Проектирование антенн сотовых средств связи с учётом минимизации уровня поглощаемой мощности SAR

Н.Н. Кисель,
к.т.н., доц., nnkisel@sfedu.ru
ЮФУ, г. Таганрог

Д.В. Кисель

студ., timcaiser@gmail.com

МГУ ВМК, г. Москва

В настоящее время достаточно актуальной является задача исследования распределения электрических полей и удельной поглощаемой мощности как с целью сертификации уже разработанных мобильных средств связи, так и для разработки новых антенн сотовых телефонов, обеспечивающих минимальный уровень поглощаемой мощности. Создание адекватной электродинамической модели биологической ткани для исследования влияния СВЧ-колебаний связано с необходимостью решения задачи о возбуждении электромагнитной волны в среде с резко меняющимися параметрами (кожа, мышцы, кости, жировая ткань).

В работе рассмотрена модель головы в виде трехслойного эллипсоида вращения с усеченным эллипсоидом внутри для описания мозговой оболочки и несколько моделей сотового телефона. Расчеты выполнены в программе электродинамического моделирования FEKO, в рамках которой имеется возможность решения задачи оптимизации характеристик антенны по критерию минимума поглощаемой мощности.

At present, the task of investigating the distribution of electric fields and the specific absorbed power is relevant for the certification of already developed mobile communications, and the development of new antennas of cellular phones, providing a minimum level of absorbed power. Creating adequate electrodynamic model of biological tissue to study the effect of microwave oscillations associated with the solution of the problem of excitation of electromagnetic waves in a medium with rapidly changing parameters (skin, muscle, bone, fat tissue).

Model of the head in the form of a three-layer ellipsoid with flattened ellipsoid inside to describe the meninges and a few cell phone models considered in the work. The calculations are performed in the program FEKO electrodynamic simulation, in which it is possible to solve the problem of optimizing antenna characteristics by the criterion of minimum absorbed power.

Основным параметром для описания взаимодействия электромагнитного излучения с биологической средой принят параметр удельной поглощаемой мощности внутри среды SAR (Specific Absorption Rate). Создание адекватной электродинамической модели биологической ткани для исследования влияния СВЧ-колебаний связано с необходимостью решения задачи о возбуждении электромагнитной волны в среде с резко меняющимися параметрами (кожа, мышцы, кости, жировая ткань). При этом характерные неоднородности оказываются соизмеримыми с длиной волны или меньше ее, из-за чего применение ряда приближенных асимптотических методов решения соответствующих модельных задач оказывается практически невозможным. Строгий расчет поля внутри человека можно выполнить только на основе трехмерного моделирования биологической среды с произвольными параметрами диэлектрической проницаемости и проводимости, что лежит на пределе возможностей самой современной вычислительной техники. Область головы, как наиболее близко расположенная к источнику излучения - мобильному телефону представляет наибольший интерес при исследованиях.

Моделирование головы на основе многослойной сферы позволяет выполнить первичную оценку уровней SAR. В работе рассмотрена модель головы в виде трехслойного эллипсоида вращения с усеченным эллипсоидом внутри для описания мозговой оболочки и несколько моделей сотового телефона. Исследуемая модель приведена на рис.1.

Рис.1 Модель головы в программе FEKO и результаты вычисления SAR в различных сечениях модели, пиковые значения SAR

Расчёты распределения электромагнитных полей и SAR выполнены в программе электродинамического моделирования FEKO.

Как показали проведенные расчеты, уровень поглощаемой мощности существенно зависит от типа антенны. Для исследуемых моделей телефонов пиковые значения SAR не превысили допустимых норм. Для Европы максимальная средняя величина установлена в 2 Вт/кг на 10 г/см³. Однако у пользователей при использовании телефонов с уровнем SAR выше 0,5 Вт/кг в течение нескольких минут могут наблюдаться субъективные симптомы воздействия, такие, как головная боль.

Ниже приведены результаты расчетов усредненного значения SAR и максимального поглощения SAR на 10 г/см³ для нескольких случаев положения антенны по отношению к биообъекту. Считается, что нулевое расстояние соответствует плотно прижатому к эллипсоиду телефону. Расчетные значения сведены в таблицу.

Таблица 1

Значения SAR в зависимости от расположения микрополосковой антенны

SAR	Взаимное расположение модели телефона и модели головы, м
SAR	0	0,01	0,02	0,05
Пиковые SAR на 10 г/см³, Вт/кг	0,51	0,45	0,32	0,14
Усредненное SAR на 10 г/см³, Вт/кг	0,1	0,08	0,05	0,03

Как видно из приведенных результатов, при расстоянии 5 см от головы, что соответствует 0,15 λ, наблюдается уменьшение максимального значения SAR в 3,6 раза по сравнению со случаем размещения антенны в непосредственной близости от головы, усредненное значение SAR для этого же случая уменьшилось в 3,5 раза.

Таким образом, получены распределения SAR для неоднородной модели головы в виде эллипсоида с учетом реальной геометрической формы и электрофизических параметров. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что пространственный максимум уровня SAR, усредненный на 10 г/см³ модели человеческого тела, ниже порогового значения, рекомендованного международными стандартами. Увеличивая расстояние между мобильным устройством и головой можно значительно снизить уровень SAR. При этом, однако, не наблюдается изменение положения области, где достигаются пиковые значения SAR.

В рамках программы имеется возможность решения задачи оптимизации характеристик антенны по критерию минимума поглощаемой мощности [12-16].

Литература

1. Hanus, X., Luong, M. and Lethimonnier, F. (2005) Electromagnetics Fields and SAR Computations in a Human Head with a Multi-Port Driven RF Coil at 11.7 Tesla. Proceedings of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine, 13, 876.

2. Khalatbari S., Sardari D., Mirzaee A., A. Sadafi H.A. Calculating SAR in Two Models of the Human Head Exposed to Mobile Phones Radiations at 900 and 1800 MHz// Progress In Electromagnetics Research Symposium 2006, Cambridge, USA, March 26-29.

3. Stavroulakis, P., Biological Effects of Electromagnetic Fields, Springer, 2002.

4. Kisel N.N., Grishchenko S.G. Structured modeling of the biological media in the form of grid resistive wires //В сборнике: CriMiCo 2014 - 2014 24th International Crimean Conference Microwave and Telecommunication Technology. Conference Proceedings. 2014. С. 1065-1066.

5. Кисель Н.Н., Грищенко С.Г Использование эффекта деполяризации электромагнитной волны для задач медицинской диагностики//Известия ЮФУ. Технические науки. 2014. № 11 (160). С. 99-109.

6. Грищенко С.Г., Кисель Н.Н., Ваганова А.А. Рассеяние электромагнитных вон телом вращения, расположенным на многослойном полупространстве //Известия ЮФУ. Технические науки. 2013. № 11 (148). С. 141-150.

7. Кисель Н.Н., Клименко П.П. Математическое моделирование взаимодействия электромагнитного поля с биологическими средами//Депонированная рукопись ВИНИТИ № 1380-B2006 14.11.2006.

8. Кисель В.Н., Кисель Н.Н., Алпатова А.В. Расчет электромагнитного поля в объеме кругового диэлектрического цилиндра с неоднородным включением //Радиотехника и электроника. 2003. Т. 48. № 1. С. 64-69.

9. Кисель В.Н., Алпатова А.В., Кисель Н.Н. Эффективный алгоритм расчета электромагнитного поля в неоднородном цилиндре //Известия ЮФУ. Технические науки. 2001. № 1 (19). С. 28-32.

10. Алпатова А.В., Кисель Н.Н., Кисель В.Н. Исследование электромагнитного поля внутри кругового неоднородного цилиндра //Известия ЮФУ. Технические науки. 2001. № 3 (21). С. 45-46.

11. Кисель Н.Н., Кисель В.Н., Обуховец В.А. Моделирование взаимодействия СВЧ-колебаний с биологическими структурами //Известия ЮФУ. Технические науки. 1995. № 1 (1). С. 37-38.

12. Кисель Н.Н., Грищенко С.Г., Дерачиц Д.С. Исследование низкопрофильных микрополосковых антенн// Известия ЮФУ. Технические науки. 2015. № 3 (164). С. 240-248.

13. Ноаман Х.И.А., Галеб Х.А.Н., Кисель Н.Н. Моделирование и оптимизация характеристик микрополосковой антенны для WIMAX связи //В сборнике: Новые технологии и проблемы технических наук. Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции. Инновационный центр развития образования и науки. 2014. С. 115-118.

14. Галеб Х.А.Н., Ноаман Х.И.А., Кисель Н.Н. Моделирование и оптимизация характеристик микрополосковой антенны с использованием SIMPLEX-метода//В сборнике: Новые технологии и проблемы технических наук. Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции. Инновационный центр развития образования и науки. 2014. С. 118-121.

15. Хамед М., Кисель Н.Н. Моделирование характеристик микрополосковой антенной решетки S-диапазона//В сборнике: Новые технологии и проблемы технических наук. Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции. Инновационный центр развития образования и науки. 2014. С. 121-124.

16. Кисель Н.Н., Грищенко С.Г., Кардос Д.А. Оптимизация параметров комбинированной микрополосковой антенны //Известия ЮФУ. Технические науки. 2012. № 11 (136). С. 25-31.