手機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

(西安電子科技大學理學院，陜西 西安 710071)

隨著移動通信和電信業的迅速發展，手機已經成為大眾消費品。與此同時，手機對人體的電磁輻射是否會對人體帶來傷害也成為人們討論的焦點。手機輻射，是指手機通過電磁波進行信息傳遞，這些電波就被稱為手機輻射。手機輻射對人體健康的危害是客觀存在的問題，世界衛生組織目前表示，手機輻射可能引發腦癌，被列為“致癌性危害物”。一些血例和實驗已表明這種電磁輻射對人體具有潛在的影響。所以研究在不影響移動通信的基礎上減少手機天線對人體的輻射具有一定的意義。手機天線的類型大致可分為外置單極、雙極天線和內置PIFA(Planar Inverted F－shaped Antenna)天線等。Sang il Kwark等人研究了加載EBG結構的PIFA手機天線的電磁輻射特性，電磁波對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天線的相互作用［2］;聞映紅等人研究了手機輻射作用下人體內外的場強分布［3］。

研究手機天線電磁輻射屏蔽的方法有兩種:(1)在手機靠近人腦一側涂上吸波材料以降低輻射。(2)利用電磁場的輻射原理，在手機中添加有效的隔離裝置，用于降低對人腦的電磁輻射。文中將采用手機常用的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天線對頭部的電磁輻射，從而減少對人體的危害。

1 計算仿真及建模

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(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)，自適應網格劃分和高性能的圖形界面，便于遇到三維EM問題時使用、易于學習，有仿真、可視化、立體建模、自動控制的功能，使得3D EM問題能快速而準確地得到求解。

對研究的對象進行建模，手機和頭部模型的相對位置如圖1所示。

選擇的手機天線為PIFA天線，位置在手機外殼的下側，手機天線的頻率為900 MHz和1800 MHz。在研究手機天線對人體的輻射時，輻射主要集中在人體的頭部，所以只對頭部進行建模［4］。文中主要研究手機電磁輻射的屏蔽方法和措施，所以選擇最簡單的頭部模型，即把頭部模型簡化為腦殼和腦液兩部分，本文選用參數為:腦殼的半徑為111.5 mm，厚度為5 mm，介電常數為4.6;腦液的半徑為106.5 mm，介電常數為42.9，電導率為0.9。手機天線的立體模型如圖2所示。

圖1 手機天線模型與人體頭部模型的相對位置

如圖5所示，在天線接地面的一側距離接地面0.9 mm處加載了與地面相同大小，厚度為0.1 mm的銅板，以此作為一個屏蔽板，通過仿真得出手機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和SAR分布減少，那么這種設想成立。

圖5 加載屏蔽板的手機PIFA天線

2 仿真結果分析

如圖2所示，在PIFA天線一側加載了寄生單元，其目的是增加天線的帶寬，在未加載寄生單元時天線S11仿真結果如圖6所示，結果表明，當S11＜－10 dB時，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上加載寄生單元，從而達到雙頻天線的要求。加載寄生單元的天線S11參數仿真計算結果如圖7所示，結果表明，當S11＜－10 dB時，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。高低頻都滿足設計指標要求，HFSS仿真結果表明該天線滿足設計要求。

方向圖是天線輻射的重要特性，下面首先給出頭部對手機輻射方向圖的影響。為便于分析，分別把xoy、xoz和 yoz平面內的方向圖如圖8～圖10所示。因為頭部對方向圖的影響是相對于沒有頭顱存在時而言的，因而在各圖中附有手機自由空間中輻射的方向圖。圖中帶點的曲線為電場Eφ分量的方向圖，不帶點的曲線為電場Eθ分量的方向圖。

由圖8～圖10分析頭顱對手機輻射方向圖的影響。對比圖8(a)與圖8(b)可知，xoy平面內的方向圖受到的影響微小，這點可解釋為:在該平面內，手機為對稱結構而頭顱也大體為對稱結構，且二者的對稱中心基本重合;對比圖9(a)和圖9(b)可知，xoz平面內的方向圖均向下發生偏斜，這點可由頭部對手機輻射的電磁波向下反射給予解釋;對比圖10(a)與圖10(b)可知，yoz平面內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電磁功率的吸收降低了，達到了設計效果。

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，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，減少了手機對頭部的電磁輻射。

如圖14所以，屏蔽板的厚度對手機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，不至于影響手機的外形。

圖14 屏蔽板厚度的變化對S11參數的影響

3 結束語

從以上測試結果可以看出，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，所以不會影響到手機的大小。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］聞映紅，張林昌.在手機輻射作用下人體內外的場強分布［J］.電波科學學報，1998，13(1):97 －101.

［4］侯建強，牛中奇，陳建華.手機輻射與人體頭顱相互作用的仿真分析［J］.中國生物醫學工程學報，2009，28(5):714－718.