Investigation of Mobile Phone SAR Reduction

Bakro, Manar

The increased amount of electromagnetic emission into the environment has increased the public concern over the possible health risks of wireless devices. However, to minimize the amount of energy absorbed by the user (measured by the Specific Absorption Rate, SAR) not only reduces any possible health hazards but is advantageous from the technical point of view, as well. The purpose of this thesis is to investigate techniques for the reduction of the interaction between the mobile phone’s antenna and the user’s head by using different SAR control mechanisms while taking into account possible degradations of the electrical and mechanical antenna properties. The thesis starts with fundamental theory of mobile terminal antennas and SAR and the numerical and measurement technologies are reviewed. The boundary conditions on electromagnetic fields are shown to effect EM wave propagation inside dielectric bodies, in particular, the permittivity of the material strongly affects the E&H field distributions. This is followed by an introduction of some of the recently suggested solutions for reduced SAR from internal handset antennas such as parasitic elements, directive control antenna, wave traps and slots in the PCB ground plane. These methods aim to control the current distribution and the direction of radiation in the near field, while ferrite, conductors and AMC shields are used to disperse or attenuate the EM fields radiated against the human body. As a superior solution, this thesis proposes a High-Impedance Surface Electromagnetic Band Gap (EBG) planar structure integrated below the antenna as SAR reduction solution. With this method, for the case of a monopole antenna for GSM 1900 with backing by an EBG the SAR values inside a phantom are well reduced with only slight impact on the antenna radiation efficiency. On the other hand, the possible performance degradation of a Loop antenna for low-band (GSM 900) by the influence of the EBG (which is designed for GSM 1900) is checked and found to be acceptably small.

Die erhöhte Menge an elektromagnetischer Strahlung in die Umwelt hat die öffentliche Besorgnis über die möglichen Gesundheitsrisiken von drahtlosen Geräten erhöht. Dabei ist die Minimierung der vom Benutzer absorbierten Energie (gemessen durch die Specific Absorption Rate, SAR) nicht nur wichtig zum Erhalt der Gesundheit, sondern auch aus technischen Gründen vorteilhaft. In dieser Arbeit wird die Möglichkeit einer Verringerung der Wechselwirkung zwischen der Mobiltelefon-Antenne und dem Kopf des Benutzers untersucht durch Verfahren zur Senkung des SAR unter Beachtung der elektrischen und mechanischen Antenneneigenschaften. Die Arbeit beginnt mit allgemeiner theoretischer Beschreibung von mobilen Antennen und SAR und beschreibt die numerischen Verfahren und die eingesetzte Messtechnik. Es wird gezeigt, wie die Grenzbedingungen die elektromagnetischen Felder in ihrer Ausbreitung und Verteilung in dielektrischen Körpern insbesondere über die Parameter der Permittivität beeinflussen. Darauf folgt die Untersuchung einiger kürzlich veröffentlichter SAR Reduktionslösungen, wie parasitic elements, directive control antenna, wavetraps und Schlitze in der PCB, die darauf zielen, die Stromverteilung und die Richtung der Strahlung im Nahfeld zu steuern, während Ferrit, PEC und AMC Abschirmungen verwendet werden, um die elektromagnetischen Strahlungsfelder in Richtung des Benutzers zu streuen oder zu dämpfen. Als eine vorteilhaftere Lösung wird in dieser Arbeit die Integration einer planaren Struktur hoher Impedanz (eine sogen. Electromagnetic Band Gap (EBG)-Struktur) unter der Antenne als SAR Reduktionslösung vorgeschlagen. Mit dieser Lösung, angewendet auf den Fall einer Monopol-Antenne für GSM 1900 werden die SAR Werte innerhalb eines Phantoms deutlich reduziert mit nur geringen Auswirkungen auf den Strahlungswirkungsgrad der Antenne. Mögliche Leistungseinbußen einer Loop-antenne für das Low-Band (GSM 900) durch das für GSM 1900 ausgelegte EBG werden überprüft und als akzeptabel gefunden.

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Bakro, Manar: Investigation of Mobile Phone SAR Reduction. 2016.

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