无线电手持设备的射频辐射机理及绿色设计的研究

论文摘要

目前,诸如手机和无绳电话等无线电手持设备已经成为人们生活中必不可少的一部分,由此引起的电磁暴露问题也日益受到公众的广泛关注。无线电手持设备作为低功率的发射机,其天线紧贴人体头部,产生的感应场和辐射场可能会过量照射人体头部而对人体造成伤害。如何评估和避免其电磁辐射对人体的伤害,一直是学术界研究的热点,也是本文的主要研究内容。通过本文的研究工作,力争为开展生物电磁学实验和制订合理的非电离辐射卫生防护标准提供参考,为绿色环保型无线电手持设备的开发提供有益的指导。本文在综合国内外相关领域研究成果的基础上,应用电磁场与天线相关理论以及计算电磁学的数值方法,从射频电磁暴露评估关键技术、无线电手持设备天线设计与优化、儿童与成人头部吸收无线手持设备辐射电磁能量差异等方面进行了深入研究。研究内容包括无线电手持设备与人体相互作用的数值建模和仿真,比吸收率测量系统关键技术的研究、以及RFID读写器天线的仿真和优化等方面的工作。研究工作的主要创新点如下:（1）采用蒙特卡罗方法得到电场探头校准的高置信水平（置信概率）对应的置信区间。在整个测量范围内,肖特基检波二极管的压缩特性导致电场探头测量结果的非线性。因此,在电场探头用于电磁剂量学测量前,必须对电场探头进行校准并分析其不确定度。蒙特卡罗方法使用概率密度函数来分析电场探头校准的不确定度,避免了采用“测量不确定度表示指南”中的规则评估不确定度引入的近似,从而可以精确求解电场探头校准的高置信水平对应的置信区间。（2）通过数值仿真和实验测试研究工作在UHF频段的双频平面倒F天线的电磁辐射在SAM头部模型中产生的比吸收率（SAR）分布情况。由于双频平面倒F天线（PIFA）天线能够同时工作在900MHz和1800 MHz的移动通信频段,因此在手机中得到了广泛的应用。论文利用时域有限差分法仿真分析了人体头部在PIFA天线近场的能量吸收机制,得到人体头部内的SAR分布。测试结果与仿真结果进行了比对分析。（3）为了克服平面倒F天线的两个谐振点频率相差大、带宽较窄的缺点,论文提出了一种新型射频识别读写器天线。该天线的两个工作频段的中心频点分别位于我国分配给射频识别技术（RFID）使用的两个超高频频段内。该天线很好地缓解了天线带宽增加和天线效率下降的矛盾,在我国为RFID分配的频段内具有较高的天线效率。在ISO/IEC推荐RFID使用频段内的反射损失小于-10dB,天线的相对带宽达到17%以上,能够工作在ISO/IEC推荐使用的频段内,达到实际应用的要求。论文采用最大暴露允许值（MPE）评估该手持RFID读写器天线电磁辐射特性。（4）利用数值仿真技术分析儿童头部与成人头部吸收无线电手持设备辐射电磁能量的差异。通过数值仿真分析了以往研究存在差异的主要原因,重点研究了天线和人体头部模型间的有效距离、手机的不同放置位置及仿真结果归一化处理对研究结果的影响。为进一步研究手机的绿色设计进行了有益地探索。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景
• 1.2.1 手机辐射的研究背景
• 1.2.2 手持射频识别读写器天线辐射的研究背景
• 1.3 研究历史与现状
• 1.3.1 无线电手持设备的比吸收率国内外研究发展概况
• 1.3.2 人体电磁辐射暴露标准化组织及相关标准
• 1.3.3 我国电磁辐射环境的管理
• 1.3.4 电磁暴露生物效应的研究继续深入
• 1.4 论文的研究工作
• 1.5 论文的创新点
• 参考文献
• 第二章 手机辐射测试系统中的关键技术研究
• 2.1 引言
• 2.2 电场探头的结构
• 2.3 电场探头的校准
• 2.3.1 Schottky二极管的非线性特性
• 2.3.2 电场探头的重要参数
• 2.3.3 电场探头的校准步骤
• 2.3.4 电场探头在的校准方法
• 2.4 部分填充组织模拟液的矩形波导校准电场探头
• 2.4.1 矩形波导内的电场分布
• 2.4.2 部分填充组织模拟液的矩形波导电场分布
• 2.4.3 数值仿真和测量结果
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 手机辐射测试系统的不确定度分析
• 3.1 引言
• 3.2 蒙特卡罗法的基本原理
• 3.2.1 构造或描述概率过程
• 3.2.2 实现从己知分布抽样
• 3.2.3 建立各种估计量
• 3.3 电场探头校准的不确定度分析
• 3.3.1 测量不确定度
• 3.3.2 电场探头的不确定度分析
• 3.4 蒙特卡罗方法的应用
• 3.4.1 模拟随机数的产生
• 3.4.2 不确定度的蒙特卡罗仿真
• 3.5 SAR值测量不确定度
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第四章 手机天线辐射特性的研究
• 4.1 引言
• 4.2 比吸收率的实验测量方法
• 4.2.1 电场法
• 4.2.2 温度法
• 4.2.3 热像法
• 4.3 手机SAR标准和测量系统
• 4.3.1 手机SAR值相关标准
• 4.3.2 手机SAR自动测试系统
• 4.4 偶极子天线近场辐射SAR实验和仿真
• 4.4.1 实验配置
• 4.4.2 仿真环境
• 4.4.3 仿真模型
• 4.4.4 仿真结果分析
• 4.4.5 实验结果与仿真结果比对分析
• 4.5 双频段平面倒F天线比吸收率
• 4.5.1 双频段平面倒F天线
• 4.5.2 头部模型
• 4.5.3 实验配置
• 4.5.4 仿真结果
• 4.5.5 仿真结果和测量结果的对比
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• 第五章 手机辐射对儿童和成人的不同影响
• 5.1 引言
• 5.2 900MHz偶极子天线在平坦模型内的SAR空间峰值
• 5.2.1 数值仿真和测量结果对比
• 5.2.2 距离变化对SAR空间峰值的影响
• 5.3 两层球体模型的大小对SAR空间峰值的影响
• 5.4 工作在900MHz偶极子天线产生的SAR空间峰值
• 5.4.1 偶极子天线横向放置时SAR空间峰值
• 5.4.2 偶极子天线沿轴向方向放置时SAR空间峰值
• 5.5 工作在835MHz通用手机的SAR空间峰值
• 5.5.1 通用手机模型垂直放置
• 5.5.2 通用手机模型紧贴面部放置
• 5.5.3 通用手机放置在倾斜位置
• 5.6 仿真结果比较
• 5.7 本章小结
• 参考文献
• 第六章 UHF频段射频识别读写器天线的设计与辐射特性评估
• 6.1 引言
• 6.2 微带天线的空腔模型和简并模分离理论
• 6.2.1 适用于平面倒F天线的空腔模型
• 6.2.2 简并模理论分析微带天线的圆极化
• 6.3 新型的UHF频段手持RFID读写器天线
• 6.3.1 双L天线的设计
• 6.3.2 双L天线性能的优化
• 6.3.3 双L天线的测量和仿真结果的比对
• 6.4 UHF频段圆极化RFID读写器天线及其馈电网络
• 6.4.1 圆极化RFID天线设计
• 6.4.2 圆极化RFID天线的仿真与优化设置
• 6.4.3 圆极化RFID天线设计参数的优化
• 6.4.4 RFID天线的优化结果
• 6.4.5 圆极化RFID天线馈电网络的设计
• 6.4.6 圆极化RFID天线馈电网络的仿真与优化
• 6.4.7 圆极化RFID天线的仿真与测试
• 6.5 手持RFID读写器的电磁辐射评估
• 6.6 本章小结
• 参考文献
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文的主要贡献
• 7.2 下一步的研究工作
• 致谢
• 攻读博士期间的科研成果