀介质球,剖分为480个平面贴片三角(三角形最长边长).为了与剂量学实测数据相比较,采用表4.1中的人体头部等效组织的介电常数,即.

4.数值计算结果与分析

由于局部SAR差别很大,所以它比平均SAR更能说明辐射场对人的头部的影响.参照IEEEC95.1～1992的限值规定:“对公众照射,在任意30分钟内,人体的全身的SAR应小于80mW/kg,任意1克肌体应小于1.6W/kg.从表4.3中可以看出,手机天线距离人头部2CM局部的SAR超过1.6W/kg,平均SAR也超过80mW/kg.距离人头部3CM,局部的SAR没有超过1.6W/kg,但平均SAR超过80mW/kg.因此,由此仿真得出一个结论:手机天线距离人头2CM以上,处于安全的限值以内.

与时域有限差分法(FDTD)或者有限元法(FEM)等算法相比,矩量法在仿真人体SAR时即有自己独特的优点,也有相比另外两种算法明显的缺点.

均匀人体

对大多数的应用来说,考虑电介质人体的非均匀特性并不是十分重要.(利用辐射方向图,以及输入阻抗计算).在SAR评估中,同样一般是用充满了均匀液体的腔体来模拟人体大脑.因此,仿真同样应该采用均匀的人体来使得仿真与测量环境具有可比性.利用MOM仿真均匀介质人体时,所有的分块将被赋予同样的节点常数.

高非均匀人体

体离散技术例如时域有限差分法(FDTD)或者有限元法(FEM)对于高非均匀性的人体是最合适的,因此也是目前最常采用的方法.但是,针对天线与介质人体之间有任意大自由空间的情况,矩量法(MOM)与有限元法(FEM)的混合算法更加合适.MOM+FEM的优点在于矩量法MOM区域(天线)与有限元法(FEM)区域(介质人体)之间的自由空间不必离散,这在很大程度上节省了存储空间及运行时间.

5.结语

针对手机天线的辐射问题来看,本文所提出的这种基于矩量法的分析方法,可以较好地获得足够的计算精确度,由于矩量法自动满足辐射边界条件,不需要设置截断边界,对目标表面进行二维网格剖分,大大减小了计算量.这种分析方法不仅可用于精确分析通

信信号与人体,也可用于环境间的相关电磁兼容、电磁危害问题.通信信号的EMC和电磁危害分析主要包括:环境(包括人体)对天线辐射特性的影响,辐射信号对人体的影响.对于前者,采用矩量法,可以精确高效地得出天线的辐射方向图、近场分布、S参数等,对于后者,利用MOM+FEM,采用有限元法处理复杂的人体组织结构,在天线和人体组织边界上应用矩量法,不需要对辐射空间进行网格划分就可以精确分析SAR和组织内近场分布.

[参考文献]

[1] 盛新庆著.计算电磁学要论(第二版.合肥.中国科学技术大学出版社.2004.58-75.

[2] 韩宇南,吕英华,张金玲,张洪欣. 蓝牙平面倒F天线辐射对人体比吸收率仿真,电波科学学报,Vo1.23,No.2,Apri1,2008.

[3] P Bernardi, M Cagnaro, S Pisa, E Piuzzi, "SAR distribution and temperature increase in an anatomical model of the human eye exposed to the field radiated by the user antenna in a wireless LAN", IEEE Transactions on Microwe Theory and Techniques,vol.46,issue 12,pp.2074-2082.

[4] 康刚,祝西里,王长清,徐承和.单极天线对人体作用的剂量学分析北京大学学报(自然科学版),1996,32(5):635-641.

[个人简历]

龙峥(1983―),男,重庆人,重庆邮电大学硕士研究生.主要研究方向为电磁场数值计算、混合算法分析.

杨军(1978―),男,江苏人,硕士,主要研究方向为天线与电波传播.

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