三类手机天线辐射与SAR仿真对比分析

王 莹，于利娟，张 民

(西安电子科技大学物理与光电工程学院，陕西西安 710071)

近年来，随着移动通信和电信业的迅速发展，手机已经成为大众消费品。与此同时，手机对人体的电磁辐射到底有多大［1］，哪一类手机天线会对人体带来的伤害最小，已成为讨论的焦点。近年来，对此人们做了大量工作，如康刚等人研究了移动通信手机天线对人体作用的温度分布［2］;M.A.Jensen等在900 MHz下研究了人体头部与手机天线的相互作用［3］;Mat，D.A.A.等研究了900 MHz的手持电话电磁辐射对人体头部的影响［4］;闻映红等人研究了手机辐射作用下人体内外的场强分布［5］;翟磊研究了人头模型与双频PIFA天线相互作用的仿真［6］;张加东研究了手机辐射对人体头部的电磁辐射仿真［7］;于利娟等对手机天线辐射与人头吸收率的仿真做了研究［8］。因此研究手机对人体的辐射很有意义。

本文选择3款常见的手机天线进行分析，分别为内置PIFA天线、环形弯曲天线、单极子天线。并分别在手机天线的接地板方向加载一定厚度铜板，对比分析3款手机天线对人体头部的电磁辐射特性。

1 计算仿真及建模

本文研究中，建模仿真将采用HFSS(High Frequency Structure Simulator)模拟仿真软件。选择手机天线依次为PIFA天线、环形弯曲天线及单极子天线，位置在手机外壳的下侧，手机天线的频率为900 MHz和1 800 MHz。在研究3款手机天线对人体的辐射时，辐射主要集中在人体头部，所以只对人体的头部进行建模［9］。在本次研究中，主要通过对比3款手机天线在加载屏蔽板后的电磁辐射，所以选择最简单的人头模型，即将人头模型简化为脑壳和脑液两部分，本文选用参数:脑壳半径111.5 mm，厚度5 mm，介电常数4.6;脑液半径106.5 mm，介电常数42.9，电导率0.9。其中3款手机天线的立体模型如图1所示，平面图如图2所示。

图1 3款手机天线立体图

图2 3款手机天线平面图

分别在PIFA天线接地面的一侧距离接地面0.9 mm处加载了54 mm×32 mm、厚度为0.1 mm，在环形弯曲天线接地面的一侧距离接地面0.1 mm处加载了60 mm×10 mm、厚度为0.08 mm，在单极子天线接地面的一侧距离接地面0.1 mm处加载了40 mm×11 mm、厚度均为0.09 mm的铜板，以此作为屏蔽板，通过仿真得出手机天线在人体头部的辐射情况。

2 仿真结果分析

S11仿真结果如图 3所示，结果表明，当 S11＜－10 dB时，PIFA天线在低频段的带宽为 92 MHz(871～963 MHz)覆盖了GSM900频段，环形弯曲天线在低频段的带宽70 MHz(790～860 MHz)，覆盖了CDMA800频段，而单极子天线由于频率太低对分支的长度要求高，不利于天线小型化的设计，因此没有低频段，3款手机天线高频段的带宽分别为92 MHz(1 772～1 864 MHz)、261 MHz(1 584 ～ 1 845 MHz)、91 MHz(1 769～1 860 MHz)，均覆盖了DCS1800频段。高低频均满足设计指标要求，说明HFSS仿真结果表示该天线满足设计要求。

通过手机天线S11的仿真结果可得出:内置PIFA天线的高低谐振频段是移动通信中常用到的，环形弯曲天线覆盖了CDMA800和DCS1800频段，CDMA800频率在穿透率和覆盖面积上拥有较大优势，单极子天线覆盖了DCS1800频段。

图3 3款手机天线S11仿真结果

方向图是天线辐射的重要特性，3款手机天线的辐射方向图如下。为便于分析，分别把xoy、xoz和yoz平面内的方向图示于图4～图6。图中点划线为电场Eφ分量的方向图，实线为电场Eθ分量的方向图。

图4 xoy平面的二维方向图

图5 xoz平面的二维方向图

图6 yoz平面的二维方向图

由图4～图6分析比较人体头部对手机辐射方向图的影响。对比图4(a)、图4(b)与图4(c)可知，在xoy平面内，单极子手机天线的辐射具有全向性且方向图的对称性最好;对比图5(a)、图5(b)与图5(c)可知，PIFA天线在xoz平面内的方向图向下发生偏斜，这点可由人体头部对手机辐射的电磁波向下反射给予解释，环形弯曲手机天线的辐射具有全向性，单极子手机天线的辐射方向图的对称性最好;对比图6(a)、图6(b)与图6(c)可知，在yoz平面内，环形弯曲天线和单极子天线辐射具有全向性。由此可知，在xoy平面内PIFA天线和单极子天线的方向性最好，在xoz平面内3款手机天线的方向性均较好，在yoz平面内环形弯曲天线和单极子天线的方向性最佳。

图7分别是人头模型SAR随距离的变化情况。SAR(Specific Absorption Rate)是计量被身体实际吸收的无线电频率辐射能量的表示单位，叫做特殊吸收比率或称比吸收率，以W/kg或mW/g来表示。在国际上一般选择用美国标准或者欧洲标准，其中美国的手机辐射峰值标准为SAR≤1.6 W/kg，欧洲的手机辐射峰值标准为SAR≤2.0 W/kg。

图7 手机天线SAR值

由图7可看出，PIFA天线的局部SAR最大值为2.77，平均SAR最大值为2.22，但未达到欧洲标准;环形弯曲天线的局部SAR最大值为2.0，平均SAR最大值为2.0，达到了欧洲标准;单极子天线的局部SAR最大值为1.0，平均SAR最大值为0.48，达到了美国标准;由此可以看出单极子天线的SAR值最低，对人体头部的电磁辐射最小。

图8 手机天线在人脑的电场辐射图

由图8可知，颜色越深说明电场的辐射越大，所以单极子手机天线的电场辐射最小，PIFA天线的电场辐射最大。

3 结束语

本文研究了内置PIFA天线、环形弯曲天线及单极子天线的辐射，3类手机天线的方向性都很好。通过人体头部模型的SAR分布可看出，单极子天线的SAR值比环形弯曲天线以及PIFA天线小很多。单极子天线对人体头部的电磁辐射最小，SAR最大值为1.0，达到了手机辐射峰值标准在国际通用的美国标准;环形弯曲天线对人体头部的辐射次之，SAR最大值为2.0，达到了手机辐射峰值标准在国际通用的欧洲标准;PIFA天线对人体头部电磁辐射最大，SAR的最大值为2.77，未达到国际标准。这对正确认识手机天线辐射对人体的影响有一定的参考。

［1］Seetharaman R，Uthayakumar G S，Kumaravel N.Mobile phone antennas and its radiation patterns［C］.Bangalore:10th International Conference on Electromagnetic Interference＆ Compatibility，2008:355－360.

［2］康刚，祝西里，王长清，等.移动通信手机天线对人体作用的温度分布研究［J］.中国生物医学工程学报，2000，19(4):441－448.

［3］Jensen M A，Rahmat－ Samii Y.EM interaction of handset antennas and a human in personal communications［J］.Proceedings of the IEEE，1995，83(1):7 －17.

［4］Mat D A A，Franky WT，Kipli K，et al.Electromagnetic radiation towards adult human head from 900 MHz handheld mobile phone［C］.Malaysia:IEEE 9th International Conference on Communications(MICC)，2009:141 －145.

［5］闻映红，张林昌.在手机辐射作用下人体内外的场强分析［J］.电波科学学报，1998，13(1):97 －101.

［6］翟磊.人头模型与双频PIFA天线相互作用的仿真研究［D］.西安:西安电子科技大学，2010.

［7］张加东.手机辐射对人体头部的电磁辐射仿真研究［D］.烟台:烟台大学，2013.

［8］于利娟，李建军，刘璇，等.手机天线辐射与人头吸收率的仿真分析［J］.电子科技，2012，25(12)，56 －61.

［9］侯建强，牛中奇，陈建华.手机辐射与人体头颅相互作用的仿真分析［J］.中国生物医学工程学报，2009，28(5):714－718.