原创利用波导源技术验证SAR测量系统(一)

 2008-7-4 01:35  2169 6 6 分类: 测试测量

在高达3GHz的频率范围内，我们已经设立了非电离放射可接受电平的安全标准。虽然该标准覆盖了很大范围的无线设备，但是目前越来越多的用户无线设备都工作在5-6GHz的频率范围内，在这一频段，甚至国际检测标准都没有。作为估测贴近人体的无线设备的重要度量单位就是吸收率 SAR，单位为W/kg，而目前已经发布的吸收率的限制标准适用范围为300MHz-3GHz。

随着频率增加，身体对波的吸收能力也会增强，但是对身体器官产生的潜在影响则和这种介质中的传输波长有关。当频率为300MHZ时，穿透深度的典型值为50mm；当频率为6GHZ时，穿透深度约为5mm。近来，对于SAR测量的多数研究都集中在835-1900MHZ的蜂窝通信范围内。SAR探头，端部直径在5-8mm之间, 相对小于这些频带的辐射范围，适用于检测靠近身体表面的场的变化。但在用于IEEE802.11版本无线局域网络(WLANS)的5.8GHZ频段，穿透深度仅为几个mm而目前的SAR探头相对于辐射区域体积太大。尽管在梯度场中使用“大”探头所引起的误差已经被估测出来并且研究出了校正方案，但是对于5-6GHZ的测量而言，改进的主要途径还是生产小尺寸的SAR探头。在高于3GHZ频率内使用复杂仪器检测所带来的其它问题，主要出现在对SAR探头校正以及为确保试验结果正确而为测试设备所选用的测试方法上。

当频率低于3GHZ时，验证SAR测量系统的推荐程序包括使用平衡偶极子，它们被安装在扁平(箱形)仿真模型下固定距离的位置上。然而，据报道在5-6GHZ的频带内，由于即要求制造尺寸的降低，又要求定位精度的增加，这使得使用合适的平衡偶极子变得非常困难。有人提出使用远离仿真模型的开路波导管作为这些替代的辐射源，但我们发现用这种方法难以获得与预定参考值相符的测量结果。

该研究提议对波导验证技术进行改进，而在SAR探头校准中仍使用同一波导。通过使用一个介质匹配窗，将波导直接与仿真模型相连，这样可最低限度地降低了漏热和反射所造成的损耗，并且很容易对准，从而可提供再现的几何区域。

一个使用平面仿真模型(flat phantom)和基于具有电介质匹配窗(matching window)的波导辐射源的校验程序已被定义。为了给关键场参数设立参考值，这个配置在York 大学已被做成模型，其中使用了Falcon FDTD软件包(modelled)。这些关键参数包括：最大值1g或10g容量即SAR平均值，它应该通过测量获得从而对系统进行校验。

用于校验程序的phantom尺寸在SAR评估相关标准的需求下被预先定义。在高于3GHZ的试验频率下，仿真模型的尺寸并不需要根据频率来确定，而应根据被测验的装置的尺寸(或至少是它们的有效部分)来确定。这项研究所用的配置如图1所示。长方形的箱体模型的尺寸对于所包含的频率而言已经足够大。这就意味着，对于图1中所示的频段内的不同频率，可以使用不同数量的匹配窗。但对于本文的测试，使用了一个5.2mm厚的单匹配窗。

该研究应用的是York 大学的版本为1.6的Falcon FDTD包。该包已通过了COST 244基准验证，结果落在正中间范围。这个模型先前已被应用于与当今应用密切相关的很多研究中。所选用的波导(waveguide)和box model箱模型均与图1相符合。

对于2mm厚的仿真模型衬底，使用的相对介电常数为2.56。使用0.5mm的统一栅格尺寸(小于有损耗液体中波长的十分之一)。在液体中计算值覆盖范围为，深度为35mm，横向为 85×65mm. 通常认为波导壁是有损的，使用其实际的电导率。为了与50Ω的源电阻匹配，使用其长度可变的单极激励源。时间步进根据栅格大小和稳定条件来确定。这里，时间步长为0.834ps时，持续时间为8.34ns。一般来说，该计算过程在安装windows2000操作系统个人电脑上需要花费2小时。

由于波导尺寸与频率成反比，故当频率为300MHZ时，波导尺寸已经大的不切实际，但和用于5GHZ以上的探头尺寸比起来还是太小。前面我们也推荐过两类不同的波导，用于5GHZ以上的SAR探头校正和验证。参考文献5中的脊形波导WR187 具有线性尺寸稍大的优势。然而，在底部，对于尚未公开的5-6GHZ 频段内的SAR探头的校正和匹配窗的设计，建议不要使用该波导。表1给出了每种波导的尺寸。