头部无线路由器穿透力
无线路由器穿透力 时间:2021-05-07 阅读:()
652015年第1期安全与电磁兼容电磁仿真1概述由于手机通信以及无线网络的普及,其所带来的电磁辐射生物效应问题已逐渐成为社会关注的焦点.
网络上最近风传丹麦学生的实验证实无线路由器的辐射导致水芹种子不发芽,国内有些实验则认为无线路由器电磁辐射对绿豆发芽率没有明显的影响[1],无线路由器的电磁辐射对人体头部的影响到底如何人体头部对靠近的偶极天线辐射所吸收的能量由比吸收率(SpecificAbsorptionRate,缩写为SAR)确定,定义为:单位质量的人体组织所吸收的电磁波功率,单位为W/Kg[2].
目前一般研究认为:正常使用手机时,人体头部的总体平均SAR值未超过ICNIRP公众限值,但10g组织平均的最大SAR值超过了限值[3];人体组织中SAR的分布与辐射频率、辐射强度、暴露时间以及人体电介质特性等多种辐射参数有关[4].
本文利用时域有限差分方法(FDTD)研究手机及无线路由器辐射对人体头部的影响,并将人体头部电磁模型对辐射的吸收量与ICNIRP提供的公众照射基本限值比较,评估其安全性.
2简易人体头部电磁模型的构建由于使用FDTD方法的特殊性,如果模型十分复杂,进行网格化处理及仿真运算时将大大降低运算效率,实际上亦有文献仅采用立方体或者圆球体作为一个十分简单的头颅模型,但这样丢失细节过多,结果的说服力不足.
因此,我们利用3DMax软件建立了一个简易头颅模型.
模型含有头部主体、大脑(由于在头的内部,图上未显示出)、眼睛及其余五官等主要组织,摒弃了对这个实验研究并无明显贡献的其余部分.
尽管此模型简单,但电磁辐射效应研究的重点对象(眼睛、大脑)均有,仿真速度快,结果同样有价值.
划分网格数为252*213*269,简易头模一次仿真时间在50min左右.
偶极天线与简易人体头部电磁模型的示意图见图1.
偶极天线的尺寸为:(*1.
82*30)mm3,由两截相同的天线组成,横截面为圆形.
天线的辐射依研究所需要被设定为频率分别为900MHz、2400MHz的正弦波,天线的功率被设定为100mW.
手机的发射功率在几毫瓦到几瓦之间,路由器的最大发射功率也能到100mW,此处选定统一的发射功率100mW,这是一般文献的通常做法,可得出一个初步的结果,之后亦可方便地根据手机或无线路由器的实际工作情况调整发射功率获得相应的SAR数据.
简易人体头颅电磁模型的尺寸参数以成年男子头部的统计数据为基础.
头部主体模拟液、大脑、眼睛三人体头部吸收手机及无线路由器辐射的FDTD仿真FDTDSimulationofHumanHeadAbsorptionRadiatedfromMobilePhoneandWirelessRouter1清华大学工程物理系2粒子技术与辐射成像教育部重点实验室(清华大学)黄子健1,2倪建平1,2孟萃1,2辛理科2摘要建立一个简易的人体头部电磁模型,并基于时域有限差分方法(FDTD),利用XFDTD软件仿真计算手机和无线路由器辐射与人体头部相互作用的SAR值,根据ICNIRP提供的公众照射基本限值评估了其安全性.
关键词时域有限差分方法;人体头颅电磁模型;总体平均SAR值AbstractAsimpleelectromagneticmodelofahumanheadisestablishedinthispaper,XFDTDsoftwareisusedtodothenumericalsimulationcalculationwhichwasbasedontheFDTDmethod,theSARvaluesoftheinteractionbetweenhumanheadandtheradiationofmobilephoneandwirelessrouterarecalculated,itssafetyaccordingtoICNIRP'sbasiclimitofpublicexposureisevaluated.
KeywordsFDTD;humanheadmodel;ensembleaverageSAR66SAFETY&EMCNo.
12015EMCSIMULATION个组成部分的电磁参数来源于IOPScience给出的各频段人体组织介电特性,以及目前国际通用的人体头部组织模拟液的电介质特性,见表1.
[5-7]在进行相应频率的仿真研究时,将表中所列参数分别应用于头部模型的对应组织器官中,即可得到一个人体头部电磁模型.
3仿真运算3.
1仿真运算的步骤首先将人体头部模型的主体、眼睛和大脑三部分SAT文件分别导入软件XFDTD中.
在软件中建立一个图1偶极天线与简易人体头颅电磁模型的示意图表2手机电磁辐射与人体头颅相互作用SAR值与距离关系表3无线路由器电磁辐射与人体头颅相互作用SAR值与距离关系表1人体头部组织模拟液、大脑灰质及晶状体的介电特性图2最大SAR值(10g平均)与距离关系图3总体平均SAR值与距离关系频率/MHz相对介电常数电导率/(S/m)人体头部组织模拟液90041.
50.
97240039.
21.
80大脑灰质90046.
30.
94240044.
11.
80晶状体90051.
30.
97240047.
21.
54偶极天线来模拟电磁辐射源,再把该天线设置在右耳附近的特定位置,并分别仿真天线与头颅不同距离时的情况.
然后网格化整体头部模型和天线、设置要求的网格大小、设置自由空间的边界吸收条件,完成之后就会自动生成网格模型,在此案例中,由于头模较简单,软件将其网格化的速度相当快.
在之前建立的天线接口处定义馈点,并在此定义激励波形(具有50Ω源阻抗的正弦电压源).
最后设置好SAR传感器和场强传感器的探测区域或探测点,即可开始进行模拟仿真运算.
3.
2仿真运算的结果仿真运算所得到的结果如表2、表3所示.
最大SAR值(10g平均)、总体平均SAR值与距离和限值关系如图2、图3所示.
距离/mm0(紧贴)5102040100最大SAR值(10g平均)/(W/kg)2.
373.
65*10-21.
87*10-27.
63*10-32.
41*10-34.
12*10-4总体平均SAR值/(W/kg)7.
79*10-33.
88*10-42.
47*10-41.
43*10-47.
93*10-53.
44*10-5距离/mm0(紧贴)5102040100最大SAR值(10g平均)/(W/kg)3.
791.
690.
8410.
3340.
1483.
37*10-2总体平均SAR值/(W/kg)1.
73*10-29.
49*10-35.
81*10-33.
39*10-32.
70*10-31.
51*10-3672015年第1期安全与电磁兼容电磁仿真图4手机距离5mm时最大SAR值处沿z轴切片的SAR分布图图5无线路由器距离100mm时最大SAR值处沿z轴切片的SAR分布图本文考虑的是极端情况,假设距离很近.
图4、图5分别给出了手机距离5mm、无线路由器距离100mm时最大SAR值处沿水平轴向的SAR分布.
(2)无线路由器(辐射频率为2400MHz)待机或工作(有数据传输)时,实测场强未超出公众照射导出限值.
当无线路由器发射功率为0.
1W时,经过仿真运算发现,暴露于无线路由器辐射电磁场中的人体头部总体平均SAR值未超过基本限值,但暴露于电磁场中人体头颅内任意10g组织中的平均SAR值的最大值在距离40mm以内均超出了公众限值规定的0.
08W/kg,但与手机电磁辐射相似的是,随着距离的增加,这两项指标均呈迅速下降趋势,当距离升到100mm以上,人体头颅内任意10g组织中的平均SAR值的最大值已降到规定限值以下.
图5中,当无线路由器的天线距离头部右侧100mm使用时,仍然在靠近天线一侧区域SAR值较大,但已经都小于限值.
虽然这项仿真的部分结果超出了限值,但由于无线路由器与手机的使用不同,平时我们使用无线路由器均距离较远(大部分在1m以上),正常使用情况下几乎不可能会出现天线距离头部较近的情况,而根据仿真结果发现,在天线距离0.
1m时SAR值已经降到了可接受的水平.
故总体来说仍可以认为无线路由器的电磁辐射对人体是安全的.
[1]王丹阳.
网传恐怖实验验证Wifi可杀植物清华大学专家实验:没这回事[J].
天津政协,2013(11):62.
[2]刘亚宁.
电磁生物效应[M].
北京:北京邮电大学出版社,2002:1-224.
[3]侯建强,牛中奇,陈建华,等.
手机辐射与人体头颅相互作用的仿真分析[J].
中国生物医学工程学报,2009(5):713-718.
[4]王曼珠,乔燕,路而红.
人体对手机辐射吸收剂量的仿真研究[J].
电子科技大学学报,2008(2):221-224.
[5]CGabriel,SGabrielandECorthout.
Thedielectricpropertiesofbiologicaltissues:I.
Literaturesurvey[J].
Phys.
Med.
Biol,1996(41):2231-2249.
[6]SGabriel,RWLauandCGabriel.
Thedielectricpropertiesofbiologicaltissues:II.
Measurementsinthefrequencyrange10Hzto20GHz[J].
Phys.
Med.
Biol,1996(41):2251-2269.
[7]SGabriel,RWLauandCGabriel.
Thedielectricpropertiesofbiologicaltissues:III.
Parametricmodelsforthedielectricspectrumoftissues[J].
Phys.
Med.
Biol,1996(41):2271-2293.
编辑:王淑华E-mail:wangsh@cesi.
cn参考文献3.
3仿真运算的结果分析综合前面给出的仿真结果,并与ICNIRP的标准《GuidelinesforLimitingExposuretoTime-Varyingelectric,Magnetic,andElectromagneticFields(upto300GHz)》中公众照射基本限值及导出限值比较后,可得出如下结论:(1)当手机(辐射频率为900MHz)发射功率为0.
1W时,经过仿真运算发现,在所研究距离下,暴露于手机辐射电磁场中人体头部的总体平均SAR值未超过公众基本限值规定的0.
08W/kg,但值得注意的是,在手机天线紧贴头部表面时,任意10g组织中的平均SAR值的最大值达到了2.
373W/kg,超过了公众基本限值,从仿真结果可知,该最大值位置在耳朵最靠近天线处.
不过随着距离的增加,这两项指标均呈迅速下降的趋势,图4中,当手机距离头部5mm使用时,SAR值较大的区域还是右耳及其内部附近的区域,但其各点的10g组织中的平均SAR值已低于限值.
总体来说,在保证使用距离不太近的情况下(5mm以上),手机的电磁辐射是安全的.
网络上最近风传丹麦学生的实验证实无线路由器的辐射导致水芹种子不发芽,国内有些实验则认为无线路由器电磁辐射对绿豆发芽率没有明显的影响[1],无线路由器的电磁辐射对人体头部的影响到底如何人体头部对靠近的偶极天线辐射所吸收的能量由比吸收率(SpecificAbsorptionRate,缩写为SAR)确定,定义为:单位质量的人体组织所吸收的电磁波功率,单位为W/Kg[2].
目前一般研究认为:正常使用手机时,人体头部的总体平均SAR值未超过ICNIRP公众限值,但10g组织平均的最大SAR值超过了限值[3];人体组织中SAR的分布与辐射频率、辐射强度、暴露时间以及人体电介质特性等多种辐射参数有关[4].
本文利用时域有限差分方法(FDTD)研究手机及无线路由器辐射对人体头部的影响,并将人体头部电磁模型对辐射的吸收量与ICNIRP提供的公众照射基本限值比较,评估其安全性.
2简易人体头部电磁模型的构建由于使用FDTD方法的特殊性,如果模型十分复杂,进行网格化处理及仿真运算时将大大降低运算效率,实际上亦有文献仅采用立方体或者圆球体作为一个十分简单的头颅模型,但这样丢失细节过多,结果的说服力不足.
因此,我们利用3DMax软件建立了一个简易头颅模型.
模型含有头部主体、大脑(由于在头的内部,图上未显示出)、眼睛及其余五官等主要组织,摒弃了对这个实验研究并无明显贡献的其余部分.
尽管此模型简单,但电磁辐射效应研究的重点对象(眼睛、大脑)均有,仿真速度快,结果同样有价值.
划分网格数为252*213*269,简易头模一次仿真时间在50min左右.
偶极天线与简易人体头部电磁模型的示意图见图1.
偶极天线的尺寸为:(*1.
82*30)mm3,由两截相同的天线组成,横截面为圆形.
天线的辐射依研究所需要被设定为频率分别为900MHz、2400MHz的正弦波,天线的功率被设定为100mW.
手机的发射功率在几毫瓦到几瓦之间,路由器的最大发射功率也能到100mW,此处选定统一的发射功率100mW,这是一般文献的通常做法,可得出一个初步的结果,之后亦可方便地根据手机或无线路由器的实际工作情况调整发射功率获得相应的SAR数据.
简易人体头颅电磁模型的尺寸参数以成年男子头部的统计数据为基础.
头部主体模拟液、大脑、眼睛三人体头部吸收手机及无线路由器辐射的FDTD仿真FDTDSimulationofHumanHeadAbsorptionRadiatedfromMobilePhoneandWirelessRouter1清华大学工程物理系2粒子技术与辐射成像教育部重点实验室(清华大学)黄子健1,2倪建平1,2孟萃1,2辛理科2摘要建立一个简易的人体头部电磁模型,并基于时域有限差分方法(FDTD),利用XFDTD软件仿真计算手机和无线路由器辐射与人体头部相互作用的SAR值,根据ICNIRP提供的公众照射基本限值评估了其安全性.
关键词时域有限差分方法;人体头颅电磁模型;总体平均SAR值AbstractAsimpleelectromagneticmodelofahumanheadisestablishedinthispaper,XFDTDsoftwareisusedtodothenumericalsimulationcalculationwhichwasbasedontheFDTDmethod,theSARvaluesoftheinteractionbetweenhumanheadandtheradiationofmobilephoneandwirelessrouterarecalculated,itssafetyaccordingtoICNIRP'sbasiclimitofpublicexposureisevaluated.
KeywordsFDTD;humanheadmodel;ensembleaverageSAR66SAFETY&EMCNo.
12015EMCSIMULATION个组成部分的电磁参数来源于IOPScience给出的各频段人体组织介电特性,以及目前国际通用的人体头部组织模拟液的电介质特性,见表1.
[5-7]在进行相应频率的仿真研究时,将表中所列参数分别应用于头部模型的对应组织器官中,即可得到一个人体头部电磁模型.
3仿真运算3.
1仿真运算的步骤首先将人体头部模型的主体、眼睛和大脑三部分SAT文件分别导入软件XFDTD中.
在软件中建立一个图1偶极天线与简易人体头颅电磁模型的示意图表2手机电磁辐射与人体头颅相互作用SAR值与距离关系表3无线路由器电磁辐射与人体头颅相互作用SAR值与距离关系表1人体头部组织模拟液、大脑灰质及晶状体的介电特性图2最大SAR值(10g平均)与距离关系图3总体平均SAR值与距离关系频率/MHz相对介电常数电导率/(S/m)人体头部组织模拟液90041.
50.
97240039.
21.
80大脑灰质90046.
30.
94240044.
11.
80晶状体90051.
30.
97240047.
21.
54偶极天线来模拟电磁辐射源,再把该天线设置在右耳附近的特定位置,并分别仿真天线与头颅不同距离时的情况.
然后网格化整体头部模型和天线、设置要求的网格大小、设置自由空间的边界吸收条件,完成之后就会自动生成网格模型,在此案例中,由于头模较简单,软件将其网格化的速度相当快.
在之前建立的天线接口处定义馈点,并在此定义激励波形(具有50Ω源阻抗的正弦电压源).
最后设置好SAR传感器和场强传感器的探测区域或探测点,即可开始进行模拟仿真运算.
3.
2仿真运算的结果仿真运算所得到的结果如表2、表3所示.
最大SAR值(10g平均)、总体平均SAR值与距离和限值关系如图2、图3所示.
距离/mm0(紧贴)5102040100最大SAR值(10g平均)/(W/kg)2.
373.
65*10-21.
87*10-27.
63*10-32.
41*10-34.
12*10-4总体平均SAR值/(W/kg)7.
79*10-33.
88*10-42.
47*10-41.
43*10-47.
93*10-53.
44*10-5距离/mm0(紧贴)5102040100最大SAR值(10g平均)/(W/kg)3.
791.
690.
8410.
3340.
1483.
37*10-2总体平均SAR值/(W/kg)1.
73*10-29.
49*10-35.
81*10-33.
39*10-32.
70*10-31.
51*10-3672015年第1期安全与电磁兼容电磁仿真图4手机距离5mm时最大SAR值处沿z轴切片的SAR分布图图5无线路由器距离100mm时最大SAR值处沿z轴切片的SAR分布图本文考虑的是极端情况,假设距离很近.
图4、图5分别给出了手机距离5mm、无线路由器距离100mm时最大SAR值处沿水平轴向的SAR分布.
(2)无线路由器(辐射频率为2400MHz)待机或工作(有数据传输)时,实测场强未超出公众照射导出限值.
当无线路由器发射功率为0.
1W时,经过仿真运算发现,暴露于无线路由器辐射电磁场中的人体头部总体平均SAR值未超过基本限值,但暴露于电磁场中人体头颅内任意10g组织中的平均SAR值的最大值在距离40mm以内均超出了公众限值规定的0.
08W/kg,但与手机电磁辐射相似的是,随着距离的增加,这两项指标均呈迅速下降趋势,当距离升到100mm以上,人体头颅内任意10g组织中的平均SAR值的最大值已降到规定限值以下.
图5中,当无线路由器的天线距离头部右侧100mm使用时,仍然在靠近天线一侧区域SAR值较大,但已经都小于限值.
虽然这项仿真的部分结果超出了限值,但由于无线路由器与手机的使用不同,平时我们使用无线路由器均距离较远(大部分在1m以上),正常使用情况下几乎不可能会出现天线距离头部较近的情况,而根据仿真结果发现,在天线距离0.
1m时SAR值已经降到了可接受的水平.
故总体来说仍可以认为无线路由器的电磁辐射对人体是安全的.
[1]王丹阳.
网传恐怖实验验证Wifi可杀植物清华大学专家实验:没这回事[J].
天津政协,2013(11):62.
[2]刘亚宁.
电磁生物效应[M].
北京:北京邮电大学出版社,2002:1-224.
[3]侯建强,牛中奇,陈建华,等.
手机辐射与人体头颅相互作用的仿真分析[J].
中国生物医学工程学报,2009(5):713-718.
[4]王曼珠,乔燕,路而红.
人体对手机辐射吸收剂量的仿真研究[J].
电子科技大学学报,2008(2):221-224.
[5]CGabriel,SGabrielandECorthout.
Thedielectricpropertiesofbiologicaltissues:I.
Literaturesurvey[J].
Phys.
Med.
Biol,1996(41):2231-2249.
[6]SGabriel,RWLauandCGabriel.
Thedielectricpropertiesofbiologicaltissues:II.
Measurementsinthefrequencyrange10Hzto20GHz[J].
Phys.
Med.
Biol,1996(41):2251-2269.
[7]SGabriel,RWLauandCGabriel.
Thedielectricpropertiesofbiologicaltissues:III.
Parametricmodelsforthedielectricspectrumoftissues[J].
Phys.
Med.
Biol,1996(41):2271-2293.
编辑:王淑华E-mail:wangsh@cesi.
cn参考文献3.
3仿真运算的结果分析综合前面给出的仿真结果,并与ICNIRP的标准《GuidelinesforLimitingExposuretoTime-Varyingelectric,Magnetic,andElectromagneticFields(upto300GHz)》中公众照射基本限值及导出限值比较后,可得出如下结论:(1)当手机(辐射频率为900MHz)发射功率为0.
1W时,经过仿真运算发现,在所研究距离下,暴露于手机辐射电磁场中人体头部的总体平均SAR值未超过公众基本限值规定的0.
08W/kg,但值得注意的是,在手机天线紧贴头部表面时,任意10g组织中的平均SAR值的最大值达到了2.
373W/kg,超过了公众基本限值,从仿真结果可知,该最大值位置在耳朵最靠近天线处.
不过随着距离的增加,这两项指标均呈迅速下降的趋势,图4中,当手机距离头部5mm使用时,SAR值较大的区域还是右耳及其内部附近的区域,但其各点的10g组织中的平均SAR值已低于限值.
总体来说,在保证使用距离不太近的情况下(5mm以上),手机的电磁辐射是安全的.
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