автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Взаимодействие антенны персонального средства связи с моделью головы пользователя

На правах рукописи

КОЗЛОВ Сергей Андреевич

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АНТЕННЫ ПЕРСОНАЛЬНОГО СРЕДСТВА СВЯЗИ С МОДЕЛЬЮ ГОЛОВЫ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ

Специальность 05.12.04 - "Радиотехника, в том числе устройства радионавигации, радиолокации и телевидения"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург - 2004

Работа выполнена на кафедре Высокочастотных средств радиосвязи и телевидения ГОУ ВПО «Уральского государственного технического универси-тета-УПИ».

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Панченко

БА.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент Поршнев С. В.,

доктор технических наук, профессор Цепелев B.C.

Ведущая организация: ООО «УралМобиКом».

Защита состоится ¿4 2004 г. в 12-00 на заседании дис-

сертационного совета Д 212.285.11 при ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19, ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.285.11 Важенину В.Г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Уральского государственного технического университета - УПИ».

Автореферат разослан

22 НоЗ&рЗ^

2004 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.285.11, кандидат технических наук, доцент

В.Г. Важенин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В последние годы в промышленно развитых странах наблюдается значительный рост использования электромагнитных волн во всех сферах деятельности человека. Растет процент населения, практически постоянно подвергающегося облучению, в связи с развитием телевидения, радиовещания и персональных мобильных средств связи. Кроме чисто технических проблем: распределения и регистрации частот, вопросов электромагнитной совместимости, серьезно ставится вопрос об экологическом воздействии электромагнитных излучений на организм человека. Здесь следует отметить две ситуации. Во-первых, долговременное, слабое по уровню электромагнитное облучение, действующее на гражданское население. Это облучение от персональных средств связи, телевидения, радиовещания, бытовой техники, промышленных установок. Во-вторых, мощное, кратковременное облучение, действующее на обслуживающий персонал радиолокационных станций и передающих центров. Такое облучение также возможно в период чрезвычайных ситуаций.

Особое место в ряду данных технических систем занимает сотовая связь. В частности, расположение антенны подвижного средства связи, работающего в режиме приема-передачи вблизи жизненно важных органов человека - пользователя персональным средством связи, повысило опасность влияния электромагнитного излучения. Проблема недостаточно исследована. Нет достоверных статистических данных по электромагнитному воздействию на организм человека.

Средства радиосвязи развиваются уже на протяжении столетия. Сотовый же телефон стал массовым только в последние пять лет, и столь короткого промежутка времени явно недостаточно для того, чтобы делать выводы о степени его влияния на людей.

Все перечисленное заставляет рассматривать проблему прогнозирования и контроля электромагнитного облучения как государственную задачу большой важности.

Прямые экспериментальные исследования электромагнитного взаимодействия тела человека и антенны мобильного телефона представляют определенную опасность для здоровья. В этих условиях корректное моделирование проблемы и использование расчетных данных могут сыграть значительную роль в решении этого вопроса.

Исследовательские работы проведены в следующем направлении. Осуществлен расчет поглощения электромагнитной мощности моделями органов человека, в первую очередь моделью головы. Модель составлена на основе анатомических данных с учетом зависимости электрофизических параметров отдельных слоев и частей живых тканей (кожи, костной части, цереброспинальной жидкости, мозга и др.) от частоты. Результатами этой части работы явились рекомендации по наиболее безопасным способам пользования персональными средствами связи, определение рисков, связанных с ухудшением здоровья пользователей.

Цель работы - построение математической модели, описывающей взаимодействие антенны мобильного средства связи и модели головы человека.

Научная новизна

1. Разработана электрофизическая модель головы человека (для широкого диапазона частот).

2. Решена электродинамическая задача о возбуждении модели головы человека антенной мобильного средства связи.

3. Проведен расчет искажений антенных характеристик аппарата связи, обусловленных присутствием тела человека.

4. Проведен расчет параметров поглощения электромагнитной мощности, излучаемой антенной аппарата связи, в модели головы человека.

5. Разработан алгоритм расчета последовательности функций Бесселя, Неймана и Ханкеля полуцелого порядка от комплексного аргумента. Практическая ценность работы и внедрение ее результатов На основании полученных расчетных данных даны рекомендации по уменьшению влияния сотового телефона на голову пользователя, снижению доли мощности, поглощаемой в модели головы человека.

Полученные результаты используются при чтении курса «Структура и организация линий связи» на кафедре ВЧСРТ УГТУ-УПИ.

Результаты исследований переданы на кафедру «Безопасность жизнедеятельности» УГТУ-УПИ.

Основные результаты, выносимые на защиту

1. Электрофизическая модель головы человека (для широкого диапазона частот).

2. Решение электродинамической задачи о возбуждении модели головы человека антенной мобильного средства связи.,

3. Результаты расчета искажений антенных характеристик аппарата связи, обусловленных присутствием тела человека.

4. Численные результаты расчета параметров поглощения электромагнитной мощности, излучаемой антенной аппарата связи, в модели головы человека.

Апробация работы

Основные результаты работы доложены на конференциях: II международная конференция РУО АИН РФ (г. Екатеринбург. 2000 г.), «Радиолокация. Навигация. Связь.» (г. Воронеж, 2001 г.. 2002 г.), JINA, международная конференция (France. 2002 г.), отчетная конференция молодых ученых, ГОУ ВПО УГТУ-УПИ. (г. Екатеринбург. 2003 г., 2004 г.), «Связь - Пром 2004» международная конференция (г. Екатеринбург. 2004 г.). Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в 9 статьях, 3 тезисах.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и двух приложений. Работа изложена на 101 странице машинописного текста, содержит 2 таблицы, 55 рисунков, 2 приложения. Библиографический список использованной литературы содержит 46 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена информация об основных тенденциях развития сотовой связи в России; показана актуальность темы работы, сформулированы объект, предмет исследования и цель работы; поставлены задачи для достижения цели; отмечены новизна полученных результатов, их теоретическая значимость и прикладная ценность. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены основные электрофизические модели головы человека, как наиболее подверженного электромагнитному облучению со стороны сотового телефона органа человека.

Проведен анализ отечественной и зарубежной литературы, посвященной теме работы. Отмечены достоинства и недостатки предложенных методов анализа экологической проблемы, существующие стандарты и нормативы по воздействию электромагнитного излучения переносного абонентского аппарата на организм человека. Можно отметить, что большинство исследователей воспользовались готовыми программными продуктами (например, программный пакет «High Frequency Structure Simulator» фирмы Agilent). В данном пакете реализован метод FDTD (finite difference time domain).

Рассмотрены параметры, характеризующие меру взаимодействия между телом пользователя и антенной мобильного средства связи. Рассмотрен коэффициент SAR (specific absorption ratio), как основная характеристика поглощения электромагнитной мощности. Обозначены преимущества использования данного параметра в задаче оценки влияния электромагнитного излучения на человеческий организм.

Проблема воздействия сотового телефона на голову пользователя сведена к электродинамической задаче о возбуждении многослойной сферической модели головы человека антенной мобильного средства связи. Используемые в задаче электрофизические параметры слоев образования определяются выбранной моделью головы человека. Для проведения исследований выбрана шести-слойная модель, включающая следующие слои: кожный покров, жировая прослойка, костная часть, хрящевая прослойка (dura), цереброспинальная жидкость (CSF) и мозг. Электрофизические параметры указанной модели для частоты f = 0.9 ГГц приведены в таблице 1.

Таблица!

Тип ткани Граничный радиус Er

Кожный покров 9.0 41.ll-j0.327

Жировая прослойка 8.9 79.1 - J0.423

Костная часть 8.76 40.7-j0.25

Dura 8.35 20.9-j0.247

CSF 8.3 10-j0.266

Мозг 8.1 40.7-j0.25

Компьютерная программа, разработанная организацией Federal Communications Commission (FCC), была использована для расчета параметров биологических тканей - слоев модели, в широком спектре частот. Программа размещена для общего пользования на сайте FCC в сети Интернет и позволяет рассчитать для заданной частоты такие параметры, как проводимость и относительную диэлектрическую проницаемость Ег выбранной биологической ткани.

Осуществлена постановка задачи об электромагнитном возбуждении модели головы человека антенной персонального средства связи.

Рассмотрены существующие подходы к решению задачи о возбуждении сферических образований, приведен обзор литературы по решению аналогичных задач. Обоснован выбор метода, использующего диадные функции Грина, как оптимального метода решения поставленной задачи. Среди достоинств

метода отмечены: метод дает возможность получения наиболее целостной картины распределения не только локальных полевых характеристик (SAR, напряженность поля), но и интегральных характеристик (поглощенная мощность), несущих информацию о тепловом воздействии антенны на модель.

Вторая глава посвящена решению задачи об электромагнитном возбуждении многослойного сферического образования.

Наиболее распространенным типом антенны сотового телефона является вертикальный электрический вибратор. Выбор такого типа антенны определяется стандартом на вид поляризации электромагнитного поля, излучаемого базовой станцией. Вследствие этого, в качестве модели, хорошо аппроксимирующей данный тип антенны выбран элементарный электрический вибратор - диполь Герца.

Рассмотрена геометрия задачи - сфера из концентрических слоев, расположенная в центре сферической системы координат (рис. 1).

Электрический вибратор длиной l с током Р расположен на расстоянии b от точки О. Объемная плотность тока при выбранной ориентации записывается:

где ав - единичный вектор сферической системы координат.

Каждый из слоев характеризуется радиусом а, и электрофизическими параметрами //, = £t = £0 • Е'; внешний радиус сферы равен а..

Рис. 1. Сферическое тело в системе координат

Расположение слоев вдоль радиальной координаты сферической системы показано на рис. 2.

Рис.2. Расположение слоев сферы вдоль радиальной координаты

Подробно изложено решение задачи о возбуждении модели головы человека. Сферическую структуру из концентрических слоев диэлектрика можно рассматривать как неоднородную линию передачи.

Решение электродинамической задачи можно представить в виде разложения по волнам типа Е и типа Н. Разделение производится относительно радиальной координаты, вдоль которой строятся характеристические части

функций Грина - fr, Г) и g(r,r'). Поперечная часть функций Грина записывается через сферические гармоники , где P;(COS0)- присоединенный полином Лежандра.

Приняв Г за точку наблюдения, а Т' за точку источника, радиальную составляющую электрического поля можно записать как:

Для потенциала электрических волн имеем: Можно показать, что в (3)

(2)

(3)

f3= 2я+1 {п-т)\ к 1Э1 8 , ,j limdP^{cos6 ™ ф+1) (n+m){ 4m¿. b 8{k/) ' ] *-o dff

(4)

где

- характеристическая часть функции Грина.

Характеристическую часть функции Грина можно рассматривать как часть функции, учитывающую структуру многослойного сферического образования и расположение точек источника, и наблюдения. В работе приведена запись характеристической части функции Грина для частных случаев слоистой сферической структуры, например, для случаев свободного пространства, внешней области проводящей сферы, диэлектрической сферы, сферы со слоем диэлектрика, диэлектрической оболочки, а также шестислойной модели головы пользователя.

Для r > b будем иметь:

При этом составляющие векторов напряженности поля электрических волн, возбуждаемых диполем, определяются выражениям:

я=1

(6)

Аналогично, для потенциала магнитных волн имеем:

(7)

г к0Ь~

и(й+1) 4/г

Составляющие векторов напряженности поля магнитных волн при этом определяются выражениями:

(8)

Суммарное поле электрических и магнитных волн определяется соотношениями (6) и (8).

Поле электрического вибратора имеет все шесть составляющих векторов Е и Н. Оно имеет одну азимутальную вариацию, причем в плоскости <р = 0 остаются составляющие Ег, Е$ и Н9,авплоскости (р = — - составляющие Нп Не и

Полное поле состоит из бесконечной суммы пространственных гармоник (собственных волн). Трудность численных расчетов связана с тем, что для тел больших электрических размеров приходится учитывать большое число пространственных гармоник. Известно, что для инженерной точности расчета поля в зоне излучения необходимо принимать во внимание столько членов ряда, сколько полуволн укладывается по дуге большого круга возбуждаемого сферического образования.

Остановимся на характеристической части функций Грина. Запись функций /(г, г') и я(г,г') для произвольного расположения источника и точек наблюдения можно найти в литературе. При расположении первичного источника на внешней границе сферы (Г = ат = Ь) и точки наблюдения Г во внешней области на большом удалении от сферы запись характеристических частей упрощается:

Бесселя, Неймана и Ханкеля соответственно. Здесь и ниже будут использованы сферические функции с нормировкой по Фелсену. С соответствующими функциями Бесселя полуцелого порядка сферические функции связаны следующим образом:

2

г') _ /¿„(¿)л(у)

д(кЛ:ь К ¡1(ьЫк0ь)-и,;{к0ь)

В (6) К =7„(л;)-/и„(х), где ;•„(*)>«„(*)А(*) - сферические функции

Нормированные, направленные проводимости и сопротивления рассчитываются по формулам справа - налево к центру сферы:

_ £ до _ С(д,:д.^ - *д.^ )*А'(д»; О8 с„ (ая ; д..,) - /Т„ (аж_, (аи;<*„_,)

(11)

_ /| (¿) = ' к,; ) - к,-. К5',' (д,; д.-1)

Знак - означает нормировку проводимости и сопротивления к модальным

__ ^/Я г7

величинам 10т =-и ¿0т =-,

6>Мо

В(11)

где означает производную по первому аргументу.

Для первой сферической области (левее а, на рис. 2):

л(*а)

В дальней зоне к/ >> п и используется асимптотическое представление функций Ханкеля:

Уместно заметить, что для сферических слоев без потерь ¡2П(Ь\

1Уп{ат^\ /¿я(ат_,) и другие величины действительные.

Определим модули и фазы характеристических частей для волн типа Е и Н, которые в дальнейшем используем для расчета напряженности полей в дальней зоне и диаграммы направленности.

Обозначим

и получим

г»=(к +[лЛкь) - п„'Ш)"г-,

(15)

(16)

В рассмотренном случае точка источника Г' находится на внешней

границе сферы, в то время как точка наблюдения Т бесконечно удалена. При другом расположении точек источника и наблюдения, с использованием общих принципов построения характеристической части функции Грина, можно получить выражения для нескольких частных вариантов стратификации сред.

В третьей главе рассматриваются антенные характеристики вибратора, расположенного вблизи модели головы пользователя. Приведены соотношения, описывающие поле в дальней зоне, диаграмму направленности антенны. Рассмотрены энергетические характеристики антенны.

Излученная антенной мощность определяется интегрированием модуля вектора Пойтинга по сфере большого радиуса:

Подставляя в (13) выражения для напряженности полей и используя свойства ортогональности сферических функций:

Рг = |Л|Л = = + +|(17)

5 5 0 д

*гдР\(соьв) дР{1„(со5в) } дв ' дв

2п + \ '

и = п

= 0

/IV 0,

(18)

п'=п

от {п-т)\ = 0

и'* и,

получим

Из (19) согласно определению можно получить сопротивление излучения

2 Р,

и

(20)

В (20) множитель, учитывающий влияние сферического образования на сопротивление излучения диполя в свободном пространстве

Коэффициент направленного действия согласно определения записывает-

(21)

Получим выражения для К.Н.Д. в направлениях от сферы (0а=О, и за сферу :

(22)

Здесь определяется из (20). Выражение в фигурных скобках (22) является поправочным множителем к К.Н.Д. вибратора в свободном пространстве.

Итак

¿>(0,0) = 1,555 (0,0),

£(/г,0) = 1,505(;г,0).

Приведенные соотношения позволяют определить К.Н.Д. в направлениях к сфере и от сферы.

Во второй части третьей главы приведены численные результаты, иллюстрирующие искажения антенных характеристик электрического вибратора вследствие влияния модели головы человека и ряда более простых структур.

Численные результаты с графической точностью совпадают с опубликованными в литературе данными.

Показаны зависимости сопротивления излучения антенны от расстояния между сферической структурой и антенной, диаграммы направленности и поляризационные характеристики вибратора в присутствии перечисленных сферических структур.

Особый интерес представляют характеристики вибратора в присутствии шестислойной модели головы человека.

На рис. 4 приведен график зависимости значения коэффициента , учитывающего влияние шестислойной модели головы человека на сопротивление излучения электрического вибратора , от расстояния между

антенной и центром модели.

кЬ

Рис.4. Зависимость значения нормированного сопротивления излучения антенны от расстояния до центра модели головы человека

Диаграммы направленности вибратора в присутствии шестислойной модели головы человека приведены на рис. 5.1, 5.2.

Рис. 5.1 Зависимость Ев от угла в

Рис.5.2. Зависимость Е^от угла в

Проведены расчеты зависимостей составляющей напряженности электрического поля по основной поляризации и кросс-поляризационной составляющей электрического поля от угла в. Соответствующие графики приведены на рис. 6.1,6.2.

]: —■ -—————

в

Рис.6.1. Зависимость составляющей напряженности электрического поля по основной поляризации от

I

% х « а ю им uo )« ш uo

Рис.6.2. Зависимость кросс-поляризационной составляющей электрического поля Ет от0

Нормировка КП составляющей выполнена по максимальному значению поля ОП составляющей.

Четвертая глава посвящена проблеме определения параметров, характеризующих поглощение мощности, излучаемой вибратором, как в отдельном слое модели, так и в образовании в целом. Результаты следует трактовать не только как сугубо инженерные, но и как имеющие отношение к потребительскому вопросу о воздействии сотового телефона на голову человека. Расчеты проводились для частот, соответствующих наиболее распространенным стандартам сотовой связи: аналоговому NMT450 (450 МГц) и цифровым GSM900 (900 МГц) и GSM1800 (1800 МГц)

Приведены соотношения описывающие, зависимость напряженности электрического поля, значения SAR, от координат в слоях образования

(24)

где Е- модуль напряженности электрического поля,

- проводимость вещества слоя модели,

- удельная плотность вещества слоя.

SAR=A [Вт/кг],

Во второй части четвертой глады приведены численные результаты, иллюстрирующие поглощение электромагнитной мощности в шестислойной модели головы пользователя. Показаны зависимости напряженности электрического поля от координат в слоях модели, частотные зависимости параметра SAR как для выбранного слоя модели, так и для модели в целом.

На рис. 7 приведены графики, характеризующие распределение значения SAR по слоям описанной выше шестислойной модели головы человека для наиболее распространенных частотных диапазонов подвижных средств связи: 450 МГц (NMT), 900 МГц (GSM900) и 1800 МГц (GSM1800). При расчете значения углов и приняты равными 0.

Как видно из рис.7, рис.8, для всех диапазонов частот, наибольшее значение SAR наблюдается в области первого слоя структуры (кожный покров). Кроме того, с увеличением рабочей частоты можно отметить уменьшение уровня как SAR, так и напряженности электрического поля для внутренних слоев структуры.

жироввя

В 92 34 86 89 9 92

тмифшаслма см

Рис. 7. Распределение SAR по слоям модели

На рис. 8 приведены графики для тех же частот, но характеризующие

распределение SAR по слоям теневой области (угол в = 180°) модели головы

пользователя.

-20-жировая

8 82 84 86 88 9 92

Рис.8. Распределение SAR по слоям модели, теневая область Наиболее полное представление о зависимости SAR от угловых координат в конкретном слое выбранной электрофизической модели может дать график, отражающий распределение SAR для диапазона углов в и </> от 0° до 180°. Подобные расчеты проводились для всех слоев исследуемой модели головы человека. На рис. 9 показано распределение SAR в первом слое модели головы человека (кожа) для диапазона углов в и <р от 0° до 180°.

Рис.9. Распределение SAR в первом слое модели В приложениях приведено описание использования метода тензорной функции Грина в задачах электромагнитного возбуждения; приведен листинг программы расчета последовательности функций Бесселя, Неймана, Ханкеля полуцелого порядка от комплексного аргумента на языке Фортран.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Перечислим основные результаты и выводы, полученные в процессе выполнения диссертации:

1. Обоснован выбор модели головы человека - пользователя мобильного средства связи. Модель построена на основании усредненных анатомических данных и представляет собой шестислойную сферу. Уточнены электрофизические параметры слоев модели, их зависимость от частоты.

2. Поставлена и решена электродинамическая задача о возбуждении выбранной модели антенной мобильного средства связи. При решении использован метод тензорных функций Грина, который позволяет находить общее решение задачи для конкретного типа модели с одной стороны, с другой стороны решение векторной задачи позволяет дополнительно исследовать поляризационные характеристики излучения.

3. Выделение в записи компонентов поля характеристической части функции Грина позволяет свести общую задачу, с целью проверки решения, к известным частным случаям. Этот же прием позволяет модифицировать модель сферического образования.

4. Предложен и программно реализован алгоритм расчета последовательности функций Бесселя, Неймана и Ханкеля полуцелого порядка и их первых производных от комплексного аргумента.

5. Проведен расчет антенных характеристик электрического вибратора, расположенного вблизи модели головы человека. Рассчитаны зависимости составляющих Ее, Ер, составляющей напряженности электрического поля по основной поляризации и кросс- поляризационной составляющей от угла

Проведен расчет зависимости значения множителя , учитывающего влияние сферического образования на сопротивление излучения антенны в свободном пространстве, от расстояния между вибратором и центром модели. Проведен расчет К.Н.Д. в направлениях от модели (&9 = 0, (р0 = 0) и за модель (0О = я. % =0)

-226. Присутствие модели головы человека вблизи антенны существенно изменяет сопротивление излучения антенны по сравнению с сопротивлением излучения данной антенны в свободном пространстве. Кривая зависимости значения сопротивления излучения антенны от расстояния до центра модели имеет колебательный характер. С увеличением расстояния между вибратором и центром сферы, значение сопротивления излучения антенны асимптотически стремится к значению сопротивления излучения антенны в свободном пространстве. Влияние сферы становится пренебрежимо малым. Значение сопротивления излучения вибратора, расположенного вблизи шестислойной модели головы человека достигает значения сопротивления излучения электрического диполя в свободном пространстве при расстоянии между антенной и центром модели кЬ = 26 и более.

7. Присутствие головы человека вблизи антенны сотового телефона приводит к искажениям диаграммы направленности антенны аппарата связи. С учетом многослойности структуры и высоких значений комплексной диэлектрической проницаемости отдельных слоев, голова обладает высокими экранирующими свойствами.

8. Максимальное значение напряженности электрического поля по основной поляризации находится вблизи оси. соединяющей центр модели и точку расположения антенны для большинства значений углов. Излучение в побочных направлениях заметно уменьшено, что является фактом положительным, так как ослабляет взаимное влияние двух и более сотовых аппаратов, находящихся в непосредственной близости друг от друга. Кроме того, ослабление поля в побочных направлениях приводит к отсутствию переотражений от близкорасположенных препятствий (стен комнаты, мебели и т.д.).

9. На основании проведенных расчетов можно сделать вывод, что основным фактором, способствующим уменьшению искажений антенных характеристик аппарата связи, является расстояние от антенны аппарата связи до головы пользователя. Удаление антенны мобильного средства связи от модели головы

человека способствует уменьшению искажений антенных характеристик аппарата связи.

10. Проведен расчет значений параметра поглощения электромагнитной мощности SAR в слоях модели головы человека. Показаны зависимости значения SAR от угловых координат в слоях исследуемых образований, распределения SAR в выбранном слое модели головы человека для диапазона углов и от 0° до 180°

11. Поглощение мощности в слоях структуры существенно зависит от угловых координат и . Наибольшая часть мощности поглощается в части модели, обращенной в сторону антенны. Наибольшими поглощающими свойствами обладает слой цереброспинальной жидкости. Наблюдается зависимость поглощенной мощности, ее распределения по слоям образования от частоты.

12. Полученные результаты хорошо согласуются с результатами, полученными другими исследователями, так, например, рассчитанные графики распределения уровня коэффициента SAR отражают многократно отмеченные в литературе зависимости: наблюдаемые максимальные значения SAR в первом слое модели, увеличение значения SAR в районе слоя цереброспинальной жидкости.

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТЫ:

1. Панченко Б.А., Козлов С.А. Распределение электромагнитного поля мобильного радиотелефона. // На передовых рубежах науки и инженерного творчества. Труды II международной НТК. РУО АИН РФ, г. Екатеринбург, 2000.

2. Панченко Б.А., Князев С.Т., Козлов СА Электромагнитное возбуждение вибратором многослойной диэлектрической сферы. // Радиолокация. Навигация. Связь. VII международная НТК. том 1. г. Воронеж. 2001.

3. Панченко Б.А., Князев СТ., Козлов СА Электрофизическая модель головы человека. // Юбилейный сборник научных трудов РТФ УГТУ-УПИ. г. Екатеринбург. 2002.

4. Панченко Б.А.. Князев СТ., Козлов СА Взаимодействие антенны радиотелефона и пользователя. // Радиолокация. Навигация. Связь. VIII международная НТК, том 1. г. Воронеж, 2002.

5. В. Panchenko, S. Knyazev, S. Kozlov Interaction Between the Mobile Phone's Antenna and User. // Jina 2002, France, vol 1, p. 215-218.

6. Панченко БА, Князев СТ., Козлов СЛ. Электрофизическая модель головы человека. //Юбилейный сборник научных трудов РТФ, г. Екатеринбург, 2003.

7. Панченко Б.А., Глотов Е.Н., Козлов СА Дифракция электромагнитной волны на сферической оболочке. // Вестник УГТУ-УПИ, № 9 (29), г. Екатеринбург, 2003.

8. Панченко БА., Рябоконь А.Г., Козлов СА Подпрограмма расчета комбинаций функций Бесселя полуцелого порядка от комплексного аргумента. // Научные труды IV отчетной конференции молодых ученых, ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 1ч., г. Екатеринбург, 2003.

9. Панченко БА, Князев СТ., Козлов СА Влияние электромагнитного излучения антенны сотового телефона на пользователя. // Записки горного института, том 154, г. Санкт - Петербург, 2003, стр. 27-29,

10.Панченко БА., Козлов СА. Поглощение электромагнитной энергии многослойными сферическими диэлектрическими образованиями. // Научные труды V отчетной конференции молодых ученых, ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 1ч., г. Екатеринбург, 2004.

11.Панченко БА., Козлов СА. Распределение SAR в слоях модели головы человека. // «Связь - Пром 2004» международная НТК, г. Екатеринбург, 2004.

Подписано в печать 09.11.2004 г. Тираж 100 экз. Заказ \33

Ризография НИЧ УГТУ-УПИ 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19

125473

Введение

1. Постановка задачи, обзор литературы 1.1 Проблема воздействия на пользователя мобильных средств связи

1.2 Обзор литературы по проблеме воздействия мобильных 11 телефонов на организм человека

1.3 Обзор литературы по решению задачи о возбуждении сферических образований

1.4 Выводы

2. Решение задачи об электромагнитном возбуждении многослойного сферического образования

2.1 Геометрия задачи

2.2 Решение задачи о возбуждении сферического образования

2.3 Характеристические части функций Грина для частных случаев слоистой сфери- 26 ческой структуры

2.4 Выводы

3. Антенные характеристики вибратора вблизи многослойного сферического образования

3.1 Определение поля в дальней зоне и диаграммы направленности вибратора

3.2 Определение сопротивления излучения вибратора.

3.3 Поляризационные характеристики вибратора

3.4 Проблемы получения численных результатов

3.5 Численные результаты

3.6 Выводы

4. Поглощение электромагнитной мощности в слоях сферического образования

4.1 Определение напряженности электрического поля в слоях сферического образо- 76 вания

4.2 Расчет распределения значений коэффициента SAR в слоях модели

4.3 Численные результаты 81,

4.4 Выводы

Актуальность темы

В последние годы в промышленно развитых странах наблюдается значительный рост использования электромагнитных волн во всех сферах деятельности человека. Растет процент населения, практически постоянно подвергающегося облучению, в связи с развитием телевидения, радиовещания и персональных мобильных средств связи. Кроме чисто технических проблем: распределения и регистрации частот, вопросов электромагнитной совместимости, серьезно ставится вопрос об экологическом воздействии электромагнитных излучений на организм человека. Здесь следует отметить две ситуации. Во-первых, долговременное, слабое по уровню электромагнитное облучение, действующее на гражданское население. Это облучение от персональных средств связи, телевидения, радиовещания, бытовой техники, промышленных установок. Во-вторых, мощное, кратковременное облучение, действующее на обслуживающий персонал радиолокационных станций и передающих центров. Такое облучение также возможно в период чрезвычайных ситуаций. Все перечисленное заставляет рассматривать проблему прогнозирования и контроля электромагнитного облучения как государственную задачу большой важности.

Исследовательские работы проведены в следующем направлении. Осуществлен расчет поглощения электромагнитной мощности моделями органов человека, в первую очередь моделью головы. Модель составляется на основе анатомических данных с учетом зависимости электрофизических параметров отдельных слоев и частей живых тканей (кожи, костной части, цереброспинальной жидкости, мозга и др.) от частоты. Результатами этой части работы явились рекомендации по наиболее безопасным способам пользования персональными средствами связи, определение рисков, связанных с ухудшением здоровья пользователей.

Особое место в ряду данных технических систем занимает сотовая связь. В частности, расположение антенны подвижного средства связи, работающего в режиме приема-передачи вблизи жизненно важных органов человека — пользователя персональным средством связи, повысило опасность влияния электромагнитного излучения. Проблема недостаточно исследована. Нет достоверных статистических данных по электромагнитному воздействию на организм человека.

Существующие темпы роста числа абонентов этого вида связи в России значительно опережают все оптимистические прогнозы. Так, по разным оценкам конца XX века (прогноз 1999 г.), число абонентов в России к 2010 г. должно достигнуть 5-7 миллионов, однако уже сейчас их количество превысило 20 миллионов [1, 4]. Ожидается, что в ближайшие 3-4 года темп роста объема услуг сотовой связи увеличится, что обеспечивается быстрым развитием инфраструктуры сетей сотовой связи.

Средства радиосвязи развиваются уже на протяжении столетия. Сотовый же телефон стал массовым только в последние пять лет, и столь короткого промежутка времени явно недостаточно для того, чтобы делать выводы о степени его влияния на людей.

Прямые экспериментальные исследования электромагнитного взаимодействия тела человека и антенны мобильного телефона представляют определенную опасность для здоровья. В этих условиях корректное моделирование проблемы и использование расчетных данных могут сыграть значительную роль в решении вопроса.

Перейдем к краткой характеристике материалов, изложенных в главах.

В первой главе рассматривается проблема воздействия носимых средств связи на пользователя, освещена актуальность проблемы в аспекте современной ситуации на телекоммуникационном рынке России. Рассмотрены основные электрофизические модели головы человека, как наиболее подверженного электромагнитному облучению со стороны сотового телефона органа человека. Показано влияние частоты электромагнитного излучения на параметры моделей.

Проведен анализ литературы, посвященной теме работы. Отмечены достоинства и недостатки предложенных методов анализа экологической проблемы. Рассмотрены параметры, характеризующие меру взаимодействия между телом пользователя и носимым средством связи. Рассмотрен параметр SAR (specific absorption ratio), как основная характеристика поглощения электромагнитной мощности. Обозначены преимущества использования данного параметра в задаче оценки влияния электромагнитного излучения на человеческий организм.

Изложена постановка задачи об электромагнитном возбуждении модели головы человека, как техническая часть проблемы взаимного влияния мобильного телефона и тела оператора.

Рассмотрены существующие подходы к решению задачи о возбуждении сферы. Обоснован выбор метода, использующего диадные функции Грина, как оптимального метода решения поставленной задачи.

Вторая глава посвящена решению задачи об электромагнитном возбуждении многослойного сферического образования. Рассмотрена геометрия задачи, выбор системы координат. Подробно изложено решение задачи.

Приведены характеристические части функций Грина для частных случаев слоистой сферической структуры, например, для случаев свободного пространства, внешней области проводящей сферы, диэлектрической сферы, сферы со слоем диэлектрика, диэлектрической оболочки, а также диэлектрической сферы с произвольным числом слоев.

В третьей главе анализируются антенные характеристики вибратора вблизи многослойного сферического образования. Приведены соотношения, описывающие поле в дальней зоне, диаграмму направленности антенны. Рассмотрены сопротивление излучения антенны и поляризационные характеристики антенны.

Во второй части третьей главы приведены численные результаты, иллюстрирующие искажения антенных характеристик электрического вибратора, расположенного вблизи моделей головы человека и ряда более простых структур, например цельной диэлектрической сферы. Вычислены зависимости сопротивления излучения антенны от расстояния между сферической структурой и антенной, а также диаграммы направленности и поляризационные характеристики вибратора в присутствии перечисленных сферических структур.

Четвертая глава посвящена проблеме определения параметров, характеризующих поглощение мощности, излучаемой вибратором, как в отдельном слое рассматриваемого сферического образования, так и в образовании в целом. Приведены соответствующие соотношения, описывающие электромагнитное поле, а также значения SAR в слоях образования.

Во второй части четвертой главы приведены численные результаты, иллюстрирующие поглощение электромагнитной мощности в наиболее реалистичной модели головы. Показаны зависимость напряженности электромагнитного поля от угловых координат в слоях модели, зависимости параметра SAR от частоты электромагнитной волны, как для выбранного слоя модели, так и для модели в целом.

Цель работы - построение математической модели, описывающей взаимодействие антенны мобильного средства связи и модели головы человека.

Научная новизна

1. Разработана электрофизическая модель головы человека (для широкого диапазона частот).

2. Решена электродинамическая задача о возбуждении модели головы человека антенной мобильного средства связи.

3. Проведен расчет искажений антенных характеристик аппарата связи, обусловленных присутствием тела человека.

4. Проведен расчет параметров поглощения электромагнитной мощности, излучаемой антенной аппарата связи, в модели головы человека.

5. Разработан алгоритм расчета последовательности функций Бесселя, Неймана и Ханкеля полуцелого порядка от комплексного аргумента.

Практическая ценность работы и внедрение ее результатов

На основании полученных расчетных данных даны рекомендации по уменьшению влияния сотового телефона на голову пользователя, снижению доли мощности, поглощаемой в модели головы пользователя.

Полученные результаты используются при чтении курса «Структура и организация линий связи» на кафедре ВЧСРТ УГТУ-УПИ.

Результаты исследований переданы на кафедру «Безопасность жизнедеятельности» УГТУ-УПИ.

Апробация работы

Основные результаты работы доложены на конференциях: II международная конференция РУО АИН РФ (г. Екатеринбург, 2000 г.), «Радиолокация. Навигация. Связь.» (г. Воронеж, 2001 г., 2002 г.), JINA, международная конференция (France, 2002 г.), отчетная конференция молодых ученых, ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, (г. Екатеринбург, 2003 г., 2004 г.), «Связь - Пром 2004» международная конференция (г. Екатеринбург, 2004 г.).

Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в 9 статьях, 3 тезисах. Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и двух приложений. Работа изложена на 101 странице машинописного текста, содержит

4.4 Выводы

1. В данной главе с использованием приведенного выше решения задачи об электромагнитном возбуждении многослойного сферического образования проведено исследование зависимости напряженности электрического поля антенны от координат, в слоях шестислойной модели головы человека.

2. Приведены соотношения, характеризующие распределение поля, распределение значений коэффициента SAR в слоях образования.

3. Получены расчетные данные для наиболее интересного частного случая сферического образования: шестислойной модели головы человека. Для структуры рассчитаны графики зависимостей величины SAR от частоты, углов вид).

4. Поглощение мощности в слоях структуры существенно зависит от угловых координат в и (р. Наибольшая часть мощности поглощается в части модели, обращенной в сторону антенны. Наибольшими поглощающими свойствами обладает слой цереброспинальной жидкости. Наблюдается зависимость поглощенной мощности, ее распределения по слоям образования от частоты.

5. Большинство расчетов было проведено для частот, соответствующих наиболее распространенным стандартам сотовой связи.

94

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании результатов работы можно сделать следующие выводы и заключения:

1. Обоснован выбор модели головы человека - пользователя мобильного средства связи. Модель построена на основании усредненных анатомических данных и представляет собой шестислойную сферу. Уточнены электрофизические параметры слоев модели, их зависимость от частоты.

2. Поставлена и решена электродинамическая задача о возбуждении выбранной модели антенной мобильного средства связи. При решении использован метод тензорных функций Грина, который позволяет находить общее решение задачи для конкретного типа модели с одной стороны, с другой стороны решение векторной задачи позволяет дополнительно исследовать поляризационные характеристики излучения.

3. Выделение в записи компонентов поля характеристической части функции Грина позволяет свести общую задачу, с целью проверки решения, к известным частным случаям. Этот же прием позволяет модифицировать модель сферического образования.

4. Предложен и программно реализован алгоритм расчета последовательности функций Бесселя, Неймана и Ханкеля полуцелого порядка и их первых производных от комплексного аргумента.

5. Проведен расчет антенных характеристик электрического вибратора, расположенного вблизи модели головы человека. Рассчитаны зависимости составляющих Ев, Еу, составляющей напряженности электрического поля по основной поляризации Еоп и кросс- поляризационной составляющей Екп от угла в.

Проведен расчет зависимости значения множителя Rs, учитывающего влияние сферического образования на сопротивление излучения антенны в свободном пространстве, от расстояния между вибратором и центром модели. Проведен расчет К.Н.Д. в направлениях от модели (<90 = 0, (р{) = 0) и за модель (в0 = 7Г , <pQ = 0).

6. Присутствие модели головы человека вблизи антенны существенно изменяет сопротивление излучения антенны по сравнению с сопротивлением излучения данной антенны в свободном пространстве. Кривая зависимости значения сопротивления излучения антенны от расстояния до центра модели имеет колебательный характер. С увеличением расстояния между вибратором и центром сферы, значение сопротивления излучения антенны асимптотически стремится к значению сопротивления излучения антенны в свободном пространстве. Влияние сферы становится пренебрежимо малым. Значение сопротивления излучения вибратора, расположенного вблизи шестислойной модели головы человека достигает значения сопротивления излучения электрического диполя в свободном пространстве при расстоянии между антенной и центром модели kb = 26 и более.

7. Присутствие головы человека вблизи антенны сотового телефона приводит к искажениям диаграммы направленности антенны аппарата связи. С учетом многослойности структуры и высоких значений комплексной диэлектрической проницаемости отдельных слоев, голова обладает высокими экранирующими свойствами.

8. Максимальное значение напряженности электрического поля по основной поляризации находится вблизи оси, соединяющей центр модели и точку расположения антенны для большинства значений углов. Излучение в побочных направлениях заметно уменьшено, что является фактом положительным, так как ослабляет взаимное влияние двух и более сотовых аппаратов, находящихся в непосредственной близости друг от друга. Кроме того, ослабление поля в побочных направлениях приводит к отсутствию переотражений от близкорасположенных препятствий (стен комнаты, мебели и т.д.).

9. На основании проведенных расчетов можно сделать вывод, что основным фактором, способствующим уменьшению искажений антенных характеристик аппарата связи, является расстояние от антенны аппарата связи до головы пользователя. Удаление антенны мобильного средства связи от модели головы человека способствует уменьшению искажений антенных характеристик аппарата связи.

10. Проведен расчет значений параметра поглощения электромагнитной мощности SAR в слоях модели головы человека. Показаны зависимости значения SAR от угловых координат в слоях исследуемых образований, распределения SAR в выбранном слое модели головы человека для диапазона углов в и (р от 0° до 180°

11. Поглощение мощности в слоях структуры существенно зависит от угловых координат в и (р. Наибольшая часть мощности поглощается в части модели, обращенной в сторону антенны. Наибольшими поглощающими свойствами обладает слой цереброспинальной жидкости. Наблюдается зависимость поглощенной мощности, ее распределения по слоям образования от частоты.

12. Полученные результаты хорошо согласуются с результатами, полученными другими исследователями, так, например, полученные графики распределения уровня коэффициента SAR отражают многократно отмеченные в литературе зависимости: наблюдаемые максимальные значения SAR в первом слое модели, увеличение значения SAR в районе слоя цереброспинальной жидкости.

1. Радиационная медицина, т. 4. Гигиенические проблемы неионизирующих излучений. Авторский коллектив под ред. Ю.Г. Григорьева и B.C. Степанова. М.; Изд. AT, 1999, 304 с.

2. Ю.Г. Григорьев. Сотовая связь: радиобиологические проблемы и оценка опасности // Радиационная биология. Радиоэкология, 2001, т.41, № 5.1. С. 500-513.

3. А.А. Гаврилов, Е.К. Нестеров, В.В. Оленьев ,А.Ю. Сомов. Добровольный и вынужденный экологический риск при воздействии электромагнитного излучения, создаваемого системами сотовой связи //Известия Академии промышленной экологии. 2002. № 2, С. 43-46.

4. Ю.Г. Григорьев, B.C. Степанов, О.А. Григорьев, А.В. Меркулов. Электромагнитная безопасность человека. Москва, 1999. 145 с.

5. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы СанПиН 2.1.8/2.2.4.1190-03 "Гигиенические требования к размещению и эксплуатации средств сухопутной подвижной радиосвязи"

6. Hata М. Empirical formula for Propagation Loss in Land Mobile Radio Services // IEEE Trans. On Vehicular Technology.-Aug. 1980.-Vol.29.-P. 317-325

7. О.А. Григорьев, А.В. Меркулов, А.Г. Темников. Оценка электромагнитной обстановки в районах размещения базовых станций системы сотовой связи // Материалы 2-й международной конференции "Электромагнитные поля и здоровье человека". М., 1999. С. 114-115.

8. А.Н. Трешневиков, А.Н. Маликов, А.А. Кравченко, Е.Н. Нестеров, Н.М. Пет-рученко, И.В. Родвикова, А.Ю. Сомов. Экологический налог за воздействиеэлектромагнитного излучения: региональный аспект проблемы. // Проблемы региональной экологии. №. 6. 2001.

9. Ю.В. Бабина. Электромагнитные излучения: будем ли мы платить за их вредные воздействия?// Экос-информ, 1999, № 12. С.26-35

10. Питер Коффи. К дискуссии о безопасности радиоизлучения присоединяется IEEE //PC Week, 2003, №41.

11. А. Курушин, А. Титов. Расчет мощности излучения сотового телефона, поглощаемой в голове пользователя // Chip news, 2002, #10 (63)

12. К. Fujimoto, J.R. James. Mobile Antenna Systems Handbook. 2-ed. 2001, 710 pp.

13. H. Mimaki, H. Nakano. Double patch helical Antenna. 1998, Samlung of papers IEEE.

14. C.W. Trueman, S.J. Kubina, M.Slater. Modeling Helix Antenna with NEC4. Montreal, 1997, IEEE.

15. Paivi Haapala, Pertti Vainikainen. Helical Antennas for multi-mode mobile phones. 26th EuMC, 1996.

16. Joseph S. Colburn, Yahya Rahmat-Samii. Human proximity effects on circular polarized antennas in personal satellite communications //IEEE Transactions on an-tenns and propagation, 1998, vol. 46, № 6.

17. Masao Taki, Kanako Wake. Exposure assessment for epidemiological study on possible risk of head diseases due to mobile phone use //Proceedings of the XXVIIth General Assembly of the International Union of Radio Science, Netherlands, 2002.

18. Kjell Hansson Mild, Jonna Wilen. On the need for a better exposure assessment in mobile phone human volunteer studies //Proceedings of the XXVIIth General Assembly of the International Union of Radio Science, Netherlands, 2002.

19. Lagroye I., Poulletier de Gannas F. Effect of GSM 900 radiofrequency on apop-tosis of immune and nervous cells //Proceedings of the XXVIIth General Assembly of the International Union of Radio Science, Netherlands, 2002.

20. Xu Li, Henri Tandradinata, Susan C. Hagness. Anatomically realistic FDTD modeling of microwave interactions with human breast //Proceedings of the XXVIIth General Assembly of the International Union of Radio Science, Netherlands, 2002.

21. Junji Miyakoshi, Takehisa Nakahara. Cellular and molecular effects of ELF electromagnetic fields //Proceedings of the XXVIIth General Assembly of the International Union of Radio Science, Netherlands, 2002.

22. Masateru Ikehata, Yoshio Takashima. Effects of electric and magnetic fields on mutation and gene expression //Proceedings of the XXVIIth General Assembly of the International Union of Radio Science, Netherlands, 2002.

23. Dariusz Leszczynski. Effect of GSM mobile phone radiation on blood-brain barrier //Proceedings of the XXVIIth General Assembly of the International Union of Radio Science, Netherlands, 2002.

24. K. Hata, H Yamaguchi. Short-Term Effects of High Frequency Electromagnetic Fields on Melatonin Synthesis in Rats //Proceedings of the XXVIIth General Assembly of the International Union of Radio Science, Netherlands, 2002.

25. Larry Anderson. Investigations of various cancer models in experimental animals exposed to EMF //Proceedings of the XXVIIth General Assembly of the International Union of Radio Science, Netherlands, 2002.

26. Naila BENDJEBARA. Statistical analysis and characterization of spatial distribution of absorbed power of GSM mobile phones //Proceedings of the XXVIIth General Assembly of the International Union of Radio Science, Netherlands, 2002.

27. Hirokazu Nagawa. Recent advantages in study on mobile phone exposure to the rain of the rat //Proceedings of the XXVIIth General Assembly of the International Union of Radio Science, Netherlands, 2002.

28. F. S. Barnes and Hasun Na. A review of some RF epidemiological studies //Proceedings of the XXVIIth General Assembly of the International Union of Radio Science, Netherlands, 2002.

29. Masao Taki. Exposure assessment for epidemiological study on possible risk of head diseases due to mobile phone use studies //Proceedings of the XXVIIth General Assembly of the International Union of Radio Science, Netherlands, 2002.

30. Dielectric Properties of Body Tissues at RF and Microwave Frequencies //http://www.fcc.gov/cgi-bin/dielec.sh

31. E.A. Иванов. Дифракция электромагнитных волн на двух телах. Минск: «Наука и техника», 1968. 584 с.

32. Г.Т. Марков, А.Ф. Чаплин. Возбуждение электромагнитных волн.- М.: Радио и связь, 1983. 295с.

33. Б.А. Панченко, Ю.Б. Нечаев. Характеристики полосковых антенн на подложках ограниченных размеров. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1992. - 91с.

34. Л. Фелсен, Н. Маркувиц. Излучение и рассеяние волн. М.: Мир, 1978. Т.1 -547 с. Т. 2-555 с.

35. Б.А. Панченко, Е.И. Нефёдов. Микрополосковые антенны. М.: Радио и связь, 1986.- 144с.

36. Harrington R.F. Time-harmonic electromagnetic waves. New York: McGraw-Hill, 1961. p.480.

37. Ф.М. Морс, Г. Фешбах. Методы теоретической физики. Т.2.-М.: ИЛ, 1960.-886с.

38. Л. Фелсен , Н. Маркувиц. Излучение и рассеяние волн. М.: Мир, 1978. Т.1 -547 с. Т.2-555 с.

39. Munson R.D. Conformal microstrip antennas and microstrip phased arrays.-IEEE Trans., 1974, v.AP-22, №1, p. 74-78.

40. А.Лифшиц. Кто вытянет десятку. Сайт www.izvestia.ru/economic/36710 31/07/03

41. См: 6, 11, 13-16, 17, 18-32 и др.

42. А.В. Голышко, А.Ю. Сомов. Проблемы эколого-технического развития сетей сотовой связи // "Вестник Связи" № 10, 2003 г.

43. Г.Т. Марков, Возбуждение шара, ЖТФ, 23, 838, 1953г.