手机与人体相互作用的数值模拟研究
【摘要】：
随着科学技术的迅猛发展和人们生活水平的日益提高,手机的持有量不断增大,已成为现代社会中不可或缺的信息交换工具。但手机的电磁辐射是否会对人体健康构成危害也同时成了人们关注的焦点。手机辐射总功率虽小,但由于在使用时天线距人的头部很近,因而头部可能处于强电磁辐射场环境中,而实验表明,在一定的电磁辐射条件下,可在人体组织中产生生物学热效应或生物学非热效应,从而可能对人体健康构成现实的或潜在的危害。
手机与人体相互作用的研究是一项涉及面很广的课题,其主要原因是:从电磁场理论角度讲,涉及近场问题;从生物学角度讲,人体各组织间具有极不规则的边界,且各组织又具有不同的电特性和色散特性。这意味着,对该问题的研究需要综合并交叉运用电磁场理论、天线理论、电磁边值问题的数值解法以及生物医学方面的知识。本论文的研究内容主要包括正问题和逆问题两个方面:正问题是,处于手机辐射场近区的人体头颅对电磁功率有什么样的吸收特性,即有关分析计算头颅内的分布比吸收率SAR (r)和平均比吸收率SARav的问题,并依据目前已有的非电离电磁辐射限制标准对其是否对人体构成危害作出评价;逆问题是,处于手机近场的人体头颅对手机天线的辐射特性会产生什么影响。正问题的研究结果可为射频电磁场在生物医学工程领域的应用以及为制定非电离辐射卫生标准奠定量化基础,逆问题的研究结果可为手机新产品的开发和性能的改善提供参考。本文在介绍生物电磁学及生物电磁剂量学基本知识的基础上,对时域有限差分法的基本原理和要点作了归纳;在讨论人体模型的建立原则的基础上着重阐述由MRI人体解剖图获得(时域有限差分)FDTD法结构模型和电磁模型的过程;在建立人体头颅结构模型和电磁模型的基础上,用FDTD法对在手机近场的人体头颅吸收的电磁剂量进行了仿真计算;在分析平面倒F天线辐射特性的基础上,分析了人体头颅对手机天线辐射特性的影响。最后,将人体头颅吸收的电磁剂量和人体头颅对手机辐射特性的影响均以数据和图表两种形式给出。
【关键词】：人体电磁模型 比吸收率SAR 手机平面倒F天线(PIFA)辐射 时域有限差分法(FDTD) 【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：R319
【DOI】：CNKI:CDMD:2.2007.048819
【目录】：
- 摘要4-5
- ABSTRACT5-9
- 第一章 绪论9-13
- 1.1 论文选题的背景及意义9
- 1.2 生物电磁学及生物电磁剂量学简介9-10
- 1.3 FDTD 法概述10
- 1.4 三维人体模型简介10-11
- 1.5 本文的研究内容和目标11-13
- 第二章 生物电磁学概要13-23
- 2.1 引言13
- 2.2 生物组织的电磁特性13-16
- 2.2.1 生物组织的导电特性14
- 2.2.2 生物组织的介电特性14-16
- 2.3 射频电磁场生物学效应机理16-18
- 2.3.1 热效应概述16-17
- 2.3.2 非热效应的机理17-18
- 2.4 生物电磁剂量学量SAR18-20
- 2.5 射频辐射卫生标准研究20-23
- 第三章 时域有限差分法（FDTD）概述23-41
- 3.1 引言23
- 3.2 FDTD 法的基本原理23-28
- 3.2.1 Yee 氏算法23-24
- 3.2.2 Maxwell 旋度方程的有限差分表示24-27
- 3.2.3 数值稳定性与色散性27-28
- 3.3 吸收边界条件28-31
- 3.3.1 Mur 吸收边界条件29-31
- 3.3.2 截断边界面交线上的吸收边界条件31
- 3.4 连接边界条件31-34
- 3.4.1 连接边界面上场分量的递推公式33-34
- 3.4.2 连接边界面的交线上场分量的递推公式34
- 3.5 时域有限差分法的特点34-36
- 3.6 FDTD 在生物剂量学中的应用36-41
- 3.6.1 生物组织的电磁参数36-38
- 3.6.2 色散媒质的FDTD 法38-41
- 第四章 三维人体结构模型和电磁模型41-51
- 4.1 引言41
- 4.2 人体结构模型的建立41-46
- 4.2.1 医学成像41-43
- 4.2.2 三维图像重建43-46
- 4.3 人体电磁模型的建立46-48
- 4.4 本文人体模型的建立48-51
- 第五章 手机与人体相互作用的数值模拟分析51-63
- 5.1 引言51
- 5.2 单频PIFA 手机辐射场的数值仿真51-56
- 5.2.1 倒F 天线的基本原理51-53
- 5.2.2 单频PIFA 模型53
- 5.2.3 单频PIFA 特性的仿真分析53-56
- 5.3 人体吸收电磁剂量的仿真分析56-59
- 5.4 人体头颅对手机天线辐射特性的影响59-61
- 5.4.1 人体头颅存在时手机天线的天线效率59
- 5.4.2 人体头颅存在时手机天线的方向图59-61
- 5.4 本章小结61-63
- 第六章 结论63-65
- 致谢65-67
- 参考文献67-71
- 作者在读期间发表的论文71
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