Мощность излучения мобильного телефона. Излучают ли смартфоны электромагнитные волны, опасные для здоровья

Игорь Белецкий сделал интересный эксперимент, который наглядно демонстрирует мощность электромагнитного излучения телефона. Многие знают, что в момент в связи с базовой станцией мобильный телефон посылает самый мощный сигнал. В некоторых случаях его пик может достигать 1-2 ватт. Как это увидеть? Для этого нам понадобится обыкновенной светодиод, для большего эффекта в эксперименте использованы крупный супер яркий белый светодиод. Свч диод в данном случае d604. Кусочек провода длиной 8-10 сантиметров.

Диоды соединяются встречно-параллельно методом скрутки, потому что паять свч диоды нельзя. И потом к одному из концов крепится провод антенна. Выглядит все это вот так.

В схеме нет никаких источников питания. Светодиод должен дать свет, только используя энергия электромагнитного излучения вашего смартфона.

Сделаем звонок и приложим к телефону самодельный детектор сигнала. Вызов пошел, и мы можем наблюдать, как передатчик телефона начал подавать сигнал к базовой станции. Световые импульсы очень сильные. Чем дальше будете находиться от станции связи, тем сильнее будет исходящий сигнал вашего телефона.

К сожалению камера снимает с определенной частотой кадров. Многие световые импульсы просто не попадают в кадр. К тому же теряется яркость. В живую светодиод светится практически непрерывно и, действительно, супер ярко. Как же это работает?
Если мы возьмем медную катушку и поднесем к ней магнит, то получится такой же свечение. Другими словами, у нас огромная антенна катушки из тонкого провода с большим количеством витков, и магнитное поле, изменяющееся с низкой частотой.
А в эксперименте маленькая антенна, на магнитное поле изменяется с высокой частотой. И получается тот же результат. Чтобы зажечь такой светодиод, нужно совсем мало энергии. Но, учтите, все же большая ее часть прошла мимо этой маленькой антенны.

Если не получится достать свч диод, просто возьмите самый доступный диод 1n 4148. Соберите по той же схеме и тоже заметите эффект. Ну, правда, не так ярко.

Какой из этого можно сделать вывод? Когда вы набрали номер абонента, дождитесь, когда он ответит. Это будет видно на экране. А потом уже прикладывайте телефон к уху. Мощность сигнала, конечно, мизерная. Но все-таки. Это практически маленькая микроволновка.

Источник: youtu.be/NxZPp6ia8Ts

Ученые: производители обманывают о мощности излучения мобильных телефонов

Для некоторых это может быть не новость, но поколению «смартфонов» излучение сотового телефона может создать большие проблемы.

Согласно новым исследованиям, риск развития рака из-за излучения сотового телефона очень велик. Хотя скептики могут сказать, что доказательства, полученные путём проведения опытов на животных не совсем убедительны, кто захочет пренебречь осторожностью, когда дело касается рака?

Известно, что ионизирующее излучение - например, от рентгеновских аппаратов - может увеличить риск онкологических заболеваний из-за эффекта «дробления», который оно оказывает на клетки. Но риски, связанные с неионизирующим радиочастотным излучением (радиоизлучением) сотовых телефонов измерить сложнее. Как сообщается в Scientific American , радиоизлучение сотовых телефонов точно имеет одно биологическое воздействие: оно нагревает ткани возбуждёнными молекулами.

В ходе недавних исследований, проведённых учёными из Национальной программы по токсикологии (NTP) этот риск был изучен более тщательно. Полученные данные показали, что крысы, подвергавшиеся радиочастотному излучению в течение длительного времени, стали более восприимчивы к развитию редкого типа опухоли, известной как «шваннома». Шваннома - это опухоль из клеток Шванна, которые являются особым типом нейронов в периферической нервной системе. Также были выявлены доказательства других видов рака.

Во время исследования, которое проводилось в течение двух лет, опытам подверглись 3 000 крыс. На сегодняшний день это крупнейшее исследование радиочастотного излучения и рака в США. Учёные NTP воздействовали на животных радиоволнами с частотой 900 МГц и 1900 МГц в течение примерно 9 часов в день с мощностью от 1 до 10 Вт на килограмм веса в «близком радиусе действия», имитируя воздействие на человека сотового телефона.

В результате эксперимента выяснилось, что после излучения с частотой 900 МГц самцы крыс стали более восприимчивыми к злокачественным новообразованиям шванномы сердца. Также были получены доказательства злокачественной глиомы головного мозга у самок крыс. Другие виды рака были очевидны как у самцов, так и у самок, хотя связь была неясной. С другой стороны, у обоих полов после воздействия такого радиационного облучения проявились нераковые виды опухолей.

При частоте 1900 МГц сомнительные признаки рака лёгких, печени и других органов также стали очевидными.

Ещё одно исследование, приведённое итальянскими учёными из , показало, что радиационное излучение при «дальнем радиусе воздействия» также влияет на здоровье крыс. Такой тип воздействия имитировал беспроводное радиоизлучение, которому мы подвергаемся круглые сутки. Интересно, что в этом исследовании были получены аналогичные результаты: у самцов крыс было значительно больше шансов «заработать» шванномы сердца.

Кроме того, прошлые исследования показали, что количество радиации, излучаемой сотовыми телефонами, значительно выше , чем заявляют производители.

Про антенну для тф.

Сотовые телефоны прочно вошли в нашу жизнь, и представить ее без них уже сложно. Отказываться от них полностью бессмысленно, но использовать разумно, максимально снизив вред от излучения — вполне возможно.

О вреде сотовых телефонов ведут споры, одни ученые вносят излучение от них в список факторов влияющих на здоровья, другие следом опровергают. Некоторые говорят, что нормы на излучение очень жесткие и телефоны этим нормам соответствуют. Вот только организм человека существенно не меняется, а нормы разные для разных стран да к тому же меняются со временем. Возьмем, к примеру, нормы на бензин и выхлопы автомобиля. Сначала было ЕВРО2, под которое подходили и старенькие жигули, следом ЕВРО3, 4, 5 где без современного топлива и специальной системы обработки газов установленной в автомобиле, уже не обойтись. Аналогично и с излучениями. Доказано, что сильное излучение вредно. Вред тем больше, чем излучение продолжительнее. На телевышках, локационных станциях и прочих устройствах излучающих электромагнитные волны значительной мощности, запрещается работать без отключения устройства. Вопрос в том, где порог излучения и продолжительность, при котором вред заканчивается. Учитывая роль, которую влияют мобильные телефоны в нашей жизни, отказаться от них полностью нельзя, а вот снизить мощность излучения, его длительность и тем самым вред — способен каждый. Ниже приведена простая инструкция.

Способы снижения излучения от сотового телефона:
– При вызове абонента не держите аппарат возле головы. В режиме GSM, при начале вызова, телефон устанавливает соединение с вышкой сотовой связи на максимальной мощности. Наверняка многие слышали характерный звук от сотового в колонках. Сначала он сильный, затем становится тише или пропадает совсем. Это влияние излучения. При вызове излучение максимальное, после установки связи вышка сотовой связи управляет соединением и посылает команды на снижение мощности передатчика до уровня минимального излучения, при котором связь стабильна.

– Если возможно, не совершайте длительных звонков в местах с плохой связью — когда “мало палок” или абонента плохо слышно явно из-за неудачного места, например в шахте лифта. Естественно в такие моменты телефон излучает больше, пытаясь создать и поддерживать устойчивый канал связи.

– Если Вы используете мобильный телефон для хоть сколько то длительных разговоров, или вынуждены разговаривать в местах неуверенного приема, обзаведитесь Bluetooth гарнитурой. Приличная и при этом не дорогая гарнитура передает звук вам и собеседнику не хуже, чем приложенный к уху телефон. Излучение от нее в 10 раз! (около 2,5 мВт) меньше, чем от телефона работающего в условиях хорошего приема (200 – 250 мВт). Проводная гарнитура не излучает вообще ничего, но не так удобна и не дает отложить телефон подальше.

– По возможности переведите свой телефон в режим UMTS (3G).

UMTS изначально, по стандарту, имеет меньшую максимальную мощность передатчиков. Работая по технологии UMTS, в отличие от GSM, все телефоны общаются с сотовыми вышками в одной полосе частот. Чтобы не создавать помехи друг другу, базовая станция настраивает передатчики на минимально возможный уровень мощности излучения, и контролирует его, более жестко, чем в сетях GSM. Например в UMTS шаг контроля 1 dB, а в GSM 2 dB. При звонке в сети UMTS нет первоначального соединения на максимальной мощности. Принудительное установка в UMTS позволит телефону не переходить в сеть GSM, тратя заряд батареи на регистрацию в сети на высокой мощности, как говорят в народе “поиск сети”. От принудительной установки телефона в режим использования только UMTS (3G) следует отказаться, только если покрытие 3G в местах, где вы бываете, недостаточное и связь пропадает вообще.

– Если Вы знаете, что сигнал будет теряться, и связь в это время вам особо не нужна, например поездка в поезде по просторам нашей родины или в метро, включите режим “полет” или выключите телефон. В таком режиме телефон не будет часто регистрироваться на новых БС по пути следования тратя на это энергию.

– Включайте режим “полет” или вообще выключайте телефон на время сна, если не ждете экстренных звонков. В идеале сон это треть суток которые Вы проведете спокойно, в том числе и без излучения от сотового. Программа Timed Toggles позволит делать это по расписанию, если для телефона получен root.

– Не оставляйте wi-fi в режиме модема, когда это не нужно. В отличие от обычного режима в режиме модема wi-fi постоянно сообщает окружающему миру о наличии точки доступа. Это повышенный расход батареи и естественно повышенное излучение.

– Приходя на работу, учебу, собес, не оставляйте телефон в карманах. На столе и ему будет лучше – более уверенный прием, а значит меньшая мощность передатчика.

– Если телефон быстро разряжается в одном месте, например на работе или дома и нормально ведет себя в других, разберитесь с этим. Возможная причина – это место на границе двух базовых станций одного оператора, относящихся к разным зонам. Если уровень сигнала от станций не очень хороший телефон может постоянно регистрироваться то на одной то на другой БС. Постоянно идет работа передатчика и расходуется заряд батареи. В андройде, в настройках, можно посмотреть использование аккумулятора. Косвенно на такую ситуацию может указывать строка “связь с сетью” занимающая верхние строчки.

Более достоверно проинформирует программа G-MoN и подобные. Параметр LAC не должен меняться, когда вы находитесь в одном месте. Могут помочь консультации с тех. специалистами оператор, если доберетесь действительно к тех. специалистам, а не барышням у которых симки “размагничиваются”. Аналогичная проблема может быть из за ошибки в прошивке, если телефон постоянно регистрируется, то в сети GSM то UMTS. Опять же следует принудительно установить одну из сетей, например UMTS.

– Различные наклейки снижающие мощность излучения – шарлатанство чистой воды. Единственный реальный эффект который от них можно получить при некотором стечении обстоятельств – ровно обратный. Если наклейка металлизирована и ее предлагают наклеить на крышку телефона в район антенны, она может только ухудшить связь с базовой станцией, при плохой связи БС дает команду телефону повысить мощность для поддержания канала.

По сути своей все это простые и легко выполнимые действий, которые помогут не только снизить излучение от сотового телефона, но и экономить заряд батареи.
Удачных звонков!

Смартфоны и мобильные телефоны уже давно стали незаменимым помощником в повседневной жизни человека. С их помощью мы всегда можем связаться с близкими людьми, со знакомыми или по работе - ситуаций много.

Но как известно, любой технический прогресс несёт за собой определённые последствия. Несёт ли вред мобильное устройство для человека?

Как работает мобильный телефон

Сотовый телефон - мобильный телефон, предназначенный для работы в сетях сотовой связи; использует приёмопередатчик радиодиапазона и традиционную телефонную коммутацию для осуществления телефонной связи на территории зоны покрытия сотовой сети. [Wiki ]

Это, по сути, сложное высокотехнологичное электронное устройство мобильной связи. Включает в себя – приёмопередатчик на 2-4 СВЧ-диапазона, специализированный контроллер управления, интерфейсные устройства, дисплей, аккумулятор.

Сотовое устройство постоянно поддерживает связь с различными базовыми станциями. При перемещении смартфон периодически переключается с одной станции на другую, поддерживая наилучший уровень сигнала. Это происходит даже в том случае, когда девайс находится в режиме ожидания (заблокирован экран).

Думаю, не стоит погружаться в сложность технологических процессов по передаче радиосигналов. Постараюсь рассказать базовые вещи «на пальцах».

Стены здания сохраняют радиоволны в диапазоне 1-2 ГГЦ, понижая мощность сигнала на 10-20 дБ, т.е. в 10-100 раз. Из-за особенностей стандартов связи не всякая дополнительная мощность может стать доступной при выносе телефона наружу.

Затухание радиоволн пропорционально квадрату пройденного расстояния. Что это значит? Допустим, расстояние от антенны плотно прижатой к уху трубки до коры головного мозга составляет 1 см. Тогда, отодвинув трубку от уха на 1 см, вы увеличите расстояние до мозга вдвое, а излучаемая мощность антенны смартфона уменьшится в 4 раза.

Радиоволны, даже такие короткие, как 1800 МГц - поляризованы. По этой причине важно, чтобы передающая и принимающая антенны были ориентированы одинаково (желательно, вертикально). При простом изменении ориентации трубки GSM с вертикальной на горизонтальную, уровень принимаемого от базовой станции сигнала снижается в среднем на 5 дБ (в 3 раза).

Вред от мобильного устройства

Электромагнитное излучение радиочастотного диапазона, генерируемое смартфоном, поглощается тканями головы (мозга, сетчаткой глаза, структурами зрительного и вестибулярного и слухового анализаторов). Причём излучение действует как на отдельные органы, так и на всю нервную систему.

Учёные уже не раз доказали, что электромагнитные волны вызывают нагревание тканей. Со временем это сказывается на функционировании всего организма, в частности, на работе нервной, сердечно-сосудистой и эндокринной систем. Многие пользователи могут прикинуть это на себе - бывает ли такое, что вы испытываете на себе неприятный разогрев (хромосомные аберрации) вокруг уха? Наибольшему риску подвержены люди до 30 лет.

Кроме того, учёные утверждают, что дети, пользующиеся смартфонами, подвержены повышенному риску расстройства памяти и сна. Основной причиной является электромагнитное излучение малой интенсивности, способное проникать в более тонкий череп ребёнка. У него, так скажем, экранирование пониженное.

Наговорили вы мне тут ужасов. Как тогда обезопасить себя?

Прежде всего, нужно постараться понизить частоту использования мобильного устройства. К примеру, сократить длительность вызовов до 2-3 минут за раз, а за день - до получаса. Можно использовать громкую связь или беспроводную гарнитуру - там влияние на мозг минимально.

Плохо спите по ночам? Тогда отложите смартфон подальше. Он оказывает влияние на организм даже в режиме ожидания. А при переноске девайса не кладите его в карман, используйте для этого сумку, рюкзак, что угодно - минимальное расстояние до гаджета должно быть не менее 50 см.

Отметим, что в случае экранирования (машина, железобетонное помещение) плотность потока электромагнитного излучения (ЭМИ), воздействующего на человека, многократно усиливается. поэтому старайтесь использовать устройство вблизи окон, пропускающих излучения.

Что ещё важно - не пользуйтесь смартфоном в местах с заведомо плохим уровнем сигнала, таких как метро, лифт, подвал и другие. Там проблема возникает не только в экранировании, но и в частоте поиска оптимального уровня сигнала.

Не прикладывайте смартфон к уху в момент отсутствия или поиска сети. В этот момент излучение выше всего. При выборе гаджета постарайтесь узнать про уровень излучения (SAR) - наименьший показатель будет лучшим.

Расчет мощности излучения сотового телефона, поглощаемой в голове пользователя.

А. Курушин, А. Титов

Расчет мощности излучения сотового телефона, поглощаемой в голове пользователя

Для расчёта ближнего и дальнего полей, излучаемых антенной системой сотового телефона в различных ситуациях его работы, использована программа HFSS.Исследовано влияние положение штыря антенны, открытой и закрытой крышки корпуса, а также покрытия корпуса на диаграмму направленности телефона и мощность, поглощаемую в голове пользователя. В расчёте поглощения мощности в модели головы человека использованы значения модуля электрического поля по линии, проходящей через слои модели головы.

Введение

Моделирование антенной системы сотового телефона реально только с помощью численных методов на электродинамическом уровне. Численные методы решения уравнений Максвелла, с учётом граничных условий, источников, металлических и диэлектрических объектов в пространстве, работают тем точнее, чем большими компьютерными ресурсами располагает исследователь. Добавление в анализируемое пространство тела человека, представляющее собой диэлектрический материал с большими потерями, значительно усложняет задачу. Однако, именно расчёт и уменьшение мощности, поглощаемой в теле человека, сейчас является одной из приоритетных задач проектирования сотового телефона. Норма поглощения мощности, по отношению к весу, опре-деляется величиной 1,6 Вт/кг. Решение этой задачи в настоящее время выполняется чаще всего методом FDTD, реализованном в программах XFDTD, FIDELITY и другими. Ниже показано, как можно применить для решения этой задачи более доступную программу HFSS (High Frequency Structure Simulator). Объектом анализа является сотовый телефон TM510 фирмы LE Electronics.

На рис. 1 показан вид сотового телефона с открытой крышкой-экраном LCD (Liquid Crystals Dysplay). Считаем, что для электромагнитных волн экран LCD является металлом. Корпус телефона состоит главным образом из экранирующих металлических слоёв и покрыт сверху пластиком LEXAN ( = 2,9, tg D = 0,006 (8,5 ГГц)) толщиной до 3 мм.

Рисунок 1. Вид сотового телефона с открытой крышкой и закрытой крышкой с LCD

Металлический корпус телефона сам по себе имеет сложную форму, поскольку в нём имеются функциональные лакуны сплошного металлического корпуса. Один из таких важных прорывов находится в месте антенны. Поэтому при моделировании телефона в первую очередь строится металлический корпус, в одной из точек которого пропускается вывод антенны.

В реальной конструкции телефона антенна подключена через фильтр к выходу усилителя мощности. Однако в модели, построенной в программе HFSS 1 , антенна запитывается снизу через коаксиальный кабель, поскольку одним из допущений HFSS является то, что мощность может либо излучаться либо поглощаться через плоскости, которые окружают анализируемое устройство.

Антенна анализируемого телефона спиральная, состоящая из двух последовательных секций - с редким и с частым шагом. Такая спиральная антенна предназначена для работы в двух частотных диапазонах. Антенна покрыта материалом с = 2,2 (тефлон).

Модель сотового телефона состоит из корпуса и антенной системы, в которую входит спиральная антенна и несимметричный вибратор (штырь), включенные параллельно.

Расчет удельной мощности поглощения

По определению, величина удельной поглощаемой мощности (SAR - Specific Absorption Rate) в пространстве :

где - проводимость материала в данном объёме, См/м; Е - напряжённость поля, В/м; þ - удельная плотность вещества, кг/м3.

Формулу (1) можно использовать, если известны значения Е в интересующих точках модели головы. Анализ поля можно ограничить точками, наиболее близко расположенными к антенной системе, или по наиболее характерным направлениям. Такими направлениями в анализе выберем линии, идущие перпендикулярно корпусу телефона и на высоте, близкой к высоте антенны.

В работе используется трёхслойная модель головы человека (табл. 1).

Таблица 1. Параметры трёхслойной модели головы человека для частот 0,9 и 1,9 (в скобках) ГГц

Вещество	Толщина, мм	Радиус границы сферы, мм	Относительная диэлектрическая проницаемость,	Проводимость слоя, См/м	tg D	Плотность слоя кг/м 3
Мозг		48	53 (46)	1,1 (1,7)	0,415 (0,369)	1030
Кость	3		9 (8)	0,06 (0,1)	0,133 (0,125)	1800
Кожа	1		59 (46)	1,3 (1,9)	0,44 (0,41)	1100

В литературе можно найти и другие, более подробные модели головы . В программе HFSS с помощью операций объединения и вычитания трёхмерных объектов с заданной проницаемостью и проводимостью можно построить модель головы любой сложности.

Метод анализа

Программа HFSS для расчёта электромагнитного поля во всех точках анализируемого пространства использует метод конечных элементов (FEM).

Анализируемое пространство делится на театраэдры, и решается система уравнений для неизвестных (величины электрического и магнитного полей в вершинах тетраэдров).

Методика расчёта мощности, поглощаемой в голове пользователя, с помощью программы HFSS, состоит в использовании специального режима вывода величины поля - вдоль линии (LINE), пересекающей слои головы насквозь. В этом режиме можно рассчитать зависимость модуля поля от координаты удаления от антенны.

Погрешность метода конечных элементов, реализованного в программе HFSS, связана с тем, что разбиение на неодноразмерные тетраэдры даёт скачки напряжённости поля в промежуточных точках, поскольку в методе конечных элементов производится сшивание и выравнивание величин поля только в определённых точках пространства.

Поэтому поле, которое, предположительно, должно плавно спадать при удалении от источника, может дать скачки в решении, если разбиение грубое. При внесении в анализируемое пространство объекта, например, модели головы, эта погрешность может быть уменьшена, так как вершины тетраэдров (>рис. 3) располагаются на границе слоёв головы.

Рисунок 2. Телефон с открытой крышкой. Исходная конструкция телефона для анализа

Рисунок 3. Электрическое поле вблизи антенны, состоящей из секции с редким шагом и секции с частым шагом. Сверху виден штырь. Разбиение на тетраэдры показано в вертикальном сечении всего анализируемого пространства. Справа видны контуры сферы - модели головы

Расчет ближнего поля антенной системы сотового телефона

Ближнее поле антенной системы чаще всего носит реактивный характер, то есть направление перемещения мощности (вектор Пойнтинга) вблизи излучаемого объекта не обязательно по радиальной линии от точки излучения. Границей ближнего и дальнего полей считается дистанция, начиная с которой плоская волна распространяется строго от антенны.

Для получения информации о ближнем поле, необходимо с помощью постпроцессора вывести картину поля в сечении заданной плоскости. В этом случае программа HFSS также рассчитывает максимальное поле в какой-то точке (эту точку можно определить визуально по цвету) на этой плоскости.

Режим анимации постпроцессора влияет на свойства картины поля, но не влияет на значение максимальной его напряжённости. Ползунок регулирует только на соотношение цветов, создавая впечатление движения поля через плоскость.

Итак, для расчёта ближнего поля определяем несколько плоскостей, лежащих на удалении от задней крышки корпуса сотового телефона.

Анализ исходной структуры сотового телефона

Исходная структура (с закрытой крышкой и с вставленным штырём антенны) даёт результаты расчёта напряжённости поля, приведённые в табл. 2.

Таблица 2. Максимальные напряжённости поля в точках плоскостей, расположенных в сечениях при удалении от корпуса сотового телефона

Имя плоскости	Удаление от корпуса, мм
		F = 1,2 ГГц	F = 1,95 ГГц
SAR_18 max	18	519	1166,3
SAR_24 max	24	660,3	581,2
SAR_26 max	26	808,2	692,7
SAR_30 max	30	148,8	363,8
SAR_100 max	100	87,5	250,7

Эти данные являются исходными, относительно которых рассчитываются поля и характеристики системы при изменении конструкции телефонной трубки. Пояснения результатов (табл. 2) приведены на рис. 4, где показаны две плоскости на удалении 18 и 100 мм от ближайшей стенки корпуса сотового телефона и картина поля в этих плоскостях, на которых можно найти точки с максимальной напряжённостью.

Рисунок 4. Картина напряжённости электрического поля в различных плоскостях, рассекающих модель головы. Постпроцессор программы HFSS

Диаграммы направленности в азимутальной и угломестной плоскостях рассчитаны для нескольких положениё по азимуту (для угломестной ДН) и для нескольких направлений по углу места (для азимутальной ДН):

Экспериментальные точки для данного телефона получены на специально разработанном фирмой Schmidt&Partners измерителе ближнего и дальнего полей NSI-97.

Анализ антенной системы с открытой крышкой сотового телефона

Телефон с открытой крышкой - другое положение конструкции, имеющее место после получения звонка пользователем и включения телефона на связь. Естественно, что чувствительность телефона не должна падать при открывании крышки. Построим модель, соответствующую рис. 2. Выполним электродинамический расчёт системы и выпишем максимальные напряжённости поля в плоскостях, расположенных на различном удалении от корпуса сотового телефона. Результаты расчёта на HFSS ближнего поля телефона без штыря, но с открытой крышкой, приведены в табл. 3.

Имя плоскости	Удаление от корпуса, мм	Максимальная напряженность поля, В/м
		F = 1,2 ГГц	F = 1,95 ГГц
SAR_18 max	18	1397,4	1715,5
SAR_24 max	24	752,1	727,9
SAR_26 max	26	784,4	668,5
SAR_30 max	30	513,6	564,6
SAR_100 max	100	111,5	107,7

Для сравнения результатов желательно сделать нормировку по отношению к мощности, рассеиваемой антенной системой. Рассеиваемая мощность зависит от степени согласования антенны с источником. Однако, если коэффициент отражения 20log|S11| достаточно низкий, например -10 дБ, то можно считать, что напряжённости поля в зазоре коаксиальной линии во всех расчётах близкие, поскольку отражённая мощность составляет меньше 5%, что может дать такую же погрешность расчёта. Хорошее согласование на одной частоте обеспечить реально, хотя бы с помощью внешней согласующей цепи.

Сравнение табл. 3 с данными табл. 2 показывает, что напряжённость поля возросла при открытой крышке. Но поскольку крышка должна экранировать голову, это несколько неожиданный вывод, объясняемый тем, что вдоль LCD наводятся СВЧ тока, вторичное излучение которых и является источниками повышенной напряжённости поля в объёме модели головы.

Диаграммы направленности при открытой крышке телефона показаны на рис. 7 и 8.

Рисунок 5. Угломестная ДН исходной излучающей структуры

Рисунок 6. Азимутальная ДН антенной структуры

Рисунок 8. Азимутальная ДН

Анализ поля для антенной системы с выдвинутой штыревой антенной показал, что в этом случае поле более равномерно распределено в пространстве, хотя максимум поля расположен ближе к корпусу телефона.

Общий анализ антенной структуры в присутствии модели головы

Модель головы (рис. 9) создана объединением сфер и цилиндров для трёх диаметров, а затем вычитанием одного из другого. В результате получены 3 объекта: покрытие толщиной 1 мм, со свойствами кожи; следующий слой толщиной 3 мм с параметрами кости и далее, в глубину, материал с параметрами мозга.

Рисунок 9. Расположение модели головы и вертикально стоящий сотовый телефон

Такая модель головы в программе HFSS, совместно с сотовым телефоном, имеет следующие параметры расчёта:

• количество элементов - порядка 15000–20000;
• количество неизвестных - порядка 100000–120000;
• требуемая память RAM - до 450–650 MB;
• время счёта одной частотной точки на Pentium-III - 30 мин.

При выводе картины качественного распределения электрического поля можно задать режим логарифмического распределения поля. Картину поля в объёме модели головы можно детально просмотреть и изучить.

Большую ценность несёт информация о распределении поля в сечении плоскости (рис. 10). Такие плоскости можно задать вдоль всей модели головы, но наиболее информативная часть - сечения, ближайшие к корпусу телефона.

Рисунок 10. Распределение ближнего поля в сечении модели головы и телефонной трубки. От самого большого уровня (красный) до самого маленького (голубой)

Однако для точного расчёта SAR необходимо знать количественное распределение поля в пространстве. Для этого используется вывод характеристик поля вдоль заранее определённой линии, перпендикулярной корпусу телефона и идущей сквозь слои модели головы.

На рис. 11 правая координата x = 82 соответствует точке корпуса телефона, ближайшей к модели головы. Двигаясь влево от точки с координатой x = 82 до точки с x = 72, видим отрезок, где напряжённость поля особенно высока. Это пространство от корпуса телефона до головы.

Рисунок 11. Напряжённость поля вдоль оси X, по мере удаления от модели головы

Чтобы получить более подробную картину распределения напряжённости поля в пределах модели головы, вводим другой масштаб (рис. 12).

Рисунок 12. Картина напряжённости поля в первом и втором слоях модели головы (увеличенный масштаб в первых слоях головы, наиболее близких к корпусу телефона)

Рисунок 13. ДН в угломестной плоскости с головой, частота 0,8 ГГц

Рисунок 14. ДН в азимутальной плоскости с учётом модели головы, 0,8 ГГц

В зависимости от амплитуды возбуждающего источника (который может изменяться по синусоидальному закону), напряжённость поля также будет изменяться в каждой точке пространства, поскольку в ближнем поле высшие типы волн меняются линейно, но фазовые соотношения меняют картину поля в пространстве.

Таким образом, когда меняется мощность излучения, то амплитуды высших типов волн в каждой точке пространства изменяются линейно, но результирующее поле приобретает сложный характер. Мы имеем тут дело не с нелинейной средой, а с интерференцией (суммированием различных типов волн).

Если изменить параметры возбуждения, распределение ближнего поля изменяется к показанному на рис. 11 и 12. Такой характер распределения объясняется суперпозицией волн высших типов в ближнем поле антенной системы.

Результаты, показанные на рис. 12, используются для расчёта значений SAR.

Таким методом можно рассчитать поглощение мощности в любой точке модели головы. Из рис. 11 и 12, можно видеть, что внутри головы человека существуют точки, в которых наблюдается концентрация энергии. Из-за особенностей корпуса телефона и всей антенной системы происходит фокусировка ближнего поля в голове, из-за чего исчезает характер монотонного спада поля с удалением от корпуса телефона с антенной. Конечно, усреднённую мощность в пространстве этих точек нужно рассчитывать, используя статистический анализ. Однако расчёты показывают, что небольшие металлические предметы, например, серьги в ушах, наводя небольшие статистически устойчивые поля, могут давать значительные мощности в точках пространства тела!

Диаграмма направленности в направлении головы имеет провал в азимутальной диаграмме направленности, поскольку в этой части происходит затенение излучаемой мощности.

Рассчитанные диаграммы направленности, по сравнению с рис. 5–7, показывают на 1...3 дБ меньшее излучение во всех направлениях, однако более равномерное. Очевидное объяснение этому - рядом с антенной системой находится объект с поглощающими свойствами. Однако видно также, что азимутальная ДН почти одинакова для разных углов наклона.

Заключение

Таким образом мощная программа HFSS, вне зависимости от производителя - Ansoft или Agilent, обладает уникальными возможностями, позволяющими применить её для решения задач анализа антенной системы сотового телефона. Для примера, в конкретной конструкции телефона проведён анализ в различном положении штыря и крышки и получено, что:

• в исходном положении антенны - с закрытой крышкой и невынутым штырём антенны диаграмма направленности антенной системы зависит от смещения антенны относительно оси симметрии корпуса. Сдвиг антенны от центра даёт смещение диаграммы направленности в азимутальной плоскости до 30º;
• в исходном положении антенна "светит" ещё и вниз, причём даже более эффективно, чем вверх, при определённых углах направленности;
• по сравнению с исходным положением сотового телефона - с закрытой крышкой и невытащенным штырём, открывание крышки приводит к значительной деформации диаграммы направленности в азимутальной плоскости. Провалы в диаграмме направленности увеличиваются с 2 до 8 дБ;
• при вытаскивании штыря в телефоне с закрытой крышкой усиление антенны увеличивается примерно на 3 дБ, что показывает такое же увеличение общей чувствительности системы. Однако вытаскивание штыря также приводит к более распределённому поглощению мощности в теле человека, что подтверждает, что более распределённые антенные системы предпочтительнее точечных. Вытаскивание штыря приводит к уменьшению усредненного SAR. Однако, есть несколько точек, где локальный SAR увеличивается;
• покрытие металлического корпуса материалом LEXAN изменяет резонансную частоту антенной системы сотового телефона в сторону уменьшения примерно на 200 MГц, что говорит о значительном влиянии покрытия на согласование антенной системы с приёмопередатчиком. Вообще увеличение массы корпуса телефона и его размера приводит к смещению резонансной частоты вниз; при внесении в поле излучения антенной системы модели головы значительно меняется ближнее поле и диаграмма направленности в азимутальной и угломестной плоскостях;
• величина SAR, рассчитанная с помощью HFSS по порядку (0,2...3 Вт/кг), соответствует литературным данным и близка к измеренным данным (1...2 Вт/кг) для сотового телефона.

Очень важный для практики вывод, следующий из многочисленных расчётов: корпус телефона может концентрировать поле в отдельных точках, работая как зеркальный отражатель. Этот расчётный результат получен при виртуальном разрезании модели головы плоскостями, параллельными сторонам корпуса телефона. Скачки концентрации поля достигают 10 дБ при общей тенденции спада мощности поглощения к центру головы.

Литература

1. HFSS Manuals. Agilent, 2000.
2. K. Fujimoto, J.R. James. Mobile Antenna Systems Handbook. 2-ed. 2001. 710 p.
3. H. Mimaki, H. Nakano. Double patch helical Antenna. 1998. Samplung of papers IEEE.
4. C.W. Trueman, S.J. Kubina, M. Slater. Modeling Helix Antenna with NEC4. Montreal, 1997. IEEE.
5. Paivi Haapala, Pertti Vainikainen. Helical Antennas for multi-mode mobile phones. 26thEuMC, 1996.
6. Баскаков С.И. Основы электродинамики. М.: Сов.Радио, 1976. 247 с.