旋转人头模型与单极天线手机相互作用的数值模拟.doc

华 南 理 工 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 )journal of south china university of technology(natural science edition)第 32 卷 第 5 期2004 年 5 月vol . 32 no . 5may 2004文章编号 : 1000- 565x(2004) 05- 0030- 04旋转人头模型与单极天线手机相互作用的数值模拟 3周晓明赖声礼(华南理工大学 电子与信息学院 , 广东 广州 510640)摘要 : 通过建构接近于真实情形的三维旋转人头模型 ,在天线处于垂直和三维旋转两种方式下 ,应用时域有限差分法 ( fdtd) 模拟计算了人体接受单极天线手机的电磁辐射剂 量 ,研究了人体对手机天线方向图及其发射效率等辐射特性的影响 ,并将倾斜操作方式与垂直使用方式进行了对比. 计算结果表明 ,使用手机时选择倾斜操作方式 ,在不显著影响 天线通信质量情况下 ,一定程度上可降低手机对人体的电磁辐射强度.关键词 : 单极天线 ;三维旋转 ;辐射剂量 ,辐射特性中图分类号 : tn 929 . 5 ; q 64文献标识码 : a随着移动通信业的迅速发展 ,手机对人体电磁辐射问题已成为生物电磁学的一项重要课题. 该领 域的研究主要包括两个方面 ,一是手机电磁辐射是 否对人体构成危害 ,即电磁作用剂量学及其生物效 应问题 ;另一方面 ,由于通信过程中人体处于手机天 线的近区场中 ,手机天线的优化设计必须考虑到人 体尤其是头部的影响. 手机电磁辐射问题的研究方 法有实验测量法 、解析法和数值模拟计算方法 ,其中 实验测量法有电场法 、温度法和红外热像法等. 实验 测量方法在现阶段存在探头尺寸过大 、实验设备昂贵且设计复杂 、人造模型欠准确等局限性 ,这促使人 们进行大量的理论剂量学研究. 理论计算方法有解 析法和数值模拟计算方法. 解析法具有逻辑性强 、物 理意义清晰 、便于用数学语言演绎等特点 ,但由于人 体系统具有高度的各向异性以及边界特别复杂的特 点 ,随着问题的深化 , 解析法已面临举步维艰之困 境. 与此同时 ,在计算机技术不断发展的推动下 ,采 用数值计算方法已产生了不少严谨而有效的数学工 具. 特别是由 yee 在 20 世纪 60 年代创建的时域有 限差分法 ( finite2difference time2domain 简称 fdtd) ,由于能够模拟天线与人体相互作用的全过程 ,对复杂的多种物质组成的不规则形体的计算具有灵活性 和有效性 ,因此在研究手机辐射问题的数值计算中显示出其独特的优越性.在研究手机对人体影响的课题中 ,人体模型建 构难度最大 ,也是讨论最多的. 早期的人体模型大都将人头简化为均匀的介质球模型 ,即使考虑采用非 均匀人头模型 ,由于单元划分粗糙 ,分辨率较低 ,而 人体各组织的电参数差别很大 ( 如相对介电常数在9 . 9978 . 10之间) ,其准确度显然是很低的. 近年来 由于计算机技术的快速发展 ,已经可以使用核磁共振 (mri) 或 x 射线断层扫描 ( ct) 等医学成像技术来 重构人体模型 ,从而大大提高了人体模型各组织分辨率. 1993 年 p. j . dimbylow 在 900 mhz 和1 800 mhz分析了几种单极天线手机对人头的作用 ,首次用到 由核磁共振成像建立的人头颅模型 ,使分辨率提高到 2 mm1 . 1998 年 gianluca lazzi 和 shyam s. pat2tnaik 等所用人头模型的分辨率为 1 . 974 1 . 974 3mm2 ,3,由一个男性志愿者接受核磁共振扫描得到 ,包含了头骨 、大脑 、眼睛和耳朵等 15 种不同的组织.虽然该项研究已有不少类似工作 ,但涉及手机在旋 转方式下的电磁辐射研究文献较少 ,且仅局限于一收稿日期 : 2003 - 08 - 293 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( 60071033) ; 广东 省科技厅社会发展攻关项目 (2002c30202)作者简介 : 周晓明 (1963 - ) ,男 ,副教授 ,主要从事电磁场 数值计算和生物电磁效应研究. e2mail :zhouxm scut . edu. cn维3或二维旋转4 . 对于三维旋转的研究 ,由于建模过程复杂 ,迄今未见报道. 本研究对基于医学解剖学所得的垂直人头模型 ,沿三个主坐标轴方向分别旋转 30,5和 9,得到接近于真实情形的旋转人头模型 ,用 fdtd 法在 900 mhz 模拟计算了单极天线手 机的辐射近场对人体电磁作用剂量 ,分析了人体模 型对天线手机辐射特性的影响 ,并与垂直人头模型使用方式进行了对比分析.考虑到手机辐射近场作用主要集中在头颅部分 ,对手部模型进行了简化处理 ,将其电磁特性等效为 2/ 3 肌肉组织 ,手呈凹形握住手机下部 ,环绕在手机的三个 侧面上 ,厚度为 20 mm ,高度为 100 mm.手机外形为长方体金属外壳 , 其长 、宽 、高分别为 60 24 140 mm ,/ 4 波长单极天线置于手机上 表面一角. 人右手持机 , 取 z 轴方向向上并与天线平 行 , 人头水平指向手机方向为 x 轴方向 , 人头后脑 至鼻尖方向为 y 轴方向. 坐标原点选在计算区域前 视面的左下角处 , 手机外盒覆盖绝缘介质薄层 , 头部 与手机绝缘外盒层间距为零 ( 如图 1 所示) . 计算区 域边界上采用三维 mur 二阶吸收边界条件截断 , 手 机金属外壳层上的电场切向分量和磁场法向分量为 零 , 单极天线上沿天线方向的电场分量设置为零. 模 拟计算表明这样处理具有较好的计算精度. 本文中 绝缘介质薄层相对介电常数取 2 , 厚度为 2 mm . 因 薄层厚度小于 fd td 网格边长 , 给计算带来不便 , 为 此采用等效变换将薄层厚度转化为 1 个网格的边长 . 根据 maxwell 边界关系和等效条件 , 电位移切向 分量和电位差应具有连续性 , 由此不难推出等效绝 缘介质层的介电常数为建模本文中建立的人头模型以一身高为 175 mm 的 男性志愿者的医学解剖图为原型 ,在垂直轴方向划 分为 55 个水平截面 ,截面大小为 180 240 像素 ,包 含皮肤 、骨骼 、肌肉 、脂肪 、大脑 、视神经 、玻璃体 ( 眼 球) 、晶状体和血液等 9 种人体组织 ,各人体组织在900 mhz 的属性参数见表 15 , 其中 r 为相对介电 常数 ,为电导率 ,为密度.表 1 人体组织电磁属性参数table 1 dielectric properties of human body tissues1晶状体视神经皮肤/脂肪参数 大脑血液肌肉眼球骨骼 空气r55. 059. 058. 573. 041. 233. 234. 58. 01. 0/ (sm - 1) 1. 23/ (gcm - 3)1. 0301. 261. 211. 970. 640. 620. 600. 10501. 0001. 0401. 0101. 1001. 0401. 1001. 8500. 001r( 1)ke = (- w) + w在 fdtd 计算中选择立方体网格 ,其边长为=20/ 54 = 0 . 370 4 (cm) . 在 900 mhz 的天线工作频率 下 ,该值满足数值色散对空间间隔的条件 10mi n (mi n 为被计算区域介质内的最小波长值) . 按照 fd td 空间分辨率要求 , 需要将 55 幅 180 240 像素 的原图像调整为 36 48 像素的 fd td 网格图形 , 新 图形的每一网格包含原图像的 5 5 个网格 , 这样每 一 fd td 网格可包含几种不同的人体组织. 本文中 采用最大隶属法确定 fd td 网格组织类型 , 运用matlab 图像处理功能编程实现了这一转换.文献 3 仅应用坐标变换近似得到旋转人头模 型 , 未考虑到人头旋转时会发生网格重叠现象 , 计算 误差较大. 本文中对人头模型旋转问题的处理方法 如下 : 第一步 , 由平面旋转轴公式计算出人头模型旋转后各网格中心的位置 , 并确定旋转后人头模型空 间区域 ; 第二步 , 设定新划分网格与上一步中计算所 得网格中心之间的最小距离初始值 , 这里设为网格的 顶点到其中心点的距离; 第三步 , 对每一新划分网格 , 通过循环计算找出与其间距最小的旋转网格 , 以其组 织种类作为该网格的物质编号. 采用这种方法虽然计 算量略多于文献3 , 但能有效地克服网格重叠现象 ,避 免了使用阶梯近似处理边界面带来的系统误差 6 .r式中 w 为介质层实际厚度 , 由上式得出等效介电常数为 1. 37 .图 1 手机与人头几何结构模型fig . 1 geometry structural model of handset and human head激励源选择点馈方式 , 馈电点处于机身上表面一角点 , 距离机身一个网格的空隙. 文献 3 取 / 4 波长单极天线手机的辐射阻抗近似为 r80 (l/ ) 2 , 并由此来求激励源的场强值. 由于受到手机外 壳及人体的影响 , 用上式近似计算辐射阻抗存在较 大误差 , 本文中馈电点处的激励源为32华 南 理 工 大 学 学 报 (自 然 科 学 版)第 32 卷ez ( x0 , y0 , z0) = - v0sin (nt )z均超出了安全标准值 ( 1 . 6 w/ kg) . 旋转方式下人体模型平均值小于规定的限值 ( 0 . 08 w/ kg ) , 而垂直 操作方式时略高于该标准限值.表 2 900 m hz 下人体模型比吸收率计算值( 2)式中 : 为源频率; x0 , y0 , z0 为馈电点的坐标值 ; n为时间步数 ; v0 为常数 , 可取为 1. 由求得的输出功 率值进行比例换算 , 可得到天线输出功率为 0 . 6 w时的比吸收率 sar ( specific absorption rate ) .本文中模拟仿真软件采用 fortran 9. 0 语言编制 ,计算时间取 8 个振荡周期 , 时间步长t = / 2 c =6. 177 6 10 - 9 ms , 时间总步数为 1 438 ,计算区域网格 总数为 89 104 102 = 944 112. 计算方法及其实验验证在前期工作中已有详尽报道 7 ,此处从略.table 2calculated results of sar of human body modelat 900 m hzsar/ ( wkg- 1)状态局部峰值每克峰值模型平均值每克平均值垂直旋转7 . 695 45 . 154 53. 147 72. 728 30. 091 90. 079 10 . 076 40 . 049 5计算结果与分析表 2 列出了输入功率为 0. 6 w 、中心工作频率 为 900 m hz 时的人体模型比吸收率计算值. 从比吸 收率峰值和平均值来看 , 人体内的电磁场分布差异 很大 , 旋转情况下的峰值和平均值均小于垂直放置 时的对应值. 这表明手机辐射在垂直方式时造成的 危害比旋转方式更大. 与目前通用的 ansi/ i eec95 .1 1992 国际安全标准比较 , 两种情况下每克峰值2图 2 给出了垂直与旋转两种手机操作方式下的方向性图. 由于天线置于手机上表面一角点 , 人体模 型包括了人手 , 所以方向图不具有轴对称性. 由 x -y 图 , 手机辐射在远离人头的一侧相对较少. 在指向人头的一侧 , 辐射功率明显降低. 相对于旋转方式 下 , 垂直方式下降更多. 这表明垂直操作方式下天线 手机受人体作用更明显.图 2 垂直与旋转方式下天线方向图比较fig . 2 comparison of patterns between vertical and tilted operation ways表 3 给出了手机与人头模型两种相对位置下 ,手机天线的效率与人体功率吸收比计算值. 可以看 出 , 人体吸收相当大部分手机辐射能量 , 天线效率旋转方式下高于垂直放置方式. 计算还发现 , 手对计算方向图影响不大 , 但对天线效率具有较大影响. 人手 吸收天线输出功率的比例可达 50 %以上.结束语在单极天线处于垂直和三维旋转两种方式下 , 模拟计算了手机对人体电磁作用剂量 、辐射方向图 及其发射 、吸收效率. 由于建模过程中避免了网格重 叠和阶梯近似 , 更接近于真实使用情形 , 从而大大提 高了计算的精确性. 计算结果表明 , 使用手机时选择 倾斜操作方式 , 较之于垂直使用方式 , 在不显著影响 天线通信质量情况下 , 一定程度上可降低手机对人 体的电磁辐射强度.3表 3table 3天线效率与人体功率吸收计算结果 (900 m hz)calculated results of the antenna efficiency and human body absorption p ower (900 m hz)状态天线效率/ % 人体吸收/ % 头部吸收/ % 手部吸收/ %参考文献 :垂直旋转53. 146 . 965. 434 . 665. 234 . 843. 756 . 3 1 dimbylow p j . fd td calculations of the sar f or a dip oleclosely coupled to the head at 900m hz and 1. 9 ghz j .phys med biol , 1993 , 38 :361 - 368.l azzi g , pattnaik s s , furse c m , et al . comparison of fd td comp uted and measured radiation patterns of commer2 cial mobile telep hones in p resences of the human head j .i eee transactions on antennas and propagation , 1998 , 46(6) :943 - 944.窦维苹 ,张林昌. 暴露于手机下 45人体模型内外场和能量 分布的研究 j . 微波学报 ,2000 ,16 (9) :265 - 271.compatibility , 1997 , 39 (1) :55 - 61.j enesen m a , rahmat2samii y. em interaction of hand set antenna and a human head in personal communication j . proc i eee , 1995 , 83 (1) :7 - 17.canellaris a c , wright d b . analysis of the numerical error caused by the stair2steeped approximation of a conducting boundary in fd td simulations of electromagnetic p henomena j . i eee trans antenna propagat , 1991 , 39 :1 518 - 1 525.周晓明 ,赖声礼. 单极手机与分层人头模型作用系统的数值模拟 j . 华南理工大学学报 ( 自然科学版) , 2003 , 31(12) :5 - 8. 5 2 6 3 7 4 l azzi g , gandhi o p. realistically tilted andtruncatedanatomically based models of the human head f or dosi2metryof mobile telep hones j . i eee trans on electromagneticn u me ric al si m ul a t i on of t he i nt e r act i on b e t we e n t he th r e e2di me nsi onr ot a t e d h u m a n he a d m o d e l a n d ha n ds e t m o n op ol e a n t e n n azhou xiao2mingl ai s heng2li( college of electronic and information engineering , south china univ. of tech. , guangzhou 510640 , guangdong , china)a bs t r a c t : by establishing the three2dimension rotated human head model proximate to practical operations , the electro2magnetic radiation dosage emitted from vertical and rotational handset antennas into a human body was simulated through the finite2differencetime2domain ( fdtd) method. the effects of a human body on antennas radiation characteristics in2 cluding the pattern and the radiation efficiency , were also investigated. moreover , the difference between the vertical and the tilted operations was analyzed. calculated results indicate that the radiation dosage radiated to a human body in tilted operation is less than that in vertical operation in certain degree , without remarkable influence on the communicationquality.ke y w o r ds : monopole antenna ; three2dimension rotation ; radiation dosage ; radiation characteristic(上接第 29 页)r e a liz a t i o n of t h e te xt u r e cl as s if i c a t i o n of i n va r i a n t s c a l ea n d r ot a t i o n b y s up p o r t v e c t o r m a c hi n esj iang j in2shanyu ying2lin( college of elect