СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №1/2016

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 60 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2016 Расчёт температуры нагрева биологического объекта под действием СВЧ-мощности Статья посвящена моделированию эффекта поглощения мощности в биологическом объекте – голове человека – при пользовании сотовым телефоном с современной антенной системой. На основе численного анализа электромагнитного поля и расчёта поглощаемой мощности рассчитано соответствующее повышение температуры внутри головы пользователя. Рассмотрено влияние близко расположенного биологического объекта на характеристики сотового телефона. Численным методом получены динамические характеристики нарастания и падения температуры при включении и выключении источника СВЧ-мощности. Александр Курушин (Москва) В ВЕДЕНИЕ Широкое распространение сотовой телефонии усилило беспокойство, свя- занное с облучением головы человека радиоволнами, излучаемыми антенной телефона при его использовании. Ком- плексные исследования физиологиче- ских изменений, происходящих в био- логической ткани во время разговора по сотовому телефону, установили, что через десять минут разговора темпера- тура кожи человека в непосредствен- ной близости от телефона возрастает на 0,5…2 ° С [1]. В соответствии с требо- ваниями американского стандарта [2], мощность, излучаемая антенной сото- вого телефона, не должна превосхо- дить 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 уве- личить чувствительность, дальность и устойчивость связи входят в проти- воречие с необходимостью уменьшать поглощаемуюв голове мощность. Чтобы этого достичь, можно идти двумя путя- ми: уменьшить мощность передатчика телефона, что может привести к увели- чениювероятности сбоя связи, или раз- работать антенную структуру телефона так, чтобы уменьшить облучение голо- вы, не уменьшая при этом эффективно- сти излучения антенны в дальней зоне. В работе [3] решается задача воз- действия электромагнитных волн на кожу человека с использованием тео- рии линий передачи. Однако в рабо- те [4] было показано, что при анали- зе более сложной формы биологиче- ского объекта (БО), например головы человека, и при более сложном харак- тере облучения, подобную задачу мож- но решить только численным методом. В работе [4] задача решалась с исполь- зованием упрощённой модели антен- ной системы со спиральной антенной. В настоящей работе рассматривается антенна типа PIFA, которая, будучи реа- лизованной в системе сотового теле- фона, имеет меньший размер и про- ще интегрируется в схему (см. рис. 1). Для выполнения расчётов, опреде- ляющих влияние головы пользователя на характеристики сотового телефона, используем так называемый фантом – трёхслойную модель головы челове- ка. Усреднённые значения основных параметров этой модели представле- ны в таблице [4, 5]. П РОЕКТИРОВАНИЕ АНТЕННЫ PIFA В настоящее время при проектиро- вании СВЧ-устройств наиболее часто используются программные комплексы HFSS, CST STUDIO SUITE и FEKO. В систе- ме CST STUDIO SUITE [5] в рамках одно- го интерфейса можно решать большой спектр мультифизических задач, вклю- чающих динамические, тепловые, элек- тростатические, магнитостатические, а также задачи, связанные с распростра- нением частиц в пространстве, и мно- гие другие. Поскольку в эту систему входит программа CST MWS, позволя- ющая решать задачи электродинами- ки, включая расчёт антенн, используем её для моделирования антенной систе- мы сотового телефона с учётом влия- ния головы пользователя сотового теле- фона (см. рис. 2). Антенна типа PIFA, изображённая на рисунке 1, представляет собой вариант планарной антенны в виде свёрнутого четвертьволнового вибратора, подклю- чённой к схеме в смещённой от середи- ны точке питания. Это позволяет соз- дать многочастотную PIFA-антенну. Один из вибраторов влияет на одну частоту, длина другого – на другую частоту, и так далее. Источником сиг- нала излучения может быть дискрет- ный порт, к которому подключается микросхема или дуплексный фильтр, разделяющий каналы приёма и пере- дачи сотового телефона. С помощью CST рассчитаем частот- ные характеристики реальной и мни- мой части входного импеданса PIFA- антенны. Результаты расчётов, пред- ставленные на рисунке 3, показывают, что реактивная составляющая PIFA- антенны имеет индуктивный харак- тер на обеих рабочих частотах, поэто- му для компенсации реактивной части входного импеданса антенны последо- вательно с портом PIFA-антенны нужно поставить ёмкость величиной 3...10 пФ. Оптимизация PIFA-антенны сосре- дотачивается на изменении размера вибраторов (чем длиннее вибратор, 36 мм 1 БО 80 мм Удаление 16 мм Точка питания PIFA Экран Рис. 2. Положение телефона у головы пользователя Рис. 1. Антенна PIFA в корпусе сотового телефона