移动电话电磁辐射测试方法.ppt
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1、2004年4月13日,移动电话电磁辐射 性能要求与测试方法,王洪博 电磁兼容试验部 电信研究院泰尔实验室 Tel: +86 10 62302295 FAX: +86 10 62304793,2004年4月13日,第一部分:电磁辐射基础,2004年4月13日,电磁辐射,2004年4月13日,背景,随着信息技术的发展,大众在享受无线通信设备带来的各种便利之时,也日益关注无线通信终端的电磁辐射对人体健康的影响; 各国政府对无线通信终端的这项指标一直十分重视; 欧洲、美国、澳大利亚、新西兰、日本、韩国和台湾等都已经制定了本地区或本国的“射频和微波辐射管理” 法规或指令; 美国和台湾地区还要求移动用户终
2、端厂商在产品包装上标示“本产品对人体的电磁辐射在安全限值以内”等字样。,2004年4月13日,国际现状,美国 FCC OET 65号技术公报:评估射频电磁场人身安全的FCC导则; 补充文件C,最初于1997年1月提出相关规定,2001年7月修订; 2003年IEEE正式颁布了SAR测量方法的标准IEEE 1528-2003:确定无线通信设备引起的比吸收率(SAR)峰值空间平均值的实验技术。 欧洲 委员会建议 1999/519/EC(1999年7月12日):公众电磁暴露限值( 0 Hz to 300 GHz )(官方公报L 197,1999年7月30日 ); 技术法规ES 59004(2003年
3、4月); 限值标准EN 50360 (2001):证明移动电话符合电磁暴露限值的产品标准; 测量方法标准EN 50361 (2001):证明移动电话符合电磁暴露限值的测量方法。 日本 邮政省MPT,1998年发布无线电法规,2001年6月修订,2002年6月批准实施: 电磁辐射保护条例 。,2004年4月13日,SAR的限值(美国、韩国),单位:W/kg; 局部是以1 g人体组织对应体积的平均值; 手、手腕、足、足踝是以10 g人体组织对应体积的平均值 对于全身是以主要测量区域的平均值计算。,2004年4月13日,SAR的限值(日本、欧洲、澳洲),单位:W/kg; 局部是以10 g人体组织对应
4、体积的平均值; 手、手腕、足、足踝是以10 g人体组织对应体积的平均值 对于全身是以主要测量区域的平均值计算。,2004年4月13日,国际标准,ICNIRP(国际非电离辐射防护委员会 )导则:时变电场、磁场和电磁场(300 GHz以下)安全限值导则; 同时叙述了EMF的直接和间接影响两方面的研究; 直接影响源于场与身体的直接相互作用,间接影响则涉及到身体与具有不同电势的物体间的相互作用; 讨论了实验室和流行病学研究的结果、基本的暴露标准以及用以评估实际危害的参考限值; 本导则适用于职业人员和一般公众的暴露。 Draft IEC 62209-1:用于确定手持无线设备比吸收率(SAR)的步骤。,2
5、004年4月13日,ICNIRP限值,基本限值 直接根据已确定的健康效应而制定的暴露在时变电场、磁场和电磁场下的限值; 根据场的频率的不同,用来表示此类限值的物理量有电流密度(J)、比吸收率(SAR)和功率密度(S); 只有被暴露者体外空气中的功率密度可以迅速轻易地测量; 参考限值 这些电平是用来评估实际暴露的,目的是确定基本限值是否可能被超过; 某些参考电平是从相关的基本限值用测量和/或计算技术导出的,而某些参考电平是基于暴露在EMF下的感觉和不利的间接影响提出来的; 导出的物理量是电场强度(E)、磁场强度(H)、磁通量密度(B)、功率密度(S)和流过肢体的电流(IL)。反映感觉和其他间接效
6、应的物理量是接触电流(IC)和用于脉冲场的“比吸收能”(SA); 在任何特定的暴露情况下,这些物理量的测量或计算值都可以同相应的参考限值进行比较; 遵守参考限值可以保证遵守对应的基本限值。如果测量或计算值超过参考限值,并不意味着基本限值一定被超过。但是,一旦超过参考限值,则必须检验其与基本限值的符合性,并决定是否有必要采取额外的保护措施。,2004年4月13日,ICNIRP基本限值,2004年4月13日,基本限值:比吸收率,比吸收率:Specific Absorption Rate (SAR) 定义为生物体单位时间(s),单位质量(kg)所吸收的电磁辐射(照射)能量,其单位是W/kg。 在IC
7、NIRP导则中限值的根据 4 W/kg是热效应的基本限值,当SAR达到4W/kg时会对人体产生显著的不良效应; 在该基本限值的基础上,采用10倍的安全系数作为职业人群接受照射的限值:0.4W/kg; 在该基本限值的基础上,采用50倍的安全系数作为普通人群接受照射的限值:0.08W/kg。,2004年4月13日,比吸收率SAR的定义,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,因此体内电磁场将会产生电流,导致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。 (1),2004年4月1
8、3日,比吸收率SAR的定义,SAR可分为局部SAR和平均SAR。局部SAR可表示为, 式中,是导电率,是密度,C是人体组织的比热容,T是人体组织内的温度,E由下式表示, 式中,Ex、Ey和Ez是电场分量的RMS值。,2004年4月13日,SAR适用标准,技术法规(限值与实施要求) “EU Council Recommendation” ES 50095 FCC OET65 Supplement C, CFR 47 Part 22, Part 24等 标准(限值) ICNIRP导则 GB *-2004(中国) ANSI C95.1,1.6 W/kg (1g)(美国) EN 50360(2000)
9、,2.0 W/kg (10g)(欧洲) 3GPP TS 标准(测量方法) YD/C *-2004(中国信息产业部) IEEE Std 1528-2003(美国) EN 50361(2000)(欧洲),2004年4月13日,电磁兼容与电磁辐射的区别,2004年4月13日,GSM与CDMA的SAR比较,从按照标准测得的数据来看,虽然GSM手机与CDMA手机采用的原理不同,两者的SAR值却相当。 原因是按照标准的要求,进行手机SAR测量时,手机以全速率移动情形下最大发射功率发射。GSM和CDMA手机的平均等效辐射功率是相当的。 GSM手机是按照时分多址的方式工作的,峰值功率约为2W。但是在实际使用过
10、程中,只在1/8的时间发射,而SAR值的测定是一个较长时间的平均,它的发射功率经过了一个时间平均的过程,最终一般在250 mW左右。 CDMA是按照码分多址的方式工作的,最大功率一般为250 mW,但是由于在实际使用过程中它的功率发射是连续的,因此其最大发射功率基本上即是其连续功率,这样导致二者的SAR测量值差别不大。,2004年4月13日,GSM与CDMA的SAR比较,在实际的公众移动通信网上使用时,手机辐射很小 在实际通信中,由于功率控制的原因,手机并不是总以最大功率发射的。在某个时刻某个地点,手机的实际发射功率取决于环境、系统对通信质量的要求和语音激活等诸多因素,实际上就是取决于系统的链
11、路预算。 对于GSM系统,手机在随机接入阶段没有功率控制,为保证接入成功,手机以系统允许的最大功率发射 (通常是手机的最大发射功率)。在分配专用信道后,手机会根据基站的指令调整手机的发射功率,调整的步长通常为2dB,调整的频率为60ms一次。 对于CDMA系统,采用开环和闭环功率控制结合的方案。在随机接入状态下,手机会根据接收到的基站信号电平估计一个较小的值作为手机的初始发射功率,如果在规定的时间内没有得到基站的应答信息,手机会加大发射功率,如果在规定时间内还没有得到基站的应答信息,手机会再加大发射功率。这个过程重复下去,直到收到基站的应答或者到达设定的最多尝试次数为止。在通话状态下,每1.2
12、5ms 基站会向手机发送一个功率控制命令信息,命令手机增大或减少发射功率, 步长为1dB。,2004年4月13日,移动电话干扰电器的问题,常常听到一些人说GSM移动电话引起的干扰噪音是电磁辐射、对人体有害。这其实是一种误解; 从理论上解释,这是一种电磁兼容现象,我们把它称为无意干扰信号; 这种干扰的来源是“调幅射频包络”,它是由时分多址(TDMA)或码分多址(CDMA)必要的脉冲串发射引入的 。移动电话所发射的无线电信号的帧和脉冲串的频率范围是50到200 Hz左右。当手机靠近音箱或者固定电话机时,音频设备中的模拟语音电路含有的某些非线性元件可以耦合并解调这种具有幅度调制包络的射频信号。解调下
13、来的信号经过音频放大器放大就在音箱或固定电话机上表现为持续的啸叫声; 不光是音频设备,几乎所有的电子设备都面临着移动电话的这种干扰; 由于CRT显示器的场扫描频率也是在工频附近,所以CRT显示器也面临着类似的干扰,只是表现为屏幕显示的抖动、扭曲等等; 这虽然的确是一种干扰,但如果固定电话机或者电脑显示器有较好的抗干扰防护的话(如某些品牌电话机),根本就不会产生这种现象; 以欧洲为例,为保证电子设备的电磁兼容性能,欧洲专门制定了针对移动电话干扰的抗扰度试验标准“ENV 50204:GSM脉冲信号抗扰度试验”。 至于CRT显示器则要求符合国际电工委员会的标准(IEC 61000-4-8:工频磁场抗
14、扰度试验),等效的国家标准为GB 17626.8。,2004年4月13日,第二部分:SAR测量系统,要求、构成和校准,2004年4月13日,对SAR测量系统的总体要求,基本构成 人体模型(含人体组织模拟液) 被测物夹具 扫描定位系统 SAR测量装置,2004年4月13日,SAR测量及验证系统配置图,2004年4月13日,人体头部模型的构成,人体模型的外壳采用的是低损耗的电介质材料tan()0.05,5 ; 头部模型的形状和尺寸参数的选择是以美国军队中成年男子的头部统计数据为基础的,但是外耳部分主要以耳朵的解剖数据为基础,实际使用的模型的耳朵模拟了人在使用移动电话机时所压成的扁平状; 为了定义人
15、体模型,以军队中得到的数据为基础,制作了一个三维的没有头发的头部和颈部的粘土雕塑。对雕塑进行扫描,然后输入到一个CAD文件里;塑料的人体头部模型壳体是采用SAM模型的CAD文件制造出来的; 为了使得常见的探头定位系统能够使用这一模型,SAM壳体沿纵向切分为左右两半。因为无法预知峰值SAR的位置,需要对左右两部分都进行测试。将模型的每一半的边界扩展,以便模型内填充液体的深度足以将上层表面(空气-液体界面)的反射降低到最小。下面幻灯片给出一种可能的边界扩展方式。对于300到3000 MHz频率范围,在模拟组织液深度为15 cm 5 mm时,反射降低到最小,这一深度大约与整体头部模型的两耳之间的距离
16、相等; 头部模型壳体厚度为2mm,误差小于0.2mm,2004年4月13日,人体头部模型的正、后和侧视图,2004年4月13日,纵向切分加深对拼后的人体头部模型,2004年4月13日,人体组织模拟液,当介电常数一定时,SAR直接正比于导电率; 因此,在SAR测试之前,必须精确定义人体组织模拟液的电介质常数; 由于电介质特性随温度而改变,所以一般选择在室温下测试(18-25 C),这同体温(37 5时的人体组织特性一致; 在微波频率的范围内,在多水的环境下,温度每增加一摄氏度,导电率增加2%,介电常数减少0.5; 然而,头部组织的温度特性有所不同。随着温度的升高,头部组织的介电常数下降,在低频段
17、,导电率随着温度的升高而升高,在高频段,导电率随着温度的升高下降,转折的频率点在1GHz附近。,2004年4月13日,人体组织模拟液,人体组织模拟液导电率和介电常数应该在可以接受的限值之内; 充满液体的人体模型的特性应该周期性地进行测量。在进行全面的SAR测试的时候,至少24小时就应该进行液体参数的测量,这样是为了保证液体的电介质参数在目标值的5 %以内,而且没有过量的水分蒸发掉; 在SAR的测试过程中,液体的温度变化不能超过 2 C,否则液体的电介质特性会发生较大的改变; 在实验室内必须建立标准的人体组织模拟液处理步骤,这样可以减少由于人体组织模拟液而引起的不确定度,提高测试的重复性。,20
18、04年4月13日,人体组织模拟液电解质特性目标值,a)在300MHz2GHz,人体组织模拟液的介电常数和导电率均应在目标值的 5% 之内; b)在2Ghz3GHz,人体组织模拟液的导电率应该在目标值的 5% 之内,相对介电常数应该在目标值的10% 之内,但是应该尽量的接近表中的目标值。在进行不确定度分析的时候,需要考虑采用的电介质特性和目标值的偏差。,2004年4月13日,人体组织模拟液欧美协调目标值,2004年4月13日,组织模拟液组成成分,纯度98 %的蔗糖(降低相对介电常数) 纯度99%的盐(NaCl,增加电导率) 电阻不小于16 M欧姆的去离子水; 纤维素(HEC)(增加粘滞度和保持蔗
19、糖的溶解状态) 防腐剂(防止细菌和微生物的影响) 二亚甲基乙二醇丁基醚(DGBE) 、丙二醇、乙醇或乙二醇(降低相对介电常数),2004年4月13日,参考配方(EN 50361),2004年4月13日,参考配方(IEEE 1528),2004年4月13日,探头接触法测液体电介质参数,与介质测量系统配套的矢量网络分析仪是HP8753E; 介质探头通过导线与网络分析仪相连,并固定在专门的支架上。测量时将探头与液体样品接触。液体样品装在尺寸合适的非金属容器中。 系统需要一种已知电介质特性的基准液体,一般限定为去离子水。系统对温度的要求也很高。 用这套设备及配套的软件包并遵循其测量程序即可得到样品的电
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