بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله مقدار بیشینه نرخ جذب ویژه الکترومغناطیس - SAR - در متوسط یک گرم و همچنین متوسط ده گرم از بافت سر در فرکانس 900 مگاهرتز را بررسی خواهیم کرد. عنصر تشعشعکننده در این پژوهش یک آنتن هلیکس در نظر گرفته شده است. همچنین برای سر انسان از دو مدل استفاده شده است. یک مدل انسانگون و یک مدل استوانهای با سطح مقطع بیضی پنج لایه متشکل از بافتهای زیستی. نقش فاصله آنتن از مدلهای سر و تأثیر فاصله در میزان تشعشع گیری بررسی شده است. در نهایت با استفاده از یک تشدیدگر حلقوی شکافدار در مقابل المان تشعشعکننده، کاهش نرخ جذب ویژه در سر مورد مطالعه قرار گرفته است. شبیهسازیها در این پژوهش با استفاده از نرمافزار CST Microwave Studio انجام شده است که برای اندازهگیری SAR از روش تفاضل متناهی حوزه زمان و مشبندیهای شش وجهی استفاده میکند.
کلید واژه- تشدیدگر حلقوی شکافدار، تفاضل متناهی حوزه زمان، فراماده، نرخ جذب ویژه، هلیکس
-1 مقدمه
استفاده گسترده از تلفنهای همراه پژوهشگران را بر روی مطالعه اثرات ناشی از امواج الکترومغناطیسی این دستگاه متمرکز کرده است. به عقیده بسیاری از محققین اثرات مخربی که امواج الکترومغناطیسی این تلفنهای سلولی بر روی بدن میتوانند داشته باشند، عبارتند از سرطان مغز، کاهش عمر سلولهای جنسی [1] ، آلزایمر و سردردهای مزمن .[2] به همین دلیل در استانداردها بر تشعشع امواج الکترومغناطیسی بر بافتهای حیاتی انسان، در فرکانسهای مختلف محدودیت اعمال شده است .[3] این محدودیتها در بازه فرکانسی RF مایکروویو با کمیت نرخ جذب ویژهٌ تعیین میشود. نرخ جذب ویژه کمیتی مهم در تعیین استانداردهای گرمایی تشعشع امواج در بازه 100کیلوهرتز تا 6 گیگاهرتز میباشد.
حد بالای فرکانس تا جایی است که عمق نفوذ موج در بافت حدود 1 سانتیمتر یا بیشتر باشد. در فرکانسهای بالاتر از این بازه فرکانسی، انرژی الکترومغناطیسی در سطح جسم جذب میشود و در استانداردها به جای اعمال محدودیت بر مقدار SAR، محدودیت بر دامنه شدت میدان تابشی اعمال میشود. در فرکانسهای پایینتر نیز چگالی جریانهای القایی مهم هستند .[4]لذا بسیاری از محققین در صدد یافتن راههایی برای کاهش SAR هستند که از آن جمله میتوان به استفاده از صفحات فریت 5]، [6 و همچنین استفاده از فرامواد 7]، 8، [9 اشاره کرد.متامتریال یا فراماده به مادهای گفته میشود که دارای خواص نامتعارف الکترومغناطیسی در ساختار وجودی خود است.
در واقع فرامواد الکترومغناطیسی، به طور کلی به عنوان ساختارهای به طور مؤثر همگن و با ویژگیهایی غیرعادی که به طور معمول در طبیعت موجود نیستند، تعریف میشوند .[10]فراموادی که به منظور کاهش SAR به کار میروند از نوع ENG2یا MNG3 هستند [11]؛ چرا که هنگامی که یکی از پارامترهای ساختاری ماده منفی باشد یک باند توقف ایجاد میشود [12] و از همین موضوع برای کاهش SAR استفاده میشود. در این پژوهش از فراماده بر پایه تشدیدگرهای حلقوی شکافدارُ که اولین بار توسط پندری ارائه شدند استفاده شده است.یکی از روشهای عددی شبیهسازی، روش تفاضل متناهی حوزه زمانِ است. در این مقاله از نرمافزار CST Microwave Studio استفاده شده است که از این روش استفاده میکند.
-2 نرخ جذب ویژه - SAR -
نرخ جذب ویژه امواج الکترومغناطیسی معیاری گرمایی است از مقدار انرژی جذب شده توسط بافتهای بدن انسان به واسطه ادوات فرستنده-گیرنده رادیویی که در نزدیکی بدن انسان استفاده میشوند. اندازهگیری نرخ جذب ویژه امواج مهمترین وسیله برای نشان دادن میزان سازگاری این گونه ادوات با نیازمندیهای استاندارد شده برای سلامت میباشند. SAR تابعی از هدایت الکتریکی، میدان الکتریکی القا شده ناشی از انرژی تشعشع شده E و چگالی جرمی بافت بدن میباشد. فرمول زیر نحوه محاسبه این کمیت را نشان میدهد واحدهای اندازهگیری نرخ جذب ویژه W / kg یا به طور معادل mW / g هستند.معیار SAR یک معیار بحرانی در طراحی آنتن است، زیرا اگر مقدار آن زیاد باشد، آنتن میبایست عوض شود.
نوعاً اگر مقدار SAR خیلی بالا باشد، توان انتقالی میبایست کاهش پیدا کند، که مستقیماً باعث کاهش نرخ جذب ویژه میشود. هرچند ازآنجایی که برای دستگاههای موبایل یک حداقل توان انتقالی میبایست وجود داشته باشد، مقدار نرخ جذب ویژه نمیتواند بهطور نامحدود کاهش پیدا کند.در انتها باید این توضیح را اضافکهکرد که نرخ جذب ویژه عموماًبه سه شکل محاسبه میشود. SAR محلیّ، که با توجه به رابطهE 2 SAR از روی مقدار شدت میدان در هر نقطه به دست میآید و SAR یک گرم و ده گرم که هر کدام به ترتیب از متوسطگیری SAR محلی در یک گرم و ده گرم از ماده به شکل مکعب حاصل میشود 4]، .[13
-3 مشخصات مدلهای مورد استفاده در این پژوهش
در این پژوهش از دو مدل برای مدلسازی سر و یک مدل موبایل با آنتن هلیکس استفاده شده است. مدلهای سر شامل یک مدل انسانگون و یک مدل استوانهای با سطح مقطع بیضی هستند. در ادامه دو مدل سر و مدل موبایل معرفی میشوند.
-1-3 مدلهای سر مورد استفاده
مدل انسانگون ویژهْ شامل دو بخش است. یک لایه به عنوان پوسته و مادهای تحت عنوان مایع معادل بافت که در درون پوسته قرار دارد و مشخصات الکترومغناطیسی بافتهای زیستی انسان را شبیهسازی میکند. و مدل استوانهای از پنج لایه پوست، ماهیچه، چربی، جمجمه و مغز تشکیل شده است. در این مدل ارتفاع لایه بیرونی یعنی پوست، 30 میلیمتر، قطر کوچک سطح مقطع آن 168 میلیمتر و قطر بزرگ آن 220 میلیمتر در نظر گرفته شدهاند. مشخصات دو مدل انسانگون و استوانهای به همراه شکلهای آنها را به ترتیب در شکل - 1 - و جداول - 1 - و - 2 - خواهید دید.اندازه میگیریم، نتایج برای مدل انسان گون و مدل استوانهای به ترتیب در جدولهای - 3 - و - 4 - آمدهاند.
-2-3 مدل موبایل مورد استفاده
مدل موبایل مورد استفاده در این پژوهش یک موبایل با آنتن هلیکس به ارتفاع 28 میلیمتر میباشد که با هادی کامل مدل شده است. منبع تحریک این آنتن در نرمافزار CST Microwave Studio از نوع Discrete Port با امپدانس 50 اهمی در نظر گرفته شده است. لازم به ذکر است که این نرمافزار برای اندازهگیری میزان نرخ جذب ویژه از روش FDTD با مشبندیهای ششوجهی استفاده میکند. N x تعداد مشها در راستای x ، N y تعداد مشها در راستای y و N z تعداد مشها در راستای z است.
-4 بررسی اثر فاصله آنتن از سر بر روی نرخ جذب ویژه
فاصله بین عنصر تشعشعکننده و بافت بدن در جذب امواج الکترومغناطیسی تأثیر بسیاری خواهد داشت 4]، .[13 در این مرحله موبایل را به صورت موازی در کنار مدلهای سر قرار میدهیم - شکل - 3 و SAR را در فواصل 5، 10 و 20 میلیمتریالف ب شکل 2 موبایل به صورت موازی کنار سر. الف-دید عادی. ب-دید مشگون.
-5 استفاده از تشدیدگر حلقوی شکافدار به منظور کاهش نرخ جذب ویژه
یکی از اولین فرامواد که توسط پندری ساخته شد، تشدیدگرهای حلقوی شکافدار بودند .[10] در اینجا با استفاده از همان ساختار و با چیدمان تناوبی آنها به یک ساختار فراماده دست پیدا میکنیم. SRR مورد استفاده در این نوشتار مربعی هستند و پارامترهای آن عبارتند از l که طول حلقهاست، c ضخامت حلقهها، d فاصله بین دو حلقه و g فاصله شکاف موجود است. برای به دست آوردن یک باند توقف در چنین حلقهای در فرکانس 900 مگاهرتز این پارامترها به صورت زیر انتخاب شدهاند: l 43.8mm ، c 1.8mm و . d g 0.6mm دقت به این موضوع حائز اهمیت است که تغییر کوچک در اندازه این پارامترها میتواند منجر به تغییر در فرکانس توقف ساختار شود. اندازه زیرلایه مورد استفاده 63 میلیمتر و ضخامت آن 0.508 میلیمتر است. میتوانیم این SRR را به صورت متناوب تکرار کنیم. همچنین ضریب دیالکتریک زیرلایه 3.38 و جنس حلقهها از مس انتخاب شدهاند 14]، 15، .[16 در زیر ابتدا
