CC BY
40
б декабря 2011 г. 0:00
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
Исследование влияния месторасположения микрополосковой антенны мобильного телефона на величину БА1^
Исследовалось два типа микрополосковых антенн, используемых в мобильных телефонах, и рассматривалось различные варианты расположения этих антенн Показано, что при установке антенны на нижнем торце телефона возможно получение допустимой с точки зрения эпектромапмтной безопасности величины 5АЯ однако при этом ру-ка пользователя оказывает сильное негативное влияние на качество согласования антенны.
Савичева С.А., ГРЧЦ Гайнутдинов ТА, МТУСИ
Целью данной работы является оценка влияния месторасположения микрополосковой антенны на степень электромагнитной безопасности абонентов сотовых телефонов. Данная ра-бота является продолжением работ, выполняемых в МТУСИ с 2006 г. по исследованию вопро-сов электромагнитной безопасности пользователей мобильных телефонов. В предыдущей рабо-тах [ 1 ],[2],[3] были приведены результаты исследования размеров штыревых, спиральных и микрополосковых антенн сотовых телефонов на степень безопасности.
В качестве численного критерия степени электромагнитной безопасности, как и в рабо-тах [ 1 ], [2],[3] используется вел^ина SAR. Согласно определению, SAR — это величина, пока-зывающая 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 Rale) в объеме пространства равна
SAR =
=£Ё!1
її)
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 БАР равняется 2 Вт/кг при усреднении ам-плитуды вектора напряженности электрического поля по 10 граммам среды, по своим парамет-рам сов-
Модель
головы
кожа
1 mm
падающей с мозгом (по стандартам KZNIRP) Основную сложность при определении SAR, как видно из (1), представляет росчет 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, также как и в работах [ 1 \ [2],[3] использовалась программа XFDTD [4], основанная на методе конечных разностей во временной области (FDTD — Finite Difference Time Domain). Данный ме-тод предполагает разбиение исследуемой чос-ти пространства на элементарные ячейки и при-ближенного 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 имитато-ры 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 облости [5,6]. После нахождения поля в голове, рассчитывается зависимость амплитуды поля от попе-речной координаты и соответственно, находится зависимость SAR от местоположения точки наблюдения в голове абонента.
Формулу (1) можно использовать, если известны значения амплитуды вектора Е в инте-ресуюших точках модели головы. Анализ поля можно ограничить точками, наиболее близко расположенными к антенной системе, или по наиболее характерным направлениям. Такими на-правлениями в данной работе выбраны линии, идущие перпендикулярно корпусу телефона внутри головы человека.
Рис 1 а. Трехслойная модель головы вид сбоку
T-Comm, #8-2010
fW. 1&Трехслойная модель головы вид сверху
33
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА J
II
' 1| і
О Ant mm ■ -
□Soldo P*d
fVc 2a. Виды полосковых антенн мобильных телефонов (фирма Phycom) FVm 26. Виды полосковых анте»*< мобильных телефонов (ф^эма Sky Cross)
В рамках донной работы был рассмотрен мобильный телефон с микропалосковой антен-ной. 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 1 мм, со свойствами кожи, следующей слой толщиной Змм с параметрами кости и далее в глубину — материал с параметрами мозга. Пара-метры двух конусов, имитирующих уши, совпадают с параметрами кожи. Трехмерная модель головы приведена на рис 1 а,б.
Параметры трехслойной мелели головы человека для частот 0,9 и 1,9 ГГц приведены в таблице 1 и имеют вед [7]
Мощность передатчика в пакете XFDTD может выбираться самостоятельно, поэтому она была взята соответствующей максимально используемой в стандарте GSM, и в ходе исследова-ний оставалась постоянной, равной 1 Вт [8].
Параметры мобильного телефона были выбраны соответствующие реальному телефону-моноблоку длина а = 100 мм, илрина Ь* 50 мм, толщина с= 10мм, размер экрана рассматривае-мого телефона 45x30 мм. Остановимся теперь на выборе типа микропо-лосковой антенны. Су-ществует огромное количество различных вариантов конструкции микрополосковых антенн для сотовых телефонов. Некоторые из них изображены на рис 2а, Ь. На рис 2а приведены ва-рианты полосковых антенн, вьпускаемых фирмой phycomp [9], а на рис 26 антенны, выпускае-мые фирмой Sky Goss [10].
В качестве объектов моделирования в среде XFDTD были выбраны антенны, изображен-ные на рис 2а, поскольку результаты моде-
лирования хорошо совпали с паспортными донными, приводимыми в технической документации на антенну [9], Расчетные значения КСВ антенны в присутствии головы абонента в интересующем нас диапазоне частот, а также данные из пас-портной документации на антенны приведены ниже в таблицах 2 и 3
Как видно из этих таблиц максимальный КСВ для первой антенны составляет 2.9, а для 2-ой 2.7, что соответствует мощности излучения 750-800 мВт при работе передатчика в режиме максимальной мои^ости 1 Вт. Модели первой и второй антенны в среде ХРОТЭ приведены на рис За,б.
Отметим, что все результаты моделирования были получены в присутствии головы пользователя при размере заземляющей пластины микропалосковой антенны, равной размеру подложки, без учета влияния руки абонента.
Так же как и в работе [3] исследовались следующие варианты установки антенны в мо-бильном телефоне, схематично представленные на рис.4: вблизи верхнего торца, под экраном телефона, вблизи нижнего торца
Все расчеты 5АЯ производились вдоль горизонтальной линии, проходящей перпендику-лярно плоскости экрана телефона, причем донная линия проходила через точку с максималь-ным Расстояние от уха до лицевой части телефона выбиралась равным 1 см, а заземляю-щая пластина полосковой антенны ориентировалась параллельно плоскости экрана телефона. Значения максимального усреднялось по 10 г среды, имитирующим мозг.
Результаты расчета БАЯ для первой антенны при установке ее на верхней части телефо-на на частоте 890 МГц приведены на рис. 5 Аналогичные результаты были получены и для дру-гих частот рабочего диапазона и соответственно, и для второго типа антенны. Чтобы не пере-гружать работу весьма однотипной графической информацией результаты расчета максимального БАЯ для обоих типов ан-
Таблица 1
Электродинамические параметры среды, моделирующие голову
Вещество Толщина, мм Радиус границы сферы, мм Относительная диэлектрическая проницаемость. £ Проницаемость слоя. См/м t«6 Плотность слоя, Кг/м5
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
34
T-Comm, #8-2010
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
мых вверху телефона и разработка конструкций антенн, имеющих уменьшенный эффект "кисти", безуслов-но, носил бы как теоретическую так и практическую значимость.
Б заключение, можно сделать следующие выводы
1. При расположении микрололоскоеой антенны вблизи нижнего торца мобильный те-лефон является абсолютно безопасным с точки зрения воздействия на организм человека, прак-тичееки независимо от типа конструкции антенны.
2. Степень безопасности антенны, расположенной под экраном мобильного телефона во многом зависит от конкретного конструктивного выполнения антенны.
3. Наиболее удачный с точки зрения электромагнитной безопасности вариант располо-жения антенны является крайне неудачным с точки зрения эффективности работы антенны.
Литература
1 Гайнуци*»ТА, Савичева СА Расчет БАЯ штыревых антенн сотовых телефонов. Труд»! Московского технического у^верситега связи и информатики. — М.: "ИД Ме»ю Паблишер-, 2007. — С204-209.
2 Ссяичева СА, Гайнутдинов Т А Расчет SAR спиральных антенн сотовых телефонов. Труды Московского технического университета связи и ин-форматжи. — М: "ИД Медиа Паблишер", 2008. — С 47-50.
3 Савичева СА, Га*гущ#юв ТА Расчет SAR микрополосковых антенн сотовых телефонов. Научно-тедаический журнал T-Comm Спецвыпуск по итогам 3-й отраслевой науч-ной комферокдии "Технологии информаци онного общества" июль 2009 г. ч2. — С23-27.
4. hip:/ / www.renxom.com.
5. htp://zfcfrd.narod.ru
6. XFDTD, Manuak Remcom, 2000.
7 Банков СЕ, Куруимн АА, Раэевиг ВД Анализ и оптимизация трехмерных СВЧ структур с помощью HFSS — М: Солон-Пресс, 2005. — 216с.
8 Максвеева ММ, Шинаков Ю.С Системы связи с под вижными объектами. Радио и связь, 2002. — 356 с
9. hltp://www.eurosalt.com/anotber/phycomp/ produch/an/db/ Ceramic_Mobile_Antenna _Od_6_2.pdf.
10. h^>://www. skycross.com.
11. Руководство no эксплуатации мобильного телефона Nokia 5800 Xpress Music, 2008. — 138 с.
T-Comm, #8-2010
37
