CN101867384B - 一种降低吸收率峰值的无线终端及其实现方法 - Google Patents

一种降低吸收率峰值的无线终端及其实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种降低吸收率(SAR)峰值的无线终端，包括印制电路板(PCB)；所述PCB的金属地边缘设置有分形缝隙，用于扰动金属地边缘的感应电流分布。本发明还同时公开了一种降低SAR峰值的实现方法，运用该无线终端和方法可在不影响无线终端通信质量的前提下降低SAR，生产成本低，且节省无线终端的结构空间。

Description

一种降低吸收率峰值的无线终端及其实现方法
技术领域
本发明涉及降低无线终端吸收率(SAR，Specific Absorption Rate)的技术，尤其涉及一种降低SAR峰值的无线终端及其实现方法。
背景技术
随着无线通信技术的飞速发展，移动终端或数据卡等无线终端得到了广泛应用，而且还可发现，现有无线终端的尺寸也变得越来越小，在增加无线终端结构设计难度的同时，也带来了另一个重要问题：无线终端对人体的电磁辐射也增强了。
目前，衡量天线对人体电磁辐射的指标为SAR，是指无线终端电磁波能量吸收比值，具体含义为：在外电磁场的作用下，人体内将产生感应电磁场，由于人体各种器官均为有耗介质，因此体内的电磁场将会产生感应电流，导致人体能吸收和耗散电磁能量，生物剂量学中常用SAR来表征这一物理过程。SAR的意义为单位质量的人体组织所吸收或消耗的电磁功率，单位为W/kg，或者mW/g。美国联邦电信委员会(FCC)明确规定了各种无线终端在与人体相互作用时允许的最大SAR，FCC还规定，移动终端的SAR应在移动终端靠近人脑一侧时测量；数据卡的SAR必须在数据卡天线近旁的四个面上测量。因此，如何在无线终端小型化的同时满足对人体的电磁辐射标准已成为业界亟待解决的重要问题。
现有的无线终端SAR衰减技术，也就是SAR峰值的衰减技术多为在无线终端机壳表面涂敷吸波材料和/或防辐射层等，生产成本较高；此外，还有在无线终端中设置导体反射器和屏蔽器的方法，使得在无线终端的装配过程中，还需为导体反射器和屏蔽器提供相应的位置空间，空间占用较多，违背了无线终端小型化设计的初衷。虽然上述两种方案均可达到降低SAR的目的，但两种方案存在一个共同的缺陷：其中，在无线终端机壳表面涂敷吸波材料和/或防辐射层后，所涂敷吸波材料和/或防辐射层虽然会吸收无线终端向人体发射的电磁波，但同样会吸收天线以电磁波形式向外辐射的有用信号，影响无线终端的通信质量；同样，导体反射器和屏蔽器虽然能隔离向人体发射的电磁波，但同样会隔离天线向外辐射的有用信号，影响无线终端的通信质量。上述两种方案在降低无线终端SAR的同时，也使无线终端的通信性能受到影响，也就是说，无线终端天线近区对人体的辐射有所降低，但天线的远场辐射受到较大影响，无线终端无法顺利进行通信，通信质量无法得到保证。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种降低SAR峰值的无线终端及其实现方法，可在不影响无线终端通信质量的前提下降低SAR，生产成本低，且节省无线终端的结构空间。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明提供了一种降低SAR峰值的无线终端，包括PCB；所述PCB的金属地边缘设置有分形缝隙，用于扰动金属地边缘的感应电流分布。
其中，所述PCB为单层或多层结构。
进一步地，所述PCB为多层结构时，任一层、多层或各层PCB设有分形缝隙。
上述方案中，所述分形缝隙采用的分形几何图形为：Koch正规/随机曲线、Minkowski曲线、L-system树形曲线、Serpinski三角形或正方形垫片、或Serpinski箭头曲线。
本发明还提供了一种降低SAR峰值的实现方法，该方法包括：在PCB的金属地边缘设置分形缝隙。
其中，所述PCB为单层或多层结构。
进一步地，所述PCB为多层结构时，相应的，
所述设置分形缝隙为：在任一层、多层或各层PCB设置分形缝隙。
上述方案中，所述设置分形缝隙的方法为刻蚀。
上述方案中，所述设置分形缝隙时所采用的分形几何图形为：Koch正规/随机曲线、Minkowski曲线、L-system树形曲线、Serpinski三角形或正方形垫片、或Serpinski箭头曲线。
本发明提供的降低SAR峰值的无线终端及其实现方法，在印制电路板(PCB)的金属地边缘设置分形缝隙，用以扰动金属地边缘的电流分布。由于本发明设置的分形缝隙采用的分形集合图形具有不规则性，且复杂程度较大，导致扰动后的感应电流的流向为随机的，各子电流源的相位一致性被打乱，抑制了电场局部极值，从而削弱了局部SAR峰值。
已知无线终端天线的辐射特性主要决定于天线的物理空间尺寸与天线工作波长的大小关系，而与PCB走线的几何形状和长度无关；此外，本发明所述的分形缝隙宽度远远小于天线的工作波长，从电磁干扰角度来说，只要分形缝隙的宽度足够小，则不会泄露天线辐射的电磁波，无线终端的通信质量得到保证。
此外，本发明所述设置分形缝隙的工作主要在PCB的布线阶段，不需增设额外的材料和额外模块，不仅可节约成本，也可节省空间，实现了无线终端小型化设计的目的。
附图说明
图1为现有PCB金属地边缘的梳状缝隙结构示意图和本发明一实施例的分形缝隙局部结构图；
图2为Hilbert曲线的分形缝隙结构和感应电流分布示意图；
图3为本发明分形缝隙可对应的其它几种分形几何图形的结构图。
具体实施方式
从现有技术可知，无线终端的SAR峰值来自于天线导体本身和天线近区金属表面上感应的表面电流的联合贡献；N.Kuster的研究又表明，SAR峰值一般出现在天线或PCB的金属地表面最大局部感应电流附近。此外，根据天线理论可得，天线近场决定于感应电流的各个子电流源的辐射叠加，子电流源在相位一致的情况下可形成电场局部极值，即为SAR峰值，基于电流边缘效应和邻近效应可得，PCB表面电流一般聚集在金属地的边缘部分。其中，所述子电流源为组成感应电流的各个小电流源，在研究过程中，人们通常将一股电流切分成若干个子电流源，如果各个子电流源的辐射在空间某点相互叠加时相位一致，则会形成局部电场极值。
分形的概念是法国数学家芒德勃罗在20世纪70年代提出的，原意为不规则、支离破碎等。分形几何学是一门以非规则几何形态为研究对象的几何学，自然界普遍存在的不规则形态都具有分形的特点，分形几何图形从整体上看是处处不规则的，从局部看又会发现，局部形态和整体形态又具有相似性，即：分形几何图形具有自相似性的层次结构，可通过迭代过程产生。由于理想的分形几何图形在有限面积内具有无限长度，近年来已在天线小型化和多频宽带化设计中受到了广泛关注。本发明将结合SAR峰值的内在机理和分形几何图形的特点提出一种降低SAR峰值的技术。
本发明的基本思想是：在PCB的金属地边缘设置分形缝隙，用以扰动金属地边缘的感应电流分布。
其中，所述设置的方法可为刻蚀，可与PCB的布线工作同时进行。
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明所述降低SAR峰值的无线终端，包括PCB；所述PCB的金属地边缘设置有分形缝隙，用于扰动金属地边缘的感应电流分布。
所述PCB为单层或多层结构，即无线终端中包括单层或多层PCB，若PCB为多层结构，其中的任一层、多层或各层PCB设有分形缝隙。
本发明降低SAR峰值的实现方法为：在PCB的金属地边缘设置分形缝隙；
具体的，在原有PCB的金属地边缘采用刻蚀等方法设置具有分形几何图形的缝隙，用以扰动PCB的金属地边缘的感应电流分布，即改变PCB金属地边缘感应电流各子电流源的相位一致性，从而抑制局部较强电场的产生，达到降低SAR峰值的目的。
这里，由于天线的感应电流主要聚集在金属地边缘靠近天线馈电点和通用串行总线(USB)接地点的位置，因此，可主要在这些位置集中设置分形缝隙，即可在这些位置设置较复杂的分形几何图形缝隙，金属地边缘的其它位置设置的分形几何图形缝隙简单些。其中，所述分形几何图形的复杂程度以分形几何图形的阶数作为评定标准，阶数越大，分形几何图形的复杂程度越高；反之，阶数越小，分形几何图形的复杂程度越低。
现有PCB金属地边缘是设有缝隙的，为简单的梳状缝隙，感应电流沿着梳状缝隙围绕PCB金属地边缘流动。图1为现有PCB的金属地边缘的梳状缝隙结构示意图以及本发明一实施例中在原梳状结构上设置的分形缝隙局部结构图，如图1(a)所示，在设置分形缝隙之前，感应电流沿着梳状缝隙在PCB的金属地边缘内流动，设置了图1(b)中所示的分形缝隙后，感应电流从A/B点出发，沿着分形缝隙对应的折线流动，最终流到B/A点。其中，直线AB所在的一边紧贴PCB的金属地边缘内侧，直线AB的对边向外。这样，原来感应电流的流向被改变，由于分形集合图形的不规则性，导致感应电流的流向为随机的，各子电流源的相位一致性被打乱，抑制了电场局部极值，从而削弱了局部SAR峰值。此外，又由于分形集合图形的复杂程度较大，分形缝隙的边缘路径被加长，增大了对感应电流的扰动和抑制作用，局部电场强度被衰减。
本发明中所设置的分形缝隙对应的分形几何图形可有多种选择。图2为Hilbert曲线的分形缝隙结构和感应电流分布示意图，如图2所示，图(a)为一阶Hilbert曲线，图(b)为二阶Hilbert曲线，图中(a)和(b)中的箭头表示感应电流的流向，图1中所示现有PCB的金属地边缘的梳状结构可等效为一阶Hilbert曲线。从图2可得，随着Hilbert曲线阶数的增加，所对应分形缝隙中感应电流的流向逐渐被分散，感应电流所流过的边缘长度逐渐增加，图2中(c)和(d)分别所示的三阶和四阶Hilbert曲线的分形缝隙已使感应电流变得非常繁杂，打乱了感应电流各子电流源的相位一致性，有效降低了电场局部极值，SAR峰值被有效降低。
图3为本发明分形缝隙可对应的其它几种分形几何图形的结构图，图3(a)为三阶Koch正规曲线和三阶Koch随机曲线，扰乱后的感应电流沿着曲线的边缘流动；图3(b)为Minkowski曲线，扰乱后的感应电流同样沿着曲线的边缘流动；图3(c)为L-system树形曲线，扰乱后的感应电流从树根开始向上流围绕所有树枝再流回树根，从图(c)中可见，扰乱后的感应电流的流向已非常复杂；图3(d)为二阶Serpinski三角形和正方形垫片，图3(d)中所示白色三角形或正方形表示在金属地边缘上刻蚀出的镂空图形，此种分形缝隙可等效为较大的表面阻抗，破坏了原有感应电流的流动性，各子电流源的相位一致性同样被破坏，从而可起到抑制PCB的金属地边缘表面电流的作用；图3(e)为Serpinski箭头曲线，扰乱后的感应电流复杂程度也大大增强。
本发明中，对于多层PCB结构的无线终端，可在各层PCB的金属地边缘设置分形缝隙。
本发明根据分形几何图形的复杂程度和PCB布线时最小尺寸的限制给出了几种可选的分形缝隙和对应的可选最大阶数，如表1所示。
  分形缝隙   最大阶数
  Hilbert曲线   4
  Koch曲线   4
  Torn集   3
  Minkowski曲线   2
  Mandelbrot曲线   3
  Caley树形曲线   3
  Sierpinski集   2
  Cantor集   2
表1
经已有的研究发现，小型无线终端中的小尺寸天线的辐射特性主要决定于天线的物理空间尺寸与天线工作波长的大小关系，而与PCB走线的几何形状和长度无关，所述PCB走线包括PCB的金属地边缘。此外，本发明所述的分形缝隙宽度也远远小于天线的工作波长，尺寸约为工作波长的十分之一或十五分之一，甚至可以更小，从电磁干扰角度来说，只要分形缝隙的宽度足够小，则不会泄露天线辐射的电磁波，即不影响天线的远场辐射特性，无线终端的通信质量得到保证。
可见，本发明提出的在PCB的金属地边缘设置分形缝隙的技术，可在不影响无线终端天线远场辐射特性的同时，能有效降低局部SAR峰值，减少了对人体的伤害。此外，本发明所涉及的工作主要在PCB的布线阶段，不需增设额外的材料和额外模块，不仅节约成本，也节省了空间，实现了无线终端小型化设计的目的。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种降低吸收率SAR峰值的无线终端，包括印制电路板PCB；其特征在于，所述PCB的金属地边缘设置有分形缝隙，用于扰动金属地边缘的感应电流分布；
其中，在所述PCB的金属地边缘接近天线馈电点和通用串行总线接地点的位置集中设置所述分形缝隙，且所述分形缝隙宽度为天线工作波长的十分之一或十五分之一；
所述分形缝隙为一阶或多阶分形几何图形的缝隙。
2.根据权利要求1所述的降低吸收率SAR峰值的无线终端，其特征在于，所述PCB为单层或多层结构。
3.根据权利要求2所述的降低吸收率SAR峰值的无线终端，其特征在于，所述PCB为多层结构时，任一层、多层或各层PCB设有分形缝隙。
4.根据权利要求1至3任一项所述的降低吸收率SAR峰值的无线终端，其特征在于，所述分形缝隙采用的分形几何图形为：Koch正规/随机曲线、Minkowski曲线、L-system树形曲线、Serpinski三角形或正方形垫片、或Serpinski箭头曲线。
5.一种降低吸收率SAR峰值的实现方法，其特征在于，该方法包括：在PCB的金属地边缘设置分形缝隙；
其中，在所述PCB的金属地边缘接近天线馈电点和通用串行总线接地点的位置集中设置所述分形缝隙，且所述分形缝隙宽度为天线工作波长的十分之一或十五分之一；
所述分形缝隙为一阶或多阶分形几何图形的缝隙。
6.根据权利要求5所述的降低吸收率SAR峰值的实现方法，其特征在于，所述PCB为单层或多层结构。
7.根据权利要求6所述的降低吸收率SAR峰值的实现方法，其特征在于，所述PCB为多层结构时，相应的，
所述设置分形缝隙为：在任一层、多层或各层PCB设置分形缝隙。
8.根据权利要求5至7任一项所述的降低吸收率SAR峰值的实现方法，其特征在于，所述设置分形缝隙的方法为刻蚀。
9.根据权利要求5至7任一项所述的降低吸收率SAR峰值的实现方法，其特征在于，所述设置分形缝隙时所采用的分形几何图形为：Koch正规/随机曲线、Minkowski曲线、L-system树形曲线、Serpinski三角形或正方形垫片、或Serpinski箭头曲线。
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