GSM/LTE/WLAN アンテナ放射への人間の頭部曝露のシミュレーション

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序章

携帯およびスマートフォンに使用されるアンテナは、無線通信の進歩的なニーズに適応するために、大規模かつ急速な開発を経験しています。これらの改善は、3G、4G、および 5G テクノロジーの展開に続いています。一方で、電磁界が人体に与える健康への悪影響に注目が集まっています。放射場の安全性は、多くの議論と研究の関心事でした。

この解析の目的は、GSM/LTE/WLAN アプリケーション用の印刷されたモバイルアンテナと人間の頭部組織との間の電磁相互作用を検討することです。検討対象のアンテナ [1] は、LTE700/GSM850/GSM900 帯域と GSM1800/1900/LTE2300/2500 帯域を扱う広い周波数帯域で動作します。

アンテナ形状

T 字型結合フィードと誘導性短絡ストリップを備えた提示された平面アンテナの形状を図 1 に示します。これは、長さと幅がそれぞれ 120 mm と 36 mm の 1.6 mm FR4 基板に印刷されています。アクティブアンテナ部分は 36mm x 20 mm の小さなサイズを占め、回路基板の上部の非接地部分に印刷され、残りは 100 mm x 36 mm のサイズのグランドプレーンとして使用されます。アンテナは 50 オームの同軸ケーブルで給電されます。

a) 3D 設計と b) 調査対象のアンテナの正面図

図 1- a) 3D 設計および b) 調査対象のアンテナの正面図

シミュレーション結果

HFWorks のアンテナソルバーは、0.5 GHz ～ 3 GHz の動作周波数範囲で使用されます。使用した FR4 材料の特性は、比誘電率が 4.4、誘電正接係数が 0.02 です。

結果の精度を保証するために、スロット側を含むポートと導体のエッジにメッシュの細分化が使用されます。解析後、シミュレーションは次の結果を明らかにしました。

自由空間アンテナ解析

この最初の部分は、自由空間でのアンテナ性能の分析に専念しています。
図 2 は、検討対象のアンテナが 2 つの異なる動作帯域を生成できることを明確に観察できるリターンロスの結果を示しています。170 MHz の帯域幅 (830 ～ 1000 MHz) の低帯域は、GSM850/GSM900 アプリケーションをカバーします。、LTE2300/LTE2500およびWLAN2400アプリケーションをカバーする570 MHzの帯域幅を持つアッパーバンド。

周波数に対する 2D リターンロスプロット。

図 2: 周波数に対する 2D リターンロスプロット。

900 MHz では、アンテナは良好な全方向性放射パターンで動作し、高周波数帯域と比較して低帯域で調査対象のアンテナの安定した放射特性が確認されます。

a)-900 MHz および b)-2450 MHz のゲイン放射パターン

図 3: a)-900 MHz および b)-2450 MHz のゲイン放射パターン

ニアヘッドアンテナ解析

2 番目の部分は、人間の頭部組織に対するアンテナの電磁放射の影響であるこの論文の主な目的を検討しています。このため、人間の頭部ファントムを追加し、アンテナの近くに 5 mm の距離で配置します。これは、表 1 に示す材料特性によって定義された単一の同等材料でできています。

人間の頭部ファントムの近くで研究されたアンテナの 3D 設計

図 4: 人間の頭のファントムの近くで研究されたアンテナの 3D 設計

材料	比誘電率	電気伝導率 (S/m)	熱伝導率 (W/m.K)	比熱 (J/Kg.K)	質量密度 (Kg/ $立方メートル$ )
人頭相当材	42.61	1.48	0.48	3421	1030

表 1: 材料特性

解決後、シミュレーションにより、S11 の結果と周波数が明らかになりました。自由空間アンテナ解析の共振周波数と比較して、導入された曲線シフトに気付くことができます。

周波数に対する 2D リターンロスプロット。

図 5: 周波数に対する 2D リターンロスプロット。

低帯域周波数 (900 MHz) では 24 dBm (250 mW)、高帯域周波数 (2450 MHz) では 21 dBm (125 mW) の入力電力の場合、電界と局所 SAR 分布は人体頭部ファントム上で得られます。低周波数帯域と高周波数帯域は以下のように定義されています。最初の 2 つのプロット (図 6) は、900 MHz の周波数に対する電界分布のアニメーション対位相と局所 SAR 密度をそれぞれ示しています。

お気づきのように、どちらの特性も FCC (連邦通信委員会) と ICNIIRP (非電離放射線防護に関する国際委員会) によって定義された制限を超えていません [2]。どちらの周波数でも、SAR 値は、最大の入射波に面する人間の耳の周囲で最も高くなります。

a)-電界アニメーションと位相の 3D プロット、および b)-900MHz での SAR 分布
(a)

(ロ)

図 6 - a) 電界アニメーション対位相、および b) 900MHz での SAR 分布の 3D プロット

同じことが高帯域周波数でも見られ、正確には 2.45 GHz で、頭部組織内の最大電界が約 50 V/m のとき、人間の頭部内の局所 SAR は最大値 2.95 W/Kg を達成しました (図 7)。

a)-電界アニメーションと位相の 3D プロット、および b)-2450 MHz での SAR 分布
(a)

(ロ)
図 7 - a) 電界アニメーション対位相、b) 2450 MHz での SAR 分布の 3D プロット

図 8 は、人間の頭の近くで 3.81 dB の最大ゲインを達成する 2.45 GHz の周波数のゲインパターンを示しています。

ゲイン放射パターン ta 2.45 GHz 熱解析

図 8 - ゲイン放射パターン ta 2.45 GHz

熱解析

人間の頭部組織に対する電磁放射の熱効果を 10 分間の通話時間で確認するために、HFWorks の過渡熱ソルバーが使用されます。低帯域周波数 (900 MHz) では 24 dBm (250 mW)、高帯域周波数 (2450 MHz) では 21 dBm (125 mW) の入力電力に対して、熱シミュレーションが実行されました。

図 9 に見られるように、携帯電話のアンテナ位置付近の人間の頭部組織全体で局所的な温度上昇が得られます。 900MHz では 0.25°C、2.45GHz では 0.14°C 上昇します。

a) 900 MHz および b) 2450 MHz の温度上昇分布の 3D プロット

図 9 - a) 900 MHz および b) 2450 MHz の温度上昇分布の 3D プロット

結論

この記事の目的は、人間の頭部組織に対する携帯電話のアンテナ放射の影響を研究することです。 HFWorksソフトウェアにより、自由空間でのモバイルアンテナの性能と放射挙動、および人間の頭部組織内の熱効果側で誘導された電磁場を検討することができました。

参考文献

[1]. Belrhiti, Lakbir, et al. "Investigation of dosimetry in four human head models for planar monopole antenna with a coupling feed for LTE/WWAN/WLAN internal mobile phone." Journal of Microwaves, Optoelectronics and Electromagnetic Applications 16.2 (2017): 494-513.
[2]. https://www.icnirp.org/en/frequencies/radiofrequency/index.html

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