利用波導(dǎo)技術(shù)驗(yàn)證波吸收率測量系統(tǒng)的有效性(一)

在3GHz以內(nèi)的工作頻段，人們已經(jīng)設(shè)定了可接受的非電離輻射水平的安全標(biāo)準(zhǔn)。盡管這些標(biāo)準(zhǔn)覆蓋了很寬范圍內(nèi)的無線設(shè)備，但是使用工作在5到6GHz無線設(shè)備用戶在不斷增長。在這一頻段，甚至缺乏國際性的測試標(biāo)準(zhǔn)。用來估計(jì)靠近人體的無線設(shè)備的輻射水平的主要量度就是吸收率(SAR)，這種量度單位為W/kg表示，對此現(xiàn)在只有300MHz到3GHz頻段內(nèi)才有吸收率限制標(biāo)準(zhǔn)。

隨著頻率升高，人體對波的吸收更強(qiáng)，但是對人體的淺層影響與這種媒質(zhì)中的傳播波長有關(guān)。在300MHz，穿透深度通常是50mm。在6GHz，大約是5mm。對SAR測量，最近的注意力集中在835到1900MHz的蜂窩頻率范圍。探針直徑在5到8mm的SAR探測器在這些頻率上相對于這些頻率對人體的輻射范圍來說足夠小，并且適于檢測靠近人體表面的電磁場變化。但是在應(yīng)用于IEEE 802.11無線局域網(wǎng)(WLAN)的5.8GHz，穿透深度只有幾mm，這樣當(dāng)前這一代的SAR探測器對于輻射范圍來說就不再是足夠小了。盡管已經(jīng)估計(jì)并校正了在場梯度中由于使用大探針而引起的誤差，改進(jìn)的主要手段還是為5到6GHz的測量生產(chǎn)更小尺寸的SAR探針。在使用測量3GHz以上頻率的復(fù)雜設(shè)備時，會發(fā)生另外一些問題，這些問題存在于為在SAR探針的校正和確保測量中得到正確結(jié)果而采用的方法上。

在3GHz以下的頻率，確保SAR測量系統(tǒng)有效的推薦程序包括使用平衡耦極子，安裝在扁平(盒型)人體仿真模型下固定距離處。但是，據(jù)報道由于要求制造尺寸降低，而又需要放置準(zhǔn)確度增加，從而在5到6GHz頻段使用平衡偶極子變得很困難。有人建議在人體模型一定距離處使用開端波導(dǎo)作為可選輻射源，但是我們發(fā)現(xiàn)很難得到符合推薦參考值的測量結(jié)果。

這個研究建議修改波導(dǎo)確認(rèn)技術(shù)，其中使用了為SAR探針校正所推薦的同樣的波導(dǎo)。波導(dǎo)采用一個介質(zhì)匹配窗口和盒形人體模型直連，這減少了由于泄漏和反射引起的損失，并提供可再現(xiàn)的幾何區(qū)域，使未對準(zhǔn)損失最小。

已經(jīng)使用扁平人體模型和基于具有介質(zhì)匹配窗口的波導(dǎo)裝置的源定義了一個確認(rèn)過程。這種配置已經(jīng)在York大學(xué)用Falcon FDTD程序包建模，從而為主要場參數(shù)設(shè)定了參考值，這包括為系統(tǒng)確認(rèn)而通過測量應(yīng)獲得的最大1g或者10g平均SAR值。

確認(rèn)程序使用的模型尺寸根據(jù)和SAR估計(jì)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求預(yù)先定好。在超過3GHz的測試頻率上，模型的尺寸不需要根據(jù)頻率確定，而是根據(jù)被測試設(shè)備的尺寸確定(或者它們的有源部分)。這個研究采用的配置見圖1。矩形盒剖面的尺寸對于測試頻率來說是足夠用的。不同數(shù)量的匹配窗口可以用于圖1所示頻段中的不同頻率，但是在本文報道的測試中選用了一個單獨(dú)的厚度為5.2mm匹配窗口。

這個研究使用了York大學(xué)Falcon FDTD軟件包的1.6版本。這個軟件包已經(jīng)針對COST 244進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果落在中間范圍。這個模型以前已經(jīng)用于幾個和當(dāng)前應(yīng)用密切相關(guān)的研究。波導(dǎo)和c模型根據(jù)圖1進(jìn)行配置。

2mm厚的剖面基使用值為2.56的相對介電常數(shù)。使用了一個具有間隔為0.5mm的(小于有損流體中波長的10分之一)均勻柵格尺寸。計(jì)算的覆蓋范圍是深度35mm，橫向85×65mm。行波波導(dǎo)壁被認(rèn)為是有損的，使用實(shí)際電導(dǎo)率值。采用一個長度變化的“單極”激勵源來和50Ω的源阻抗匹配。時間步長由柵格尺寸和穩(wěn)定條件確定。這里，采用8.34ns的持續(xù)時間和0.834ps的時間步長。在安裝Windows 2000操作系統(tǒng)的個人電腦上，計(jì)算通?；ㄙM(fèi)兩個小時。

由于波導(dǎo)尺寸和頻率成反比，波導(dǎo)尺寸在300MHz大得不切實(shí)際，在5GHz以上時和探針尺寸相比起來還太小。在以前5GHz以上的SAR探針校正和驗(yàn)證工作中采用了兩種不同的波導(dǎo)類型。參考資料5種中的脊?fàn)畈▽?dǎo)WR187的優(yōu)點(diǎn)是具有稍微大點(diǎn)的線性尺寸。在底側(cè)，不推薦用于還沒有公開的5到6GHz的SAR探針校正和匹配窗口設(shè)計(jì)。各種波導(dǎo)尺寸見表1。

這個研究采用的波導(dǎo)是較小的WG13類型，在推薦用于較高頻率探針校正的推薦列表中，并且也給出了匹配窗口參數(shù)。這里的目的就是通過對探針校正和系統(tǒng)驗(yàn)證采用同樣的元件，來降低SAR估計(jì)需要的元件數(shù)目。