Введение
Широкое распространение сотовой телефонии усилило беспокойство, связанное с облучением головы человека радиоволнами, излучаемыми антенной телефона при его использовании. Комплексные исследования физиологических изменений, происходящих в биологической ткани во время разговора по сотовому телефону, установили, что через десять минут разговора температура кожи человека в непосредственной близости от телефона возрастает на 0,5…2°С [1]. В соответствии с требованиями американского стандарта [2], мощность, излучаемая антенной сотового телефона, не должна превосходить некоторого предельного уровня, при котором поглощаемая мощность внутри головы человека не превышает 1,6 мВт на 1 г веса биологической ткани.
Удельная поглощаемая мощность 1,6 мВт/г – это характерная величина, которая имеет место при мощностях, излучаемых антеннами современных сотовых телефонов. Стремление увеличить чувствительность, дальность и устойчивость связи входят в противоречие с необходимостью уменьшать поглощаемую в голове мощность. Чтобы этого достичь, можно идти двумя путями: уменьшить мощность передатчика телефона, что может привести к увеличению вероятности сбоя связи, или разработать антенную структуру телефона так, чтобы уменьшить облучение головы, не уменьшая при этом эффективности излучения антенны в дальней зоне.
В работе [3] решается задача воздействия электромагнитных волн на кожу человека с использованием теории линий передачи. Однако в работе [4] было показано, что при анализе более сложной формы биологического объекта (БО), например головы человека, и при более сложном характере облучения, подобную задачу можно решить только численным методом. В работе [4] задача решалась с использованием упрощённой модели антенной системы со спиральной антенной. В настоящей работе рассматривается антенна типа PIFA, которая, будучи реализованной в системе сотового телефона, имеет меньший размер и проще интегрируется в схему (см. рис. 1).
Для выполнения расчётов, определяющих влияние головы пользователя на характеристики сотового телефона, используем так называемый фантом – трёхслойную модель головы человека. Усреднённые значения основных параметров этой модели представлены в таблице [4, 5].
Проектирование антенны PIFA
В настоящее время при проектировании СВЧ-устройств наиболее часто используются программные комплексы HFSS, CST STUDIO SUITE и FEKO. В системе CST STUDIO SUITE [5] в рамках одного интерфейса можно решать большой спектр мультифизических задач, включающих динамические, тепловые, электростатические, магнитостатические, а также задачи, связанные с распространением частиц в пространстве, и многие другие. Поскольку в эту систему входит программа CST MWS, позволяющая решать задачи электродинамики, включая расчёт антенн, используем её для моделирования антенной системы сотового телефона с учётом влияния головы пользователя сотового телефона (см. рис. 2).
Антенна типа PIFA, изображённая на рисунке 1, представляет собой вариант планарной антенны в виде свёрнутого четвертьволнового вибратора, подключённой к схеме в смещённой от середины точке питания. Это позволяет создать многочастотную PIFA-антенну. Один из вибраторов влияет на одну частоту, длина другого – на другую частоту, и так далее. Источником сигнала излучения может быть дискретный порт, к которому подключается микросхема или дуплексный фильтр, разделяющий каналы приёма и передачи сотового телефона.
С помощью CST рассчитаем частотные характеристики реальной и мнимой части входного импеданса PIFA-антенны. Результаты расчётов, представленные на рисунке 3, показывают, что реактивная составляющая PIFA-антенны имеет индуктивный характер на обеих рабочих частотах, поэтому для компенсации реактивной части входного импеданса антенны последовательно с портом PIFA-антенны нужно поставить ёмкость величиной 3...10 пФ.
Оптимизация PIFA-антенны сосредотачивается на изменении размера вибраторов (чем длиннее вибратор, тем меньше резонансная частота) и на подстройке положения порта относительно центральной точки (соединённой с поверхностью Ground). Частотные характеристики коэффициента отражения антенной системы с учётом влияния головы пользователя сотового телефона, показаны на рисунке 4.
Внесение БО в пространство анализа PIFA-антенны изменяет резонансную частоту и рабочую полосу частот, в которой |S11| < 0,5. Если голова находится ближе к телефону, то вносятся бо¢льшие потери, и полоса расширяется от 100 до 200 МГц.
Если сравнить результаты анализа излучения PIFA с излучением сотового телефона со спиральной антенной, диаграмма направленности (ДН) которой искажается в сторону головы [3], то можно сказать, что отражательная поверхность PIFA-антенны играет положительную роль. В настоящее время проводятся интенсивные исследования характеристик антенн сотовых телефонов, работающих с отражательной частотно-селективной стенкой и ферритовыми пластинами [8] между антенной и головой.
Сечение диаграммы направленности сотового телефона с PIFA-антенной показано на рисунке 5. Максимальный коэффициент направленного действия (КНД) равен 2,4 дБ. Хотя излучение антенны сотового телефона направлено от головы пользователя, нужно иметь в виду, что вредное воздействие оказывает не дальнее, а ближнее поле сотового телефона.
При внесении в ближнее поле сотового телефона биологического объекта (головы пользователя) максимальный КНД уменьшается вплоть до –2 дБ.
Из расчётов, результаты которых показаны на рисунках 4 и 5, можно сделать вывод, что БО в большей степени влияет на диаграмму направленности, и в меньшей – на согласование антенны. Действительно, современные настроенные сотовые телефоны обычно не обладают чувствительностью согласования к положению телефона относительно головы пользователя.
Распределение ближнего поля в сечении головы пользователя, а также вдоль линии, идущей поперёк головы, изображено на рисунке 6. Расчёты показывают, что земляная плата антенны PIFA экранирует излучение ближнего поля в сторону головы и снижает уровень напряжённости поля. В точках наибольшей напряжённости электрического поля поглощается наибольшая мощность, излучаемая антенной системой сотового телефона, оценка которой даётся в статье далее.
Характеристики воздействия радиоизлучения на биологическое тело
Для оценки воздействия радиоизлучения на организм человека можно применить, по крайней мере, два критерия: первый – увеличение температуры тела при длительном воздействии облучения, второй – величину поглощённой мощности на единицу веса. Повышение температуры тела зависит от мощности, поглощаемой и рассеиваемой в виде тепла в теле, поэтому второй параметр – величина удельной поглощённой мощности SAR (Specific Absorption Rate) – получил более широкое распространение [1, 6, 7]. Величина SAR в ячейке анализируемого пространства определяется как отношение мощности, поглощаемой в данной ячейке, к весу биологической ткани в ней:
где σ – проводимость биологической ткани, заполняющей ячейку [См/м], E – напряжённость электрического поля внутри ячейки [В/м], r – плотность ткани внутри ячейки [кг/м3].
Что касается первого критерия – температуры, то для решения задачи нахождения поля в пространстве БО нужно решить уравнение теплопроводности. Если распространение волн приводит к гармоническому решению, то решение уравнения теплопроводности (уравнения параболического типа) приводит к экспоненциальному закону изменения температуры вдоль координат БО.
В 1948 г. Пеннес (Pennes) [8] предложил математическую модель для передачи тепла в биологическом теле, обусловленной диффузией крови. Хотя для моделирования процесса теплопередачи были разработаны и более сложные модели, этот подход был уточнён и продолжает использоваться в настоящее время. Модель описывает влияние потока крови на температуру ткани в стационарном состоянии. Поэтому в уравнении теплопроводности введены источник тепла и канал передачи:
где ρ – плотность массы биологического материала, Cp – теплоёмкость биологического материала, λ – теплопроводность материала, MR – скорость генерации тепла в соответствии с метаболическими процессами, ξ – скорость диффузии тепла, ρb – плотность массы крови, Cb – теплоёмкость биологического материала, Ta – артериальная температура, SAR – удельная мощность поглощения. Каждое слагаемое в выражении (2) имеет смысл и размерность мощности. T – поле температуры в пространстве БО.
Если все механизмы теплопроводности свести к потерям в простейшей диэлектрической модели головы, то из выражения (2) можно получить упрощённое уравнение, в котором увеличение температуры связано с величиной SAR [2]:
где С – коэффициент теплоёмкости [Дж/кг/град], ΔT – увеличение температуры в заданной точке тела в °С, Δt – время действия облучения в минутах.
Таким образом, есть два способа определения SAR, основанные:
- на измерении (или расчёте) увеличения температуры тела на заданном отрезке времени температурным пробником,
- на определении параметров электрического поля в заданной точке внутри фантома головы детектором E-поля.
Погрешность в расчёте величины SAR зависит от погрешности в расчёте поля и от точности задания параметров модели головы. Важным фактором является также степень упрощения модели корпуса и конструкции телефона, от чего зависит точность расчёта его ближнего поля. Очевидно, что смоделировать подробно корпус телефона нелегко. Однако основные детали корпуса, особенно близкие к антенне и к голове человека, желательно описать как можно точнее.
Необходимо также учитывать, что мощность источника, включённого на входе антенны, динамически изменяется во времени. В связи с этим для каждого временно¢го шага необходимо рассчитывать значения электрического и магнитного полей во всех точках анализируемого пространства в соответствии с методом расчёта во временно¢й области (метод FDTD) [5].
Голова человека, как биологическое тело, имеет достаточно сложную структуру и состоит из нескольких видов биологической ткани, в которых из-за разницы в проводимости мощность поглощается неравномерно. Таким образом, важным условием точности расчётов внутреннего поля является достаточно точное построение модели головы. Следует отметить, что электромагнитное моделирование тела человека – это, в настоящее время, одна из научных областей, выделившихся на стыке радиотехники и медицины. В данной работе численное исследование взаимодействия электромагнитного излучения телефона и головы пользователя было проведено с помощью программы CST Microwave Studio (CST MWS). Эта программа основана на методе FDTD и позволяет найти все требуемые характеристики как ближнего, так и дальнего поля. Кроме этого, она позволяет рассчитать величину SAR в соответствии со стандартом [2], а также установившуюся и динамически изменяющуюся температуру внутри биологического объекта. Методы оптимизации, а также описание материалов в виде сложных частотных зависимостей, как сделано в работе Штыкова и Кальщикова [3], позволяют решить задачу уменьшения мощности поглощения и повышения температуры в излучающей системе в соответствии с задачами, поставленными в научных работах [7–8].
Расчёт поглощаемой мощности и температуры нагрева внутри головы пользователя сотового телефона
Комплекс CST STUDIO SUITE решает уравнение теплопроводности для трёхмерных объектов и находит температуру внутри моделируемой среды при условии, что задаются её температурные характеристики. Решение выполняется итерационным методом, используя алгоритм, аналогичный методу FDTD (конечных разностей во временно¢й области), который является базовым для вычисления электромагнитного поля и поля распределения потерь. Электрические потери являются источником тепла, распространяющегося в БО. Рассчитанное трёхмерное поле SAR, а также максимальное значение SAR в БО при изменении положения источника СВЧ-облучения, можно вывести в любой точке пространства по отношению к весу ткани (1 и 10 г) или как локальное значение [5].
Зависимость величины SAR от удаления телефона позволяет сделать вывод, что при удалении на 7 мм уровень поглощаемой мощности уменьшается до допустимого порога. Однако более ценным результатом является распределение температуры в среде БО, представленное на рисунке 7. Поле рассчитанной в точках БО величины SAR, а также температуры, можно вывести вдоль линии, пересекающей БО в предполагаемой максимальной области прогрева.
Рисунок 7 демонстрирует, что максимальная температура нагрева БО достигается при удалении телефона от головы на 2 мм, а не при его соприкосновении с головой. Повышение температуры, по сравнению с начальной температурой тела человека (36,6°С), при мощности излучения сотового телефона 500 мВт составляет почти 2°С. Нужно заметить, что эти результаты получены без учёта таких важных тепловых характеристик, как протекание крови по поверхности живого БО, и поэтому значение 2°С несколько завышено [1].
Расчёт динамического, изменяющегося во времени, распределения температуры внутри головы
Для того чтобы выполнить расчёт динамического процесса (повышение и понижение температуры в определённых точках БО), нужно задать мониторы в этих точках, а также вид процесса теплового действия, пропорционального мощности поглощения в голове пользователя сотового телефона в стационарном режиме.
Зададим этот временно¢й сигнал в виде двуэкспоненциального импульса, который моделирует ситуацию падения мощности при подносе телефона к голове. Сигнал длится 50 секунд, в течение которых модуль Thermal Solver программы CST рассчитывает переходной процесс в нескольких точках БО.
Из расчёта переходного теплового процесса, результат которого показан на рисунке 8, видно, что в точках БО, удалённых от места приложения ЭМ-поля, температура может расти даже после снятия ЭМ-поля. В точках 2 и 4 имеет место увеличение температуры после снятия СВЧ-излучения, поскольку при снятии мощности тепловые потоки движутся из областей с более высокими температурами к холодным областям.
Отметим одно из перспективных приложений данной технологии моделирования электромагнитных и тепловых процессов в биологическом теле. Известно, что в ряде современных медицинских приборов в области лечебной гипертермии нагрев биологического тела используется для достижения положительного эффекта. Программа CST MWS позволяет моделировать сложные тепловые эффекты нагрева и рассчитывать распределения напряжённости электрического поля, плотности потерь мощности внутри тела и соответствующие им распределения температуры.
Вывод
Теплопередача биологического материала играет важную роль при моделировании эффекта поглощения мощности в голове человека при пользовании сотовым телефоном. Расчёты показали превышение температуры до 1°С по сравнению с окружающей средой при установившемся значении излучаемой мощности 200 мВт.
Данный подход является перспективным для проектирования современных медицинских приборов, например, в гипертермии (медицинская терапия), которая использует сфокусированное СВЧ-излучение для локального нагрева ткани внутри тела до определённой температуры. Компьютерное моделирование и медицинское исследование в комплексе позволяют перевести лечение СВЧ-излучением на качественно новый уровень.
Литература
- Gustrau F., Bahr A. Final Report: Biological Effects in the cm/mm Wave Range Part II/III Determination of Material Parameters and Analysis of Field Strengths in Human Tissue By Institute of Mobile and Satellite Communication Techniques GmbH. Germany. 1998.
- IEEE C95.1–1991. IEEE Standard for Safety Levels with Respect to Human Exposure to Radio Frequency Electromagnetic Fields, 3 kHz to 300 GHz. New York. The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc. 1992. April.
- Штыков В.В., Кальщиков А.А. Тепловое воздействие электромагнитных волн на кожу человека. Журнал Радиоэлектроники ИРЭ АН. 2013. №9.А
- Курушин А.А. Вычисление температуры нагрева головы человека при пользовании сотовым телефоном. Журнал Радиоэлектроники ИРЭ АН. 2011. №11.
- Сайт разработчика CST STUDIO SUITE компании Computer System Techniques. www.сst.com.
- Bernardi Paolo, etc. Specific Absorption Rate and Temperature Increases in the Head of a Cellular-Phone User. IEEE Trans. on MTT. 2000. July. Vol. 48. №7.
- Pennes H.H. Analysis of Tissue and Arterial Blood Temperatures in the Resting Forearm. J. Appl. Physiol. 1948. 1. Pp. 93–122.
- Wang J. and Fujiwara O. Reduction of Electromagnetic Absorption in the Human Head for Portable Telephones by a Ferrite Sheet Attachment. IEICE Trans. Commun. 1997. Dec. Vol. E80-B. №12. Pp.1810–1815.
Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!