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1、华 南 理 工 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 )Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition)第 32 卷 第 5 期2004 年 5 月Vol . 32 No . 5May 2004文章编号 : 1000- 565X(2004) 05- 0030- 04旋转人头模型与单极天线手机相互作用的数值模拟 3周晓明赖声礼(华南理工大学 电子与信息学院 , 广东 广州 510640)摘要 : 通过建构接近于真实情形的三维旋转人头模型 ,在天线处于垂直和三维旋转两种方式下 ,应用时域有限差分法 (
2、 FDTD) 模拟计算了人体接受单极天线手机的电磁辐射剂 量 ,研究了人体对手机天线方向图及其发射效率等辐射特性的影响 ,并将倾斜操作方式与垂直使用方式进行了对比. 计算结果表明 ,使用手机时选择倾斜操作方式 ,在不显著影响 天线通信质量情况下 ,一定程度上可降低手机对人体的电磁辐射强度.关键词 : 单极天线 ;三维旋转 ;辐射剂量 ,辐射特性中图分类号 : TN 929 . 5 ; Q 64文献标识码 : A随着移动通信业的迅速发展 ,手机对人体电磁辐射问题已成为生物电磁学的一项重要课题. 该领 域的研究主要包括两个方面 ,一是手机电磁辐射是 否对人体构成危害 ,即电磁作用剂量学及其生物效
3、应问题 ;另一方面 ,由于通信过程中人体处于手机天 线的近区场中 ,手机天线的优化设计必须考虑到人 体尤其是头部的影响. 手机电磁辐射问题的研究方 法有实验测量法 、解析法和数值模拟计算方法 ,其中 实验测量法有电场法 、温度法和红外热像法等. 实验 测量方法在现阶段存在探头尺寸过大 、实验设备昂贵且设计复杂 、人造模型欠准确等局限性 ,这促使人 们进行大量的理论剂量学研究. 理论计算方法有解 析法和数值模拟计算方法. 解析法具有逻辑性强 、物 理意义清晰 、便于用数学语言演绎等特点 ,但由于人 体系统具有高度的各向异性以及边界特别复杂的特 点 ,随着问题的深化 , 解析法已面临举步维艰之困
4、境. 与此同时 ,在计算机技术不断发展的推动下 ,采 用数值计算方法已产生了不少严谨而有效的数学工 具. 特别是由 Yee 在 20 世纪 60 年代创建的时域有 限差分法 ( Finite2Difference Time2Domain 简称 FDTD) ,由于能够模拟天线与人体相互作用的全过程 ,对复杂的多种物质组成的不规则形体的计算具有灵活性 和有效性 ,因此在研究手机辐射问题的数值计算中显示出其独特的优越性.在研究手机对人体影响的课题中 ,人体模型建 构难度最大 ,也是讨论最多的. 早期的人体模型大都将人头简化为均匀的介质球模型 ,即使考虑采用非 均匀人头模型 ,由于单元划分粗糙 ,分辨
5、率较低 ,而 人体各组织的电参数差别很大 ( 如相对介电常数在9 . 9978 . 10之间) ,其准确度显然是很低的. 近年来 由于计算机技术的快速发展 ,已经可以使用核磁共振 (MRI) 或 X 射线断层扫描 ( CT) 等医学成像技术来 重构人体模型 ,从而大大提高了人体模型各组织分辨率. 1993 年 P. J . Dimbylow 在 900 MHz 和1 800 MHz分析了几种单极天线手机对人头的作用 ,首次用到 由核磁共振成像建立的人头颅模型 ,使分辨率提高到 2 mm1 . 1998 年 Gianluca Lazzi 和 Shyam S. Pat2tnaik 等所用人头模型的
6、分辨率为 1 . 974 1 . 974 3mm2 ,3,由一个男性志愿者接受核磁共振扫描得到 ,包含了头骨 、大脑 、眼睛和耳朵等 15 种不同的组织.虽然该项研究已有不少类似工作 ,但涉及手机在旋 转方式下的电磁辐射研究文献较少 ,且仅局限于一收稿日期 : 2003 - 08 - 293 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( 60071033) ; 广东 省科技厅社会发展攻关项目 (2002C30202)作者简介 : 周晓明 (1963 - ) ,男 ,副教授 ,主要从事电磁场 数值计算和生物电磁效应研究. E2mail :zhouxm scut . edu. cn维3或二维旋转4
7、. 对于三维旋转的研究 ,由于建模过程复杂 ,迄今未见报道. 本研究对基于医学解剖学所得的垂直人头模型 ,沿三个主坐标轴方向分别旋转 30,5和 9,得到接近于真实情形的旋转人头模型 ,用 FDTD 法在 900 MHz 模拟计算了单极天线手 机的辐射近场对人体电磁作用剂量 ,分析了人体模 型对天线手机辐射特性的影响 ,并与垂直人头模型使用方式进行了对比分析.考虑到手机辐射近场作用主要集中在头颅部分 ,对手部模型进行了简化处理 ,将其电磁特性等效为 2/ 3 肌肉组织 ,手呈凹形握住手机下部 ,环绕在手机的三个 侧面上 ,厚度为 20 mm ,高度为 100 mm.手机外形为长方体金属外壳 ,
8、 其长 、宽 、高分别为 60 24 140 mm ,/ 4 波长单极天线置于手机上 表面一角. 人右手持机 , 取 z 轴方向向上并与天线平 行 , 人头水平指向手机方向为 x 轴方向 , 人头后脑 至鼻尖方向为 y 轴方向. 坐标原点选在计算区域前 视面的左下角处 , 手机外盒覆盖绝缘介质薄层 , 头部 与手机绝缘外盒层间距为零 ( 如图 1 所示) . 计算区 域边界上采用三维 Mur 二阶吸收边界条件截断 , 手 机金属外壳层上的电场切向分量和磁场法向分量为 零 , 单极天线上沿天线方向的电场分量设置为零. 模 拟计算表明这样处理具有较好的计算精度. 本文中 绝缘介质薄层相对介电常数取
9、 2 , 厚度为 2 mm . 因 薄层厚度小于 FD TD 网格边长 , 给计算带来不便 , 为 此采用等效变换将薄层厚度转化为 1 个网格的边长 . 根据 Maxwell 边界关系和等效条件 , 电位移切向 分量和电位差应具有连续性 , 由此不难推出等效绝 缘介质层的介电常数为建模本文中建立的人头模型以一身高为 175 mm 的 男性志愿者的医学解剖图为原型 ,在垂直轴方向划 分为 55 个水平截面 ,截面大小为 180 240 像素 ,包 含皮肤 、骨骼 、肌肉 、脂肪 、大脑 、视神经 、玻璃体 ( 眼 球) 、晶状体和血液等 9 种人体组织 ,各人体组织在900 MHz 的属性参数见
10、表 15 , 其中 r 为相对介电 常数 ,为电导率 ,为密度.表 1 人体组织电磁属性参数Table 1 Dielectric properties of human body tissues1晶状体视神经皮肤/脂肪参数 大脑血液肌肉眼球骨骼 空气r55. 059. 058. 573. 041. 233. 234. 58. 01. 0/ (Sm - 1) 1. 23/ (gcm - 3)1. 0301. 261. 211. 970. 640. 620. 600. 10501. 0001. 0401. 0101. 1001. 0401. 1001. 8500. 001r( 1)Ke = (-
11、w) + w在 FDTD 计算中选择立方体网格 ,其边长为=20/ 54 = 0 . 370 4 (cm) . 在 900 MHz 的天线工作频率 下 ,该值满足数值色散对空间间隔的条件 10mi n (mi n 为被计算区域介质内的最小波长值) . 按照 FD TD 空间分辨率要求 , 需要将 55 幅 180 240 像素 的原图像调整为 36 48 像素的 FD TD 网格图形 , 新 图形的每一网格包含原图像的 5 5 个网格 , 这样每 一 FD TD 网格可包含几种不同的人体组织. 本文中 采用最大隶属法确定 FD TD 网格组织类型 , 运用Matlab 图像处理功能编程实现了这
12、一转换.文献 3 仅应用坐标变换近似得到旋转人头模 型 , 未考虑到人头旋转时会发生网格重叠现象 , 计算 误差较大. 本文中对人头模型旋转问题的处理方法 如下 : 第一步 , 由平面旋转轴公式计算出人头模型旋转后各网格中心的位置 , 并确定旋转后人头模型空 间区域 ; 第二步 , 设定新划分网格与上一步中计算所 得网格中心之间的最小距离初始值 , 这里设为网格的 顶点到其中心点的距离; 第三步 , 对每一新划分网格 , 通过循环计算找出与其间距最小的旋转网格 , 以其组 织种类作为该网格的物质编号. 采用这种方法虽然计 算量略多于文献3 , 但能有效地克服网格重叠现象 ,避 免了使用阶梯近似
13、处理边界面带来的系统误差 6 .r式中 w 为介质层实际厚度 , 由上式得出等效介电常数为 1. 37 .图 1 手机与人头几何结构模型Fig . 1 Geometry structural model of handset and human head激励源选择点馈方式 , 馈电点处于机身上表面一角点 , 距离机身一个网格的空隙. 文献 3 取 / 4 波长单极天线手机的辐射阻抗近似为 R80 (l/ ) 2 , 并由此来求激励源的场强值. 由于受到手机外 壳及人体的影响 , 用上式近似计算辐射阻抗存在较 大误差 , 本文中馈电点处的激励源为32华 南 理 工 大 学 学 报 (自 然 科
14、学 版)第 32 卷Ez ( x0 , y0 , z0) = - V0sin (nt )z均超出了安全标准值 ( 1 . 6 W/ kg) . 旋转方式下人体模型平均值小于规定的限值 ( 0 . 08 W/ kg ) , 而垂直 操作方式时略高于该标准限值.表 2 900 M Hz 下人体模型比吸收率计算值( 2)式中 : 为源频率; x0 , y0 , z0 为馈电点的坐标值 ; n为时间步数 ; V0 为常数 , 可取为 1. 由求得的输出功 率值进行比例换算 , 可得到天线输出功率为 0 . 6 W时的比吸收率 SAR ( Specific Absorption Rate ) .本文中模
15、拟仿真软件采用 Fortran 9. 0 语言编制 ,计算时间取 8 个振荡周期 , 时间步长t = / 2 c =6. 177 6 10 - 9 ms , 时间总步数为 1 438 ,计算区域网格 总数为 89 104 102 = 944 112. 计算方法及其实验验证在前期工作中已有详尽报道 7 ,此处从略.Table 2Calculated results of SAR of human body modelat 900 M HzSAR/ ( Wkg- 1)状态局部峰值每克峰值模型平均值每克平均值垂直旋转7 . 695 45 . 154 53. 147 72. 728 30. 091 9
16、0. 079 10 . 076 40 . 049 5计算结果与分析表 2 列出了输入功率为 0. 6 W 、中心工作频率 为 900 M Hz 时的人体模型比吸收率计算值. 从比吸 收率峰值和平均值来看 , 人体内的电磁场分布差异 很大 , 旋转情况下的峰值和平均值均小于垂直放置 时的对应值. 这表明手机辐射在垂直方式时造成的 危害比旋转方式更大. 与目前通用的 ANSI/ I EEC95 .1 1992 国际安全标准比较 , 两种情况下每克峰值2图 2 给出了垂直与旋转两种手机操作方式下的方向性图. 由于天线置于手机上表面一角点 , 人体模 型包括了人手 , 所以方向图不具有轴对称性. 由
17、x -y 图 , 手机辐射在远离人头的一侧相对较少. 在指向人头的一侧 , 辐射功率明显降低. 相对于旋转方式 下 , 垂直方式下降更多. 这表明垂直操作方式下天线 手机受人体作用更明显.图 2 垂直与旋转方式下天线方向图比较Fig . 2 Comparison of patterns between vertical and tilted operation ways表 3 给出了手机与人头模型两种相对位置下 ,手机天线的效率与人体功率吸收比计算值. 可以看 出 , 人体吸收相当大部分手机辐射能量 , 天线效率旋转方式下高于垂直放置方式. 计算还发现 , 手对计算方向图影响不大 , 但对天线
18、效率具有较大影响. 人手 吸收天线输出功率的比例可达 50 %以上.结束语在单极天线处于垂直和三维旋转两种方式下 , 模拟计算了手机对人体电磁作用剂量 、辐射方向图 及其发射 、吸收效率. 由于建模过程中避免了网格重 叠和阶梯近似 , 更接近于真实使用情形 , 从而大大提 高了计算的精确性. 计算结果表明 , 使用手机时选择 倾斜操作方式 , 较之于垂直使用方式 , 在不显著影响 天线通信质量情况下 , 一定程度上可降低手机对人 体的电磁辐射强度.3表 3Table 3天线效率与人体功率吸收计算结果 (900 M Hz)Calculated results of the antenna eff
19、iciency and human body absorption p ower (900 M Hz)状态天线效率/ % 人体吸收/ % 头部吸收/ % 手部吸收/ %参考文献 :垂直旋转53. 146 . 965. 434 . 665. 234 . 843. 756 . 3 1 Dimbylow P J . FD TD calculations of the SAR f or a dip oleclosely coupled to the head at 900M Hz and 1. 9 GHz J .Phys Med Biol , 1993 , 38 :361 - 368.L azzi G
20、 , Pattnaik S S , Furse C M , et al . Comparison of FD TD comp uted and measured radiation patterns of commer2 cial mobile telep hones in p resences of the human head J .I EEE Transactions on Antennas and Propagation , 1998 , 46(6) :943 - 944.窦维苹 ,张林昌. 暴露于手机下 45人体模型内外场和能量 分布的研究 J . 微波学报 ,2000 ,16 (9
21、) :265 - 271.Compatibility , 1997 , 39 (1) :55 - 61.J enesen M A , Rahmat2Samii Y. EM interaction of hand set antenna and a human head in personal communication J . Proc I EEE , 1995 , 83 (1) :7 - 17.Canellaris A C , Wright D B . Analysis of the numerical error caused by the stair2steeped approximat
22、ion of a conducting boundary in FD TD simulations of electromagnetic p henomena J . I EEE Trans Antenna Propagat , 1991 , 39 :1 518 - 1 525.周晓明 ,赖声礼. 单极手机与分层人头模型作用系统的数值模拟 J . 华南理工大学学报 ( 自然科学版) , 2003 , 31(12) :5 - 8. 5 2 6 3 7 4 L azzi G , Gandhi O P. Realistically tilted andtruncatedanatomically ba
23、sed models of the human head f or dosi2metryof mobile telep hones J . I EEE Trans on ElectromagneticN u me ric al Si m ul a t i on of t he I nt e r act i on B e t we e n t he Th r e e2di me nsi onR ot a t e d H u m a n He a d M o d e l a n d Ha n ds e t m o n op ol e A n t e n n aZhou Xiao2mingL ai
24、S heng2li( College of Electronic and Information Engineering , South China Univ. of Tech. , Guangzhou 510640 , Guangdong , China)A bs t r a c t : By establishing the three2dimension rotated human head model proximate to practical operations , the electro2magnetic radiation dosage emitted from vertic
25、al and rotational handset antennas into a human body was simulated through the finite2differencetime2domain ( FDTD) method. The effects of a human body on antennas radiation characteristics in2 cluding the pattern and the radiation efficiency , were also investigated. Moreover , the difference betwe
26、en the vertical and the tilted operations was analyzed. Calculated results indicate that the radiation dosage radiated to a human body in tilted operation is less than that in vertical operation in certain degree , without remarkable influence on the communicationquality.Ke y w o r ds : monopole ant
27、enna ; three2dimension rotation ; radiation dosage ; radiation characteristic(上接第 29 页)R e a liz a t i o n of t h e Te xt u r e Cl as s if i c a t i o n of I n va r i a n t S c a l ea n d R ot a t i o n b y S up p o r t V e c t o r M a c hi n esJ iang J in2shanYu Ying2lin( College of Electronic and
28、Information Engineering , South China Univ. of Tech. , Guangzhou 510640 , Guangdong , China)A bs t r a c t : A simple and effective texture classification of invariant scale and rotation was proposed. In this classifica2tion , firstly , the texture images to be classified are translated into Log2pol
29、ar images via Log2polar transformation. Then , the feature vectors of texture images are constituted with the normalized row project datum vector of the translated images. Finally , the support vector machines are used to the texture classification of invariant scale and rotation. Experimental re2 sults show that the proposed method is of an accuracy of more than 90 % when it is used to the texture classification of in2 variant scale and rotation.Ke y w o r ds : texture classification ; support vector machine ; scale invariability ; rotation invariability ; Log2polar transformation
