Wi-Fi アンテナに隣接する人体頭部の SAR を測定

2020年 4月 16日

携帯電話などのモバイル電子機器 (およびその他の無線機器) の利用者は, 無線周波数 (RF) 放射にさらされています. 身体に吸収される RF 放射量は, RF エネルギー率を表す比吸収率 (SAR) によって測定されます. より安全な機器を設計するために, エンジニアは COMSOL Multiphysics® ソフトウェアを使用して, 人体頭部モデルがアンテナからの電波を吸収する際の局所的な SAR 値を計算することができます.

SAR による RF 吸収率の測定

無線機器を使用する際, 私たちの身体はそれぞれの機器に取り付けられたアンテナからの RF エネルギーにさらされています. したがって, 電磁波 (EM) 曝露による健康への影響を理解することが重要です. アンテナからの RF エネルギーは組織内を伝搬し, 熱として放散され, 私たちの体はそれを吸収することができます. 吸収される RF エネルギーの量は, RF 信号の周波数によって変化します.

 

エンジニアが RF エネルギーを放出する機器を試作する場合, 安全ガイドラインに適合するような特性を持たせて設計します. これは, 最大曝露レベルを超えないようにするためです. これらの機器が安全に使用できるかどうかを確認するために, SAR 試験により, 放射される RF の量を測定することができます. SAR 試験は, さまざまな機器における最大電磁波暴露量を決定するための適切な特性を提供します. これは, 以下を使用して計算されます:

SAR=\sigma\frac{\mathbf{|E|}^2}{\rho}

ここで, σ は材料の電気伝導率 |E| は電場 (RMS) のノルムであり, ρ は質量密度です. 値は, キログラムあたりのワット数 (W/kg) で測定されます.

COMSOL Multiphysics と RF モジュールを使用して, Wi-Fi 周波数範囲で動作中のマイクロストリップパッチアンテナの隣にある場合, 単純化された人間の頭と脳のローカル SAR 値を計算して解析できます. このモデルは, RF 放射の下で人間の頭がアンテナからの波をどのように吸収するかを示しています.

COMSOL Multiphysics でモデル化された人間の頭の SAR を示す画像.
脳組織の近似モデルとパッチアンテナの電場ノルム内の人間の頭の SAR プロット.

RF 放射下での人間の頭のファントムのシミュレーション

このチュートリアルモデルでは, インポートされた人間の頭のジオメトリを使用します. これは, SAR 値測定の標準仕様から IEEE, IEC, および CENELEC によって提供される特定の人型マネキン (SAM) ファントムと同じです. COMSOL Multiphysics に形状をインポートした後, 微調整が行われ, 元の形状が 60 % 縮小されて, 問題のサイズが縮小されます. 楕円体の形状を使用することで, 脳の単純化された形状を形成することができ, また皮質骨組織の特性を使用して人間の頭の一部を特徴づけることもできます.

人間の頭の横にあるアンテナは, 薄い金属層と長方形の FR4 誘電体基板, そして接地面から構成されています. 電磁波 (周波数領域)インターフェースでは, 損失が無視できる場合, アンテナの金属部分 (マイクロストリップフィードライン, アンテナラジエーター, グランドプレーン) を完全電気伝導体 (PEC) 面として表現することが可能です. 電源からの給電を表現するために, 集中ポート境界条件 (簡略化されたポート境界条件) を追加します. この場合, アンテナは 50 Ω の集中ポートから給電されます.

無限自由空間でのアンテナ試験を模倣するため, PML (完全整合層) を用いて人間の頭部ファントムとアンテナを球状の空気領域で囲みます. PML は無響室のような働きをし, 外来波エネルギーをすべて吸収し, 不要な反射を防ぎます.

体頭部ファントムとマイクロストリップパッチアンテナのモデリングドメインを示す画像.
PMLが強調表示され, 内部を示すために半分が削除されたモデルドメインを示す画像.

人体頭部ファントムと Wi-Fi 周波数帯付近で共振するマイクロストリップパッチアンテナ. ハイライト部分は PML で, 内部を表示するために半分を削除しています.

最後に, SAR 値を計算するために, 頭部形状に比吸収率領域条件を追加しました. 組織に吸収される RF エネルギー率は, SAR 値 (バージョン5.5の時点で事前定義されたポストプロセス変数として直接利用可能) で表され, 電磁散逸密度と人間の頭部に対する指定密度から計算されます.

なお, このモデルでは, すべての材料が均質であると仮定しています. より現実的な脳の材料特性については, ヒト脳モデルの比吸収率 (SAR) を見てください. ここでは, インポートした MRI 画像データに基づく材料パラメーターが, 体積関数を用いて, 頭部内部の組織タイプのばらつきを特徴づけています.

比吸収率機能用に選択されたドメインを含むモデルビルダーのスクリーンショット.
比吸収率機能で選択されたドメイン.

人体頭部の RF 影響と SAR の解析

以下の結果は, Wi-Fi アンテナに隣接する人間の頭部の SAR 値を示しています. モデルの中で最も SAR 値が高いのは, 入射電界に面している表面領域です. 一般的に, SAR の影響は, アンテナの位置と誘電体特性に依存します. 人体には, 周波数や形状などの変数の関数である, 異なる値の誘電特性 (誘電率と導電率) が含まれています. 人体組織の導電率と誘電率は, RF 通信と吸収放射の両方の要因になります. 抵抗損失が増加すると, SAR 値は増加します.

2.45 GHz でのヘッドモデルの SAR ボリュームのプロット.
周波数2.45 GHz の SAR ボリューム.

電気信号は, ある発信源から別の発信源へと移動する一方向の現象だと思われがちです. しかし, RF では, 電気信号は反射により両方向に伝わることがあります (光が鏡で反射するのと同じです). 以下の結果は, 人間の頭部からの反射によって歪んだマイクロストリップパッチアンテナからの放射電界を示しており, 遠距離電界の結果はそれらの効果を含んでいます.

2.45 GHz でのマイクロストリップパッチアンテナの遠方界放射の2D プロット.
マイクロストリップパッチアンテナの遠方場放射パターンを3D で示すシミュレーション結果.

2.45 GHz における xy 平面上の歪んだ2次元遠方場放射パターン (左) とマイクロストリップパッチアンテナの3次元遠方場放射パターン (右). 頭部とアンテナ形状を考慮した放射パターンを表示するため, 上記のプロットでは可視化のスケールと位置を変更しています.

SAR 値は設計者が特に関心を持つもので, COMSOL Multiphysics を使用して簡単に求めることができます. シミュレーション後, ユーザー定義の位置 (曲面または体積) の任意の形状で SAR を評価することも可能です. 電子モバイル機器を設計する際には, 人体に吸収される放射線の量を定量化することが重要です. COMSOL MultiphysicsRF モジュール を使用することで, 安全ガイドラインに適合するように機器を設計する際に, より迅速かつコスト効率の良いアプローチが可能になります.

次のステップへ

下のボタンをクリックすると, Wi-Fi アンテナの横にある人間の頭の SAR モデルを試用することができます. ステップバイステップのドキュメントと MPH ファイルを含むアプリケーションギャラリに移動します.

コメント (0)

コメントを残す
ログイン | 登録
Loading...
COMSOL ブログを探索