手机天线辐射与人头吸收率的仿真分析

于利娟，李建军，刘 璇，杜文权

(西安电子科技大学理学院，陕西 西安 710071)

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是否会对人体带来伤害也成为人们讨论的焦点。手机辐射，是指手机通过电磁波进行信息传递，这些电波就被称为手机辐射。手机辐射对人体健康的危害是客观存在的问题，世界卫生组织目前表示，手机辐射可能引发脑癌，被列为“致癌性危害物”。一些血例和实验已表明这种电磁辐射对人体具有潜在的影响。所以研究在不影响移动通信的基础上减少手机天线对人体的辐射具有一定的意义。手机天线的类型大致可分为外置单极、双极天线和内置PIFA(Planar Inverted F－shaped Antenna)天线等。Sang il Kwark等人研究了加载EBG结构的PIFA手机天线的电磁辐射特性，电磁波对人体的辐射有所减弱［1］;M.A.Jensen等在900 MHz下研究了头部与手机天线的相互作用［2］;闻映红等人研究了手机辐射作用下人体内外的场强分布［3］。

研究手机天线电磁辐射屏蔽的方法有两种:(1)在手机靠近人脑一侧涂上吸波材料以降低辐射。(2)利用电磁场的辐射原理，在手机中添加有效的隔离装置，用于降低对人脑的电磁辐射。文中将采用手机常用的PIFA天线，在天线的接地板方向加载一定厚度的铜板来降低手机天线对头部的电磁辐射，从而减少对人体的危害。

1 计算仿真及建模

文中建模仿真采用Windows图形用户界面的一款高性能全波电磁场(EM)段任意3D无源器件的HFSS(High Frequency Structure Simulator)模拟仿真软件。Ansoft HFSS使用有限元法(FEM)，自适应网格划分和高性能的图形界面，便于遇到三维EM问题时使用、易于学习，有仿真、可视化、立体建模、自动控制的功能，使得3D EM问题能快速而准确地得到求解。

对研究的对象进行建模，手机和头部模型的相对位置如图1所示。

选择的手机天线为PIFA天线，位置在手机外壳的下侧，手机天线的频率为900 MHz和1800 MHz。在研究手机天线对人体的辐射时，辐射主要集中在人体的头部，所以只对头部进行建模［4］。文中主要研究手机电磁辐射的屏蔽方法和措施，所以选择最简单的头部模型，即把头部模型简化为脑壳和脑液两部分，本文选用参数为:脑壳的半径为111.5 mm，厚度为5 mm，介电常数为4.6;脑液的半径为106.5 mm，介电常数为42.9，电导率为0.9。手机天线的立体模型如图2所示。

图1 手机天线模型与人体头部模型的相对位置

如图5所示，在天线接地面的一侧距离接地面0.9 mm处加载了与地面相同大小，厚度为0.1 mm的铜板，以此作为一个屏蔽板，通过仿真得出手机在头部方向的辐射情况，如果加入屏蔽体后辐射在人体头部的电场和SAR分布减少，那么这种设想成立。

图5 加载屏蔽板的手机PIFA天线

2 仿真结果分析

如图2所示，在PIFA天线一侧加载了寄生单元，其目的是增加天线的带宽，在未加载寄生单元时天线S11仿真结果如图6所示，结果表明，当S11＜－10 dB时，低频段的带宽有92 MHz(891～983 MHz)，覆盖了GSM频段，却没有高频带宽，所以在此天线的基础上加载寄生单元，从而达到双频天线的要求。加载寄生单元的天线S11参数仿真计算结果如图7所示，结果表明，当S11＜－10 dB时，低频段带宽92 MHz(871～963 MHz)，覆盖了GSM频段，高频段带宽有92 MHz(1772～1864 MHz)，覆盖了DCS频段。高低频都满足设计指标要求，HFSS仿真结果表明该天线满足设计要求。

方向图是天线辐射的重要特性，下面首先给出头部对手机辐射方向图的影响。为便于分析，分别把xoy、xoz和 yoz平面内的方向图如图8～图10所示。因为头部对方向图的影响是相对于没有头颅存在时而言的，因而在各图中附有手机自由空间中辐射的方向图。图中带点的曲线为电场Eφ分量的方向图，不带点的曲线为电场Eθ分量的方向图。

由图8～图10分析头颅对手机辐射方向图的影响。对比图8(a)与图8(b)可知，xoy平面内的方向图受到的影响微小，这点可解释为:在该平面内，手机为对称结构而头颅也大体为对称结构，且二者的对称中心基本重合;对比图9(a)和图9(b)可知，xoz平面内的方向图均向下发生偏斜，这点可由头部对手机辐射的电磁波向下反射给予解释;对比图10(a)与图10(b)可知，yoz平面内的方向图均向头部右下方偏斜，由此可知，增加的屏蔽板使头部对电磁功率的吸收降低了，达到了设计效果。

图11是头部的SAR_Line位置，图12和图13分别是没有加屏蔽板和加载屏蔽板后，头部模型沿SAR_Line方向的SAR随距离的变化情况。

由图12和图13可以明显看出，未加屏蔽板时，局部SAR最大值为3.18，平均SAR最大值为2.43;而加载屏蔽板之后的局部SAR最大值为2.77，平均SAR最大值为2.22。由此可见，加入屏蔽板后SAR值有明显降低，减少了手机对头部的电磁辐射。

如图14所以，屏蔽板的厚度对手机PIFA天线的带宽基本没有影响，所以不必考虑其厚度的问题，可以尽量使其轻薄，不至于影响手机的外形。

图14 屏蔽板厚度的变化对S11参数的影响

3 结束语

从以上测试结果可以看出，屏蔽板的屏蔽效果明显，而且屏蔽的效果与屏蔽板的厚度无关，所以不会影响到手机的大小。通过头部模型的SAR分布可以看出，未加载屏蔽板的局部峰值和平均峰值都比加载屏蔽板时大，所以可以明显地看出加载屏蔽板的效果。

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

［4］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.