人體安全因素的考慮的5G天線高速通信設計方案

2021-01-09 電子發燒友
人體安全因素的考慮的5G天線高速通信設計方案

Don Scansen 發表於 2020-12-23 14:37:43

蘋果會因為擔心手機對健康的不良影響而添加一個昂貴的組件來減少用戶暴露在毫米波能量下嗎？有這種可能。另一種可能是檢測最近的吸收器，並將RF能量集中到另一個陣列，以節約能量。5G時代離我們越來越近，雖然其部署仍在初始階段。現在只有少數幾款手機能夠支持所有可用頻譜，因此還有很多問題尚待解決。

由於目前可獲得的28GHz的mmW波段對消費者市場來說是全新的，因此頻譜中的高頻部分仍有待研究。未來還會出現更高的頻率。30至300GHz的頻率為超高頻（EHF），在應用這項新技術之前，人們想知道它對健康是否有潛在的影響。

圖1：5G頻段分配。（圖片來源：Qualcomm公司）

5G頻譜中的高頻部分有可能提供更高的帶寬，其開放頻率也分配給了蜂窩業務，但這部分頻率範圍卻會遭受非常嚴重的大氣衰減。為了可靠地將用戶連接到基站，可能需要天線具有更高的功率輸出。

但是大氣衰減只是問題的一部分。使用mmWave頻率是新問題，但還有一個老問題：使用者的身體（血、肉、骨骼）也會吸收mmWave能量。這裡不討論人體可能對mmWave能量出現什麼反應。無論用戶的身體是否會受到影響，手或頭（或身體的任何部位）即便不能完擋住5G RF信號的傳播，勢必也會大大減少其傳播（至少你所希望的輸出功率範圍是這樣）。

圖2：Qualcomm公司一直在積極研究各種5G天線，以減少人體對信號的阻擋。

一見到5G天線模塊在手機中的擺放位置，我就思量手機設計是否考慮了大多數人使用右手以及在語音通話時手機靠著頭部的習慣。我們這一代年紀較大的人都認為電話是放在嘴巴和耳朵邊來通話的。在設計5G手機的天線位置時，（至少好的設計）可能會考慮到大家通常用手拿手機、低頭看屏幕上網衝浪和使用社交媒體的習慣姿勢。可能99％的手機用戶都是用這種姿勢使用手機，但設計仍需確保手機在貼近頭部時能夠正常連接。它應該能夠應對不斷變化的情況。

我們知道，在連接的兩端（基站和用戶設備端）使用了MIMO和波束成形技術。基站和手機協同工作，確保各自的天線陣列集中RF能量，使兩端接收到的信號最強。但是，對於手機附近存在阻擋信號傳播的物體時，還可以採用另一種機制。最近System Plus在對iPhone 12的拆解分析中強調了這一點。

iPhone 12中的一個小細節表明，只需拆開並研究市場上的產品，即可獲得有價值的信息。System Plus拆解還強調了需要有能力和經驗的技術人員從實際拆解中挖掘出最多信息。儘管System Plus拆解只是其完整報告的一小部分，但它為我們提供了寶貴的細節。

圖3：iPhone 12 RF前端分析。（圖片來源：SystemPlus Consulting）

在Apple iPhone 12系列中，我們發現了跟以前完全不一樣的5G mmWave系統。該系統是為實現高速通信而設計的，考慮了人體安全性，並且僅由一個晶片組控制。

iPhone 12中還有另一根5G天線，即USI AiP（封裝天線）完全集成模塊，我們之前已專門介紹過。儘管與Qualcomm公司第二代QTM525 5G mmWave天線模塊非常相似，但它們還是有很大的差別。而且，第二代iPhone天線陣列中有一些更有趣的東西。

System Plus拆解指出，USI AiP模塊以及邏輯板下方的第二個無源相控陣天線是由單個RF前端模塊驅動的。這根天線是iPhone 12手機設計與眾不同的地方。對5G iPhone及其競爭對手的蜂窩連接性能進行比較沒有任何意義，但是更深入地了解這種目前只有Apple採用的設計，是一件很有趣的事。

圖4：Qualcomm公司申請的專利——檢測人體部位的雷達。

除無源天線外，System Plus還描述了「人體安全因素的考慮」。由Qualcomm SDX55M數據機和SMR526中頻晶片組控制的第三個組件是毫米波雷達，用於檢測「任何人體，以限制5G mmWave通信系統的輻射」。

蘋果會因為擔心手機對健康的不良影響而添加一個昂貴的組件來減少用戶暴露在毫米波能量下嗎？有這種可能。另一種可能是檢測最近的吸收器，並將RF能量集中到另一個陣列，以便節約能量。每個人都很在意行動裝置的功耗，尤其是在5G時代。蘋果肯定希望其電池性能達到最優，估計他們還希望減少或消除集中毫米波RF能量對忠實用戶的影響。

Qualcomm公司深入參與了5G部署的各個環節，尤其是RF設計，同時還將繼續研究當天線附近有意想不到的吸收器時，如何控制RF功率。Qualcomm公司最近申請了一項專利——檢測人體部位的雷達，公開了System Plus拆解中所提到的使用雷達檢測附近人體部位的方法，使設備能夠判斷發送RF信號是否安全。

可以肯定的是，System Plus對iPhone 12 mmWave雷達及其功能進行了準確的分析。不過，就像AiP模塊一樣，我們並不清楚Qualcomm RF設計最後究竟會怎樣、Apple的設計從哪裡開始。這些都留待下次再說吧。
編輯：hfy

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