移动电话电磁辐射测试方法.ppt

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 861062302295FAX 861062304793 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FCCOET65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IEEE1528 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 0Hzto300GHz 官方公报L197 1999年7月30日 技术法规ES59004 2003年4月 限值标准EN50360 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EN50361 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1g人体组织对应体积的平均值 手 手腕 足 足踝是以10g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10g人体组织对应体积的平均值 手 手腕 足 足踝是以10g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 300GHz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 DraftIEC62209 1 用于确定手持无线设备比吸收率 SAR 的步骤 2004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 SpecificAbsorptionRate 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ICNIRP导则中限值的根据4W 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13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 EUCouncilRecommendation ES50095FCCOET65SupplementC CFR47Part22 Part24等标准 限值 ICNIRP导则GB 2004 中国 ANSIC95 1 1 6W kg 1g 美国 EN50360 2000 2 0W kg 10g 欧洲 3GPPTS标准 测量方法 YD C 2004 中国信息产业部 IEEEStd1528 2003 美国 EN50361 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250mW左右 CDMA是按照码分多址的方式工作的 最大功率一般为250mW 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 25ms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200Hz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 ENV50204 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 IEC61000 4 8 工频磁场抗扰度试验 等效的国家标准为GB17626 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3000MHz频率范围 在模拟组织液深度为15cm 5mm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 25C 这同体温 375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 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 2C 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 2004年4月13日 人体组织模拟液电解质特性目标值 a 在300MHz 2GHz 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2Ghz 3GHz 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16M欧姆的去离子水 纤维素 HEC 增加粘滞度和保持蔗糖的溶解状态 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 EN50361 2004年4月13日 参考配方 IEEE1528 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介质特性 2004年4月13日 扫描定位系统 一般要求为了评估SAR的空间三维分布 扫描系统应能够使固定其上的探针在人体模型的整个被照射区域进行扫描 扫描系统的机械结构不得影响SAR测量 技术要求精度 探针尖端在整个测量区域的定位精度应优于 0 2mm 抽样分辨率 抽样分辨率是系统能够进行测量的最小步长 抽样分辨率应为1mm或更小 2004年4月13日 被测物夹具 基本要求手机夹具应能够按照相关标准的要求对手机进行定位倾斜角度的误差容限为 1 手机夹具应由低损耗 低介电常数的材料制成 即tan 0 05 5 2004年4月13日 SAR测试装置 构成测试设备由探头 功放以及测量装置组成 当前应用的探头基于肖特基二极管检波器 探头的输出信号是与暴露场E或E2成比例的电压值 多数各向同性探头由三个小的传感器和检波二极管组成 三个传感器两两正交 总电场为三个电场分量的均方根 在二极管平方律区域 传感器输出电压与相应场分量的均方成比例 超过此范围的输出电压被压缩 因此需要动态范围的线性化 为了满足以上特性 电场探针中每一个感应体的长度应不超过5mm 包括外壳在内不超过8mm 如果被测量的信号是脉冲信号 例如TDMA帧 SAR测量设备 RMS检波 的积分和平均时间应足以使测量结果的可重复性偏差在 5 内 2004年4月13日 场强探头结构及特性 2004年4月13日 SAR测试装置 检出限最小的测量下限应低于0 02W kg 最大的测量上限应大于100W kg 在检出限范围内的线性度应在 0 5dB之内 在检出限范围内的各向同性应在 1dB之内 灵敏度 线性 各向同性应在 人体组织模拟液 中测定 并且应规定响应时间 2004年4月13日 SAR测试装置 校准要求测试设备应该以系统为单位进行校准 探针应和放大器 测量装置 数据采集设备一起校准 测试设备应该在每种 人体组织模拟液 和规定的操作频率 温度下进行校准 各向同性轴向各向同性探头应暴露在参考波下 参考波垂直于探头的轴向入射 探头绕主轴从0 到360 旋转 旋转步长小于15 半球各向同性探头应暴露在入射角度变化的参考波下 旋转探头或参考波极化方向来确定半球各向同性 入射角应从90 轴向 到0 垂直 变化 步长小于30 对于每次入射 探头应在360 的范围内旋转 步长小于15 校准方法 偶极子和平坦模型 标准场法 2004年4月13日 SAR测试装置 校准要求线性度因为探头的非线性响应仅取决于二极管的特性 线性函数的评估可在自由空间或等效组织液体中进行 在需要检测的范围进行功率扫描 因为使用中等功放就能产生高场强 所以可以使用小的TEM室 波导或基准天线 线性度定义为在0 02W kg 100W kg的范围内 测量值与参考线性曲线的最大差异 在0 02至100W kg的范围内 应以不超过1dB的步长增大功率 2004年4月13日 SAR测试装置 校准要求边界效应在接近壳体内表面处 灵敏度与正常校准条件下得到的值有偏差 这种偏差应由平坦模型内的场分别来评估 该分布对应于平面波照射 边界效应定义为当探头位于液体与模型壳体的边界时 测量的SAR与液体中期望的指数衰减值的差 此效应可以进行补偿 响应时间探头暴露在参考波中 响应时间是当测量设备经一步变化或开 关电源后 达到它终值的90 所需的时间 对于局部SAR步长至少应为0 4W kg 2004年4月13日 第三部分 SAR评估协议 测试方法细节 2004年4月13日 制定SAR评估协议的原因 移动电话用户受到的射频照射在手机的近场范围内 此时工作条件或者手机位置的微小变化都可能会使SAR值发生明显的变化 下面所列的参数的改变通常会导致SAR发生明显变化 测试位置 模型形状 测试配置 比如使用备用天线和备用电池组等 组织模拟液体介电参数的变化精确定义的评估协议可以确定测试结果在给定的误差范围内的可重复性 评估协议应当详细的说明下列各项 设备及校准 场强探头 人体模型 组织模拟液的电介质参数 系统校准 将被测设备设置在要求的工作条件下和确定被测设备工作条件的规程被测设备相对于人体模型的定位确定峰值空间平均SAR的位置和大小的扫描规程 包括内插和外推方法测试规程对某一设备的适用性所有的测试应当按照良好的实验室规程进行 比如符合ISO IEC或者信息产业部对实验室测试能力的要求 2004年4月13日 对测试环境的要求 环境温度18 25 测试过程中温度的变化不超过 2 避免射频噪声 ELF噪声 照明系统 探头定位系统 实验室电源接地等等 静电效应 探头移动 人的走动等等 或者其他影响 光检测效应 温度等等 对SAR测试值的影响 环境噪声 EUT不发射信号时 小于0 4W kg的3 也就是12mW kg 如果测量在射频受控环境中进行 比如电波暗室 可以一年进行一次射频检查 避免环境反射对SAR测试值的影响 例如线缆 地板 墙壁 被测物定位器等 反射信号应小于EUT的SAR的3 经常性的系统验证 系统应该每年至少校准一次 2004年4月13日 对测试系统的要求 SAR测试系统的总扩展不确定度应当小于 30 1 55dB 1 14dB 如果不确定度较高 测试实验室需要评估应当减小哪一个不确定度因素以实现 30 的目标 并且采取措施实现这种改进 当扩展不确定度大于 30 时 测试结果需要考虑真实不确定度和 30 目标值之间的百分比误差 在任何情形下 测试报告中给出SAR测量结果后必须同时给出测量的不确定度 2004年4月13日 被测设备 EUT 的配置 SAR测试基于EUT的辐射特性 比如其典型的工作模式 天线配置等等 应当测试最终的商业化产品 使产品处于其正常使用时的配置 比如没有附加线缆等 附加线缆会改变射频电流分布从而改变SAR值 如果测试时使用的是样机 则应当证明商品与样机具有非常一致的机械特性和电特性 如果不能证明其等效性 则应当使用成型的商品作为测试样品 2004年4月13日 EUT的工作模式 SAR测试中 EUT的通信协议 网络 将决定其工作模式和信号类型 频率 调制模式 输出功率等等 EUT使用时靠近耳朵的所有工作模式都要进行测试 如果不同的模式 A B C等 工作在同样的频段 具有不同的最大输出功率 PA PB 2dB PC 2dB等等 可以采取适当的规程减少在低功率模式 B C等 下的测试次数 而不会违反SAR测试应在最大照射条件下进行的原则 按照下列配置测试低功率模式 B C等 保证其产生的峰值SAR大于模式A下符合性限值的一半 事先应确知模式A下产生最大峰值SAR的配置情形 左耳 接触位置 天线位置和信道处于模式A下最大峰值SAR情形 左耳 倾斜位置 天线位置和信道处于模式A下最大峰值SAR情形 右耳 接触位置 天线位置和信道处于模式A下最大峰值SAR情形 右耳 倾斜位置 天线位置和信道处于模式A下最大峰值SAR情形 在上述所有配置情形下 低功率模式 B C等 下测得的峰值SAR小于模式A下测量值的85 则不需要在模式B下进行其余的测试 如果在模式B C下测得的峰值SAR至少有一个等于或者大于模式A下测量值的85 则应当在模式B下进行完整的测量 2004年4月13日 EUT的工作模式 模拟 FDMA模式模拟移动电话 比如AMPS NMT JTACS等 或者FDMA模式的手机测试时通常使用连续波等效 载波 信号的测试模式 TDMA模式遵循TDMA标准的移动电话 比如NADC GSM DCS PCS PDC等 通常使用内部测试代码或者基站模拟器在其工作模式下进行测试 如果可以使用多个时隙 如某类GPRS 还应当在最大时间平均输出功率下测试 2如果无法使用最大时间平均功率 可以在单个时隙下进行测试 然后将结果乘以可以使用的最大时隙值 可以证明最大空间峰值SAR等于或者小于这个值 换言之 移动电话的SAR响应应当是a 对输出功率的线性响应 或者b 如果是略微非线性的 则相关电流分布跟输出功率无关 CDMA模式对CDMA或者扩频设备 输出功率随设备工作状态不同而变化 功率变化跟语音编码技术和工作模式 移动电话相对于基站的位置以及其他的一些系统因素有关 测试应当在发射机的最大时间平均占空比下进行 通常是全速率语音编码模式 另外 应当确保基站模拟器或者测试代码将发射器设置在EUT和系统允许的最大功率等级下 2004年4月13日 EUT的测试频率 待测设备应当在所有的信道都符合照射标准的要求 但是 在每一信道下进行测试不切实际也没有必要 切合实际的测试信道集合应当能够反映移动电话的SAR特性 应在接近中心频率处评估人体组织模拟液的电介质参数 其误差值应在2 以内 如果测试信道数大于3 则应当在每一个偶数信道 也就是第2 4 Nc 1个测试信道 频率处测量电介质参数 按照线性内插法与标准要求的数据进行比较 在SAR计算中应使用实际测量的电介质参数而不是目标值 2004年4月13日 EUT的测试频率 对于每一工作模式 应当在最靠近发射机中心频率的信道进行测试 如果发射机频率带宽 f f fhigh flow 超过了其中心频率fc的1 那么发射机的高端频率和低端频率也应当进行测试 另外 如果发射器带宽超过了其中心频率的10 则应当按照下述公式确定测试信道的数目Nc Nc 2 Nb 1 Nb roundup 10 fhigh flow fc 函数roundup x 将参数x进位为较大的整数 Nc将总是奇数 测试信道尽可能等间隔分布 并且要包含最低 高频率 2004年4月13日 EUT的输出功率 设置在系统和 或EUT工作要求规定的最大输出功率情形下 也就是用户可能被照射的最大功率 如果无法实现 可以在较低功率下进行测试 然后比例放大到手机的最大输出功率 若EUT的SAR对功率的响应为线性 电池应当充满电 应当采取措施检查测试过程中EUT出现的任何功率变化 应当确定SAR测试过程中任何的输出功率变化跟EUT的设计和规范一致 如果用无线链路 基站模拟器的输出应该接一根天线 天线距离手机至少50cm 基站模拟器天线馈入点的信号应比手机的输出功率至少低30dB 2004年4月13日 EUT的物理配置 天线如果天线可以伸缩 两个位置都要测试 也就是全伸出和全收缩的位置 可翻盖移动电话如果开盖和合盖时均能打电话 则两种配置都要进行测试 附件可能会影响待测设备射频输出功率或者射频电流分布的其他因素应当进行测试 举例而言a 可选天线b 改变体积 长度和手机特性的备用电池等 c 连接线 2004年4月13日 EUT的中垂线和水平线 中垂线通过手机前表面上的两点 过手机听筒水平线手机宽度wt的中点 和过手机底部宽度wb的中点 水平线与中垂线垂直并且过手机听筒的中心 两线在点A交叉 注意对很多手机 点A和听筒的中心一致 听筒中心点可能在水平线上的其他位置 中垂线并不一定平行于手机的前表面 特别是对于翻盖和其他形状不规则的手机而言 2004年4月13日 EUT的垂直和水平参考线 2004年4月13日 EUT的测试位置 脸颊位置调整移动台位置使穿过其耳机中心的水平线和其垂直中心线组成的平面平行于人体模型的竖直侧面 保持此位置 平移调整移动台 使其垂直中心线落入以耳和嘴参考点 M RE和LE 构成的参考平面 并使RE和LE构成的直线穿过耳机中心 保持