Расчет SAR микрополосковых антенн сотовых телефонов

Расчет SAR микрополосковых антенн сотовых телефонов

Савичева СА, ГРЧЦ, Гайнутдинов ТА, МТУСИ

Целью данной работы является оценка степени электромагнитной безопасности абонентов сотовых телефонов с микрополоско-выми антеннами. Данная работа является продолжением работ, выполняемых в МТУСИ с 2006 г., по исследованию вопросов электромагнитной безопасности пользователей мобильных телефонов. В предыдущих работах [1, 2] были приведены результаты исследования размеров штыревых и спиральных антенн сотовых телефонов на степень безопасности. В данной работе рассматривается один из классов невыступающих антенн сотовых телефонов — микрополос-ковые.

За прошедший год индустрия развития мобильных телефонов резко пошла вверх. Пользователи получили возможность посредством мобильного телефона использовать высокоскоростной Интернет, качественную фото-, видеокамеру, осуществлять передачу данных с высокой скоростью, и, наконец, мобильные телефоны могут даже принимать телевизионный сигнал. Производители стараются в угоду пользователям сделать мобильный телефон элегантней, функциональней, ярче, однако их по-прежнему не интересует вопрос уменьшения степени вредного воздействия на здоровье человека. Поэтому вопрос проведения данных исследований остается актуальным и по сей день.

В качестве численного критерия степени электромагнитной безопасности, как и в работах [1, 2] используется величина SAR. Согласно определению, SAR — это величина, показывающая максимальную удельную мощность, поглощаемую человеческим телом при обычном разговоре по сотовому телефону. Единицей измерения SAR является ватт на килограмм (Вт/кг).

По определению, величина удельной поглощаемой мощности (SAR — Specific Absorption Rate) в объеме пространства равна

SAR =

Р

где О — проводимость материала в данном объеме, См/м,

Е — амплитуда напряженности электрического поля, В/м р — удельная плотность вещества, кг/м3 Предельно допустимое для мозга значение SAR равно 2 Вт/кг (по стандартам ICNIRP). Основную сложность при определении SAR, как видно из (1), представляет расчет амплитуды напряженности поля в голове человека, поскольку последняя с точки зрения электродинамики является сложной структурой, состоящей из различных сред с потерями. Для анализа подобных структур и расчета SAR в данной работе использовалась программа XFDTD [3], основанная на методе конечных разностей во временной области (FDTD — Finite Difference Time Domain). Данный метод предполагает разбиение исследуемой части пространства на элементарные ячейки и приближенного решения в каждой ячейки уравнений Максвелла, путем представления неизвестных электромагнитных полей в виде набора базисных функций с неизвестными весовыми коэффициентами.

Алгебраические уравнения записываются во временной форме и решаются в каждой временной точке анализа и дают широкополосную частотную характеристику. FDTD имитаторы могут обрабатывать сложный диэлектрик, структурируя его и описывая отдельные объекты, составленные из ячеек.

При данном решении операция дифференцирования выражений, входящих в уравнение Максвелла, заменяется на использование приближенных разностей выражений во временной области [4,5].

После нахождения поля в голове, рассчитывается зависимость амплитуды поля от поперечной координаты и соответственно, находится зависимость SAR от местоположения точки наблюдения в голове абонента.

Формулу (1) можно использовать, если известны значения амплитуды вектора Е в интересующих точках модели головы. Анализ по-

РИс. 16. Трехслойная модель головы

Электродинамические параметры среды, моделирующие голову

Вещество Толщина, мм Радиус границы сферы, мм Относительная диэлектрическая проницаемость, Проницаемость слоя, См/м tg 5 Плотность слоя

Мозг 48 53 (46) 1,1 (1,7) 0,415 (0,369) 1030

Кость 3 9(8) 0,06(0,1) 0,133 (0,125) 1800

Кожа 1 59(46) 1,3 (1,9) 0,44(0,41) 1100

ля можно ограничить точками, наиболее близко расположенными к антенной системе, или по наиболее характерным направлениям. Такими направлениями в данной работе выбраны линии, идущие перпендикулярно корпусу телефона внутри головы человека.

В рамках данной работы был рассмотрен мобильный телефон с микрополосковой антенной. С помощью программного пакета XFDTD были смоделированы трехмерные графические модели мобильного телефона и головы абонента.

С точки зрения электродинамики голова человека представляет собой диэлектрический материал с большими потерями.

Модель головы абонента создана в виде цилиндра и 2 сфер, накладывающихся сверху и снизу на этот цилиндр. Уши моделируются двумя выступающими конусами. Таким образом, были получены пять объектов: покрытие толщиной 1мм, со свойствами кожи, следующий слой толщиной 3мм с параметрами кости и далее в глубину — материал с параметрами мозга. Параметры двух конусов, имитирующих уши, совпадают с параметрами кожи. Трехмерная модель головы приведена на рис.1а, б.

Параметры трехслойной модели головы человека для частот

0,9 и 1,9 ГГц приведены в таблице и имеют вид [6].

Мощность излучения в пакете XFDTD может выбираться самостоятельно, поэтому она была взята соответствующей максимально

используемой в стандарте GSM, и в ходе исследований оставалась постоянной, равной 1 Вт [7].

Параметры мобильного телефона были выбраны соответствующие реальному телефону-моноблоку: длина а = 100 мм, ширина b = 50 мм, толщина с=10 мм, размер экрана рассматриваемого телефона 45x30 мм. В качестве исследуемой антенны рассматривалась микрополосковая антенна для мобильного телефона, разработанная фирмой SkyCross[8]. Модель данной антенны в среде XFDTD приведена на рис. 2.

В ходе исследований рассчитывались результаты распределения SAR в голове абонента для трех вариантов расположения антенны: на верхнем торце телефона (рис. 3) — наиболее неблагоприятный вариант расположения антенны, поскольку антенна максимально приближена к мозгу, под экраном (рис. 4) — наиболее конструктивно удобный вариант, и на нижнем торце (рис. 5) — наиболее безопасный вариант, так как антенна максимально удалена от мозга. Отметим, что на этих рисунках приведено условное изображение телефона и головы, т.к в рабочем положении антенна просто не видна. Естественно, все расчеты проводились в рабочем положении телефона, т.е. при ориентации плоскости экрана параллельно уху абонента. Кратчайшее расстояние между экраном и ухом равнялось 15 мм. Расчет производился в модели головы абонента по пря-

Рис. 2. Модель исследуемой антенны в пакете XFDTD

ООО

ООО

ООО

Рис 3. Модель головы и мобильного телефона

Рис. 5. Модель головы и мобильного телефона

мой линии, перпендикулярной плоскости экрана телефона и соответствующей ближайшей к антенне области мозга. Начальная координата соответствует входу в кожу головы. Величина SAR в ушах не определялась.

На рис. 6, 7 показаны результаты распределения SAR на частотах 900, 1800 МГц при расположении антенны на верхнем торце мобильного телефона.

Как видно из этих рисунков, максимальный SAR весьма сильно превосходит допустимый (более чем в 2 раза), что заставляет задуматься об электромагнитной безопасности подобного варианта расположения антенны. При этом исследование обоих поддиапазонов стандарта GSM900/1800 показало примерно одни и те же результаты. По мере прохождения SARmax практически у внешнего слоя коры головного мозга, далее в голове электромагнитное поле резко убывает и уже в центре мозга практически равно нулю.

Ниже на рис. 8,9 показаны результаты распределения SAR на частотах 900, 1800 МГц, при расположении антенны под экраном мобильного телефона.

Из приведенных выше зависимостей можно сделать вывод, что величина максимального SAR с ростом частоты, практически не изменяется и при этом крайне незначительно, но превышает допустимую норму

На рис. 10, 11 показаны результаты распределения SAR на частотах 900, 1800 МГц, при расположении антенны на нижнем торце мобильного телефона.

Из данных зависимостей можно сделать вывод, что величина максимального SAR с ростом частоты при данном расположении антенны меняется значительно, нижний поддиапазон чуть лучше, чем верхний, однако, главный вывод, следующий из этих рисунков: при

Рис. 6. Зависимость SAR от глубины проникновения в голову на частоте 900 МГц

45 50 55 60 65 70 75

Рис. 7. Зависимость SAR от глубины проникновения в голову на частоте 1800 МГц

глубина

Рис. 9. Зависимость SAR от глубины проникновения в голову на частоте 1800 МГц

таком расположении антенны телефон абсолютно безопасен с точки зрения воздействия на организм человека.

В заключение можно сделать следующие выводы:

1. При расположении микрополосковой антенны вблизи нижнего торца мобильный телефон является абсолютно безопасным с точки зрения воздействия на организм человека.

2. Расположение антенны под экраном мобильного телефона не гарантирует электромагнитной безопасности.

3. Более длинные телефоны потенциально менее опасны для здоровья человека.

Литература

1. Гайнутдинов ТА, Савичева СА Расчет SAR штыревых антенн сотовых телефонов// Труды Московского технического университета связи и информатики. — М.: "ИД Медиа Паблишер", 2007. — С. 204-209.

2. Савичева СА, Гайнудинов ТА Расчет SAR спиральных антенн сотовых телефонов// Труды Московского технического университета связи и информатики. — М.: "ИД Медиа Паблишер", 2008. — Т. 2. — С. 47-50.

3. http://www.remcom.com

4. http://zfdtd.narod.ru

5. XFDTD, Manuals.Remcom, 2000.

6. Банков С.Е., Курушин АА, Разевиг ВД Анализ и оптимизация трехмерных СВЧ структур с помощью HFSS. — М.:Солон-Пресс, 2005. — 216 с.

7. Маковеева М.М., Шинаков Ю.С Системы связи с подвижными объектами. — М.: Радио и связь, 2002. — 356 с.

8. http://www.skycross.com