CN102810126A

CN102810126A - 一种用于降低mimo-ue sar的方法及其仿真系统

Info

Publication number: CN102810126A
Application number: CN201210249483XA
Authority: CN
Inventors: 江勇; 彭宏利; 徐琪皓; 朱泽河
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2012-07-18
Filing date: 2012-07-18
Publication date: 2012-12-05

Abstract

本发明提供了一种用于降低MIMO-UE SAR的方法及其仿真系统，包含MIMO-UE和人体电磁模型，所述MIMO-UE位于人体电磁模型头部近区，MIMO-UE可以包括多个MIMO单元天线。在UE发射总功率不变的条件下，MIMO天线激励端口引入相位偏差激励技术，调整MIMO天线单元馈源的功率分配及相位，改变天线的方向图，使其近场一定程度抵消，远场特性仍满足正常应用，本发明提供的方法以及仿真系统可以有效降低MIMO天线的整体SAR。

Description

一种用于降低MIMO-UE SAR的方法及其仿真系统

技术领域

本发明涉及一种用于降低MIMO-UE SAR的方法及其仿真系统，具体涉及一种用于TD-LTE等通信系统的MIMO天线降低SAR的方法及其仿真系统。

背景技术

在无线通信技术快速发展的今天，人们享受无线通信给我们工作和生活带来方便的同时，也遭受着设备电磁辐射对人体健康的伤害。随着无线电频谱的不断开发及其功率的不断增大，电磁辐射与人体健康问题更受关注。从电磁安全的角度来看，人们一方面在利用MIMO-UE辐射电磁波进行无线通信、充分享受其便利的同时，人们另一方面也遭受到MIMO-UE辐射电磁波的照射，该照射导致部分电磁波能量被MIMO-UE使用者人体吸收。生物电磁学现有研究结果表明，如果人体吸收的电磁能量过量，会危及人体健康甚至生命。

通常用Specific Absorption Rate(SAR)即比吸收率来表征单位质量的人体组织吸收电磁能量的程度。SAR值已成为衡量无线电电子产品质量的一个重要指标，并形成了SAR参数系列标准，比如，IEC（国际电工委员会）制定的SAR测试标准（IEC 62209-2 Ed.1）和IEEE正在制定SAR的仿真标准（IEEE P528.3/D3.0）等，其中SAR的单位为W/kg或mW/g，E为细胞组织中的电场强度有效值，单位为V/m，σ为人体组织的电导率，单位为S/m，ρ为人体组织密度，单位为kg/m3。在SAR的计算中，一般选取一定体积的介质组织，在其中对SAR求积分做平均，得到平均SAR，根据所取介质组织的质量，通常将平均SAR值分为1g SAR和10g SAR。为保护电子设备用户的使用安全，业界规定了SAR的限值，一般1g SAR为1.6W/kg,10g SAR为2W/kg。

在新一代移动通信终端的设计中，SAR已成为评价移动通信终端优劣的一个重要指标。在移动终端中，如MIMO-UE，SAR问题是MIMO天线的辐射产生的。因此，在移动终端的MIMO天线设计中不仅要考虑方向图、增益、带宽极化特性和隔离度等，SAR是否符合规定标准也是其中一项重要指标。因此，如何有效降低MIMO-UE SAR的方法，就成为一个亟待解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术存在的移动通信终端对人体的电磁安全问题，本发明提供了一种用于降低MIMO-UE SAR的方法。在UE发射总功率不变的条件下，MIMO天线激励端口引入相位偏差激励技术，本发明可以有效降低MIMO天线的整体SAR。

根据本发明的一个方面，提供一种用于降低MIMO-UE SAR的仿真系统，包括MIMO-UE装置和人体电磁模型，所述MIMO-UE装置位于所述人体电磁模型大脑的右侧或者左侧，所述MIMO-UE装置的轴线放置在所述人体电磁模型两耳与上嘴唇中心形成的一个平面上，所述MIMO-UE装置与人体电磁模型间的最短距离不超过5mm，其中：

所述MIMO-UE装置包括MIMO-UE PCB板、以及设置于所述MIMO-UE PCB板上的MIMO单元天线。

优选地，所述MIMO单元天线可以工作在TD-LTE频段。

优选地，所述MIMO单元天线的尺寸大小是24mm*9.5mm。

优选地，所述MIMO-UE PCB板为FR4材料，介电常数为4.4，尺寸大小是100mm*60mm，所述MIMO-UE PCB板的主PCB板厚度为0.8mm，天线PCB板厚度为1mm。

优选地，所述人体电磁模型是一个标准的成年男子模型，其包含皮肤、肌肉、骨骼、脂肪等身体各种仿真组织，在1.0GHz到3.0GHz频段FDTD网格分辨率为2mm。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于降低MIMO-UE SAR的方法，包括如下步骤：

步骤一：在自由空间中，仿真得到MIMO单元天线的S参数以及在1885MHz时XY面及XZ面辐射方向图，确保MIMO单元天线正常工作在TD-LTE频段；

步骤二：构建如权利要求1所述的用于降低MIMO-UE SAR的仿真系统；

步骤三：利用所述用于降低MIMO-UE SAR的仿真系统仿真其电磁特性，并由此得到MIMO单元天线的S参数及其在1885MHz时XY面及XZ面辐射方向图，确保MIMO天线同样能够正常工作在TD-LTE频段；

步骤四：调整所述用于降低MIMO-UE SAR的仿真系统的两个或四个馈电网络的馈源的功率分配及相位，改变天线的方向图，使其近场场值一定程度抵消，以降低SAR值，同时确保远场特性仍满足正常应用。

优选地，在所述步骤四中，调整所述两个或四个馈电网络的馈源的相位为正交。

在本发明的一个优选的具体实施方式中：

首先建立基于MIMO-UE的SAR仿真评估模型，分为两个步骤，即①天线性能验证仿真，包括天线模型验证及天线+人体模型验证，确保MIMO天线在自由空间及人体影响下都可以正常工作；②天线+人体联合模型SAR仿真，计算两单元MIMO SAR或者四单元MIMOSAR。

其次，考察在发射总功率不变条件下，找出影响特别是减低SAR值的关键因素。采用的具体步骤是，调整两个（或者四个）馈源的功率分配及相位，改变天线的方向图，使其近场场值一定程度抵消，以降低SAR值，而远场特性仍满足正常应用。为此，需要对MIMO-UE的两单元天线或者四单元天线分别进行馈电，并进一步地对两个（或者四个）馈源的馈电情况进行优化，以便能得到具有可调低SAR特性的MIMO-UE的设计指标。

最后，建模仿真并优化，得到SAR，从而得出具有低SAR特性的低馈源馈电的优化结果。

附图说明

图1为MIMO-UE SAR特性模型；

其中：（a）MIMO单元天线，（b）人体电磁模型；

图2为MIMO天线在自由空间S参数和辐射方向图；

其中：（a）反射系数，（b）XY面辐射方向图，（c）XZ面辐射方向图；

图3为MIMO天线在人体电磁模型影响下S参数和辐射方向图；

图4为MIMO天线相同功率分配下0度相位差SAR分布；

图5为MIMO天线相同功率分配下30度相位差SAR分布；

图6为MIMO天线相同功率分配下60度相位差SAR分布；

图7为MIMO天线相同功率分配下90度相位差SAR分布；

图8为MIMO天线不同功率分配下0度相位差SAR分布；

图9为MIMO天线不同功率分配下30度相位差SAR分布；

图10为MIMO天线不同功率分配下60度相位差SAR分布；

图11为MIMO天线不同功率分配下90度相位差SAR分布。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明提供了一种用于降低MIMO-UE SAR的方法，SAR的仿真计算模型包括MIMO-UE天线和人体电磁模型。如图1（a）所示，MIMO单元天线结构，即将2个MIMO单元天线左右反对称放置在MIMO-UE PCB板的顶部位置、或者4个MIMO单元天线左右反对称及上下对称地放置在MIMO-UE PCB板的4个顶部位置，并将MIMO单元天线的工作频率选择在TD-LTE通信系统频段。其中，MIMO-UE PCB板的主板采用FR4板材(εr=4.4,tanδ=0.02)，尺寸大小是100mm×60mm×1.8mm。4个具有同样结构的小天线设计在PCB板的四个顶点位置，其尺寸大小为24mm×9.5mm×1.8mm。上述小天线具有两个谐振分枝，分别由chip A和chip B组成。如图1（b）所示，人体电磁模型是一个标准的成年男子模型，它包含皮肤、肌肉、骨骼、脂肪等身体各种仿真组织。为了有效评估该模型的SAR，本文采用了IEEE-STD-1528推荐的标准化人体模型网格化方法，即：从0MHz到800MHz,将运用5mm分辨率人体模型；从800MHz到1.0GHz采用3mm分辨率人体模型；从1.0GHz到3.0GHz采用2mm分辨率人体模型。

以两单元MIMO单元天线的为例，本发明的基本思路是：（1）计算MIMO-UE天线的SAR值特性；（2）考察在发射总功率不变条件下，影响特别是减低SAR值的关键因素。

针对（1），首先在自由空间中，仿真得到MIMO单元天线的S参数（反射系数）以及在1885MHz时XY面及XZ面辐射方向图，仿真结果如图2所示，可知天线可以正常工作在TD-LTE频段。其次，验证FDTD网格表示人体模型的准确性，为仿真验证MIMO-UE辐射电磁场在人体组织中的SAR值计算提供参考。按照IEEE标准场景要求，MIMO-UE位于人体大脑的右侧，其轴线放置在两耳与上嘴唇中心形成的一个平面上，UE与人体间的最短距离设置为5mm。仿真由MIMO天线+人体构成的联合模型的电磁特性，并由此得到MIMO单元天线的S参数（反射系数）及其在1885MHz时XY面及XZ面辐射方向图，仿真结果如图3所示，可知，在人体影响下，MIMO单元天线同样可以正常工作在TD-LTE频段。

针对（2），采用的具体步骤是，调整两个馈源的功率分配及相位，改变天线的方向图，使其近场场值一定程度抵消，以降低SAR值，而远场特性仍满足正常应用。为此，需要对MIMO-UE的两单元天线进行馈电，并进一步地对两个（或者四个）馈源的馈电情况进行优化，以便能得到具有可调低SAR特性的MIMO-UE的设计指标。保证MIMOUE的发射总功率不变，取手机发射功率典型值24dBm（0.25W），分别研究如下两种情况：①相同功率分配，两个单元天线各加0.125W功率激励，相位差分别取0、30、60和90度，在1885MHz，其SAR分布如图4、图5、图6及图7所示，SAR峰值分别是1.529、 1.449、1.236和1.002mW/g；②不同功率分配，两个单元天线的馈源功率分别是0.1W和0.15W，当两个天线馈源的相位差分别取0、30、60和90度时，其SAR分布分别如图8、图9、图10及图11所示，SAR峰值分别是1.462、1.365、1.105和0.8013mW/g；

从上面的SAR分布得出馈源馈电的优化结果，可知降低MIMO-UE SAR的关键因素是相位偏差，当MIMO单元天线激励相位是正交的时候，具有最低SAR分布。综上，在UE发射总功率不变的条件下，MIMO单元天线激励端口引入相位偏差激励技术，可以有效降低MIMO天线的整体SAR。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于降低MIMO-UE SAR的仿真系统，其特征在于，包含MIMO-UE和人体电磁模型，所述MIMO-UE位于人体电磁模型头部近区。

2.根据权利要求1所述的用于降低MIMO-UE SAR的仿真系统，其特征在于，MIMO-UE可以包括多个MIMO单元天线。

3.根据权利要求1所述的用于降低MIMO-UE SAR的仿真系统，其特征在于，MIMO-UE电路板中轴线可以放置在两耳与上嘴唇中心形成的一个平面上，MIMO-UE电路板平面层与人体模型头部近区间有一定距离，最短距离不超过5mm。

4.根据权利要求1所述的用于降低MIMO-UE SAR的仿真系统，其特征在于，用于SAR评估的人体电磁模型可以包括皮肤、肌肉、骨骼、脂肪等身体组织，在1.0GHz到3.0GHz频段FDTD网格分辨率为2mm。

5.一种用于降低MIMO-UE SAR的方法，其特征在于，在MIMO天线激励端口引入相位偏差激励技术，可实现MIMO-UE天线的低SAR值特性，包括如下步骤：

步骤一：在自由空间中，仿真得到MIMO单元天线的S参数以及在1885MHz时XY面及XZ面辐射方向图，确保MIMO单元天线可以正常工作；

步骤三：利用所述用于降低MIMO-UE SAR的仿真系统仿真其电磁特性，并由此得到MIMO单元天线的S参数及其在1885MHz时XY面及XZ面辐射方向图，确保MIMO天线同样能够正常工作；

6.根据权利要求5所述的用于降低MIMO-UE SAR的方法，其特征在于，在所述步骤四中，调整所述两个或四个馈电网络的馈源的相位为正交，具有最低SAR。