Câmpul electromagnetic și corpul uman [305169]

Cuprins

Cuprins 1

Centralizator figuri 4

Centralizator tabele 6

Introducere 7

Introducere 8

Introducere 8

Bibliografie 14

Capitolul 1: Poluarea electromagnetică. [anonimizat] 15

Cuprins 16

1 Capitolul 1: Poluarea electromagnetică. [anonimizat] 17

1.1 Noțiuni introductive 17

1.2 Tipuri de pericole 19

1.3 Cadru legislativ 35

1.4 Măsuri de protecție 38

1.5 Concluzii 40

1.6 Bibliografie: 41

Capitolul2: Proprietățile dielectrice specifice țesuturilor biologice și mecanisme de interacție a radiațiilorcu sisteme biologice 42

Cuprins 43

2 Capitolul 2: Proprietățile dielectrice specifice țesuturilor biologice și mecanisme de interacție a radiațiilorcu sisteme biologice 46

2.1 Elemente de teoria câmpului electromagnetic 46

2.2 Câmpul electric 49

2.3 Câmpul magnetic 52

2.4 Proprietățile dielectrice ale țesuturilor 55

2.5 Rata Specifică de Absorbție ([anonimizat]) 58

2.6 Concluzii 60

2.7 Bibliografie: 61

Capitolul 3: Modelarea numerică bazată pe discretizarea ecuațiilor câmpurilor variabile prin metoda integralelor finite (FIT), [anonimizat] 62

3 Capitolul 3: Modelarea numerică bazată pe discretizarea ecuațiilor câmpurilor variabile prin metoda integralelor finite (FIT), [anonimizat] 63

3.1 Introducere 63

3.2 Utilizarea metodei integralelor finite (FIT – Finite Integration Tehnique) pentru determinări dozimetrice 67

3.3 Antene utilizate in telefoanele celulare 71

3.3.1 Scurtă introducere în domeniul antenelor 71

3.3.2 Tipuri de antene 73

3.3.3 Definiții și parametri ai antenelor 74

3.4 Modele de antene utilizate în telefoanele celulare 79

3.5 Modelarea a patru telefoane celulare cu diferite tipuri de antene care emit în unda continuă pe 900 MHz și 1800 MHz 82

3.5.1 Rezultate obținute 85

3.5.2 Concluzii 95

3.6 Bibliografie: 96

4 [anonimizat] 100

4.1 Construirea modelului de cap 3D de adult si copil 100

4.2 Studiul de caz: 1. [anonimizat] 104

4.2.1 Pasul 1 Modelarea a 3 telefoane celulare cu diferite tipuri de antene care emit în unda continuă pe 900 MHZ 104

4.2.2 Pasul 2: Importul fantomei de cap uman de adult realizata anterior si asezarea telefonului 105

4.2.3 Pasul 3 Rezultatele obținute în urma simulării 105

4.3 Studiul de caz: 2. [anonimizat] 111

4.3.1 Pasul 1 Modelarea unui telefoan celular cu antena elicoidala care emit în unda continuă pe 900 MHz 111

4.3.2 Pasul 2: Importul fantomei de cap uman de adult realizata anterior si asezarea telefonului 112

4.3.3 Pasul 3 Rezultatele obținute în urma simulării 112

4.4 Concluzii 114

4.5 Bibliografie: 115

Modelarea numerică în analiza efectelor termice ale expunerii organismului uman la câmpuri de radiofrecvență 116

5 CAPITOLUL 5: MODELARE NUMERICĂ ÎN ANALIZA EFECTELOR TERMICE ALE EXPUNERII ORGANISMULUI UMAN LA CÂMPURI DE RADIOFRECVENȚĂ 118

5.1 Introducere 118

5.2 Formularea matematică 121

5.3 Formularea numerică 124

5.4 Determinarea căldurii induse de un telefon mobil generic într-un model de cap uman expus la un telefon celular generic cu antena baston la 900 MHz 127

5.5 Rezultate obținute 130

5.6 Concluzii 133

5.7 Bibliografie: 134

CAPITOLUL 6: ALCĂTUIRE BAZĂ DE DATE CU VALORI ALE SAR PENTRU DIFERITE TIPURI DE TELEFOANE 135

5.8 Cuprins 136

6 CAPITOLUL 6: ALCĂTUIRE BAZĂ DE DATE CU VALORI ALE SAR PENTRU DIFERITE TIPURI DE TELEFOANE 137

6.1 Introducere 137

6.2 Descrierea echipamentului de încercare 140

6.3 Rezultatele măsurărilor 143

6.4 Concluzii 169

6.5 Bibliografie: 170

Centralizator figuri

Figura 0.1: Surse artificiale de câmp electromagnetic 8

Figura 0.2 Spectrul electromagnetic 10

Figura 0.3 Factorii care intervin în interacțiunea dintre câmpul electromagnetic și corpul uman 11

Figura 1.1: Compunerea unui bec compact fluorescent 19

Figura 1.2: Relațiile de legătură între aria efectivă și curentul de scurt circuit pentru un corp uman expus 21

Figura 1.3: Distribuția relativă a curentului de suprafață distribuit pe un (a) om legat la pământ expus la un câmp VLF-MF (b) om în spațiul liber expus la un câmp VLF-MF (c) om cu picioarele izolate și mâna legată la pământ expus la un câmp VLF-MF 25

Figura 1.4: Nivelurile de intensitate a câmpului electric și de inducție magnetică pentru sursele de câmp electromagnetic la frecvența industrială 26

Figura 1.5: Câmpul magnetic (în μT) în jurul unui muncitor ce lucrează în proximitatea unei linii electrice sub tensiune 27

Figura 1.6: Repartiția câmpului electric și a densității de curent în cazul expunerii la câmp electric de frecvență industrială, a unei persoane în poziție verticală, în contact electric cu solul 28

Figura 1.7: Variația DP la diferite locații cu nivel înalt de expunere, în cazul șoferului unui autoturism care are montată pe capota mașinii o antenă ce funcționează la puterea de 100 W și frecvența de 41 MHz 30

Figura 1.8: Câmpul electromagnetic produs de un telefon celular 32

Figura 1.9: Radiația electromagnetică emisă de stațiile de telefonie celulară 33

Figura 2.1: Forma undei electromagnetice 46

Figura 2.2: Forța electrică la care este supusă sarcina de probă în prezența unei alte sarcini 48

Figura 2.3: Liniile de câmp electric ale unei sarcini punctiforme 49

Figura 2.4: Liniile de câmp electric între două corpuri punctiforme încărcate electric 50

Figura 2.5: Linii de câmp magnetic al magnetului bară 51

Figura 2.6: Câmpul magnetic pentru un fir conductor parcurs de curent electric 52

Figura 2.7: Câmpul magnetic al unei spire parcurse de curent electric 53

Figura 3.1: Grila principală G și grila secundară 67

Figura 3.2: Schema de calcul a matricei C 68

Figura 3.3: Schema bloc a instalației de emisie 70

Figura 3.4: Schema bloc a instalației de recepție 71

Figura 3.5: Telefon cu antena baston 78

Figura 3.6: Telefon cu antena elicoidală 79

Figura 3.7: Telefon cu antenă internă 80

Figura 3.8: Modelele de telefoane utilizate la simulări: (a)Telefon generic cu antenă baston la 900 MHz, (b) Telefon generic cu antenă baston la 1800 MHz, (c)Telefon generic cu antenă elicoidală la 900 MHz, (d)Telefon real cu antena internă (patch) 82

Figura 3.9: Modelele de telefoane celulare cu grila spațiala atașată (a)Telefon generic cu antenă baston la 900 MHz, (b) Telefon generic cu antenă baston la 1800 MHz, (c)Telefon generic cu antenă elicoidală la 900 MHz, (d)Telefon real cu antena internă (patch) 83

Figura 3.10: a) Tensiunea aplicată la sursă b) Curentul la sursă 84

Figura 3.11:a) Tensiunea aplicată la sursă b) Curentul la sursă 85

Figura 3.12:a) Tensiunea aplicată la sursă b) Curentul la sursă 86

Figura 4.1: Fig. 4 Model de cap uman de adult si copil realizate CAD Autodesk Maya 2014 si importate in CST MICROWAVE STUDIO 101

Figura 4.2: Figura 7 Distributie SAR (1g) normalizată la frecvența de 900 Mhz (vedere în ansamblu) pentru lotul de telefoane mobile a) telefon cu antenă internă patch b) telefon cu antenă baston c) telefon cu antenă elicoidală 106

Figura 4.3:Figura 9 Telefon generic cu antenă elicoidală la 900MHz 110

Figura 5.1: Denaturarea termică reversibilă (A) și ireversibilă(B) a unei moleculebicatenare de ADN [1] 118

Figura 5.2: Grafic cu variația temperaturii la marginea capului uman, lângă telefon, (culoarea roșie) și în centrul modelului de cap (culoare albastră) 131

Figura 5.3: Câmpul electric îndepărtat pentru telefon cu antenă baston la 900 MHz in prezenta SAM 131

Figura 6.1: Pozițiile de asezare a telefoanelor 141

Centralizator tabele

Tabel 1.1: Valori medii ale inducției magnetice în medii profesionale 28

Tabel 1.2: Valori medii ale inducției magnetice în diferite locuri publice și locuințe (zone rezidențiale) 29

Tabel 1.3: Restricțiile de bază privind expunerea la câmpul electromagnetic conform legislației europene 35

Tabel 4.1Tabel nr. 1: Datele de ieșire pentru senzorul de câmp apropiat 108

Tabel 6.1: Valorile SAR-ului pentru diferite modele de telefoane din cadrul unor mărci [H5] 137

Introducere

Introducere

Poluarea electromagnetică definește prezența în mediul înconjurător a radiațiilor electromagnetice ca elemente nocive, create de către activitatea umană. Poluarea electromagnetică apare oriunde se desfășoară o activitate omenească care face apel la curenți și tensiuni electrice: în locuință, în industrie, în comerț, în transmisiunile de date, radio și TV, în transporturi, în activitățile militare etc. Lumea suferă de "contaminare electromagnetică", "e-smog", sau "poluare electromagnetică". Utilizarea pe scară largă a tehnologiei care radiaza EMF (câmp electro-magnetic – electromagnetic field), EMR (radiatii electro-Magnetice Electro-Magnetic Radiation), și ELF (câmpuri de joasă frecvență – Extremely Low Frequency) bombardează constant organismul uman afectând biocâmpul acestuia.

Introducere

Actuala societate a cunoscut o înaltă dezvoltare tehnologică de astăzi, dar acest lucru a dus și la aparația mai multor surse de radiații electromagnetice. Fiecare sursă produce propriul câmp electromagnetic – un val de energie radiant spre exterior, ce scade cu creșterea distanței de la sursă. Această expunere este permanentă, în timp ce ne aflăm la locul de muncă, în timpul călătoriilor, la locul de joacă, relaxare la domiciliu, chiar dormind în pat.

În ultima perioadă de timp a existat o dezvoltare explozivă a comunicațiilor mobile, utilizarea aparaturii radar în aviație, utilizarea aparaturii medicale RMN și CT, utilizarea cuptoarelor cu microunde în industria alimentară sau în scopuri casnice, diverse aparate electronice utilizate în industrie, cercetare științifică având ca scop oferirea de viteză, siguranță și comoditate.

Dar aceste tehnologii au declanșat un set de întrebări privind efectele asupra sănătății organismului uman sănătate asociate utilizării lor: evaluarea riscului asociat utilizării telefoanelor portabile, a locuirii timp îndelungat în vecinătatea liniilor electrice și a utilizării instalațiilor RADAR portabile folosite de poliție. La ora actuală în România nu există studii aprofundate privind iradierea populației cu unde electromagnetice, iar hazardul utilizării telefoanelor mobile fac dificilă posibilitatea unui studiu.

Figura 0.1: Surse artificiale de câmp electromagnetic

Sursa: targetedindividualscanada.com

Câmpul electromagnetic se poate defini ca o formă fizică fundamentală de existență a materiei, (relativ) distinctă de forma de substanță, ce poate fi atât în mediile corporale, cât și spațiul vid și se caracterizează printr-o distribuție spațială și o evoluție în timp și posedă un impuls, un moment cinetic și o energie bine determinată.

Radiațiile electromagnetice (spectrului electromagnetic) se pot clasifica în funcție de frecvență astfel:

radiațiile (undele) radio:

unde lungi;

unde medii;

unde scurte;

unde ultrascurte;

microunde:

unde decimetrice;

unde centrimetrice;

milimetrice;

radiații infraroșii;

radiații luminoase;

radiații ultraviolete;

radiații X (Röntgen);

radiații gamma.

Domeniul de utilizare al undelor electromagnetice este următorul: undele radio – se utilizează în transmisiile radio, televiziune și comunicații. Microundele sunt folosite în industia alimentară (cuptoarele cu microunde) în sistemele de telecomunicatii, în radar și în cercetarea stiintifică. Radiația infraroșie este folosită în spectroscopie, în telecomenzile pentru aparatură electronică, în procese industriale de prelucrare, în construirea detectoarelor cu lumina infraroșie, la fotocopiatori termici.

Radiația luminoasă (lumina vizibilă) în doze optime are efecte benefice asupra organismului uman (pigmentarea pielii, realizează funcția vederii, asupra stimulează metabolismul organismului) iar în doze insuficiente sau excesive efecte negative (oboseala vizuală, fotosensibilizarea tegumentelor, fototraumatismul).

Radiațiile X (Röntgen) sunt folosite în medicină pentru efectuarea de radiografii.

Razele gamma sunt produse de interacțiuni între particule subatomice, fiind foarte periculoase pentru sănătatea omului. Se pot utiliza în sterilizarea alimentelor, a instrumentelor medicale, controlul radiologic al îmbinarilor metalice de grosimi mari, distrugerea tumorilor canceroase .

Figura 0.2 Spectrul electromagnetic

Sursa: https://www.slideshare.net/alexandraelena71465/ir-48763545

Factorii, prezentați în figura 0.3, care intervin în interacțiunea dintre câmpul electromagnetic și un corp biologic sunt:

proprietățile dielectrice ale țesuturilor biologice ce compun organismele vii;

dimensiunile geometrice ale țesuturilor;

dimensiunea corpului L relativ la lungimea de undă;

curbura suprafeței corpului;

proprietățile sursei de câmp electromagnetic;

durata expunerii.

Figura 0.3 Factorii care intervin în interacțiunea dintre câmpul electromagnetic și corpul uman

Se poate face, conform relația lui Planck:

, eq. 0-1

unde: – constanta lui Planck;

, viteza luminii în vid;

f – frecvența radiației respective;

– lungimea de undă

o clasificare a radiațiile electromagnetice din punct de vedere al energiei transportate, în raport efectul lor asupra substanței cu care interacționează:

radiații ionizante – cele care sunt capabile să producă ionizarea,datorită energiei mari.

radiații neionizante – radiații de energie mică, incapabile să producă ionizarea [4].

Energia de ionizare a principalilor atomi care intră în structura biomoleculelor este: 14,51 eV – azot, 13,54 eV – hidrogen, 13,17 eV – oxigen, 11,24 eV – carbon . Se observă că energia cea mai mică de ionizare este cea pentru carbon. Astfel lungimea de undă a radiației care are energia suficientă pentru a produce ionizarea carbonului este:

eq. 0-2

În spectrul radiațiilor electromagnetice, numai radiațiile x și îndeplinesc condiția ca lungimea de undă să fie mai mică de 100 nm, deci numai acestea pot produce ionizări ale principalilor atomi din componența materiei vii. De aceea, radiațiile x și se numesc radiații ionizante. Radiații neionizante sunt radiațiile cu lungimea de undă mai mică de 100 nm, începând cu UV (radiații ultraviolete) extrem (100-190 nm) și mergând spre undele radio lungi .

Bibliografie

Capitolul 1: Poluarea electromagnetică. Elemente de legislație, standardizare și protecție împotriva radiațiilor electromagnetice

Cuprins

Capitolul 1: Poluarea electromagnetică. Elemente de legislație, standardizare și protecție împotriva radiațiilor electromagnetice 14

Cuprins 15

1 Capitolul 1: Poluarea electromagnetică. Elemente de legislație, standardizare și protecție împotriva radiațiilor electromagnetice 17

1.1 Noțiuni introductive 17

1.2 Tipuri de pericole 19

1.3 Cadru legislativ 35

1.4 Măsuri de protecție 38

1.5 Concluzii 40

1.6 Bibliografie: 41

Capitolul 1: Poluarea electromagnetică. Elemente de legislație, standardizare și protecție împotriva radiațiilor electromagnetice

În acest capitol se tratează problema poluării electromagnetice în lume și diferite puncte de vedere ale companiilor de telefonie celulară din România. Lumea suferă de "contaminare electromagnetică", "e-smog", sau "poluare electromagnetică". Utilizarea pe scară largă a tehnologiei care radiază EMF (câmp electro-magnetic – electromagnetic field), EMR (radiații electro-Magnetice Electro-Magnetic Radiation), și ELF (câmpuri de joasă frecvență – Extremely Low Frequency) bombardează constant organismul uman afectând biocâmpul acestuia.

Noțiuni introductive

Lumea suferă de "contaminare electromagnetică", "e-smog", sau "poluare electromagnetică". Utilizarea pe scară largă a tehnologiei care radiaza EMF (câmp electro-magnetic – electromagnetic field), EMR (radiatii electro-Magnetice Electro-Magnetic Radiation), și ELF (câmpuri de joasă frecvență – Extremely Low Frequency) bombardează constant organismul uman afectând biocâmpul acestuia.

Radiațiile electromagnetice pot fi clasificate în două tipuri: radiatii ionizante și non-ionizantei, bazate pe capacitatea sa de ionizante atomi și ruperea legăturilor chimice ionizante. Radiațiile ultraviolete și frecvențele mai mari, cum ar fi raze X sau raze gamma sunt ionizante, și acestea prezintă propriile riscuri speciale, dar nu fac obiectul acestui referat.

Poluarea electromagnetică definește prezența în mediul înconjurător a radiațiilor electromagnetice ca elemente nocive, create de către activitatea umană. Poluarea electromagnetică apare oriunde se desfășoară o activitate omenească care face apel la curenți și tensiuni electrice: în locuință, în industrie, în comerț, în transmisiunile de date, radio și TV, în transporturi, în activitățile militare etc. Simțurile umane nu pot percepe câmpurile electromagnetice, cu excepția ferestrei vizibile în care radiațiile sunt detectabile de către ochi, dar faptul ca nu pot fi detectate direct nu înseamnă că aceste radiații nu au o influență nocivă asupra omului.

Termenul tehnic pentru atenuarea poluării electromagnetice este „compatibilitatea electromagnetică cu mediul înconjurător” – EEMC (Environmental ElectroMagnetic Compatibility). Acest termen include toate radiațiile electromagnetice care afectează mediul înconjurător în general și ființa umană în particular și nu trebuie să fie confundat cu compatibilitatea electromagnetică a echipamentelor EMC (ElectroMagnetic Compliance); aceasta definește nivelul de afectare a performanțelor în funcționare ale unui echipament electric de către câmpul electromagnetic radiat de un alt echipament aflat în funcțiune

Unele dintre cele mai importante surse de poluare electromagnetică sunt prezentate mai jos:

telefoane celulare

telefoane și stații de bază digitală

computere și echipamente aferente

console de jocuri

stații de bază wireless

aparate electrice (inclusiv TV)

echipamente electronice

statii de baza pentru telefonia celularară

emițătoare radio și TV

cuptoare cu microunde

cabluri electrice din casă

linii electrice de înaltă și joasă tensiune

radare pe autoturisme, motociclete, autobuze, trenuri și avioane. .

Tipuri de pericole

Pericole biologice: Efectul biologic cel mai bine cunoscut al câmpurilor electromagnetice este de a provoca încălzire dielectrică. De exemplu, staționarea în jurul unui antenă cu un transmițător de mare putere este în funcțiune în timp poate cauza arsuri grave. Acestea sunt exact tipul de arsuri, care ar fi cauzată în interiorul unui cuptor cu microunde. Acest efect de încălzire variază în funcție de puterea și frecvența energiei electromagnetice. Unitatea de măsură este Rata Specifică de Absorbție (SAR), . IEEE și multe tări au stabilit limite de siguranță pentru expunerea la diferite frecvențe de energie electromagnetică, pe baza SAR, bazate în principal pe orientările ICNIRP, care proteja impotriva daunelor termice

Risc de incendiu: Radiații electromagnetice de extrem de mare putere pot cauza un curent electric suficient de puternic pentru a crea scântei (arcuri electrice). Aceste scântei pot aprinde apoi materiale sau gaze inflamabile, ce poate duce la o explozie. Acest lucru poate fi un anumit risc în apropierea depozitelor cu materiale explozive sau pirotehnice, deoarece o suprasarcină electrică le-ar putea aprinde.

Pericole electrice: Radiații foarte puternice pot induce curenți capabili să ofere un șoc electric pentru persoane sau animale. De asemenea, poate supraîncărca și a distruge echipamentele electrice. Inducerea curenților câmpuri magnetice oscilatorii este, de asemenea modul în care furtunile solare perturba funcționarea sistemelor electrice si electronice, provocând pagube la și chiar explozia de transformatoare electrice de distribuție, penele de curent și interferențe cu semnale electromagnetice (de exemplu, de radio, televiziune, și semnale telefonice)

Iluminat

Becuri compacte fluorescente: Producerea luminii în becurile compacte fluorescente (lampa cu descărcări în vapori de Hg de joasă presiune), modul de producere este: Curentul electric dintre cei doi electrozi ai lămpii determina ca vaporii de Hg să emită radiație ultravioletă ce este transformata în lumină în spectrul vizibil de către stratul de luminofor ce acoperă la interior tubul de sticlă. Funcționează numai cu un starter și un balast pentru amorsarea și menținerea descarcarii în gazul ce umple tubul de sticla (vaporii de Hg de joasa presiune). Becuri fluorescente compacte economice pot emite niveluri periculoase de radiații ultraviolete care ar putea provoca arsuri sau chiar cancer de piele, în cazul în care stratul protector din jurul mercurului, care creează lumina în interiorul becului, este crăpat sau are defect de fabricație .

Figura 1.1: Compunerea unui bec compact fluorescent

Sursa: americanhistory.si.edu/lighting

Becuri LED-uri: Lumină albă, care emit la lungimi de undă de 400-500 nanometri, suprimă producția de melatonină produsă de glanda pineală. Efectul este o perturbare a ceasului biologic al unei ființe umane care rezultă în somnul de noaptea și perioadele de odihnă. O serie de cercetători din Israel, Italia și SUA au efectuat un studiu în urma căruia a rezultat că LED-urile sunt de 5 ori mai nocive decât lămpile cu vapori de sodiu, de înaltă presiune. Deși nu este primul studiu care se concentrează pe impactul luminiii albe în stare solidă (SSL) asupra corpului uman, rezultatele sunt similar celor anterioare. Concluzia este că, pentru același flux fotopic extern, gradul de poluare la nivelul zonelor de suprimare a melatoninei și a celei scotopice este de 5 ori mai mare pentru LED-uri, față de cele pe bază de vapori de sodiu .

Radiații de joasă frecvență: Radiațiile de mare putere de joasă frecvență cu niveluri de câmp electric în gama kV/m gama sunt cunoscute ca având capacitatea de a induce curenți perceptibile în corpul uman, care creează o senzație enervantă de furnicături.. Câmpurile de expunere la joasă frecvență produc cantități variabile de energie absorbită dar pot cauza șocuri. Deoarece șocurile electrice sunt direct legate de densitatea de curent și curentul total, aceste sunt date dozimetrice mai importante decât SAR-ul în domeniul VLF-MF. Dozimetria în benzile de frecvență VLF-MF constă în principal în legătura între densitățile de curent în corpurile expuse la câmpuri și câmpurile de expunere. Factori importanți în aceste relații de legătură sunt prezența unor obiecte apropiate, în special obiecte conductoare precum automobilele. Impedanța între persoana expusă și pământ este folositoare în relațiile de legătură intre densitățile de curent și câmpul de expunere. Guy și Chou (1982) și Gandhi și Chatterjee (1982) au încercat să rezolve aceste probleme, să ofere o serie de metode de calcul și măsurare a impedanțelor și densităților de curent.

Figura 1.2: Relațiile de legătură între aria efectivă și curentul de scurt circuit pentru un corp uman expus

Sursa: (Guy și Chou, 1982)

CALCULAREA CURENTULUI

În aproximarea cvasi-statică, sarcina totală q pe un subiect legat la pământ, figura 1.2 este dată de:

eq. 1-1

unde:

– E -intensitatea câmpului electric în absența subiectului

– h – înălțimea efectivă a subiectului

– – capacitatea între subiect și pământ

Curentul Isc indus în subiect de câmpul E când obiectul este legat la pământ este dat de:

eq. 1-2

Scriind eq. 1-3

unde :

– S- aria suprafeței efective

Combinând eq.1-1, 1-2, 1-3 rezultă amplitudinea curentului de scurt – circuit:

eq. 1-4

O valoare poate fi obținută din relațiile geometrice care apar între dimensiuni prezentate în figura 1.2.

Utilizând valorile calculate cu ajutorul acestei figuri pentru S, dat rezultă:

eq. 1-5

unde .

Gandhi și Ghatterjee (1982) utilizând un circuit Norton echivalent unui corp uman au calculat curentul total în corpul uman ca fiind:

eq. 1-6

unde:

– Rog – rezistența între corp și pământ

– Rh – rezistența echivalentă a corpului

– Ch – capacitatea echivalentă a corpului

Combinând eq. 1-6 si 1-4 rezultă curentul într-o persoană expusă la un câmp electric , de frecvență .

CALCULUL REZISTENȚEI CORPULUI ȘI SAR

Guy și Chou (1982) au calculat conductivitatea și rezistența/ unitatea de lungime pentru diverse regiuni ale corpului. Rezistența între două plane echipotențiale perpendiculare pe axa corpului este dată de relația:

i eq. 1-7

unde :

– – diferența de potențial;

– – curentul aplicat;

– – distanța între plane;

– – rezistența /unitatea de lungime.

Conductivitatea unei regiuni particulare a corpului este legată de R(i) prin relația :

eq. 1-8

unde :

– – aria secțiunii transversale i.

Combinând eq. 1-7 și 1-8 rezultă următoarea relație pentru σ:

eq. 1-9

unde:

– σ este conductivitatea electrică a regiunii dintre planele echipotențiale unde este măsurat.

Odată ce σ a fost determinat, distribuția de potențial , densitatea de curent , și SAR-UL local , pot fi obținute pentru orice distribuție de curent din următoarele ecuații:

eq. 1-10

eq. 1-11

eq. 1-12

unde:

– – densitatea țesutului

Puterea absorbită regional și pentru întreg corpul poate fi găsită din:

eq. 1-13

Rezultatele obținute de autori sunt prezentate în figura 3 :

Figura 1.3: Distribuția relativă a curentului de suprafață distribuit pe un (a) om legat la pământ expus la un câmp VLF-MF (b) om în spațiul liber expus la un câmp VLF-MF (c) om cu picioarele izolate și mâna legată la pământ expus la un câmp VLF-MF

Sursa: Carl H. Durney, Radiofrequency Radiation Dosimetry Handbook 1986.

Câmpuri electrice și magnetice de frecvență industrială

La frecvențe joase câmpul electric și cel magnetic se pot separa, iar datorită proprietăților electrice, câmpul electric în interiorul corpurilor biologice este mult mai scăzut decât în mediu. Sursele de câmp electromagnetic la frecvența industrială se pot clasifica în trei categorii, iar nivelurile de intensitate a câmpului electric și de inducție magnetica sunt ilustrate în figura 4 în raport cu distanța față de sursa respectivă [10].

Figura 1.4: Nivelurile de intensitate a câmpului electric și de inducție magnetică pentru sursele de câmp electromagnetic la frecvența industrială

Sursa: Mihaela Morega, Bioelectromagnetism

Exemplu: Deși au fost efectuate mai multe studii privind efectele câmpurilor iradiate de liniile de înaltă tensiune asupra persoanelor care locuiesc în vecinătate, concluziile nu pot preciza o poziție clară. Se consideră cazul unui muncitor ce lucrează în proximitatea unei linii electrice de înaltă tensiune. În figura 1.5 se prezintă câmpul magnetic (în μT) ce se creează în jurul acestuia .

Figura 1.5: Câmpul magnetic (în μT) în jurul unui muncitor ce lucrează în proximitatea unei linii electrice sub tensiune

Sursa: Ianos Michel, 2000

Exemplu: În figura 1.6 este prezentată repartiția câmpului electric și a densității de curent, în cazul expunerii la câmp electric de frecvență industrială, la o persoană în poziție verticală, în contact electric cu solul. La distanța și în absența corpului câmpul electric este uniform, de intensitate . Intensitatea curentului electric incident pe suprafața creștetului capului este de 0.06mA .

Figura 1.6: Repartiția câmpului electric și a densității de curent în cazul expunerii la câmp electric de frecvență industrială, a unei persoane în poziție verticală, în contact electric cu solul

Sursa: (Mihaela Morega, 2000)

Exemplu: Exemple de nivele uzuale ale inducției magnetice în zone rezidențiale și profesionale

Tabel 1.1: Valori medii ale inducției magnetice în medii profesionale

Sursa: (Mihaela Morega, 2000)

Tabel 1.2: Valori medii ale inducției magnetice în diferite locuri publice și locuințe (zone rezidențiale)

Sursa: (Mihaela Morega, 2000)

*reprezintă media măsurătorilor preluate simultan din mai multe locații, înregistrate la intervale de timp regulate, pe durata a 24 de ore și mediat apoi pe acest interval;

**reprezintă media măsurătorilor preluate simultan din mai multe locații, la acel moment al zilei în care valorile sunt maxime .

Undele scurte: În domeniul undelor scurte se produce efectul de diatermie unde se încălzește doar țesuturile care sunt conductori electrici buni, cum ar fi vasele de sange și muschi. Țesut adipos (grăsime) primește puțin căldură prin câmpul de inducție domenii, deoarece curentul electric de fapt nu trece prin aceste tesuturi.

Câmp electromagnetic de radiofrecvență

În figura 6 se prezintă variația densității de putere în diferite locații cu nivel înalt de expunere, în cazul șoferului unui autoturism care are montată pe capota mașinii o antenă ce funcționează la puterea de 100 W și frecvența de 41 MHz .

Figura 1.7: Variația DP la diferite locații cu nivel înalt de expunere, în cazul șoferului unui autoturism care are montată pe capota mașinii o antenă ce funcționează la puterea de 100 W și frecvența de 41 MHz

Microundele: Expunerea la microunde la un nivel scăzut de energie sub limit SAR stabilită de organismele de reglementare de stat este considerată inofensivă și nu are nici un efect asupra corpului uman. Standardele ANSI pentru niveluri de expunere în conditii de siguranță la radiofrecvență și radiațiilor de microunde sunt stabilite la un nivel SAR de , nivel considerat ca fiind pragul înainte apariției de efecte termice periculoase datorită absorbției de energie în organism. Un factor de siguranță de zece a fost încorporat pentru a ajunge la liniile directoare finale de protecție ce recomandată un prag expunere SAR de pentru RF și radiații de microunde. Există un dezacord asupra exact ceea ce nivel de radiatii RF sunt sigure, în special în ceea ce privește nivelurile scăzute de expunere. Rusia și țările est-europene au stabilit limitele SAR pentru cuptoare cu microunde și RF mult mai mici decât țările occidentale.

Două zone ale corpului, ochii și testiculele, pot fi deosebit de sensibile la încălzire cu energie RF din cauza lipsei relative de flux de sânge disponibil pentru a disipa sarcina de căldură excesivă. Experimentele de laborator au aratat ca expunerea pe termen scurt la un nivel ridicat de radiații de RF (100 – 200 mW/cm²) pot provoca cataracta la iepuri. Sterilitate temporară, cauzată de efectele cum ar fi modificări ale numărului de spermatozoizi și mobilitatea acestora, este posibilă după expunerea testiculelor la radiații RF la nivel înalt. Expunerea pe termen lung la niveluri ridicate de microunde, este recunoscut, din studiile pe animale experimentale și studii epidemiologice la om, de a provoca efecte oculare. Expunerea la radiații de microunde cu o puteresuficient de mare poate provoca de la o senzatie de arsura pe piele la efecte auditive (pocnituri în urechi), până la arsuri fizice și apariția de vezicule ale pielii și leziuni interne .

Câmpuri de radiofrecvență: Ca și caz aparte efectul radiațiilor telefonului mobil asupra sănătății umane este un subiect de interes și de studiu la nivel mondial, ca urmare a creșterii enorme în folosirea telefonului mobil în întreaga lume. În noiembrie 2011, au fost mai mult de 6 miliarde de abonamente la nivel mondial . Telefoanele mobile folosesc radiații electromagnetice în domeniul microundelor. În 2011, Agenția Internațională pentru Cercetarea Cancerului (IARC) a clasificat radiațiile emise de telefonul mobil ca Grupa 2B – posibil cancerigen (nu Grupa 2A – probabil cancerigen – nici periculos Grupul 1). Asta înseamnă că ar putea fi un anumit risc de carcinogenitate, necesitând studii de cercetare suplimentare pe termen lung privind utilizarea de telefoane mobile. Unele autorități maționale consultative în domeniul radiațiilor electromagnetice au recomandat măsuri pentru a minimiza expunerea utilizatorilor de telefoane celulare, ca o abordare precaută .

Exemplul: Expunerea utilizatorilor de telefoane mobile (sistemul GSM) la câmpul produs de acestea. Puterea medie dezvoltată de un telefon mobil în timpul unei convorbiri este de cca. . Standardul sistemului GSM permite utilizarea aparatelor telefonice la puterea maximă de 1W pentru 1.8 GHz și 2W pentru 0.9 GHz dar sistemul TDMA (Time Division multiple Access) utilizat în transmiterea semnalelor reduce puterea la care funcționează un aparat la cel mult 1/8 din valoarea maximă; tehnicile de control adaptiv al puterii și transmisia discontinuă pot reduce și mai mult puterea medie a aparatului utilizată în timpul unei convorbiri.

Puterea este transmisă de antena aflată la cca. 2 cm lângă capul utilizatorului. Zona de expunere se află în câmpul de radiație al antenei (zona apropiată), unde energia electromagnetică este mai intensă decât în câmpul de unde (zona îndepărtată). Configurația neomogena a capului perturba distribuția câmpului.

În absența capului undele electromagnetice se pot considera sferice în zona de câmp îndepărtat, care începe la o distanță față de antenă aproximativ egală cu lungimea de undă (10-20 cm).

În cazul puterilor maxime de transmisie de 1W la 1800 MHz și 2W la 900 MHz, expunerea la 2 cm de antenă prezintă valori medii (pe bază de modelare) ca:

Figura 1.8: Câmpul electromagnetic produs de un telefon celular

Sursa: www.semcad.com

Exemplul: Expunerea datorată stațiilor de telefonie celulară

În telefonia celulară teritoriul de „acoperire” este divizat în „celule”, reprezentând zone geografice aflate sub incidenta unei antene, care realizează transmisia de semnale față de aparatele telefonice aflate în zona geografică respectivă. Antenele sunt montate la înălțime, pe clădiri înalte sau turnuri special construite. Radiația electromagnetică este emisă pe mai multe direcții (uzual 3 fascicole unidirecționale orientate simetric, la în jurul antenei) și atinge pământul la o distanță de 50-200 m față de baza antenei.

Figura 1.9: Radiația electromagnetică emisă de stațiile de telefonie celulară

Date exemplificatoare:

* turn de 10 m înălțime

* antena de 60 W

* expunere la sol, la 50 m de la baza turnului:

.

Cadru legislativ

Legislația Uniunii Europene referitoare la câmpul electromagnetic se bazează pe recomandarile din 12 iulie 1999 (1999/519/EC) referitoare la limitarea expunerii generale a populației la câmpul electromagnetic „Council Recommendation (1999/519/EC) of 12 July 1999 on the limitation of the exposure of the general public to electromagnetic fields (0 Hz – 300 GHz)” .

Principalele componenete ale acestei recomandari sunt sintetizate pe scurt in continuare: în mod curent limitele de expunere se bazează pe efectele termice ale radiațiilor electromagnetice, iar la frecvențele din domeniul radiofrecvenței, microundelor și undelor milimetrice ele sunt specificate în termeni de RATĂ SPECIFICĂ DE ABSORBȚIE (SAR- ). Acest parametru reprezintă energia disipată în unitatea de timp pe unitatea de masă a corpului iradiat și ia în considerare tipul de sursă radiantă, frecvența de operare și durata de expunere. Limitele SAR se pot referi fie la energia mediata absorbită la nivelul întregului corp, fie la nivel local (membre,cap). Limita curent acceptată pe plan internațional pentru SAR mediat la nivelul întregului corp în cazul expunerii ocupaționale este de . Această valoare se bazează pe constatarea că absorbția unui nivel de putere de produce o creștere de temperatură de 1șC într-un mediu biologic. Deci, cu un factor de siguranță de 10 a fost adoptată limita SAR de .

Expunerea populațională a fost limitată la nivelul de prin introducerea unui factor de siguranță de 50 față de valoarea de .

În Romania expunerea la radiații electromagnetice este reglementată prin „Ordinul nr. 1.193 din 29 septembrie 2006 pentru aprobarea Normelor privind limitarea expunerii populației generale la câmpuri electromagnetice de la 0 Hz la 300 GHz, Emitent: Ministerul Sănătății Publice, publicat în: Monitorul Oficial nr. 895 din 3 noiembrie 2006, aliniată legislației europene . Principalele componente ale acestui ordin sunt sintetizate pe scurt in continuare: La expunerea în funcție de frecvența câmpului electromagnetic se utilizează se utilizează în mod obișnuit 8 mărimi fizice:

1. curentul de contact (Ic)

2. densitatea de curent (J)

3. intensitatea câmpului electric (E)

4. intensitatea câmpului magnetic (H)

5. inducția magnetică (B)

6. densitatea de putere (S)

7. absorbția specifică (SA)

8. Rata de Absorbție Specifică (SAR): mediată pe întreg corpul sau pe o anumită parte a corpului se definește ca rata la care energia este absorbită pe unitatea de masa de țesut corporal și se exprimă în wați pe kilogram . SAR pe întreg corpul este o mărime larg acceptată pentru a stabili legătura între efectele termice și expunerea la RF. Pe lângă SAR mediată pe întreg corpul sunt necesare și valorile de SAR localizate pentru a evalua și a limita acumularea excesivă de energie în zone mici ale corpului în condiții speciale de expunere. Exemple de astfel de condiții sunt: persoanele expuse la câmpul apropiat al unei antene.

Restricțiile de bază, prezentate în tabelul 1.3, sunt stabilite astfel încât sa țină seama de incertitudinile legate de sensibilitatea individuală, de condițiile de mediu, de vârsta și starea de sănătate a populației, conform legislației europene prezentate anterior .

Tabel 1.3: Restricțiile de bază privind expunerea la câmpul electromagnetic conform legislației europene

Sursa: Ordinul nr. 1193/29.09.2006

Măsuri de protecție

În literatura de specialitate există următoarele recomandări și norme pentru operatorii de telefonie mobilă privind amplasarea pe clădiri a antenelor GSM, respectiv măsuri de protecție a utilizatorilor de telefoane mobile :

Concluzii

problema radiațiilor electromagnetice constituie o problemă actuală cu implicații sociale (percepția populației asupra acestei probleme), economice (creșterea prețului de cost al telefoanelor celulare datorită cercetăriilor științifice necesare pentru a optimiza valoarea sar, necesarul de laboratoare performante) și cu implicații de protecția mediului (poluarea electromagnetică).

din studiul realizat în acest referat se poate observa că nu există în comunitatea internațională un punct de vedere comun și o legislație omogenă, iar producătorii de telefoane mobile plasează problema la operatorii de telefonie mobilă și invers.

din declarațiile oficiale ale operatorilor de telefonie mobilă rezultă că nu sunt probleme legate de radiațiile electromagnetice produse de telefoanele celulare.

Bibliografie:

Capitolul 2: Proprietățile dielectrice specifice țesuturilor biologice și mecanisme de interacție a radiațiilorcu sisteme biologice

Cuprins

Cuprins 1

Centralizator figuri 3

Centralizator tabele 5

Introducere 6

Introducere 7

Introducere 7

Bibliografie 13

Capitolul 1: Poluarea electromagnetică. Elemente de legislație, standardizare și protecție împotriva radiațiilor electromagnetice 14

Cuprins 15

1 Capitolul 1: Poluarea electromagnetică. Elemente de legislație, standardizare și protecție împotriva radiațiilor electromagnetice 16

1.1 Noțiuni introductive 16

1.2 Tipuri de pericole 18

1.3 Cadru legislativ 34

1.4 Măsuri de protecție 37

1.5 Concluzii 39

1.6 Bibliografie: 40

Capitolul2: Proprietățile dielectrice specifice țesuturilor biologice și mecanisme de interacție a radiațiilorcu sisteme biologice 41

Cuprins 42

2 Capitolul 2: Proprietățile dielectrice specifice țesuturilor biologice și mecanisme de interacție a radiațiilorcu sisteme biologice 44

2.1 Elemente de teoria câmpului electromagnetic 44

2.2 Câmpul electric 47

2.3 Câmpul magnetic 50

2.4 Proprietățile dielectrice ale țesuturilor 53

2.5 Rata Specifică de Absorbție (Specific Absortion Rate – SAR) 55

2.6 Concluzii 57

2.7 Bibliografie: 58

Capitolul 3: Modelarea numerică bazată pe discretizarea ecuațiilor câmpurilor variabile prin metoda integralelor finite (FIT), în analiza pătrunderii câmpului electromagnetic în model de cap uman de adult și copil, în condițiile utilizării telefonului celular 59

3 Capitolul 3: Modelarea numerică bazată pe discretizarea ecuațiilor câmpurilor variabile prin metoda integralelor finite (FIT), în analiza pătrunderii câmpului electromagnetic în model de cap uman de adult și copil, în condițiile utilizării telefonului celular 60

3.1 Introducere 60

3.2 Utilizarea metodei integralelor finite (FIT – Finite Integration Tehnique) pentru determinări dozimetrice 64

3.3 Antene utilizate in telefoanele celulare 68

3.4 Scurtă introducere în domeniul antenelor 68

3.4.1 Tipuri de antene 70

3.4.2 Definiții și parametri ai antenelor 71

3.4.3 Modele de antene utilizate în telefoanele celulare 76

3.5 Modelarea a patru telefoane celulare cu diferite tipuri de antene care emit în unda continuă pe 900 MHz și 1800 MHz 79

3.5.1 Rezultate obținute 82

3.5.2 Concluzii 92

3.6 Bibliografie: 93

4 Determinarea SAR – ului emis diferite modele de telefoane celulare prin simulare pentru model de cap uman de adult si copil 96

4.1 Construirea modelului de cap 3D de adult si copil 96

4.2 Studiul de caz: 1. Modelarea absorției radiației electromagnetice emise de trei tipuri de telefoane celulare într-un model de cap uman de adult 100

4.2.1 Pasul 1 Modelarea a 3 telefoane celulare cu diferite tipuri de antene care emit în unda continuă pe 900 MHZ 100

4.2.2 Pasul 2: Importul fantomei de cap uman de adult realizata anterior si asezarea telefonului 101

4.2.3 Pasul 3 Rezultatele obținute în urma simulării 101

4.3 Studiul de caz: 2. Modelarea absorției radiației electromagnetice emis de un telefon celular intr-un model de cap uman de adult si unul de copil 103

4.3.1 Pasul 1 Modelarea unui telefoan celular cu antena elicoidala care emit în unda continuă pe 900 MHz 103

4.3.2 Pasul 2: Importul fantomei de cap uman de adult realizata anterior si asezarea telefonului 104

4.3.3 Pasul 3 Rezultatele obținute în urma simulării 105

4.4 Concluzii 106

4.5 Bibliografie: 107

Modelarea numerică în analiza efectelor termice ale expunerii organismului uman la câmpuri de radiofrecvență 109

5 CAPITOLUL 5: MODELARE NUMERICĂ ÎN ANALIZA EFECTELOR TERMICE ALE EXPUNERII ORGANISMULUI UMAN LA CÂMPURI DE RADIOFRECVENȚĂ 111

5.1 Introducere 111

5.2 Formularea matematică 114

5.3 Formularea numerică 117

5.4 Determinarea căldurii induse de un telefon mobil generic într-un model de cap uman expus la un telefon celular generic cu antena baston la 900 MHz 120

5.5 Rezultate obținute 123

5.6 Concluzii 126

5.7 Bibliografie: 127

CAPITOLUL 6: ALCĂTUIRE BAZĂ DE DATE CU VALORI ALE SAR PENTRU DIFERITE TIPURI DE TELEFOANE 128

5.8 Cuprins 129

6 CAPITOLUL 6: ALCĂTUIRE BAZĂ DE DATE CU VALORI ALE SAR PENTRU DIFERITE TIPURI DE TELEFOANE 130

6.1 Introducere 130

6.2 Descrierea echipamentului de încercare 134

6.3 Rezultatele măsurărilor 137

6.4 Concluzii 164

6.5 Bibliografie: 165

Capitolul 2: Proprietățile dielectrice specifice țesuturilor biologice și mecanisme de interacție a radiațiilorcu sisteme biologice

În acest capitol se impune introducerea unor termeni și noțiuni pentru a putea vorbi despre efectele radiațiilor electromagnetice asupra organismelor vii și pentru a putea efectua calculele necesare:câmpul electromagnetic, proprietățile dielectrice ale mediilor biologice ce compun organismele vii; Rata Specifică de Absorbție (SAR – Specific Absorption Rate). Factorii care intervin în interacțiunea dintre câmpul electromagnetic și un corp biologic sunt: proprietățile dielectrice ale țesuturilor biologice ce compun organismele vii, dimensiunile geometrice ale țesuturilor, dimensiunea corpului L relativ la lungimea de undă, curbura suprafeței corpului, proprietățiile sursei de câmp electromagnetic, durata expunerii.

Elemente de teoria câmpului electromagnetic

Câmpul electromagnetic se poate defini ca o formă fizică fundamentală de existență a materiei, (relativ) distinctă de forma de substanță, ce poate fi atât în mediile corporale, cât și spațiul vid și se caracterizează printr-o distribuție spațială și o evoluție în timp și posedă un impuls, un moment cinetic și o energie bine determinată.

Câmpul electromagnetic este constituit din două componente complementare, relative și interdependente: câmpul electric și câmpul magnetic. Starea locală și instantanee a câmpului electromagnetic se caracterizează prin patru mărimi:

intensitatea câmpului electric ;

intensitatea câmpului magnetic ;

inducția electrică ;

inducția magnetică ;

Starea electromagnetică a corpurilor și totodată interacțiunea acestora cu câmpul se caracterizează local și instantaneu prin patru mărimi directe de stare:

– densitatea spațială a sarcinii electrice (adevărate) ;

– polarizația ;

– densitatea curentului electric de conducție ;

– magnetizația .

După modul de variație în timp a mărimilor directe și după posibilitățile de transformare a energiei electromagnetice în alte forme de energie, se disting următoarele regimuri ale câmpului electromagnetic:

a) regimul staționar: mărimile directe de stare sunt invariabile în timp, dar au loc transformări energetice. Există două aspecte ale câmpului electromagnetic: câmpul electrocinetic și câmpul magnetic staționar.

b) regimul variabil în timp (nestaționar): mărimile directe de stare aparțin unor clase de funcții:

– regimul tranzitoriu: un mod oarecare de variație a mărimilor de stare;

– regimul periodic: o evoluție periodică în timp a mărimilor de stare:

– permanent sinusoidal (armonic);

– permanent nesinusoidal (deformant).

În acest regim câmpurile electric și magnetic, se generează reciproc, acest lucru ducând la fenomenul de undă electromagnetică. Ca atare procesele tranzitorii de câmp au caracterul unei propagări, așa cum este prezentat în figura 2.1.

Figura 2.1: Forma undei electromagnetice

Observație: Cazul particular al regimului nestaționar, caracterizat printr-o variație în timp a mărimilor de stare suficient de lentă pentru a se putea neglija contribuția variației în timp a câmpului electric la producerea câmpului magnetic reprezintă regimul cvasistaționar anelectric sau magnetic .

Câmpul electric

Prin câmp electric se înțelege starea de existență a unei regiuni a spațiului manifestată prin proprietatea că un corp încărcat electric plasat în această regiune este supus acțiunii unei forțe, numită forța electrică, care nu s-ar exercita dacă corpul nu ar fi încărcat.

Unitatea de măsură a câmpului electric este –.

Matematic, câmpul electric este un câmp tridimensional de vectori.

Un exemplu elementar este câmpul electric produs de o sarcină punctiformă. Intensitatea câmpului electric produs de o sarcină electrică este direct proporțională cu mărimea sarcinii care generează câmpul și descrește invers proporțional cu pătratul distanței de la aceasta.

Figura 2.2: Forța electrică la care este supusă sarcina de probă în prezența unei alte sarcini

Definiție: Se definește câmpul electric ca raportul dintre forța electrică la care este supusă o particulă punctiformă încărcată electric și sarcina acestei particule:

eq. 2-1

unde: – este forța electrică;

– q este mărimea sarcinii de test.

Conform Legii lui Coulomb câmpul creat de o sarcină punctiformă aflată în repaus este dat de următoarea relație:

eq. 2-2

unde: – Q este sarcina care creează câmpul electric;

– R este distanța de la sarcina electrică Q care produce câmpul electric la punctul unde se calculează acesta;

– este vectorul unitate;

– este permitivitatea vidului.

În figura 2.3 sunt prezentate liniile de câmp electric ale unui corp punctiform, încărcat pozitiv, respectiv ale unui corp încărcat negativ, iar în figura 2.4 sunt reprezentate liniile de câmp electric între două corpuri punctiforme încărcate electric .

Figura 2.3: Liniile de câmp electric ale unei sarcini punctiforme

Sursa: Wikipedia

Figura 2.4: Liniile de câmp electric între două corpuri punctiforme încărcate electric

Sursa: Wikipedia

Câmpul magnetic

Câmpul magnetic este o mărime fizică vectorială ce caracterizează spațiul din vecinătatea unei sarcini electrice în mișcare, unui magnet sau electromagnet. Câmpul magnetic vectorial se manifestă prin forțele care acționează asupra unei sarcini electrice în mișcare (forță Lorentz), asupra diverselor materiale magnetice.

Câmpul magnetic se poate descrie și caracteriza calitativ cu ajutorul liniilor de câmp magnetic, așa cum este prezentat în figura 2.5.

Figura 2.5: Linii de câmp magnetic al magnetului bară

Sursa: Wikipedia

Următorii factori afectează forma și distribuția liniilor de câmp magnetic în spațiu:

– sursa care creează câmpul magnetic;

– mediul în care se află sursa (omogen sau neomeogen).

Totalitatea liniilor de câmp magnetic formează spectrul câmpului magnetic.

Convenție: Sensul liniilor de câmp magnetic este indicat de polul nord al acului magnetic, tangent la acea linie de câmp. Sensul liniilor de câmp magnetic din jurul unui conductor parcurs de curent electric este dat de regula burghiului.

Regula burghiului:

1. Regula burghiului pentru un fir conductor: Sensul liniilor de câmp magnetic pentru un fir conductor parcurs de curent electric este sensul în care se rotește un burghiu, așezat de-a lungul conductorului, pentru a înainta în sensul curentului electric.

2. Regula burghiului pentru o spiră: Sensul liniilor de câmp magnetic care străbat suprafața unei spire alimentate de curent electric este sensul de înaintare al unui burghiu, așezat perpendicular pe planul spirei, rotit în sensul curentului prin spiră. (aplicând regula burghiului pentru spira se poate stabili sensul liniilor de câmp magnetic pentru un solenoid și o bobina parcurse de curent electric).

În figura 2.6 este prezentat câmpul magnetic în jurul unui fir conductor parcurs de curent electric (este format din cercuri concentrice cu centrul pe conductor, fiind amplasat într-un plan perpendicular pe conductor).

Figura 2.6: Câmpul magnetic pentru un fir conductor parcurs de curent electric

Sursa: Wikipedia

Câmpul magnetic al unei spire (conductor circular) parcurse de curent electric este format din două câmpuri magnetice generate de fiecare parte a spirei, așa cum este prezentat în figura 2.7 .

Figura 2.7: Câmpul magnetic al unei spire parcurse de curent electric

Sursa: Wikipedia

În sistemul internațional unitatea de măsură a inducției magnetice este:

. eq. 2-3

Proprietățile dielectrice ale țesuturilor

Informații legate de proprietățile dielectrice ale sistemelor biologice sunt esențiale pentru dozimetria RF. Acestea sunt utilizate atât în cadrul metodelor experimentale cât și cadrul metodelor de calcul care includ interacțiunea dintre câmpuri electromagnetice cu sistemele biologice.

Proprietățiile magnetice nu sunt caracteristice materiei biologice. Permeabilitatea relativă a entităților biologice este considerată unitară, iar pierderile prin efect magnetic sunt considerate neglijabile.

Proprietățile electrice care se utilizează sunt:

permitivitatea electrică ;

conductivitatea electrică .

Proprietățile electrice caracterizează interacțiunea mediului cu unda electromagnetică ce se propagă prin el; în cazul regimului armonic, este comod să se opereze cu formalismul de reprezentare în complex a mărimilor electromagnetice, iar proprietățile electrice (conductivitatea si permitivitatea electrică) se exprimă prin mărimea „permitivitate electrică complexă”:

eq. 2-4

unde:

– permitivitatea spațiului liber;

partea reală este un indicator al proprietății mediului de a absorbi și stoca energia electrică;

partea imaginară indică proprietatea mediului de a disipa energia purtată de către câmpul electromagnetic.

În calcule de obicei se utilizează termenul de permitivitate relativă sau constanta dielectrică pentru mărimea definită prin:

eq. 2-5

Uneori este util termenul tangentei unghiului de pierderi (sau „factorul de disipație”) al unui mediu cu ajutorul relației:

. eq. 2-6

Între partea imaginară a permitivității și conductivitatea mediului există relația:

eq. 2-7

Toate aceste mărimi caracterizează capabilitatea mediului de a absorbi energia și de a o disipa de la câmpul electromagnetic .

Investigații asupra proprietăților dielectrice ale țesuturilor au fost prezentate în literatura de specialitate de mai mult de 40 de ani .

Gabriel S. a introdus un model parametric care descrie dependența de frecvență a proprietăților dielectrice a țesuturilor umane pentru un spectru de frecvență de la 10Hz – 100 GHz :

eq. 2-8

Rata Specifică de Absorbție (Specific Absortion Rate – SAR)

Datorită faptului că radiația electromagnetică interacționează în mod complex cu corpurile biologice, este dificil de evaluat și de cuantificat distribuția absorbției de energie. Cuplarea și transferul energiei în țesuturile iradiate variază în funcție de mulți parametri, cum ar fi caracteristicile electrice ale țesuturilor, precum și de dimensiunea și forma domeniului considerat.

Radiația externă incidentă la structura biologică poate fi exprimată în termeni de amplitudine a componentei de câmp electric sau a componentei de câmp magnetic . Nici unul dintre acești parametri nu este adecvat pentru exprimarea efectelor induse de penetrarea radiației electromagnetice în interiorul domeniului biologic. Densitatea de putere măsoară intensitatea radiației incidente și este definită în cazul radiațiilor electromagnetice de radiofrecvență și microunde ca fiind fluxul de energie normal la suprafața mediului expus iradierii … Ea este un parametru ușor de măsurat și, în general, preferat pentru diferite măsurări externe. Totuși, densitatea de putere este un indicator imperfect al condițiilor ce se creează în interiorul unui mediu biologic.

În această situație se definește un parametru specific denumit „Rata Specifică de Absorbție” (Specific Absorption Rate – SAR) ca fiind variația în timp a cantității elementare de energie absorbită de un element de volum cu densitatea și masa elementară absorbție este:

eq. 2-9

Pornind de la definiție și având în vedere parametrii expuși mai sus, se pot deduce (și sunt prezentate în literatură) mai multe variante de formule pentru calcularea SAR, atât la nivelurile locale, cât și la nivelul întregului corp expus iradierii cu unde electromagnetice .

Măsurarea SAR-ului se face la expunere la câmpuri electromagnetice cu frecvențe între 100kHz și 10 GHz, conform Ordinul nr. 1.193 din 29 septembrie 2006 pentru aprobarea Normelor privind limitarea expunerii populației generale la câmpuri electromagnetice de la 0 Hz la 300 GHz, Emitent: Ministerul Sănătății Publice, publicat în: Monitorul Oficial nr. 895 din 3 noiembrie 2006. Această mărime este frecvent utilizată pentru a măsura puterea absorbită de la telefoanele mobile și în timpul scanării RMN .

Valoarea va depinde în mare măsură atât de geometria corpului care este expus la energia RF, cât și de locația exactă și geometria sursei RF. De aceea încercările trebuie efectuate cu fiecare sursă specificată, cum ar fi un model de telefon mobil, și în poziția de utilizare prevăzută.

De exemplu, atunci când se măsoară SAR-ul unui telefon mobil acesta este plasat lângă cap în poziția de vorbire. Valoarea SAR este apoi măsurată în locația care are cea mai mare rată de absorbție în întregul cap, care, în cazul unui telefon mobil este de multe oricât mai aproape de antena telefonului.

Diferite țări au definit limitele de siguranță pentru expunerea la energie de radiofrecvență produse de dispozitivele mobile pentru expunerea întregului corp, a capului sau a unei părți din corp la energie RF.

Statele Unite: FCC impune catelefoanele vândute să aibă un nivel al SAR-ului sub calculat pe un volum care conține o masă de 1g de țesut.

Uniunea Europeană: CENELEC preciza limite SAR în cadrul UE, în urma standardelor IEC: Pentru telefoanele mobile, precum și pentru alte dispozitive portabile, limita SAR este de mediat peste 10g de țesut (IEC 62209). Pentru RMN limitele (descrise în IEC 60601-2-33) sunt puțin mai complicate de definit .

Concluzii

ca și concluzie este faptul că se impune introducerea unor termeni și noțiuni pentru a putea vorbi despre efectele radiațiilor electromagnetice asupra organismelor vii și pentru a putea efectua calculele necesare:câmpul electromagnetic, proprietățile dielectrice ale mediilor biologice ce compun organismele vii; Rata Specifică de Absorbție (SAR – Specific Absorption Rate).

factorii care intervin în interacțiunea dintre câmpul electromagnetic și un corp biologic sunt: proprietățile dielectrice ale țesuturilor biologice ce compun organismele vii, dimensiunile geometrice ale țesuturilor, dimensiunea corpului L relativ la lungimea de undă, curbura suprafeței corpului, proprietățiile sursei de câmp electromagnetic, durata expunerii.

Bibliografie:

Capitolul 3: Modelarea numerică bazată pe discretizarea ecuațiilor câmpurilor variabile prin metoda integralelor finite (FIT), în analiza pătrunderii câmpului electromagnetic în model de cap uman de adult și copil, în condițiile utilizării telefonului celular

Capitolul 3: Modelarea numerică bazată pe discretizarea ecuațiilor câmpurilor variabile prin metoda integralelor finite (FIT), în analiza pătrunderii câmpului electromagnetic în model de cap uman de adult și copil, în condițiile utilizării telefonului celular

În acest capitol se prezintă calculul dozei de câmp electromagnetic indus de către un telefon celular într-un model de cap. Trebuie să se ia în considerare următoarele elemente:metoda matematică folosită pentru a efectua modelarea, dependența de facilitățile de calcul de care se dispune; în funcție de acest ultim element se impune și partiționarea domeniului geometric reprezentat de craniul uman; geometria antenei de emisie: monopol, dipol, elicoidală, internă sau alte configurații; relația dintre dimensiunea craniului (cap de copil – cap de adult) și frecvența de emisie a aparatului; particularitățile geometrice ale capului uman și proprietățile dielectrice ale diverselor domenii care îl compun (pielea, osul cutiei craniene, materia cerebrală);

Introducere

Pentru a putea calcula doza de câmp electromagnetic indus de către un telefon celular într-un model de cap trebuie să se ia în considerare următoarele elemente:

metoda matematică folosită pentru a efectua modelarea, dependența de facilitățile de calcul de care se dispune; în funcție de acest ultim element se impune și partiționarea domeniului geometric reprezentat de craniul uman;

geometria antenei de emisie: monopol, dipol, elicoidală, internă sau alte configurații;

relația dintre dimensiunea craniului (cap de copil – cap de adult) și frecvența de emisie a aparatului;

particularitățile geometrice ale capului uman și proprietățile dielectrice ale diverselor domenii care îl compun (pielea, osul cutiei craniene, materia cerebrală);

În principiu câmpurile interne ce apar în urma iradierii electromagnetice a obiectelor, pot fi calculate rezolvând ecuațiile lui Maxwell. În practică acest lucru este foarte dificil în cazul sistemelor/structurilor biologice și se poate realiza doar în cazuri particulare. Datorită complexității matematice a calculului SAR, în vederea obținerii dependenței pe întregul corp de frecvență, poate fi utilizată o anumită tehnică ce constă în aplicarea unei metode de calcul pe un anumit model teoretic al obiectului biologic. [4]

Metodele sunt aplicabile atât în cazul expunerii în câmpul îndepărtat (aproximația undei plane) cât și în câmpul apropiat al unui radiator.

Dintre metodele de calcul amintim:

metoda iterativă a condiției de frontieră extinsă (iterative extended – boundary – condition method, IEBCM) aplicabilă pentru câmpuri de până la 400 MHz, pe modele de corp uman de forma elipsoid de rotație;

metoda aproximației cilindrice aplicabilă pentru câmpuri cu frecvențe între 500 – 7000 MHz în cazul polarizării E a câmpului și respectiv cu frecvențe între 100 – 7000 MHz în cazul polarizării H; metoda se aplică pe modele cilindrice ale corpului uman;

metoda momentelor cu utilizarea soluției ecuației integrale (de suprafață sau de volum) a funcției Green pentru câmpul electric; metoda este aplicabilă până la frecvențe de cca. 400 MHz și se aplică pe modele de corp uman constituit din celule cubice; [5]

metoda ecuației integrale de suprafață este utilizată pentru calculul valorii medii a SAR în principal pentru polarizarea k a câmpului, pentru frecvențe de până la 400 MHz și pe modele de corp uman formate din cilindri care au la capete emisfere.

metoda transformatei Fourier rapide bazată pe faptul că ecuația integrală a câmpului electric este în forma unei integrale de convoluție;

metoda diferenței finite în domeniul timp (The Finite Difference Time Domain Method – FDTD) care în ultima vreme a devenit cea mai utilizată metoda numerică în bioelectromagnetică; [4, 6]

metoda diferenței finite în domeniul timp dependență de frecvență (The Frequency – Dependent Finite Difference Time Domain Method – (FD)2TD) se utilizează în cazul expunerilor în câmpuri electromagnetice de bandă ultralargă în impulsuri scurte; [4, 7]

metoda relațiilor empirice pentru iradierea în vid se poate folosi pentru un domeniu mai larg de frecvențe, de până la 10 GHz, și pentru polarizări E ale câmpului electromagnetic.

Permitivitatea electrică a țesuturilor biologice variază cu frecvența câmpului incident. Calculul SAR pe diverse modele a revelat faptul că în general SAR nu variază foarte sensibil cu frecvența.

Dozimetric mai pot fi definiți și alți parametri elocvenți pentru absorbția de energie de către un material/obiect. Un exemplu este secțiunea transversală de absorbție – Absorption Cross Section (AC), care reprezintă raportul dintre puterea totală absorbită de obiectul expus iradierii electromagnetice (având masa M) și densitatea de putere incidentă:

eq. 3-1

Secțiunea transversală de absorbție relativă – Relative Absorption Cross Section (RAC) reprezintă raportul între AC și secțiunea transversală geometrică G a corpului iradiat, proiectată pe un plan perpendicular pe direcția de propagare a câmpului. RAC este o mărime adimensională și indică abilitatea corpului de a absorbi energie electromagnetica:

eq. 3-2

Calculele efectuate pe modele elipsoidale pentru corpul uman indică faptul că RAC este o funcție ce depinde puternic de frecvență și de forma geometrică a obiectului biologic expus [4]

Modele de structuri biologice utilizate în dozimetria numerică

Distribuția câmpului electromagnetic (și a SAR) în structurile biologice iradiate depinde atât de constanta dielectrică -, conductivitatea electrică -, configurația sursei de radiație cât și de factorii geometrici ai obiectului iradiat. Atunci când raza de curbură a obiectului țintă este mare în comparație cu lungimea de undă a radiației și cu lărgimea fasciculului, dozimetria numerică utilizează modele tisulare plane. În toate celelalte cazuri trebuie alese modele de structuri care să aproximeze cât mai bine caracteristicile geometrice ale structurilor biologice reale.

Tipurile de modele pe care s-a lucrat până în prezent în tandem cu metodele numerice prezentate anterior: [4, 8]

geometrii tisulare plane:

straturi semiinfinite;

straturi multiple;

corpuri de revoluție:

modele sferice;

modele elipsoid de rotație;

modele formate din celule de dimensiuni mici:

modele realiste ale corpului uman;

modele formate din celule cubice – modelele utilizate au înălțimea de 1,75 m, sunt constituite din 200 ÷ 1000 celule cubice, pot fi omogene sau neomogene, alegându-se valori diferite ale permitivității electrice complexe pentru fiecare celulă sau grup de celule; aceste modele permit determinarea SARmedie pe întregul corp;

modele bazate pe diagramele secțiunilor transversale anatomice;

modele cu rezoluție milimetrică bazate pe scanări ale imaginilor de rezonanță magnetică ale corpului uman. [8]

Este imposibil de măsurat direct valoarea pe întregul corp în cazul expunerii omului, însă metodele numerice aplicate pe diverse modele de corp uman au condus la stabilirea unei baze de date suficiente. În acord cu aceste date s-a putut realiza legătura cu valorile densității de putere ale câmpului extern pentru care se obține o anumită valoare a ,iar standardele de protecție a expunerii pot face astfel referiri la valorile limită acceptabile pentru câmpul extern. [10]

Utilizarea metodei integralelor finite (FIT – Finite Integration Tehnique) pentru determinări dozimetrice

Pentru simulare a fost utilizat programul CST STUDIO SUITE 2011. Acest program este un simulator electromagnetic bazat pe tehnica integrării finite (FIT), tehnică propusă pentru prima oară de Weiland în anul 1976/1977. [11]

Această metodă numerică oferă un sistem universal de discretizare spațială aplicabilă în diverse scenarii electromagnetice, cuprinzând calculele câmpului electrostatic pentru aplicații de înaltă frecvență, în timp sau în domeniul frecvență. În secțiunea următoare principalele aspecte ale acestei proceduri sunt explicate și extinse la formele de specialitate cu privire la diferite tipuri de „solver-e”.

Spre deosebire de majoritatea metodelor numerice, FIT discretizează următoarea formă integrală a ecuațiilor lui Maxwell în locul celei diferențiale:

eq. 3-3

eq. 3-4

eq. 3-5

eq. 3-6

Pentru a rezolva aceste ecuații numeric, trebuie definit un domeniu de calcul finit, anexând problema cererii luate în considerare. Crearea unui sistem de tip „mesh” adecvat împarte acest domeniu în mai multe elemente mai mici, sau celulele dispuse în grilă.

Primul sistem de tip „mesh” poate fi vizualizat în CST Suite Studio în „Mesh View”, cu toate acestea, pe plan intern, un al doilea sistem este setat perpendicular pe primul. Discretizarea spațială a ecuațiilor lui Maxwell este în cele din urmă bazată pe aceste două sisteme de rețea ortogonale, unde gradele de libertate sunt introduse ca valori întregi. În figura 3 sunt reprezentate tensiunile de rețea electrică – e și fluxurile magnetice secundare – b ce sunt alocate în grila principală – G. În plus mai sunt reprezentate, fluxurile dielectrice – d, precum și pentru grila magnetică a tensiunilor – h ce sunt definite pe grila secundară – (indicată prin tilda):

Figura 3.1: Grila principală G și grila secundară

Sursa: CST STUDIO SUITE™ 2006

Acum ecuațiile lui Maxwell sunt formulate pentru fiecare dintre laturile celulei, după cum se poate observa în figura 3.1. Având în vedere Legea lui Faraday, integrala pe curbă închisă, de pe partea stângă a ecuației poate fi rescrisă ca o sumă de patru tensiuni de rețea, fără a introduce erori suplimentare. În consecință, derivata fluxului magnetic definită de fațeta celulei primare reprezintă partea dreaptă a ecuației, așa cum este ilustrat în figura de mai jos. Repetând această procedură pentru toate fațetele celulei disponibile rezultă o regulă de calcul, rezultatul fiind o matrice – C:

Figura 3.2: Schema de calcul a matricei C

Sursa: CST STUDIO SUITE™ 2006

Aplicarea acestei scheme la legea lui Ampѐre pe grila dublă, presupune definirea unui operator – . În mod similar, discretizare ecuatiilor divergente rămase introduce operatorii de divergență discretă S și aparținând rețelelor primară și secundară. După cum a fost arătat anterior, acești operatori ai matricei discrete sunt constituiți din elemente '0 ', '1' și '-1', reprezentând doar informații topologice. În cele din urmă vom obține un set complet discretizat de ecuatii – ecuațiile matriciale ale lui Maxwell – Maxwell’s Grid Equations (MGEs):

eq. 3-7

eq. 3-8

eq. 3-9

eq. 3-10

Comparând cu forma continuă a ecuațiilor lui Maxwell se observă asemănările dintre cele două. Încă o dată, trebuie menționat faptul că nici o eroare de discretizare nu a fost introdusă încă. O caracteristică remarcabilă a FIT este că proprietățile importante ale operatorilor gradientului, rotorului și divergenței continue se desfășoară în spațiul grilei:

eq. 3-11

eq. 3-12

La acest punct este de menționat că, chiar discretizarea spațială a unui algoritm numeric ar putea cauza instabilitate pe termen lung. Cu toate acestea, pe baza relațiilor fundamentale prezentate, se poate arăta că formularea FIT nu este afectată de astfel de probleme, deoarece setul de MGEs menține energia. [12]

În cele din urmă, relațiile ce lipsesc ale materialelor vor introduce erori numeric inevitabile, din cauza discretizării spațiale. Pentru definirea relațiilor necesare între tensiuni și fluxuri trebuie ca valorile lor integrale să fie armonizate pe marginile grilei și respectiv a zonelor de celule. În consecință, coeficienții rezultați depind de parametrii medii ai materialului, precum și de rezoluția spațială a rețelei și sunt cuprinse din nou în matricele corespondente:

eq. 3-13

eq. 3-14

eq. 3-15

Acum, toate ecuațiile matriciale sunt disponibile si se pot rezolva problemele de câmp electromagnetic pe spațiul grilei discrete .

Antene utilizate in telefoanele celulare

Scurtă introducere în domeniul antenelor

Modelul clasic a unei linii de radiocomunicație de orice tip conține:

Emițător;

Receptor;

Instalațiile de antenă-fider.

În această structura antenele au rol atât în emisia cât și pentru recepționarea undelor radio. Antenele se contectează de emițător și receptor prin fider care este linia de alimentare (poate fi linia simetrică, nesimetrică sau ghidul de undă) având rolul de a transmite energiei de înaltă frecvență de la emițător la antenă sau de la antenă la receptor.

Energia dată de o sursă de curent pentru a putea fi radiată, trebuie transformată în energie a curenților de înaltă frecvență și pentru a putea transmite informație acești curenți trebuie să fie modulati (modulație de amplitudine, fază sau frecvență). Curenții de înaltă frecvență modulați intră în antenă (figura 3.3) care are rolul de a transforma energia lorîn energia radiată sub forma undelor radio pentru propragare.

Uneori undele radio trebuie să fie radiate numai într-o anumită direcție sau numai într-un anumit plan. La stațiile de radiodifuziune și televiziune este preferabil ca undele să se propage numai de-a lungul suprafeței pământului (în plan orizontal); la stațile terestre pentru legături prin sateliți artificiali ai Pământului, numai în direcția satelitului, la stațiile de radiolocație în direcția țintei etc. Acest lucru definește directivitatea antenei.

Figura 3.3: Schema bloc a instalației de emisie

Totodată antenele funcționează bine numai în banda de frecvențe și cu instalația pentru care au fost proiectate, ele au deci și o selectivitate în frecvență.

Deci rolul antenei de emisie este de a transforma energia curenților de înaltă frecvență în energia undelor electromagnetice și de a asigura radierea acestora în direcții bine determinate.

Misiunea instalației de recepție (figura 6) este de a reproduce semnalul purtător de informație, care a modulat undele radiate de antena de emisie iar în această schemă antena de recepție are rolul de a transforma energia undelor radio, în energia curenților de înaltă frecvență, asigurând în același timp și o selectare a semnalului util.

Figura 3.4: Schema bloc a instalației de recepție

Tipuri de antene

Antenele pot fi clasificate după cum urmează:

1. Antene fir: Acestea sunt antene simple constituite din fire, ale căror formă și lungime determină caracteristicile lor de directivitate și frecvența de operare. Există diferite forme de antene fir incluzând antena dipol, monopol, buclă, elicoidală, rectangulară și dreptunghiulare.

2. Antene de suprafață: Sunt cele mai comune la frecvențele de microunde. Acestea includ antenele horn piramidal, horn conic și ghid de undă rectangular.

3. Antene microstrip: Sunt antene alcătuite din suprafețe plane conductive plasate normal pe substraturi dielectrice. Antenele microstrip sunt de dimensiuni mici, adaptate la suprafețe plane și nonplanare. Ele sunt simplu și ieftin de fabricat utilizând tehnologia modernă a circuitelor imprimate. Aceste antene pot fi mecanic robuste când sunt montate pe suprafețe rigide și versatile în termeni legați de frecvența de rezonanță, polarizație, diagramă și impedanță.

4. Rețele de antene: În rețele de antene un număr de antene identice sunt utilizate în diferite configurații. Distanța între elementele rețelei de antene, faza și amplitudinea semnalului fiecărui element de rețea determină caracteristica de directivitate a rețelei de antene.

5. Antene reflector: Antenele reflector sunt utilizate pentru directivitate înaltă și câștig unde acesta este cerut. Principala utilizare este în comunicațiile terestre și satelitare.

6. Antene lentilă: Aceste antene sunt utilizate pentru a strânge energia incidentă divergentă în scopul de a preîntâmpina împrăștierea în direcții nedorite.

Definiții și parametri ai antenelor

În acest subcapitol sunt prezentate definițiile de bază care vor fi utilizate în următoarele capitole.

Caracteristica de radiație a unei antene este o funcție matematică ori o reprezentare a proprietăților ei de radiație în funcție de coordonatele spațiale. În cele mai multe cazuri, caracteristica de radiație este determinată în regiunea de câmp îndepărtat și reprezentată în funcție de coordonatele direcționale. Proprietățile de radiație includ: densitatea fluxului de putere, intensitatea de radiație, puterea câmpului ori polarizația.

O antenă izotropică este o antenă ipotetică fără pierderi având radiația egală în toate direcțiile. O antenă direcțională este o antenă ce are proprietatea că radiația ori recepția unei unde electromagnetice este mai eficace în anumite direcții decât altele. Acest termen este uzual aplicat pentru o antenă a cărei directivitate maximă este semnificativ mai mare decât a unui dipol jumătate de undă. O antenă omnidirecțională este o antenă ce are caracteristica nedirecțională într-un plan dat și direcțională în orice altă direcție. Un exemplu simplu de antenă omnidirecțională este antena dipol jumătate de undă.

Spațiul din jurul antenei poate fi divizat în trei regiuni. Regiunea de câmp apropiat reactiv este acea porțiune a regiuni câmpului apropiat ce înconjoară imediat antena unde câmpul reactiv este predominant. Pentru cele mai multe antene, frontiera exterioară a acestei regiuni este în mod obișnuit denumită R și este dată de:

eq. 3-16

de la suprafața antenei, unde D este cea mai mare dimensiune a antenei. Pentru a fi valid, D trebuie să fie mai mare, dar comparativ cu lungimea de undă. Regiunea de radiație de câmp apropiat (Fresnel) este acea regiune a câmpului unei antene între câmpul apropiat reactiv și regiunea de câmp îndepărtat (unde câmpurile de radiație predomină și unde distribuția unghiulară de câmp este dependentă de distanța până la antenă). În final, regiunea de câmp îndepărtat (Fraunhofer) este definită ca regiunea de câmp a antenei unde distribuția unghiulară a câmpului este în primul rând independentă de distanța de la antenă. Regiunea de câmp îndepărtat este de obicei caracterizată de o distanță mai mare decât:

eq. 3-17

de la antenă.

Intensitatea de radiație este puterea radiată de antenă per unitatea de unghi solid. Intensitatea de radiație la distanța r este un parametru de câmp îndepărtat și este dat de:

eq. 3-18

unde este vectorul Poynting. Ecuația anterioară poate fi de asemenea scrisă în termenii componentelor câmpului electric, astfel:

eq. 3-19

unde este impedanța proprie a mediului. Puterea totală radiată este:

eq. 3-20

Pentru o sursă izotropică intensitatea radiației este simplu dată de:

eq. 3-21

Directivitatea unei antene este raportul dintre intensitatea radiației pe o direcție dată și media intensității radiației peste toate direcțiile. Media intensități radiației este egal cu puterea radiată de antenă împărțită la 4π. Pentru o sursă nonizotropică se definește ca fiind egal cu raportul dintre intensitatea de radiație în o direcție dată pertru cea a sursei izotrope.

eq. 3-22

Directivitatea totală este suma directivităților parțiale pentru oricare cele două polarizații ortogonale.

eq. 3-23

unde:

eq. 3-24

eq. 3-25

Directivitatea dipolului este iar pentru o sursă izotropică este egală cu 1.

Câștigul absolut al unei antene este definit ca raportul dintre intensitatea, în o direcție dată, și intensitatea radiației ce poate fi obținută dacă puterea acceptată de antenă este radiată izotropic.

eq. 3-26

Pe de altă parte câștigul relativ este raportul dintre câștigul puterii într-o direcție dată și puterea câștigată a unei antene de referință în direcția ei de referință. Puterea totală radiată este legată de puterea de intrare prin:

eq. 3-27

unde este eficiența de radiație a antenei.

Câștigul este legat de directivitate prin:

eq. 3-28

și similar cazul directivității parțiale câștigului total este suma câștigurilor parțiale pentru ambele polarizații parțiale.

eq. 3-29

unde:

eq. 3-30

eq. 3-31

Eficacitatea antenei este produsul eficiența de reflexie , eficiența de conducție și eficiența dielectrică :

eq. 3-32

Lățimea de bandă a unei antene este definită ca domeniul de frecvență în care sunt performanțele antenei, cu respectarea unor caracteristici conform cu standardele specificate.

Polarizația unei antene într-o direcție dată este polarizația undei transmise (radiate) de antenă. Când direcția nu este stabilită, polarizația este dată ca polarizația în direcția câștigului maxim.

Impedanța de intrare a unei antene este definită ca impedanța prezentată de o antenă la capete, sau raportul dintre tensiune și curent la o pereche de borne, sau raportul dintre componentele câmpului electric și magnetic într-un punct [P6]:

eq. 3-33

unde: – – rezistența antenei;

– – reactanța antenei;

Propagarea în spațiul liber

În absența oricăror reflexii sau imagini ecuația de propagare în spațiul liber este:

eq. 3-34

unde:– – puterea recepționată;

– – puterea transmisă;

– – câștigul de transmitere al antenei;

– – câștigul de recepție al antenei;

– – lungimea de undă;

– R – distanța între antena de recepție și antena de transmitere.

În forma logaritmică ecuația 32 poate fi definită ca:

eq. 3-35

Pierderile în spațiul liber (FSL) pot fi definite astfel:

eq. 3-36

Modele de antene utilizate în telefoanele celulare

Antena baston (monopol)

Antena baston, prezentată în figura 7 a fost primul model de antenă utilizat pentru telefoanele celulare. Aceasta este o antenă simplă, ce constă într-un fir metalic, cu o lungime specifică dependentă de lungimea de undă, ușor de produs și cu prețuri de fabricație destul de mici. În studiul care urmează să fie făcut se va folosi un model de telefon generic cu carcasă din metal, cu antenă baston, la 900 MHz respectiv la 1800 MHz. Dimensiunile antenei sunt: a) 80 mm lungime, 1,2 mm raza firului; b) 36,85 mm lungime, 1,2 mm raza firului. Cu toate că antena baston este un element simplu, faptul că este scos în afară considerabil din telefon (aproximativ 8 cm pentru terminalele ce operează în banda GSM) prezintă un aspect inestetic, iar telefoanele sunt mari și destul de grele.

Figura 3.5: Telefon cu antena baston

Sursa: https://ro.pinterest.com/pin/410742428489337275/

Antene elicoidale

Antenele elicoidale, prezentată în figura 8 au apărut pentru a rezolva o serie de probleme inerente ale telefoanelor celulare cu antene baston. Prin utilizarea antenei elicoidale, telefoanele celulare au căpătat un aspect mai compact, telefoanele au devenit mai mici și mai elegante și au devenit mai rezistente la impact.

În studiul care urmează să fie făcut se va folosi un model de telefon generic cu carcasă din metal, cu antenă elicoidala, la 900 MHz. Dimensiunile antenei sunt: 32 mm lungime, pasul 9,5 mm, diametrul 10 mm și diametrul firului 1 mm.

Figura 3.6: Telefon cu antena elicoidală

Sursa: https://ro.pinterest.com/twinndes/old-cell-phones/?lp=true

Antene interne

Importanța crescută pentru îmbunătățirea aspectului telefoanelor celulare precum și pentru creșterea robusteții au condus la apariția antenelor plasate în interiorul telefoanelor celulare. Acestea, prezentate în figura 9, au diferite forme, sunt dual band și de obicei sunt plasate în partea din spate. Astăzi majoritatea terminalelor ce sunt vândute utilizează antene interne. În studiul care urmează să fie făcut se va folosi un telefon real la 900 MHz cu antenă internă (patch) [K1].

Figura 3.7: Telefon cu antenă internă

Sursa: http://www.androidguys.com/2017/04/24/top-7-features-to-look-for-in-a-new-phone/

Modelarea a patru telefoane celulare cu diferite tipuri de antene care emit în unda continuă pe 900 MHz și 1800 MHz

Pentru cele patru tipuri de telefoane se calculează parametrii antenei, valorile câmpului apropiat și radiația din câmpul îndepărtat. Toate cele patru telefoane în proiectare vor urma aceeași pași.

Etapele de lucru:

modelarea carcasei telefonului;

modelarea antenei telefonului;

modelarea sursei și adăugarea senzorilor;

setarea parametrilor grilei și a tipului de material pentru fiecare element solid modelat (carcasa și antena se setează ca fiind conductori perfecți pentru primele trei telefoane iar pentru al patrulea sunt elemente conductori perfecți și elemente dielectrice (plastic cu următoarele proprietăți dielectrice: , , , ;

setarea parametrilor de procesare și a proprietăților de material (senzorul de câmp apropiat se setează pe reprezentare în domeniul frecvență, senzorul FD al sursei se setează pe reprezentare fazorială, senzorul de câmp îndepărtat și senzorul TD al sursei se setează pe reprezentare în domeniul timp).

Modele de telefoane pentru care urmează să se realizeze studiul sunt următoarele: telefon generic cu antenă baston la 900 MHz, telefon generic cu antenă baston la 1800 MHz, telefon generic cu antenă elicoidală la 900MHz, telefon real cu antena internă (patch). Acestea sunt prezentate în figura 3.8.

Figura 3.8: Modelele de telefoane utilizate la simulări: (a) cu antenă baston la 900 MHz, (b) cu antenă baston la 1800 MHz, (c) cu antenă elicoidală la 900 MHz, (d) cu antena internă (patch)

În figura 3.9 sunt reprezentate: telefoanele cu senzorii de câmp și zona de interes cu grila de calcul.

(a) (b)

(c) (d)

Figura 3.9: Modelele de telefoane celulare cu grila spațiala atașată (a)Telefon generic cu antenă baston la 900 MHz, (b) Telefon generic cu antenă baston la 1800 MHz, (c)Telefon generic cu antenă elicoidală la 900 MHz, (d)Telefon real cu antena internă (patch)

Rezultate obținute

Pentru Telefonul cu antenă baston la 900 MHz

Senzorul FD al sursei:

Tensiunea: Real = -7.09646V, Imag.=2.09509V

Intensitatea curentului: Real = – 0.0576839A, Imag.= – 0.039439 A

Impedanța: Real = 55.29 Ω, Imag. = -82.0756 Ω

SWR = 3.84037

Puterea: Real = 0.163304 W, Imag. = 0.020056 W

Senzorul TD al sursei:

Senzorul setat pe domeniul timp indică variația temporală a semnalului aplicat la sursă (tensiunea – figura 3.10a și curentul figura 3.10b).

Figura 3.10: Tensiunea aplicată la sursă

Figura 3.11: Curentul la sursă

Pentru telefonul cu antenă baston la 1800 MHz

Senzorul FD al sursei:

Tensiunea: Real = – 5.45553V, Imag. = 1.3154 V

Intensitatea curentului: Real = -0.0904107 A, Imag. = – 0.0221227 A

Impedanța: Real , Imag.

Puterea: Real Imag.

Senzorul TD al sursei:

Senzorul setat pe domeniul timp indică variația temporală a semnalului aplicat la sursă (tensiunea – figura 3.11a și curentul – figura 3.11b).

Figura 3.12:a) Tensiunea aplicată la sursă b) Curentul la sursă

Pentru telefonul cu antenă elicoidală la 900 MHz

Senzorul FD al sursei:

Tensiunea: Real , Imag.

Intensitatea curentului: Real , Imag.

Impedanța: Real , Imag.

Puterea: Real Imag.

Senzorul TD al sursei:

Senzorul setat pe domeniul timp indică IVariația temporală a semnalului aplicat la sursă (tensiunea – fig. 4.15 a și curentul – fig. 4.15 b).

Figura 3.13:a) Tensiunea aplicată la sursă b) Curentul la sursă

Pentru telefonul real cu antenă internă baston la 900 MHz

Senzorul FD al sursei:

Tensiunea: Real , Imag.

Intensitatea curentului: Real , Imag.

Impedanța: Real , Imag.

Puterea: Real Imag.

Senzorul TD al sursei:

Senzorul setat pe domeniul timp indică IVariația temporală a semnalului aplicat la sursă (tensiunea – fig. 4.16 a și curentul – fig. 4.16 b).

Fig. 4.16 a Tensiunea aplicată la sursă Fig. 4.16 b Curentul la sursă

Senzorul de câmp apropiat:

(a) (b) (c)

Fig. 4.17 Modulul componentei electrice normalizat la valoarea maximă, pentru telefonul generic cu antenă baston la 900 MHz, în planul (a) yOz (b) xOz, (c) xOy

(a) (b) (c)

Fig. 4.18 Modulul componentei electrice normalizat la valoarea maximă,
pentru telefonul cu antenă baston la 1800 MHz în planul (a) yOz (b) xOz, (c) xOy

(a) (b) (c)

Fig. 4.19 Modulul componentei electrice normalizat la valoarea maximă,
pentru telefonul cu antenă elicoidală la 900 MHz în planul (a) yOz (b) xOz, (c) xOy

(a) (b) (c)

Fig. 4.20 Modulul componentei electrice normalizat la valoarea maximă, pentru telefon real cu antenă internă (patch) la 900 MHz în planul (a) yOz, (b) xOz, (c) xOy

Senzorul de câmp îndepărtat:

(a) (b)

(c) (d)

Fig. 4.21 Câmpul electric îndepărtat pentru
(a) telefon cu antenă baston la 900 MHz,
(b) telefon cu antenă baston la 1800 MHz,
(c) telefon cu antenă elicoidală la 900 MHz,
(d) telefon cu antenă internă (patch) la 900 MHz reprezentat în coordonate carteziene

(a) (b)

(c) (d)

Fig. 4.22 Câmpul electric îndepărtat pentru
(a) telefon cu antenă baston la 900 MHz, (b) telefon cu antenă baston la 1800 MHz, (c) telefon cu antenă elicoidală la 900 MHz,
(d) telefon cu antenă internă (patch) la 900 MHz reprezentat în coordonate polare

(a) (b)

(c) (d)

Fig. 4.23 Câmpul electric îndepărtat pentru (a) telefon cu antenă baston la 900 MHz, (b) telefon cu antenă baston la 1800 MHz, (c) telefon cu antenă elicoidală la 900 MHz, (d) telefon cu antenă internă (patch) la 900 MHz

În tabelul nr. 4.1 sunt prezentate valori maxime ale câmpului electric apropiat pentru cele patru modele de telefoane mobile iar în tabelul nr. 4.2 sunt prezentate date de ieșire pentru senzorul de câmp îndepărtat pentru cele patru modele de telefoane mobile.

Tabel nr. 4.1 Datele de ieșire pentru senzorul de câmp apropiat

Tabel nr. 4.2 Datele de ieșire pentru senzorul de câmp îndepărtat

Concluzii

Pentru acest studiu cel legat de prezentarea celor patru modele de telefoane mobile se deduc următoarele concluzii interesante:

pentru toate cele patru modele de telefoane mobile se observă că au caracteristica de directivitate omnidirecțională, deci modelul de antenă nu influențează foarte mult proprietățile de directivitate;

se poate observa că valoarea câmpului radiat de antenele interne este mai mică decât cea radiată de antenele baston respectiv elicoidală;

din punct de vedere constructiv se preferă antenele interne datorită posibilității de reducere a dimensiunilor telefonului acest lucru contribuind la realizarea unui design mai plăcut a acestuia și datorită economicității de material.

Bibliografie:

Miclăuș Simona: Introducere în bioelectromagnetica microundelor, Editura Universității ”Lucian Blaga”, Sibiu 1999;

Ștefănescu Traian: Studiu documentar: Influența undelor electromagnetice asupra organismului uman și măsuri de protecție pentru personalul de exploatare a instalațiilor de radioemisie, Academia Tehnică Militară, București 1996;

Zamfirescu Mihail, Sajin Gheorghe, Rusu Ion, Sajin Maria, Kovaks Eugenia: Efectele biologice ale radiațiilor electromagnetice de radiofrecvență și microunde, Editura medicală, București 2000;

Simona Miclăuș: Determinarea puterii de radiofrecventa absorbită într-un model sferic omogen al capului uman, cu ajutorul teoriei împrăștierii a lui MIE, (http://www.actrus.ro/buletin/1_2003/b16.pdf);

Sadiku Matthew N. O. , Numerical Techniques in Electromagnetics, Second Edition, Boca Raton London New York Washington, D.C. CRC Press;

[1.1] *** Measuring non-ionising electromagnetic radiation (9 kHz – 300 GHz) Revised ECC Recomandation (02)04.

[1.2] *** European Digital Cellular Telecommunications System (Phase 2+) (GSM); Mobile Station (MS) Conformance Specification; Part 1: Conformance Specification, ETSI TS 151 010-1.

[1.3] *** SAREMF – Un proiect pentru implementarea în România a măsurării SAR la terminalele utilizate în telefonia mobilă

[2.1] ZAMFIRESCU M., SAJIN GHE. RUSU I., SAJIN M., KOVACS E.: Efectele biologice ale radiațiilor electromagnetice de radiofrecvență și microunde, Editura Medicală, București, 2000, p. 47.

[2.2] ZAMFIRESCU M., SAJIN GHE. RUSU I., SAJIN M., KOVACS E.: Efectele biologice ale radiațiilor electromagnetice de radiofrecvență și microunde, Editura Medicală, București, 2000, p. 48.

[2.3] SCHWAN H. P., FOSTER K. R.: RF-field interactions with biological systems: Electric properties and biophysical mechanisms, Proceedings of the IEEE, p. 104-113, 1980;

[2.4] GABRIEL S., LAU R. W., GABRIEL C.: The dielectric properties of biological tissue: III. Parametric models for the dielectric spectrum of tissues. Phys. Med. Biol., Vol. 41, p. 2231-2249, 1996;

[2.5] GABRIEL S., LAU R. W., GABRIEL C.: The dielectric properties of biological tissue: III. Parametric models for the dielectric spectrum of tissues. Phys. Med. Biol., Vol. 41, p. 2251-2269, 1996;

[2.6] GABRIEL S., LAU R. W., GABRIEL C.: The dielectric properties of biological tissue: III. Parametric models for the dielectric spectrum of tissues. Phys. Med. Biol., Vol. 41, p. 2271-2293, 1996;

[2.7] GUSTRAU F., BAHR A.: W- band investigation of material parameters, SAR distribution, and thermal response in human tissue, IEEE Transactions on microwave theory and tehniques, vol 50, No10, Octomber 2002;

[2.8] MacLEAN Kathy: Introduction to specific absorption rate standards, Interference Technology, Annual EMC Guide 2004

[2.9] *** European Digital Cellular Telecommunications System (Phase 2) (GSM); Mobile Station (MS) Conformance Specification; Part 1: Conformance Specification, ETSI ETS 300 607-1, p. 1- 18

[2.10] *** European Digital Cellular Telecommunications System (Phase 2+) (GSM); Mobile Station (MS) Conformance Specification; Part 1: Conformance Specification, ETSI TS 100 607-1.

[2.11] *** Digital Cellular Telecommunications System (Phase 2+) (GSM); Mobile Station (MS) Conformance Specification; Part 1: Conformance Specification, EN 300 607-1.

[2.12] *** European Digital Cellular Telecommunications System (Phase 2+) (GSM); Mobile Station (MS) Conformance Specification; Part 1: Conformance Specification, ETSI TS 151 010-1.

[2.13] *** Information technology equipment – Safety – Part 1: General Requirments, MS IEC 60950-1.

[2.14] *** SAREMF – Un proiect pentru implementarea în România a măsurării SAR la terminalele utilizate în telefonia mobil, p. 1-10

[2.15] *** Product standard to demonstrate the compliance of mobile phones with the basic restrictions related to human exposure to electromagnetic fields (300 MHz – 3 GHz), EN 50360:2001

[2.16] *** Basic standard for the measurement of Specific Absorbtion Rate related to human exposure to electromagnetic fields from mobile phones (300 MHz – 3 GHz), EN 50361:2001.

[2.17] http://www.cnbc.com/id/38415460

[2.18] http://www.infoplease.com/science/environment/top-ten-cell-phones-lowest-radiation.html

1. http://new.masinadepresa.ro/extra/59-istoria-telefonului-mobil-de-la-caramizi-la-smartphone

[3.2] *** Norme stabilite în 1982 la Conferința Administratorilor Europeni de Poștă și Telecomunicații

2. CLINCIU M.: Sistemul de telefonie mobilă celulară – GSM

3. SAJIN G., GAVRILOAIE G., SAJIN M., RUSU I.: Absorția câmpului electromagnetic în zona capului uman, Editura Academiei Tehnice Militare, București 2002;

[4] * * * Radiofrequency Radiation Dosimetry Handbook, fourth edition, USAF School of Aerospace Medicine, Aerospace Medical Division, Brooks Air Force Base, cpt. 5 – cpt. 7, last modified, 1997.

[5] CAORSI S., GRAGNANI G.L., PASTORINO M.: Overconstrained Moment-Method (OMoM) Numerical Solutions for Electromagntic Field Prediction in Biological Systems, in: Blank M., ed., Electricity and Magnetism in Biology and Medicine, San Francisco Press, USA, pag. 615-618, 1993.

6. GANDHI O. P.: Some Recent Applications of FDTD for EM Dosimetry: ELF to Microwave Frequencies, in: Klauenberg B.J., Grandolfo M., Erwin D.N., (eds.), Radiofrequency Radiation Standards; Biological Effects, Dosimetry, Epidemiology and Public Health Policy, N.A.T.O. ASI Series: Life Sciences, vol. 274, Plenum Press Corp., New York, pag. 55-87, 1994.

7.  FURSE C. M., CHEN J.-Y., GANDHI O.P.: The Use of the Frequency-Dependent Finite-Difference Time Domain Method for Induced Current and SAR Calculations for a Heterogeneous Model of the Human Body, IEEE Transactions on Electromagnetic compatibility, vol. 36, no. 2, may 1994.

8.LIN J. C., Gandhi O.P.: Computational Methods for Predicting Field Intensity, in: Polk Ch., Postow E. (eds.), Handbook of Biological Effects of EMFs, second edition, CRC Press, Boca Raton, N.Y., pag. 337-402, 1996.

9. MICLĂUȘ S.: Aspecte ale Fenomenului de Absorbtie a Undelor Electromagnetice de Hiperfrecventa in Structurile Biologice, Buletinul stiintific al Academiei Trupelor de Uscat, nr. 2/4, Sibiu, 1997.

10. GARN H., GABRIEL C.: Present Knowledge About Specific Absorbtion Rates Inside a Human Body Exposed to Radiofrequency Electromagnetic Fields, Health Physics, vol. 68, no. 2, febr. 1995.

11.WEILAND, T.: A discretization method for the solution of Maxwell's equations for six-component fields: Electronics and Communication,  (AEÜ), Vol. 31, pp. 116-120, 1977.

12. WEILAND, T.: Time domain electromagnetic field computation with finite difference methods. International Journal of Numerical Modelling, Vol. 9, pp. 295-319, 1996.

13. Petros K. Panayi: Design and comparative performance evaluation of novel mobile handset antennas and their radiative effects on users, October 2000, University of Glamorgan;

Determinarea SAR – ului emis diferite modele de telefoane celulare prin simulare pentru model de cap uman de adult si copil

Prezentare soft utilizat: CST STUDIO SUITE a fost dezvoltat de către firma Computer Simulation Technology AG în colaborare cu diverse universități și instituții. CST MWS utilizează metoda FIT, prezentata in referatul anterior, și permite proiectarea de diverse tipuri de antene, simularea de circuite electrice, circuite de microunde, structuri ghid de undă, proiectarea de diferite tipuri de telefoane mobile virtuale, calcule dozimetrice (SAR).

Parametrii electrici pentru diferite țesuturi, cunoscuți ca și parametri Gabriel, sunt incluși în acest program și sunt rezultatul cercetării în universități din Elveția. Calculatoarele necesare pentru rularea trebuie să fie performante, deoarece necesită mult timp și memorie pentru a putea face o simulare complexă, pe suprafețe mari de calcul.

CST STUDIO SUITE beneficiază de un mediu integrat de disgn care oferă accesul la intreaga gamă de simulari tehnologice. Sistemele și facilitățile de modelare permit simularea și manegementul tuturor sistemelor electromagnetice.

CST MICROWAVE STUDIO este o unealtă specializată în simulări 3D ale câmpurilor electromagnetice și a componentelor de înaltă frecvență.

Construirea modelului de cap 3D de adult si copil

Construirea unui model de cap 3D este un proces fundamental în analiza dozimetriei SAR. O construire corectă a fantomei va fi reflectată direct în acuratețea rezultatelor corectate.

Pentru modelarea capului uman (crearea fantomei) am folosit un program specializat de CAD Autodesk Maya 2014.

Un prim pas în realizarea modelării constă în alegerea punctului de plecare, acesta fiind un model 2D anatomic de referință al capului uman cu vedere frontal, din profil și în poziția ¾ cum este reprezentat în figura nr. 1.

Fig. 1 Model reprezentare 2D cap uman

Modelarea 3D se face prin deformare pornind de la modelul 2D prin utilizarea formelor hexagonale și a triunghiurilor atunci cand acest lucru este necesar. Cu cât avem mai multe poligoane, cu atât modelul va avea o mai mare acuratețe și va fi cat mai aproape de realitate.

Construirea modelului va porni de la o forma primitivă cum ar fi o sferă sau un cub, dupa aceea se vor adauga muchii în zonele de interes ( frunte, Barbie, nas etc.)

În urma modelarii pas cu pas a sferei pe baza modelului anatomic 2D am obținut un mesh al modelul de cap 3D ce va fi utilizat în studiul dozimetriei SAR conform figurii nr. 2.

Fig. 2 Mesh realizat în program de CAD

Adaugarea țesutului este un pas fundamental în realizarea fantomei, deoarece acesta va conține proprietățile de material ale modelului de cap, și este prezentat în figura nr. 3

Fig. 3 Model final de cap 3D reprezentare din 3 unghiuri

In figura nr. 4 se prezinta modelul de cap uman de adul si copil realizate CAD Autodesk Maya 2014. Capul de copil a fost obtinut prin micsorarea capului de adult la jumatate.

Figura .: Fig. 4 Model de cap uman de adult si copil realizate CAD Autodesk Maya 2014 si importate in CST MICROWAVE STUDIO

Pentru a obține modelul de cap conform standardului IEC 62209 au fost setați parametrii dielectrici de țesut. Țesutul celular de creier este aproximat cu o constantă dielectrică și o constantă electrică de pierderi. De asemenea există și modele de fantomă heterogenă ce au în compunere mai multe straturi cu diferiți parametri electrice ce corespund fiecărui țesut celular. Acești parametri electrici variază în funcție de frecvența.

Studiul de caz: 1. Modelarea absorției radiației electromagnetice emise de trei tipuri de telefoane celulare într-un model de cap uman de adult

Pasul 1 Modelarea a 3 telefoane celulare cu diferite tipuri de antene care emit în unda continuă pe 900 MHZ

– modelarea carcasei telefonului;

– modelarea antenei telefonului;

– modelarea sursei si adăugarea senzorilor;

– setarea parametrilor grilei si a tipului de material pentru fiecare element solid modelat (carcasa si antena se setează ca fiind conductori perfecți pentru primele doua telefoane iar pentru al treilea sunt elemente conductori perfecți și elemente dielectrice (plastic cu următoarele proprietăți dielectrice );

– setarea parametrilor de procesare și a proprietăților de material (senzorul de câmp apropiat se setează pe reprezentare în domeniul frecvență, senzorul FD al sursei se setează pe reprezentare fazorială, senzorul de câmp îndepărtat și senzorul TD al sursei se setează pe reprezentare în domeniul timp).

Modele de telefoane pentru care urmează să se realizeze studiul sunt următoarele: telefon real cu antena internă (patch) la 900 Mhz, telefon generic cu antenă baston la 900 MHz, telefon generic cu antenă elicoidală la 900MHz. Acestea sunt prezentate în figura 5.

(a) b) (c)

Figura 5 a) telefon generic cu antenă baston la 900 MHz b) telefon generic cu antenă elicoidală la 900MHz c) telefon real cu antena internă (patch) la 900 Mhz

Pasul 2: Importul fantomei de cap uman de adult realizata anterior si asezarea telefonului

Acest exemplu conține un arnajament tipic, conform figurii nr. 6, pentru un lot de 3 telefoane mobile la 900 MHz în vederea evaluării dozimetrice SAR.

(a) b) (c)

Fig. 6 Dispunerea modelului de cap si a telefonului mobil a) modelul de cap uman și telefonul cu antena internă patch, b) modelul de cap uman și telefonul cu antena baston, c) cmodelul de cap uman și telefonul cu antenna elicoidală

Modelul utilizat pentru acest reprezintă un model CAD ce a fost importat în CST MWS într-un pas anterior conform figura nr. 4.

Setarea parametrilor de simulare: se folosește o undă sinusoidală cu frecvența de 900 MHz; durata simulării =10 perioade; la frontieră se folosește condiția de absorbție Mur de ordin 2; sursa telefonului este o sursă de tensiune sinusoidală, 10V, 50Ω; senzorul de câmp și senzorul FD al sursei se setează pe reprezentare frecvențială, senzorul TD al sursei se setează pe reprezentare în domeniul timp, parametrii de material utilizați sunt următorii: lichidul care umple fantoma are , , , , , iar învelișul fantomei are iar mediul are , .

Pasul 3 Rezultatele obținute în urma simulării

În figura nr. 7 este reprezentat distribuția SAR (1g) normalizat pentru lotul de telefoane mobile la frecvența de 900 Mhz în modelul de cap uman, în planul Oyz, Oxz, Oxy avand o perspectivă din ansamblu a modelului de cap iradiat.

(a)

(b)

(c)

Figura .: Figura 7 Distributie SAR (1g) normalizată la frecvența de 900 Mhz (vedere în ansamblu) pentru lotul de telefoane mobile a) telefon cu antenă internă patch b) telefon cu antenă baston c) telefon cu antenă elicoidală

În figura nr. 8 este reprezentat distribuția SAR (1g) normalizat pentru lotul de telefoane mobile la frecvența de 900 Mhz în în modelul de cap uman, în planul Oyz, Oxz, Oxy avand o perspectivă directionată pe zona de interes iradiată.

(c)

Figura 8 Distribuție SAR (1g) normalizată la frecvența de 900 Mhz (vederea în plan apropriat) pentru lotul de telefoane mobile a) telefon cu antenă internă patch b) telefon cu antenă baston c) telefon cu antenă elicoidală

În tabelul 1 sunt prezentate valorile mediate pe 1 gram ale SAR – ului obținute de senzorul de câmp apropiat în modelul de cap uman.

Tabel 4.1Tabel nr. 1: Datele de ieșire pentru senzorul de câmp apropiat

În tabelul 2 sunt prezentate valorile mediate pe 10 grame ale SAR – ului obținute de senzorul de câmp apropiat în modelul de cap uman.

Tabel nr. 2: Datele de ieșire pentru senzorul de câmp apropiat

Studiul de caz: 2. Modelarea absorției radiației electromagnetice emis de un telefon celular intr-un model de cap uman de adult si unul de copil

Pasul 1 Modelarea unui telefoan celular cu antena elicoidala care emit în unda continuă pe 900 MHz

– modelarea carcasei telefonului;

– modelarea antenei telefonului;

– modelarea sursei si adăugarea senzorilor;

– setarea parametrilor grilei si a tipului de material pentru fiecare element solid modelat (carcasa si antena se setează ca fiind conductori perfecți.

– setarea parametrilor de procesare și a proprietăților de material (senzorul de câmp apropiat se setează pe reprezentare în domeniul frecvență, senzorul FD al sursei se setează pe reprezentare fazorială, senzorul de câmp îndepărtat și senzorul TD al sursei se setează pe reprezentare în domeniul timp).

Modelul de telefoane pentru care urmează să se realizeze studiul este următorul: telefon generic cu antenă elicoidală la 900MHz. Acestea sunt prezentate în figura 9.

Figura .:Figura 9 Telefon generic cu antenă elicoidală la 900MHz

Pasul 2: Importul fantomei de cap uman de adult realizata anterior si asezarea telefonului

Acest exemplu conține un arnajament tipic, pentru un model de cap uman de adult si un model de cap uman de copil, conform fig. 5, pentru un telefon generic cu antena elicoidala la 900 MHz în vederea evaluării dozimetrice SAR.

(a) b)

Fig. 10 Dispunerea modelului de cap si a telefonului mobil (a) cap de adult (b) cap de copil

Modelele utilizate pentru acest reprezintă un model CAD ce a fost importat în CST MWS într-un pas anterior conform figura 5.

Setarea parametrilor de simulare: se folosește o undă sinusoidală cu frecvența de 900 MHz; durata simulării =10 perioade; la frontieră se folosește condiția de absorbție Mur de ordin 2; sursa telefonului este o sursă de tensiune sinusoidală, 10V, 50Ω; senzorul de câmp și senzorul FD al sursei se setează pe reprezentare frecvențială, senzorul TD al sursei se setează pe reprezentare în domeniul timp, parametrii de material utilizați sunt următorii: lichidul care umple fantomele are , , , , , iar învelișul fantomei are iar mediul are , .

Pasul 3 Rezultatele obținute în urma simulării

În figura nr. 11 este reprezentat distribuția SAR (10g) normalizat pentru telefonul mobil cu antena elicoidala la frecvența de 900 Mhz în modelul de cap uman de adult, respectiv de copil în planul Oyz, Oxz, Oxy.

Fig. 11 Distributia SAR/10g tesut – vedere din profil (a) cap de adult (b) cap de copil

În figura nr. 12 este reprezentat distribuția SAR (1g) normalizat pentru telefonul mobil cu antena elicoidala la frecvența de 900 Mhz în modelul de cap uman de adult respectiv de copil, vedere din perpectiva.

Fig. 12 Distributia SAR/10g tesut – vedere din profil (a) cap de adult (b) cap de copil

În figura nr. 13 este reprezentat distribuția SAR (1g) normalizat pentru telefonul mobil cu antena elicoidala la frecvența de 900 Mhz în modelul de cap uman de adult respectiv de copil, intr-o sectiune prin acestea.

Fig. 13 Distributia SAR/10g tesut – vedere in sectiune in planul Y (a) cap de adult (b) cap de copil

În tabelul 3 sunt prezentate valorile maxime ale SAR – ului obținute de senzorul de câmp apropiat în modelul de cap uman de adult si copil.

Tabel nr. 3: Datele de ieșire pentru senzorul de câmp apropiat

Concluzii

Din simularea efectuată în CST, pentru determinarea valorilor SAR induse de lotul de telefone celulare cu antenă internă, antenă baston, antenă elicoidala se deduc o serie de concluzii, și anume:

valorea maximă a SAR-ului este mare, obținută într-un punct în zona urechii, iar valorea medie ale SAR-ului este 0.968 mW/g. Aceste valorea medie mai redusă se poate explica astfel: din rezultatele obținute și din grafice se poate observa că concentrarea SAR în modelul de cap uman se află grupată în jurul urechii unde se află poziționat telefonul, apoi scade foarte mult în restul capului. De fapt, în mai mult de 80% din volumul capului SAR este mai mic decât 10% din valoarea SAR maximă pentru toate cele patru cazuri, deoarece în timpul propagării energia electromagnetică este rapid disipată;

se poate oberva ca valoarea maxima si media valorilor SAR/10 g este de trei ori mai mare la copil fata de adult, lucru normal deoarece dimendiunile sunt diferite, din acest lucru rezultand ca, copiii sunt mai vulnerabili la efectele radiatiilor electromagnetice emise de telefoanelecelulare.

valorea medie ale SAR (10g) este mai mică decât 2mW/g, deci bazându-ne pe rezultatele obținute în acest studiu, se poate concluziona că valorile standard recomandate sunt satisfăcute (pentru valorile medii) pentru telefoanele modelate si pentru fantoemele modelate.

Bibliografie:

Report on Radiofrequencies and Healh (2009-2010), Scientific Advisor Committee on Radio Frequencies and Health, January 2011;

IARC Classifies Radiofrequency Electromagnetic Fields As Possibly Carcinogenic To Humans, International Agency for Research on Cancer/World Health Organization, 2011.

Health Effects of Exposure to EMF, Scientific Committee on Emerging and Newly Identified Health Risks SCENIHR, 2009;

Gavrilă Gheorghe: Bazele electrotehnicii, Teoria câmpului electromagnetic vol 3, 4, 5, Editura Academiei Tehnice Militară;

Miclăuș Simona: Dozimetria biologică a câmpului de radiofrecvență prin metoda momentelor, Buletinul AFT, Sibiu, 2004;

Zamfirescu M., Sajin Ghe. Rusu I., Sajin M., Kovacs E.: Efectele biologice ale radiațiilor electromagnetice de radiofrecvență și microunde, Editura Medicală, București, 2000, p. 47.

Zamfirescu M., Sajin Ghe. Rusu I., Sajin M., Kovacs E.: Efectele biologice ale radiațiilor electromagnetice de radiofrecvență și microunde, Editura Medicală, București, 2000, p. 48

Sajin, Sajin, Gavriloaia – Absorbtia si efectele undelor milimetrice Editura Medicală, București, 2000

James C. Lin – Biological aspects of mobile communication fields

René Marklein – The Finite Integration Technique as a General Tool to Compute Acoustic, Electromagnetic, Elastodynamic, and Coupled Wave Fields ,

M. Clemens and T. Weiland – Discrete electromagnetism with the Finite Integration Technique;

Marie Fransson SAR simulations with SEMCAD, a new FDTD software package for computational electrodynamics, November 2001

Modelarea numerică în analiza efectelor termice ale expunerii organismului uman la câmpuri de radiofrecvență

Cuprins

Introducere 1

Formularea matematică 3

Formularea numerică 5

Determinarea căldurii induse de un telefon mobil generic într-un model de cap uman expus la un telefon celular generic cu antena baston la 900 MHz 7

Rezultate obținute 10

Concluzii 12

Bibliografie: 12

CAPITOLUL 5: MODELARE NUMERICĂ ÎN ANALIZA EFECTELOR TERMICE ALE EXPUNERII ORGANISMULUI UMAN LA CÂMPURI DE RADIOFRECVENȚĂ

În acest capitol se tratează efectele termice și modelarea numerică a cestora asupra organismului uman. Iradierea corpului uman cu un câmp electromagnetic produce creșterea energiei cinetice a moleculelor, care se va transforma în energie termică. Creșterea temperaturii unui anumit țesut este direct proporțională cu mărimea puterii termice incidente, iar gradul de încălzire rezultat este dependent de vascularizarea țesutului.

Introducere

Iradierea corpului uman cu un câmp electromagnetic produce creșterea energiei cinetice a moleculelor, care se va transforma în energie termică. Creșterea temperaturii unui anumit țesut este direct proporțională cu mărimea puterii termice incidente, iar gradul de încălzire rezultat este dependent de vascularizarea țesutului. Puterea termică disipată în regiunea anatomică vizată este în final transferată întregului organism prin circulația sanguină, dar mecanismele de homeostazie mențin temperatura corpului la valoarea sa normală, când iradierea este locală. În cazul organelor slab irigate sanguin (de exemplu ochiul), preluarea surplusului de energie termică de către restul organismului se face foarte greu, făcând ca aceste organe să fie cele mai sensibile la creșterea temperaturii. Un alt caz critic, însă mult mai grav prin generalitatea sa, este atunci când întreg organismul este iradiat, iar mecanismul de homeostazie nu mai poate stopa creșterea temperaturii, rezultând o creștere generală a temperaturii.

Celulele au în general au o dezvoltare optimală între 36,8C și 37C. Între 38-40C dezvoltarea celulelor este inhibată. La peste 40C, în funcție de timpul de expunere, se produce moartea celulară datorită denaturării termice a componenților celulari, adică degradării ireversibile a conformației spațiale ordonate a biopolimerilor și trecerea lor în conformația „ghem haotic”, așa cum este prezentat în figura 1 [1]. Intensificarea mișcărilor moleculare odată cu creșterea temperaturii determină ruperea legăturilor de hidrogen și anularea celorlalte forțe slabe care mențin structurile de ordin superior ale biopolimerilor. Pierzându-și structura spațială nativă, proprie activităților celulare la care participă, biopolimerii își pierd, în mod evident, și funcțiile, ceea ce implică moartea celulară. Acesta este și motivul pentru care cunoașterea distribuției locale de temperatură este atât de importantă.

Figura 5.1: Denaturarea termică reversibilă (A) și ireversibilă(B) a unei moleculebicatenare de ADN [1]

Experimentele in vitro au evidențiat următoarele caracteristici ale hipertermiei provocate de microunde:

– temperatura de 42C menținută timp de o oră antrenează un nivel aproape total de moarte a celulelor;

– celulele în stare de malnutriție sunt mai termosensibile decât celulele mai bine nutrite;

– celulele hipoxice sunt mai termosensibile decât cele oxigenate normal;

– în cadrul ciclurilor celulare, termosensibilitatea este maximă în faza sintezei de ADN;

– hipertermia poate determina creșterea acțiunii agenților chimici [1, 3].

Încălzirea electromagnetică este larg aplicată în industria alimentară și în prelucrarea unor materiale, precum ceramica și polimeri. De asemenea a fost studiată și utilizată în medicină pentru studiul diatermiei și hipertermiei și în biologie pentru estimarea încărcării termice a radiațiilor non – ionizante și conformitatea cu limitele de expunere. Mai mult, studiul generării și difuziei căldurii, reprezintă o importanță deosebită pentru dispozitivele semiconductoare. Cu toate că FEM a fost tehnica numerică cea mai utilizată pentru simulările electrotermice, metoda FDTD a fost recent foarte bine acceptată.

Modulul termic încorporat în SEMCAD utilizează tehnica FDTD pentru a rezolva ecuația de transfer a căldurii prin aceeași grilă care este utilizată și pentru problema electromagnetică. Pe lângă considerarea puterii electromagnetice absorbite în mediile cu pierderi, SEMCAD permite introducerea altei surse de căldură, controlată în timp. Condițiile de frontieră variază de la regimul temperatură constantă la regimul de convecție.

Formularea matematică

În forma cea mai generală, ecuația transferului de căldură conține un număr de termeni, ce reprezintă diferite procese fizice, este de forma:

eq. 7-1

unde: – este densitatea de masă a corpului analizat ;

– h este entalpia specifică ;

– este viteza ;

– k este conductivitatea termică ;

– T este temperatura ;

– este rata volumetrică a căldurii generate .

Primul termen din partea stângă a ecuației (1) exprimă cantitatea de energiei (căldură) schimbată per unitatea de timp și volum. Următorul termen din aceeași parte a ecuației descrie procesul de convecție în interiorul materialelor.

Termenul reprezintă conducția căldurii în interiorul materiei, în acord cu legea de conducție a lui Fourier, și este legată de procesul de difuzie. Ultimul termen, , reprezintă toate sursele care generează căldură (produc lucru mecanic). Este cunoscut că pentru gazele și lichidele ideale, se poate scrie:

eq. 7-2

unde c este căldura specifică la presiune constantă.

Dacă c este constant, atunci entalpia poate fi scrisă ca:

eq. 7-3

Fără pierderea generalizării, modulul termic din SEMCAD implementează soluția ecuației de transfer a căldurii biologice (BHTE – bio – heat transfer equation), care este un caz special al ecuației (5.1) și are forma:

eq. 7-4

unde: – reprezintă mecanismul de schimbare a căldurii corespunzător perfuziei de sânge, proporțional cu diferența între temperatura sângelui și temperatura țesutului ; parametrul B este proporțional cu perfuzia de sânge în țesut. De fapt, acest termen al ecuației 4 corespunde unei pierderi de căldură, caz în care căldura se consideră că este transferată în întregime instantaneu. Ultimul termen, , al ecuației (4) reprezintă efectul total al surselor de generare a căldurii volumetrice, respectiv energia de bază a metabolismului în organismele vii, puterea electromagnetică absorbită la încălzirea cu microunde sau căldura pierdută prin puterea generată în interiorul dispozitivelor electrice etc. Soluția ecuației (4) necesită asumarea de condiții pe frontieră la suprafața corpului considerat. Condiția de frontieră care este utilizată în SEMCAD este pentru o frontieră convectivă

eq. 7-5

unde: – h este coeficientul de convecție ;

– este temperatura la suprafața corpului considerat ;

– este temperatura mediului înconjurător .

O condiție de frontieră importantă în transferul căldurii este aceea pentru o frontiera radiantă. Radiația căldurii este descrisă de:

eq. 7-6

unde: – este rata de transfer a căldurii emise;

este factorul de emisie a unei suprafeței;

este constanta Stefan-Boltzmann – ;

A este suprafața radiantă.

De obicei calcularea factorului de emisie nu este ușor de efectuat, deoarece aceasta este dependent de material, geometria și temperatura suprafeței. Din acest motiv frontiera radiantă este adesea înlocuită de o frontieră de convecție liniară, descrisă de ecuația (5), cu un coeficient de transfer de căldură echivalent dat de:

eq. 7-7

care este de obicei determinat experimental.

Formularea numerică

Conceptul de discretizare

Soluția analitică a unei ecuației diferențiale precum ecuația 4 este o familie de funcții care descriu modul de variație a variabilei dependente T în raport cu variabilele independente . Soluția numerică a ecuației diferențiale constă într-un set limitat de numere, din care distribuția variabilei dependente T poate fi reconstituită. Astfel când rezolvăm numeric o ecuație diferențială, necunoscutele de bază sunt valorile lui T într-un număr discret de locații (puncte ale rețelei) în domeniul de calcul. Metoda numerică care va fi aleasă să rezolve ecuația diferențială trebuie să asigure un set de ecuații algebrice (ecuații de discretizare) implicând aceste necunoscute, și un algoritm pentru rezolvarea lor. În derivarea ecuațiilor discretizate, trebuie să considerăm un mod (profilul de variație) conform căruia T variază între punctele rețelei. Deși se poate alege o ecuație algebrică pentru a descrie profilul de variație a lui T în întreg calculul, adesea utilizăm segmentele de variație pe porțiuni. Aceste segmente descriu variația lui T numai în regiuni mici și implică valorile în punctele rețelei, existente în cadrul sau în jurul regiunii analizate. În acest mod domeniul de calcul continuu este divizat în subdomenii mici, (elemente), deci este discretizat. Atât metoda diferențelor finite cât și metoda elementului finit, se conformează acestei descrieri generale. Ele diferă în profilul de variație ales și în modul în care ecuațiile discretizate sunt derivate. În metoda elementului finit (FEM) soluția aproximativă constă în valorile T luate în punctele rețelei considerate în conjucție cu profilul (funcții de interpolare) dintre ele. Pe de altă parte, în metoda diferențelor finite (FD), numai valorile T în puncte de rețea specifice constituie soluția numerică, fără o altă referință explicită la cum variază T între ele.

Tehnica numerică utilizată în modulul termic din SEMCAD este metoda FDTD, așa că modulul termic este complet compatibil cu modulul electromagnetic. Pentru a rezolva ecuațiile discretizate cu această tehnică este aleasă tehnica elementului de volum. Ideea tehnicii elementului de volum este să dividă domeniul de calcul într-un număr finit de elemente de volum. Fiecare din aceste volume înconjoară un punct în rețea, (sau nod) unde valoarea lui T este calculată. Ecuația diferențială este integrată peste întreg elementul de volum. Pentru a evalua integrala, trebuie considerat un profil de variație a lui T pe segmente individuale, între noduri. Derivatele obținute ale variabilelor dependente pot fi aproximate prin dezvoltarea în serii Taylor.

Discretizarea ecuației de transfer a căldurii

Derivarea ecuației discretizate pentru problema transferului de căldură tridimensional urmează procedura descrisă anterior. Ecuația discretizată pentru un punct interior devine:

(8)

unde:

Indicii n se referă la pași de timp, iar indicii i, j, k, se referă la poziția nodului temperaturii într-o rețea liniară. Termenul „căldură generată” este reprezentat printr-o valoare medie spațială: , în interiorul elementului de volum dat de produsul al dimensiunilor celulei (în trei dimensiuni).

Distanțele între nodurile de temperatură pe cele trei direcții sunt prezentate în figura 2. Se poate vedea că, la frontiera între două materiale, este necesară, pentru motive de consistență fizică, să se înlocuiască conductivitatea termică cu conductivitatea termică ponderată .

Fig. 2 Geometria rețelei pentru modulul termic [2]

Ultimul termen, în funcție de unul din cele șase noduri vecine, este dat de:

(9)

și poate fi obținut prin substituirea cu „i-1” a lui „i” în ecuația (9). În cazul unei rețele uniforme, distanța între noduri pe o direcție este egală cu dimensiunea elementului de volum în acea direcție, și conductivitatea termică efectivă devine media conductivităților termice a elementelor de volum învecinate. În plus, atunci când domeniul de calcul este omogen, conductivitatea termică efectivă devine conductivitatea termică a mediului care ocupă domeniul de calcul. Derivarea ecuației discretizate pentru nodurile alăturate frontierei exterioare este efectuată prin introducerea nodurilor de temperatură fictivă pe laturile elementului de volum, care nu sunt pe frontieră. Aceste noduri sunt atribuite elementelor de volum de valoare nulă [2].

Determinarea căldurii induse de un telefon mobil generic într-un model de cap uman expus la un telefon celular generic cu antena baston la 900 MHz

Exemplul de calcul utilizat pentru modelarea termică este următorul: Se determină căldura indusă de un telefon mobil generic cu antenă baston la 900 MHz într-un model de cap uman SAM (SAM – Specific Antropomorphic Mannequin), realizată conform cerințelor Comitetului de Coordonare a Standardizării al IEEE (SCC34-SC2) și CENELEC, pr. EN50360. Aceasta corespunde în proporție de 90% cu dimensiunile unui cap de adult, fiind bazată pe un studiu antropomorfic pe personalul lui U.S. Army.

Etapele de lucru:

a. Modelarea:

– modelarea telefonului:

– importul fantomei;

– amplasarea telefonului în poziția de convorbire, în contact cu urechea stângă.

– modelarea sursei și adăugarea senzorilor: se poziționează senzorii de sursă, TD si FD;se pozitioneaza senzorul de camp si cei termici (unul langa ureche si unul in mijlocul modelului de cap)

În figura 3 este prezentat modelul de cap uman (fantoma) cu telefonul generic plasat în contact cu urechea stângă și cu senzorii plasați corespunzător.

Fig. 3 Modelul de cap uman și de telefon celular cu antena baston la 900 MHz utilizat în calcularea temperaturii induse și senzorii aplicați

b. Simularea:

– generarea grilei setarea parametrilor grilei și a tipului de material pentru fiecare element solid modelat;

– setarea parametrilor de simulare: se folosește o undă sinusoidală cu frecvența de 900 MHz; durata simulării =10 perioade; la frontieră se folosește condiția de absorbție Mur de ordin 2; sursa telefonului este o sursă de tensiune sinusoidală, 10 V, 50 Ω; senzorul de câmp și senzorul FD al sursei se setează pe reprezentare frecvențială, senzorul TD al sursei se setează pe reprezentare în domeniul timp, parametrii de material utilizați sunt următorii: lichidul care umple fantoma are , , , iar învelișul fantomei are , , , , iar mediul are , .

Parametrii termali sunt: .

c. Generarea rețelei de calcul

Modelul generat în SEMCAD nu este restricționat de grilă definită în prealabil. Pentru a putea genera o reprezentare numerică clară a modelului, se creează o rețea liniară neuniformă adaptată la detaliile modelului. În SEMCAD se calculează liniile rețelei pornind de la un set de linii de bază. Aceste linii de bază sunt situate la discontinuitățile de material ale modelului și în locațiile senzorilor și sursei. Intervalele dintre liniile de bază sunt umplute cu linii adiționale, prin considerarea unui pas minim și maxim.

În figura 4 este prezentat SAM cu modelul generic de telefon la 900 MHz în dreptul urechii, cu senzorii de câmp apropiat și îndepărtat atașați și cu grila de calcul obținută. Se poate observa că este utilizată o grilă de calcul nesimetrică, mai deasă în zona unde este poziționat telefonul.

Rezultatele obținute sunt prezentate în figura 5, 6, 7.

În figura 5 este reprezentată distribuția temperaturii induse de telefonul celular generic în modelul de cap uman în planurile (a) yOz (b) xOz (c) xOy după 3600 sec și putere de ieșire din antenă de 125 mW. În figura 6 sunt reprezentate variația în timp a temperaturii culese de către senzorul plasat lângă telefon (culoare roșie), respectiv culeasă de senzorul plasat în centrul capului uman (culoare albastră). In figura 7 este reprezentat campul electric indepartat emis de telefonul generic la 900 MHz cu antena baston in prezenta SAM.

Fig. 4 Modelul de creier și de telefon celular utilizat în calcularea temperaturii induse și grila de calcul

Rezultate obținute

(a)

(b)

(c)

Fig. 5 Distribuția temperaturii induse de telefonul celular generic la frecvența de 900 MHz în modelul de cap uman în planurile: (a) yOz (b) xOz (c) xOy după 3600 s

Figura 5.2: Grafic cu variația temperaturii la marginea capului uman, lângă telefon, (culoarea roșie) și în centrul modelului de cap (culoare albastră)

Figura 5.3: Câmpul electric îndepărtat pentru telefon cu antenă baston la 900 MHz in prezenta SAM

Concluzii

Studiul efectuat oferă următoarele concluzii:

din figura 4 se poate observa la distribuția căldurii prin modelul de cap uman că există o încălzire a acestuia cu aproximativ după aproximativ 100s.

valorile obținute de către senzorii locali sunt de în punctul din zona urechii, și de pentru punctul din mijlocul capului uman, pentru o valoare inițială de , rezultând o creștere în ambele locații de aproximativ .

Bibliografie:

Mărgineanu D.G., M.I. Isac: Biofizică, Editura Didactică și Pedagogică , București, 1980.

www.speag.com;

Miclăuș Simona: Introducere în bioelectromagnetica microundelor, Editura Universității ”Lucian Blaga”, Sibiu 1999;

Miclăuș Simona: Dozimetria biologică a câmpului de radiofrecvență prin metoda momentelor, Buletinul AFT, Sibiu, 2004;

Zamfirescu M., Sajin Ghe. Rusu I., Sajin M., Kovacs E.: Efectele biologice ale radiațiilor electromagnetice de radiofrecvență și microunde, Editura Medicală, București, 2000, p. 47.

Zamfirescu M., Sajin Ghe. Rusu I., Sajin M., Kovacs E.: Efectele biologice ale radiațiilor electromagnetice de radiofrecvență și microunde, Editura Medicală, București, 2000, p. 48

Sajin, Sajin, Gavriloaia – Absorbtia si efectele undelor milimetrice Editura Medicală, București, 2000

James C. Lin – Biological aspects of mobile communication fields

René Marklein – The Finite Integration Technique as a General Tool to Compute Acoustic, Electromagnetic, Elastodynamic, and Coupled Wave Fields ,

CAPITOLUL 6: ALCĂTUIRE BAZĂ DE DATE CU VALORI ALE SAR PENTRU DIFERITE TIPURI DE TELEFOANE

Cuprins

Introducere 1

Descrierea echipamentului de încercare 3

Rezultatele măsurărilor 5

Concluzii 24

Bibliografie: 25

CAPITOLUL 6: ALCĂTUIRE BAZĂ DE DATE CU VALORI ALE SAR PENTRU DIFERITE TIPURI DE TELEFOANE

În acest capitol sunt descrise măsurătorile efectuate într-un laborator SAR pentru diferite modele de telefoane celulare. Pentru a obține rezultate corecte metode numerice trebuie trebuie coroborate cu experimente experimente, fără acestea nu se poate valida nimic teoretic. Aparatura utilizată în cadrul măsurătorilot experimentale a fost de ultima generație.

Introducere

Multumesc mult domnului ing. Mihai George pentru sprijinul acordat in realizarea măsuratoriilor prezentate în acest referat.

Poluarea electromagnetică definește prezența în mediul înconjurător a radiațiilor electromagnetice ca elemente nocive, create de către activitatea umană. Poluarea electromagnetică apare oriunde se desfășoară o activitate omenească care face apel la curenți și tensiuni electrice: în locuință, în industrie, în comerț, în transmisiunile de date, radio și TV, în transporturi, în activitățile militare etc. Simțurile umane nu pot percepe câmpurile electromagnetice, cu excepția ferestrei vizibile în care radiațiile sunt detectabile de către ochi, dar faptul ca nu pot fi detectate direct nu înseamnă că aceste radiații nu au o influență nocivă asupra omului.

Pentru determinarea absorției de câmp electromagnetic de către organismul uman se pot utiliza trei tipuri de metode de investigare: metode experimentale, analitice și numerice. Metodele experimentale consumă mult timp, uneori rezultatele sunt supuse hazardului și nu permit o mare flexibilitate în modificarea parametrilor. Evaluarea câmpului conduce la soluții exacte prin folosirea metodelor analitice sau la soluții aproximative prin metodele numerice. Dar pentru a obține rezultate corecte aceste metode trebuie coroborate; fără experimente nu se poate valida nimic teoretic.

Diferite țări au definit limitele de siguranță pentru expunerea la energie de radiofrecvență produse de dispozitivele mobile pentru expunerea întregului corp, a capului sau a unei părți din corp la energie RF.

Statele Unite: FCC impune catelefoanele vândute să aibă un nivel al SAR-ului sub calculat pe un volum care conține o masă de 1g de țesut.

Uniunea Europeană: CENELEC preciza limite SAR în cadrul UE, în urma standardelor IEC: Pentru telefoanele mobile, precum și pentru alte dispozitive portabile, limita SAR este de mediat peste 10g de țesut(IEC 62209-1). Pentru RMN limitele (descrise în IEC 60601-2-33) sunt puțin mai complicate de definit [H5].

În tabelul nr.1 sunt prezentate valorile SAR-ului pentru diferite modele de telefoane din cadrul unor mărci.

Tabel 6.1: Valorile SAR-ului pentru diferite modele de telefoane din cadrul unor mărci [H5]

Descrierea echipamentului de încercare

Sistemul de evaluare dozimetrică SAR folosit în laboratorul de la ICMET Craiova este produs de Satimo, Franța și este model Comosar Twins. Acest sistem cuprinde următoarele componente, prezentate în figura 1, 2, 3:

– Calculator pentru controlul întregului sistem:

CPU: Pentium 4 @ 2.8 GHz / MEMORIE: 512 MB DDR SDRAM

SOFTWARE: Windows XP + MS Office + OpenSAR V3.2

INTERFAȚĂ: GPIB NSI card

Producător: Dell

– Robot 6 – axe: Model: KR5 sVIIx R850; Producător: Kuka

– Controller robot: Model: KRC2sr; Producător: Kuka

– Sistem de achiziție de date: Model: Digital multimeter Keithley 2000; Producător: Keithley

– Sondă de câmp electric: Producător: Satimo

– Fantomă: Producător: Satimo

– Dispozitiv de prindere telefon: Producător: Satimo

– Lichid de simulare, tip „cap”: Producător: Satimo

– Simulator de stație de bază: Model: Universal radio communication tester CMU200; Producător: Rohde & Schwarz

– Power meter: Model: MA24106A; Producător: Anritsu

– Vector network analyzer: Model: VNA Master MS2024A; Producător: Anritsu [J3]

(a) (b) (c)

Fig.1 (a) Robot 6 – axe model: KR5 sVIIx R850 (b) Fantomă umplută cu lichid de simulare, tip „cap” și sondă de câmp electric (c) Calculator pentru controlul întregului sistem+ MS Office + OpenSAR V3.2și analizor de rețea vectorial model VNA Master MS2024A

(a) (b) (c)

Fig. 2 (a) Controller robot Model: KRC2sr + Sistem de achiziție de date: Model: Digital multimeter Keithley 2000 + Simulator de stație de bază: Model: Universal radio communication tester CMU200 + Power meter: Model: MA24106A (b) Fantomă + Dispozitiv de prindere telefon (c) antenă dipol la 900 MHz folosită pentru calibrare și validare

(a) (b) (c)

Fig.3 (a) Fantomă cu telefon LG așezat în dispozitivul de prindere (b) Fantomă cu telefon Nokia așezat în dispozitivul de prindere (c) Fantomă cu telefon Samsung așezat în dispozitivul de prindere

Telefoanele se așează în pozițiile "cheek" și "tilt", la ” urechea “ stângă și la ”urechea“ dreaptă a fantomei și se încearcă la frecvențele GSM 900 MHz si 1800 MHz.

Poziția "cheek" Poziția "tilt"

Figura 6.1: Pozițiile de asezare a telefoanelor

Rezultatele măsurărilor

Condițiile atmosferice și condițiile experimentale de validare a parametrilor electrici pentru soluția salină în momentul măsurării SAR pentru lotul de 5 telefoane mobile sunt prezentate în tabelul 2, 3 iar în tabelul 4 sunt prezentate valorile SAR/10g obținute în etapa de verificare a parametrilor și prin comparare cu valorile de referință din standard sunt validate

Tabelul nr. 2: Condițiile atmosferice

Tabelul nr. 3 Condiții experimentale

Tabel nr. 4: Valoarea medie a SAR pentru antena dipol

În figura 4 se prezintă distribuția de suprafață și de volum a SAR pentru antena dipol în cadrul măsurătorilor de validare a proprietăților electrice a soluției saline, iar figura 5 este reprezentată distribuția SAR de-a lungul axei z

Concluzie preliminară: Rezultatele obținute corelate cu valorile din catalogul date de producător confirmă că parametrii electrici ai soluției saline sunt corecți.

În tabelul nr. 5 sunt prezentate condițiile experimentale pentru măsurarea SAR-ului pentru cele 5 telefoane in pozitiile preentate anterior si la GSM 900 MHz si 1800 MHz

Tabelul nr. 5 Condiții experimentale pentru măsurarea SAR emis de telefonul nr. 1, 2, 3, 4, 5

În figura …. este reprezentată distribuția de suprafață și de volum a SAR-ului pentru telefonul 1, 2, 3 așezat în toate cele patru poziții de măsurare, respectiv în figura 10, 11 pentru telefonul 4, 5 în poziția cheek pentru partea stângă a fantomei pentru GSM 900 MHz

În tabelul 6 se prezintă valoarea medie a SAR/10g pentru telefonul A pentru toate cele patru poziții de măsurare.

Tabelul nr. 6 Valoarea medie a SAR/10 g (mW/g) pentru telefonul LG pentru toate cele patru poziții de măsurare

Concluzie preliminară: Valoarea medie a SAR/10 g pentru telefonul A, în toate cele patru poziții de măsurare este sub valoarea impusă de legislație.

Din figura 6 – 9, se poate vedea că valoarea maximă a SAR-ului se obține în zona urechii (conform scalei de culoare – valoare SAR, culoarea roșie reprezintă valoarea maximă iar albastră valoarea minimă a SAR) după care se poate observa o absorție rapidă a câmpul electromagnetic în fantomă, confirmând rezultatele obținute cu ajutorul simulărilor.

În tabelul nr. 7 se prezintă valoarea medie a SAR/10 g pentru telefonul Nokia în poziția cheek în partea dreaptă a capului.

Tabelul nr. 7 Valoarea medie a SAR/10 g (mW/g) pentru telefonul Nokia în poziția cheek în partea dreaptă a capului

Concluzie preliminară: Valoarea medie a SAR/10 g pentru telefonul Nokia în poziția cheek în partea dreaptă a capului este sub valoarea impusă de legislație.

Din figura 10, se poate vedea că valoarea maximă a SAR-ului se obține în zona urechii (conform scalei de culoare – valoare SAR, culoarea roșie reprezintă valoarea maximă iar albastră valoarea minimă a SAR) după care se poate observa o absorție rapidă a câmpul electromagnetic în fantomă, confirmând rezultatele obținute cu ajutorul simulărilor.

Tabelul nr. 8 Valoarea medie a SAR/10 g (mW/g) pentru telefonul Samsung în poziția cheek în partea dreaptă a capului

Concluzii

În urma măsurătorilor efectuate la ICMET Craiova s-au putut deduce următoarele concluzii:

parametri electrici ai soluților saline utilizate pentru umplerea fantomei au fost determinați corect, în conformitate cu standardele de măsurare;

din studierea valorilor SAR-ului obținute pentru telefonul LG la frecvența de 1800 MHz se poate observa că valoarea pentru poziția cheek este mai mare decât pentru poziția tilt. Acest lucru este explicat de faptul că antena de emisie este puțin mai departe de fantomă în poziția tilt decât cheek;

Din figura 11, se poate vedea că valoarea maximă a SAR-ului se obține în zona urechii (conform scalei de culoare – valoare SAR, culoarea roșie reprezintă valoarea maximă iar albastră valoarea minimă a SAR) după care se poate observa o absorție rapidă a câmpul electromagnetic în fantomă, confirmând rezultatele obținute cu ajutorul simulărilor.

valorile SAR/10 g pentru cele trei tipuri de telefoane (SAR , SAR , SAR ) sunt apropriate atât între ele cât și cu cele obținute în capitolul 5 în simulări. Totodată aceste valori sunt sub valoarea maximă impusă de norme de , concluzia este că metoda experimentală validează simulările.

Bibliografie:

Council Recommendation (1999/519/EC) of 12 July 1999 on the limitation of the exposure of the general public to electromagnetic fields (0 Hz – 300 GHz)”.

European Health Risk Assessment Network on Electromagnetic Fields Exposure. Report on the level of exposure (frequency, patterns and modulation) in the European Union, Part 1: Radiofrequency (RF) radiation February 2009;

Ordinul nr. 1.193 din 29 septembrie 2006 pentru aprobarea Normelor privind limitarea expunerii populației generale la câmpuri electromagnetice de la 0 Hz la 300 GHz, Emitent: Ministerul Sănătății Publice, publicat în: Monitorul Oficial nr. 895 din 3 noiembrie 2006.

Jeler Grigore Eduard, Radu Mihai. Raport de Încercări, ICMET Craiova: Măsurarea ratei de absorbție specifică (SAR) pentru terminalele mobile, 20.05.2010.