华南理工大学学报(自然科学版)JournalofSouthChinaUniversityofTechnology(NaturalScienceEdition)第32卷第5期2004年5月Vol.32No.5May2004:1000-565X(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(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:TN929.5;Q64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(Finite2DifferenceTime2Domain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9.99～78.10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900MHz和1800MHz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2mm1.1998年GianlucaLazzi和ShyamS.Pat2tnaik等所用人头模型的分辨率为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维3或二维旋转4.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900MHz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20mm,高度为100mm.手机外形为长方体金属外壳,其长、宽、高分别为60×24×140mm,λ/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...