ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΜΕΤΑΞΥ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΤΕΡΜΑΤΙΚΩΝ ΣΥΣΚΕΥΩΝ ΚΑΙ ΤΟΥ ΑΝΘΡΩΠΙΝΟΥ ΣΩΜΑΤΟΣ

Transcript

1 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΜΕΤΑΞΥ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΤΕΡΜΑΤΙΚΩΝ ΣΥΣΚΕΥΩΝ ΚΑΙ ΤΟΥ ΑΝΘΡΩΠΙΝΟΥ ΣΩΜΑΤΟΣ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΘΕΟΔΩΡΟΥ ΖΕΡΒΟΥ ΔΙΠΛΩΜΑΤΟΥΧΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΟΥ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗΣ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥ ΠΑΤΡΩΝ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΑΡΙΘΜΟΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ: 198 ΠΑΤΡΑ 27

2 Ζερβός Ν. Θεόδωρος url:

3

4 Αφιερώνεται στην οικογένεια μου και τη Γεωργία

5 Πρόλογος Η παρούσα διδακτορική διατριβή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ασύρματων Επικοινωνιών του Ινστιτούτου Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών του ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος» σε συνεργασία με το Εργαστήριο Θεωρητικής Ηλεκτροτεχνίας και Παραγωγής του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. Στο σημείο αυτό αισθάνομαι την ηθική υποχρέωση να ευχαριστήσω όλους όσους συνέβαλαν με τον τρόπο τους στην ολοκλήρωση της. Αρχικά θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα αναπληρωτή καθηγητή κ. Κωνσταντίνο Σώρρα για την βοήθεια και την υποστήριξη που μου πρόσφερε κατά τη διάρκεια της εκπόνησης της παρούσας διατριβής. Τον συνεπιβλέποντα ερευνητή Β κ. Αντώνιο Αλεξανδρίδη για την αδιάκοπη, ακούραστη και συστηματική υποστήριξή του καθ όλη την διάρκεια των τελευταίων ετών. Τον ευχαριστώ για την αμέριστη συμπαράστασή του και για την δημιουργία των κατάλληλων προϋποθέσεων για την εκπόνηση της διατριβής αυτής. Τον καθηγητή κ. Βασίλειο Μακιό καθώς και τον καθηγητή, μέλος της τριμελούς εξεταστικής επιτροπής, κ. Σταύρο Κωτσόπουλο για τις χρήσιμες παρατηρήσεις και υποδείξεις τους. Τους καθηγητές κ. Φίλιππο Κωνσταντίνου και κ. Δημήτριο Τσανάκα καθώς και τους επίκουρους καθηγητές κ. Γρηγόριο Καλύβα και κ. Δημήτριο Τουμπακάρη για την υποστήριξη και για τα χρήσιμα σχόλια τους κατά τη διάρκεια της εξέτασης. Επίσης ευχαριστώ τους ερευνητές κ. Κωνσταντίνο Δαγκάκη και κ. Φώτη Λαζαράκη για τις καίριες επισημάνσεις, παρεμβάσεις και διορθώσεις τους καθώς και για τις ενδιαφέρουσες συζητήσεις περί επιστημονικών και εν γένει ευρύτερων θεμάτων. Θα ήθελα να ευχαριστήσω τους συναδέλφους μηχανικούς από το πανεπιστήμιο του Βελιγραδίου, καθηγητή κ. Vladimir Petrović και διδάκτορες κ. Dragan Olćan και κα. Marija Nikolić για τη συνεργασία που είχαμε και για την πολύτιμη βοήθεια τους. Ακόμα ευχαριστώ τους ηλεκτρολόγους-μηχανικούς κ. Παναγιώτη Κατριβάνο και κ. Αντώνιο Βλαχάκη καθώς και τους ηλεκτρονικούς κ. Ελευθέριο Αδειλίνη και κ. Σπύρο Ξηρούτσικο για το ενδιαφέρον τους, τη βοήθεια και την τεχνική υποστήριξη οποτεδήποτε χρειάστηκε. Τους διδάκτορες κ. Βασίλειο Χριστοφιλάκη, κ. Κωνσταντίνο Πέππα και κ. Νικόλαο Σαγιά για την άριστη επικοινωνία και συνεργασία που είχαμε, καθώς και όλους τους

6 υποψήφιους διδάκτορες που εργάζονται στο εργαστήριο ασύρματων επικοινωνιών για τη δημιουργία ευχάριστου κλίματος εργασίας. Θα ήθελα να ευχαριστήσω ακόμα τους διδάκτορες κ. Εμμανουήλ Καραμποΐκη, κ. Γεώργιο Τσαχτσίρη και τον υποψήφιο διδάκτορα κ. Βασίλειο Παπαμιχαήλ για την πολύτιμη συνεργασία τους σε επιστημονικό και φιλικό επίπεδο. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένειά μου, τους φίλους μου και τη μνηστή μου για την ξεχωριστή συμβολή του καθενός στο τελικό αποτέλεσμα της πολυετούς εργασίας. Πάτρα, Θεόδωρος Ζερβός

7 Περίληψη Τ ο αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη και σε βάθος ανάλυση και μοντελοποίηση της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης του ανθρώπινου σώματος και των κεραιών που χρησιμοποιούν οι φορητές τερματικές συσκευές των σύγχρονων συστημάτων κινητής τηλεφωνίας. Ο στόχος είναι διπλός: αφενός μεν να υπολογιστεί η υποβάθμιση της απόδοσης της κεραίας, που προκαλείται από την παρουσία του σώματος του χρήστη σε μικρή απόσταση από αυτή και αφετέρου να εξεταστεί και να προσδιοριστεί επακριβώς το ποσό της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που απορροφάται από το ανθρώπινο σώμα και ειδικότερα από τον ανθρώπινο εγκέφαλο κατά τη χρήση του κινητού τηλεφώνου. Ο απώτερος σκοπός είναι η συμβολή στην ανάπτυξη ασύρματων τερματικών (πχ. κινητά τηλέφωνα) που θα είναι πιο αποδοτικά στη λειτουργία τους και ταυτόχρονα περισσότερο ασφαλή για το χρήστη τους. Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται μεγάλη εξάπλωση των συστημάτων κινητών επικοινωνιών ενώ παράλληλα αυξάνεται η ανησυχία του κοινού γύρω από τις πιθανές βιολογικές επιδράσεις της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που εκπέμπεται από τα κινητά τερματικά. Η εξάπλωση αυτή συνοδεύεται από έντονο επιστημονικό ενδιαφέρον σε αυτή την περιοχή. Η έρευνα γύρω από το θέμα της αλληλεπίδρασης μεταξύ της κεραίας του κινητού τηλεφώνου και του σώματος του χρήστη αποτελεί αντικείμενο αιχμής διεθνώς και απορρέει από την ανάγκη για όσο το δυνατόν αποδοτικότερη λειτουργία των διατάξεων εκπομπής λήψης των κινητών συσκευών καθώς επίσης και από την ανάγκη για χαμηλότερη έκθεση του ανθρώπινου σώματος στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Στη διεθνή βιβλιογραφία υπάρχουν πλήθος επιστημονικών δημοσιεύσεων σχετικών με το αντικείμενο, ενώ διενεργούνται συνεχώς και νέες έρευνες. Το θέμα δεν έχει εξαντληθεί και τα συμπεράσματα που εξάγονται είναι αρκετές φορές ασαφή ακόμη και αντικρουόμενα λόγω της σοβαρής απόκλισης που παρατηρείται, σε μερικές περιπτώσεις, μεταξύ θεωρητικών και πειραματικών αποτελεσμάτων. Για το λόγο αυτό δίνεται έμφαση στην έρευνα με στόχο τον καθορισμό μεθοδολογιών μετρήσεων για τον ακριβή προσδιορισμό της απορροφώμενης ηλεκτρομαγνητικής ισχύος από το ανθρώπινο σώμα. Προσφάτως, εμφανίζεται μεγάλη εξάπλωση της χρήσης των λεγόμενων συστημάτων πολλαπλών εισόδων πολλαπλών εξόδων (ΜΙΜΟ) σε εφαρμογές σύγχρονων τηλεπικοινωνιακών συστημάτων. Τα συστήματα αυτά στηρίζουν τη λειτουργία τους στη

8 χρήση κεραιών πολλαπλών στοιχείων τόσο στους σταθμούς βάσης όσο και στα τερματικά. Η λειτουργία κεραιών πολλαπλών στοιχείων στα τερματικά προσφέρει, εκτός των άλλων, τη δυνατότητα μορφοποίησης του διαγράμματος ακτινοβολίας του φορητού τερματικού. Η χρήση της δυνατότητας αυτής (beamforming) με στόχο τον αποδοτικό έλεγχο της αλληλεπίδρασης του σώματος του χρήστη με το τερματικό αποτελεί αντικείμενο ερευνητικής δραστηριότητας. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματοποιήθηκε εκτενής μελέτη και ανάλυση των παραμέτρων που σχετίζονται με την αλληλεπίδραση μεταξύ της κεραίας ασύρματων τερματικών συσκευών και του σώματος του χρήστη. Σχεδιάστηκαν, μοντελοποιήθηκαν, υλοποιήθηκαν και μετρήθηκαν πειραματικά πρωτότυπα τερματικών συσκευών παρουσία ομοιωμάτων του ανθρώπινου κεφαλιού με σκοπό τον υπολογισμό της απορρόφησης ακτινοβολίας από το κεφάλι και της μεταβολής της απόδοσης της κεραίας του τερματικού. Αναπτύχθηκε κατάλληλη μεθοδολογία μετρήσεων στο μακρινό πεδίο για την αξιόπιστη και ακριβή μέτρηση των χαρακτηριστικών των κεραιών του τερματικού. Μελετήθηκαν τρόποι βελτίωσης της λειτουργίας με χρήση πολλαπλών κεραιών (συστοιχία) στο τερματικό. Τέλος εξετάστηκε η επίδραση του χεριού του χρήστη στην απόδοση ενός ΜΙΜΟ τερματικού.

9 Abstract Τ he object of this doctoral thesis is the study, in depth analysis and modelling of the electromagnetic interaction between the human body and the antennas used in the handsets of modern wireless telecommunication systems. The aim is twofold. On one hand is the estimation of the antenna efficiency reduction that is caused by the presence of the user s body in small distance and on the other hand is the study and precise determination of the electromagnetic radiation absorbed by the human body (especially the human head) at the use of a wireless terminal. The final aim is the contribution in the design of wireless terminals (e.g. mobile telephones) that will be more efficient in their operation and simultaneously safer for their user. During the past years there is a big expansion of mobile communications systems while at the same time the public concern about the possible biological effects of the mobile terminals electromagnetic radiation is increased. This proliferation is accompanied by intent scientific research in this topic. The study of the interaction between the mobile terminal antenna and the user s body is a very hot research topic and arises from the need for an efficient, as much as possible, operation of transmission - reception units of wireless terminals as well as from the need for lower exposure of the human body to electromagnetic radiation. There is a large number of publications relative to this topic while new researches are held. The derived conclusions are some times unclear, even refuted, because of the serious divergence that is observed, in certain cases, between theoretical and experimental results. For this reason, accent is given in the research aiming at the specification of measurement methodologies for the precise determination of the absorbed power from the human body. Recently, there is a big expansion in the use of Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO) systems in modern telecommunications system applications. MIMO systems base their operation in the use of multiple antenna elements at both base stations and terminals. The operation of multiple antenna elements at the terminal offers the ability to form its radiation diagram. The use of this ability (beamforming) in order to control the interaction between the human body and the terminal is the subject of research activity. In this thesis, an extensive study and analysis of the parameters related with the interaction between the wireless terminal antenna and the user s body were realized.

10 Experimental terminal prototypes were designed, modelled, constructed and measured in the presence of human head models in order to estimate the radiation absorption from the head and the degradation of the antenna efficiency. An appropriate measurements methodology at the far field was developed for the precise measurement of the terminal antenna characteristics. Ways of operation improvement using multiple antennas at the terminal were also studied. Finally, the effect of the user s hand at MIMO terminal performance was examined.

11 Περιεχόμενα Περιεχόμενα Κατάλογος σχημάτων Κατάλογος πινάκων Κατάλογος συντομογραφιών i iii ix xi ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: Εισαγωγή Σχεδίαση ασύρματων τερματικών Αλληλεπίδραση Απόδοση Απορρόφηση Διάρθρωση και πρωτοτυπία της διατριβής... 7 Αναφορές... 8 Κατάλογος δημοσιεύσεων 1 Άρθρα σε διεθνή περιοδικά... 1 Άρθρα σε διεθνή συνέδρια ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: Μεθοδολογίες Μετρήσεων Γενική περιγραφή Ανηχωικός θάλαμος Προτεινόμενη μεθοδολογία μετρήσεων Πειραματικά μοντέλα τερματικών Ομοίωμα ανθρώπινου κεφαλιού Προβλήματα-λύσεις Αναφορές ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: Προσομοίωση Τερματικών Αριθμητικές μέθοδοι ηλεκτρομαγνητικής προσομοίωσης Λογισμικό προσομοίωσης Μοντέλα τερματικού και κεφαλιού Αποτελέσματα προσομοίωσης και σύγκριση με μετρήσεις Προσαρμογή Διαγράμματα ακτινοβολίας... 46

12 3.4.3 Απόδοση Απορροφώμενη ισχύς Αναφορές ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: Παραμετρική Ανάλυση Απόσταση μεταξύ τερματικού και ανθρώπινου κεφαλιού Διαστάσεις τερματικών Σταθερή απόσταση κεραίας από το κεφάλι Τερματικό σε επαφή με το κεφάλι Σχετική θέση τερματικού Είδος κεραίας Παρουσία χεριού Αναφορές ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: Επίδραση του Ανθρώπινου Σώματος σε Τερματικά Πολλαπλών Κεραιών Τερματικό με πολλαπλές κεραίες Τερματικό με δύο κεραίες ανεστραμμένου F (IFA) Κεραία ανεστραμμένου F Μελέτη και κατασκευή τερματικού Διαιρέτης ισχύος Wilkinson Αποτελέσματα μετρήσεων και προσομοίωσης ΜΙΜΟ-Τερματικό με 4 κεραίες Συστήματα ΜΙΜΟ Τερματικό (PDA) με 4 PIFA κεραίες Επίδραση του χεριού στις επιδόσεις ΜΙΜΟ συστήματος Χωρητικότητα για μοντέλο καναλιού που βασίζεται σε πίνακες συσχέτισης Χωρητικότητα για μοντέλο καναλιού βασισμένο στη γεωμετρία Συμπεράσματα Αναφορές ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: Συμπεράσματα και Μελλοντικές Κατευθύνσεις 127 Αναφορές ii

13 Κατάλογος σχημάτων Σχήμα 1.1 Παράγοντες που σχετίζονται με το σχεδιασμό κεραιών για ασύρματα τερματικά... 2 Σχήμα 2.1 Περιοχές των πεδίων που περιβάλλουν την κεραία Σχήμα 2.2 Κατανομή των πεδίων στις περιοχές γύρω από την κεραία Σχήμα 2.3 Διαχωρισμός μεθόδων μέτρησης κεραιών Σχήμα 2.4 Ορθογώνιος (α) και σταδιακά στενός (β) ανηχωικός θάλαμος Σχήμα 2.5 Είδη απορροφητικών υλικών για ανηχωικούς θαλάμους Σχήμα 2.6 Διάταξη μετρήσεων στον ανηχωικό θάλαμο με χρήση αναλύτη φάσματος... 2 Σχήμα 2.7 Δίθυρο δικτύωμα συνδεδεμένο με τη γεννήτρια και τον αναλύτη (φορτίο) Σχήμα 2.8 Διάταξη μετρήσεων στον ανηχωικό θάλαμο με χρήση αναλύτη δικτυωμάτων Σχήμα 2.9 Διαστάσεις των τερματικών Τ1,Τ2 και Τ Σχήμα 2.1 Φωτογραφία των τερματικών Τ1,Τ2 και Τ Σχήμα 2.11 Διαστάσεις της ελικοειδούς κεραίας για το τερματικό Τ Σχήμα 2.12 Ομοίωμα ανθρώπινου κεφαλιού που χρησιμοποιείται στις μετρήσεις Σχήμα 2.13 Διαδικασία ευθυγράμμισης της υπό εξέταση κεραίας Σχήμα 2.14 Επίδραση καλωδίου τροφοδοσίας στα ακτινοβολούμενα πεδία, α) καλώδιο ως ακτινοβολητής, β) καλώδιο ως σκεδαστής... 3 Σχήμα 2.15 Διαδικασία κατασκευής και τοποθέτησης του μανδύα στο τερματικό Τ Σχήμα 2.16 Τοποθέτηση του ομοιώματος κεφαλιού και του τερματικού Τ2 στο κουτί από Styrofoam που χρησιμοποιείται στις μετρήσεις Σχήμα 2.17 Το κουτί από Styrofoam μέσα στον ανηχωικό θάλαμο για τη διενέργεια τρισδιάστατων μετρήσεων Σχήμα 3.1 Γραφικό περιβάλλον χρήστη του λογισμικού WIPL-D Σχήμα 3.2 Διαστάσεις του μοντέλου της ελικοειδούς κεραίας... 4 Σχήμα 3.3 Μοντέλο κεφαλιού δίπλα στο τερματικό Τ Σχήμα 3.4 Παράμετρος S 11 για το τερματικό Τ1 μόνο του και παρουσία του μοντέλου κεφαλιού (αποτελέσματα προσομοίωσης) Σχήμα 3.5 Παράμετρος S 11 για το τερματικό Τ2 μόνο του και παρουσία του μοντέλου κεφαλιού (αποτελέσματα προσομοίωσης) iii

14 Σχήμα 3.6 Παράμετρος S 11 για το τερματικό Τ3 μόνο του και παρουσία του μοντέλου κεφαλιού (αποτελέσματα προσομοίωσης) Σχήμα 3.7 Μετρημένες τιμές της παραμέτρου S 11 για το τερματικό Τ1 μόνο του και παρουσία του μοντέλου κεφαλιού Σχήμα 3.8 Μετρημένες τιμές της παραμέτρου S 11 για το τερματικό Τ2 μόνο του και παρουσία του μοντέλου κεφαλιού Σχήμα 3.9 Μετρημένες τιμές της παραμέτρου S 11 για το τερματικό Τ3 μόνο του και παρουσία του μοντέλου κεφαλιού Σχήμα 3.1 Ολικά διαγράμματα ακτινοβολίας (σε dbi) από προσομοίωση (α) και από μετρήσεις (β), για το τερματικό Τ1 μόνο του (α1, β1) και σε επαφή με το κεφάλι (α2, β2) Σχήμα 3.11 Ολικά διαγράμματα ακτινοβολίας (σε dbi) από προσομοίωση (α) και από μετρήσεις (β), για το τερματικό Τ2 μόνο του (α1, β1) και σε επαφή με το κεφάλι (α2, β2) Σχήμα 3.12 Ολικά διαγράμματα ακτινοβολίας (σε dbi) από προσομοίωση, για το τερματικό Τ3 μόνο του (α) και σε επαφή με το κεφάλι (β) Σχήμα 3.13 Ολικά διαγράμματα ακτινοβολίας (σε dbi) από προσομοίωση και από μετρήσεις, για το τερματικό Τ1 μόνο του (α) και σε επαφή με το κεφάλι (β), στα επίπεδα xy, xz και yz Σχήμα 4.1 Τοποθέτηση τερματικού δίπλα στο κεφάλι στη θέση ακοής Σχήμα 4.2 Παράμετρος S 11 για το τερματικό Τ2 σε διάφορες αποστάσεις από το μοντέλο κεφαλιού (αποτελέσματα προσομοίωσης) Σχήμα 4.3 Μεταβολή του ποσοστού της απορρόφησης συναρτήσει της απόστασης του τερματικού Τ2 και του κεφαλιού Σχήμα 4.4 Μεταβολή της απόδοσης ακτινοβολίας και της ολικής απόδοσης ως συνάρτηση της απόστασης του τερματικού Τ2 και του κεφαλιού Σχήμα 4.5 Μεταβολή του SAR N συναρτήσει της απόστασης τερματικού και κεφαλιού (αποτελέσματα προσομοίωσης) Σχήμα 4.6 Παραμετρικές διαστάσεις των τερματικών μοντέλων Σχήμα 4.7 Παράμετρος S 11 για τα διάφορα μεγέθη τερματικών (αποτελέσματα προσομοίωσης) Σχήμα 4.8 Παράμετρος S 11 για τα διάφορα μεγέθη τερματικών δίπλα από το μοντέλο κεφαλιού όταν διατηρείται σταθερή η απόσταση κεραίας-κεφαλιού (αποτελέσματα προσομοίωσης) iv

15 Σχήμα 4.9 Μεταβολή του ποσοστού της απορρόφησης συναρτήσει του μήκους της πλευράς Α του τερματικού διατηρώντας σταθερή απόσταση κεραίαςκεφαλιού Σχήμα 4.1 Μεταβολή της απόδοσης ακτινοβολίας και της ολικής απόδοσης συναρτήσει του μήκους της πλευράς Α του τερματικού διατηρώντας σταθερή την απόσταση κεραίας-κεφαλιού Σχήμα 4.11 Παράμετρος S 11 για τα διάφορα μεγέθη τερματικών δίπλα από το μοντέλο κεφαλιού όταν είναι σε επαφή με αυτό (αποτελέσματα προσομοίωσης) Σχήμα 4.12 Μεταβολή του ποσοστού της απορρόφησης συναρτήσει του μήκους της πλευράς Α του τερματικού διατηρώντας το τερματικό σε επαφή με το κεφάλι Σχήμα 4.13 Μεταβολή της απόδοσης ακτινοβολίας και της ολικής απόδοσης συναρτήσει του μήκους της πλευράς Α του τερματικού διατηρώντας το τερματικό σε επαφή με το κεφάλι Σχήμα 4.14 Απόδοση ακτινοβολίας και ολική απόδοση ως συνάρτηση της θέσης του τερματικού κατά τον άξονα y (αποτελέσματα προσομοίωσης) Σχήμα 4.15 Απόδοση ακτινοβολίας και ολική απόδοση ως συνάρτηση της θέσης του τερματικού κατά τον άξονα z (αποτελέσματα προσομοίωσης) Σχήμα 4.16 Παράμετρος S 11 για το τερματικό Τ3 σε διάφορες αποστάσεις από το μοντέλου κεφαλιού (αποτελέσματα προσομοίωσης) Σχήμα 4.17 Μεταβολή του ποσοστού της απορρόφησης συναρτήσει της απόστασης του τερματικού Τ3 και του κεφαλιού για δύο είδη κεραιών (αποτελέσματα προσομοίωσης) Σχήμα 4.18 Μεταβολή της απόδοσης ακτινοβολίας και της ολικής απόδοσης σε συνάρτηση της απόστασης του τερματικού Τ3 και του κεφαλιού για δύο είδη κεραιών (αποτελέσματα προσομοίωσης) Σχήμα 4.19 Μεταβολή του SAR N συναρτήσει της απόστασης του τερματικού Τ3 και του κεφαλιού για δύο είδη κεραιών (αποτελέσματα προσομοίωσης) Σχήμα 4.2 Μεταβολή του SAR N και του ποσοστού απορρόφησης συναρτήσει της απόστασης του τερματικού και του κεφαλιού για δύο συχνότητες λειτουργίας (αποτελέσματα προσομοίωσης) Σχήμα 4.21 Διαστάσεις του μοντέλου χεριού που κρατά το τερματικό Τ Σχήμα 4.22 Παράμετρος S 11 για το τερματικό Τ2 σε επαφή με το κεφάλι παρουσία χεριού για διάφορες θέσεις κρατήματος (αποτελέσματα προσομοίωσης) v

16 Σχήμα 4.23 Ολικά διαγράμματα ακτινοβολίας (σε dbi) από προσομοίωση: (α) του τερματικού Τ2 σε επαφή με το κεφάλι και (β) του τερματικού σε επαφή με το κεφάλι παρουσία χεριού Σχήμα 4.24 Ποσοστό απορρόφησης από το μοντέλο χεριού και κεφαλιού σε συνάρτηση του ύψους κρατήματος του τερματικού από το χέρι (αποτελέσματα προσομοίωσης) Σχήμα 4.25 Απόδοση ακτινοβολίας και ολική απόδοση του τερματικού Τ2 παρουσία του μοντέλου χεριού και κεφαλιού σε συνάρτηση του ύψους κρατήματος του τερματικού από το χέρι (αποτελέσματα προσομοίωσης) Σχήμα 5.1 Σύγκριση δύο συστημάτων έξυπνων κεραιών α) σύστημα μεταγωγής λοβού, β) σύστημα προσαρμοζόμενων κεραιών Σχήμα 5.2 Γεωμετρία μίας α) ILA και β) IFA κεραίας Σχήμα 5.3 Απεικόνιση των ρευμάτων που διαρρέουν μια IFA κεραία Σχήμα 5.4 α) Γεωμετρία και διαστάσεις κεραιών IFA και β) τοποθέτησή τους στο τερματικό Σχήμα 5.5 Τιμές των S παραμέτρων για τη διάταξη των δύο κεραιών του τερματικού με και χωρίς την παρουσία του μοντέλου του κεφαλιού (αποτελέσματα προσομοίωσης)... 9 Σχήμα 5.6 Διαγράμματα απολαβής των δύο κεραιών στο xy επίπεδο (αποτελέσματα προσομοίωσης)... 9 Σχήμα 5.7 Απόδοση ακτινοβολίας των κεραιών του τερματικού σε επαφή με το μοντέλο κεφαλιού σε συνάρτηση με τις διαφορές φάσης στην τροφοδοσία τους (αποτελέσματα προσομοίωσης) Σχήμα 5.8 Διαγράμματα ακτινοβολίας του τερματικού στο xy επίπεδο (σε dbi) σε συνάρτηση με τις διαφορές φάσης τροφοδοσίας (αποτελέσματα προσομοίωσης) Σχήμα 5.9 Εργαστηριακό πρωτότυπο τερματικό με 2 κεραίες IFA Σχήμα 5.1 Μετρημένες τιμές των S παραμέτρων της διάταξης των δύο κεραιών του τερματικού Σχήμα 5.11 Γεωμετρία και διαστάσεις του διαιρέτη Wilkinson α) το μοντέλο προσομοίωσης και β) το κατασκευασμένο πρωτότυπο Σχήμα 5.12 Ροή ισχύος στον διαιρέτη Wilkinson όταν τροφοδοτείται το: α) άκρο 1, β) άκρο 2, γ) άκρο Σχήμα 5.13 Κατασκευαστικά τμήματα της σύνδεσης του διαιρέτη ισχύος Wilkinson με τις κεραίες του τερματικού vi

17 Σχήμα 5.14 Η διάταξη μετρήσεων του τερματικού με τις 2 IFA παρουσία ομοιώματος κεφαλιού μέσα στον ανηχωικό θάλαμο Σχήμα 5.15 Διαγράμματα απολαβής (σε dbi) από προσομοίωση και μετρήσεις για το επίπεδο xy για τις δύο περιπτώσεις λειτουργίας του τερματικού Σχήμα 5.16 Μέγιστος SAR N για το τερματικό με τις κεραίες IFA και σύγκριση με το μονόπολο (αποτελέσματα προσομοίωσης)... 1 Σχήμα 5.17 Σύστημα πολλαπλών κεραιών ΜΙΜΟ Σχήμα 5.18 Τυπικός σχεδιασμός μιας κεραίας PIFA Σχήμα 5.19 Γεωμετρία και διαστάσεις της αναδιπλωμένης PIFA κεραίας, α) κάτοψη, β) πλάγια όψη και γ) τρισδιάστατη απεικόνιση της κατασκευής Σχήμα 5.2 Το τερματικό PDA: α) μοντέλο προσομοίωσης, β) εργαστηριακό πρωτότυπο Σχήμα 5.21 Μοντέλο του χεριού που κρατά το PDA: α) κάτοψη και β) φωτογραφία στο χώρο Σχήμα 5.22 Τιμές των S ii παραμέτρων των στοιχείων του PDA με και χωρίς την παρουσία του μοντέλου του χεριού (αποτελέσματα προσομοίωσης) Σχήμα 5.23 Διαγράμματα ακτινοβολίας (σε dbi) των 4 στοιχείων του PDA που προέκυψαν από: α) προσομοίωση, β) μετρήσεις Σχήμα 5.24 Διαγράμματα ακτινοβολίας (σε dbi) των 4 στοιχείων του PDA παρουσία του χεριού που προέκυψαν από: α) προσομοίωση, β) μετρήσεις Σχήμα 5.25 Διαγράμματα καμπύλων ίσης ισχύος της απολαβής των 4 στοιχείων (σε dbi) από μετρήσεις α) του PDA και β) του PDA παρουσία του χεριού Σχήμα 5.26 Απόδοση ακτινοβολίας υπολογισμένη από μετρήσεις των στοιχείων του PDA με και χωρίς την παρουσία του χεριού Σχήμα 5.27 Στοιχεία διασποράς για το PDA με και χωρίς την παρουσία του χεριού Σχήμα 5.28 Χωρητικότητα του ΜΙΜΟ καναλιού για το PDA με και χωρίς την παρουσία χεριού σε συνάρτηση του SNR Σχήμα 5.29 Χωρητικότητα καναλιού στο επίπεδο yz σε συνάρτηση του θ, για το PDA με και χωρίς την παρουσία χεριού υπολογισμένη χρησιμοποιώντας διαγράμματα ακτινοβολίας που προέκυψαν από μετρήσεις και προσομοίωση Σχήμα 5.3 Χωρητικότητα καναλιού στο επίπεδο xy σε συνάρτηση του φ, για το PDA με και χωρίς την παρουσία χεριού υπολογισμένη χρησιμοποιώντας διαγράμματα ακτινοβολίας που προέκυψαν από μετρήσεις και προσομοίωση vii

18 Σχήμα 5.31 Σχήμα 5.32 Χωρητικότητα καναλιού στο επίπεδο yz σε συνάρτηση του SNR, για το PDA με και χωρίς την παρουσία χεριού υπολογισμένη από διαγράμματα ακτινοβολίας που προέκυψαν από μετρήσεις και προσομοίωση Χωρητικότητα καναλιού στο επίπεδο xy σε συνάρτηση του SNR, για το PDA με και χωρίς την παρουσία χεριού υπολογισμένη από διαγράμματα ακτινοβολίας που προέκυψαν από μετρήσεις και προσομοίωση viii

19 Κατάλογος πινάκων ΠΙΝΑΚΑΣ 2.1 ΟΡΓΑΝΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΠΙΝΑΚΑΣ 2.2 ΔΙΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΥΓΡΟΥ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΙΣΤΟΥ ΑΝΘΡΩΠΙΝΟΥ ΚΕΦΑΛΙΟΥ ΠΙΝΑΚΑΣ 3.1 ΠΟΣΟΣΤΟ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΑΠΟ ΤΟ ΟΜΟΙΩΜΑ ΤΟΥ ΑΝΘΡΩΠΙΝΟΥ ΚΕΦΑΛΙΟΥ ΣΕ ΕΠΑΦΗ ΜΕ ΤΟ ΤΕΡΜΑΤΙΚΟ ΠΙΝΑΚΑΣ 5.1 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΔΙΑΙΡΕΤΗ ΙΣΧΥΟΣ WILKINSON ΠΙΝΑΚΑΣ 5.2 ΠΟΣΟΣΤΙΑΙΑ ΑΠΟΔΟΣΗ ΚΑΙ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΤΟΥ ΤΕΡΜΑΤΙΚΟΥ ΜΕ ΤΙΣ 2 ΚΕΡΑΙΕΣ IFA ix

20 x

21 Κατάλογος συντομογραφιών 3GPP 3rd Generation Partnership Project (Εταιρισμικό έργο 3ης γενιάς) CENELEC European Committee for Electrotechnical Standardization (Ευρωπαϊκή επιτροπή ηλεκτροτεχνικής τυποποίησης) EFIE Electric Field Integral Equation (Ολοκληρωτική εξίσωση ηλεκτρικού πεδίου) ΕΗP Extra High Performance (Υπερηψηλή απόδοση) ΕΚΕΦΕ Εθνικό Κέντρο Έρευνας Φυσικών Επιστημών FAC/FAR Fully Anechoic Chamber/Room (Πλήρης ανηχωικός θάλαμος) FDTD Finite Difference Time Domain (ΜΠΔ-Χ, Μέθοδος Πεπερασμένων Διαφορών στο πεδίο του Χρόνου) FEM Finite Element Method (ΜΠΣ, Μέθοδος Πεπερασμένων Στοιχείων) FIT Finite Integration Technique (Μέθοδος πεπερασμένης ολοκλήρωσης) GSM Global System for Mobile Communication (Παγκόσμιο σύστημα κινητών επικοινωνιών) ΗΜ Ηλεκτρομαγνητικός ICNIRP International Commission on Non Ionizing Radiation Protection (Διεθνής επιτροπή προστασίας από τη μη ιοντίζουσα ακτινοβολία) IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers (Ινστιτούτο ηλεκτρολόγων και ηλεκτρονικών μηχανικών) IFA Inverted F Antenna (Κεραία ανεστραμμένου F) ILA Inverted L Antenna (Κεραία ανεστραμμένου L) ΜΙΜΟ Multiple Input Multiple Output (Πολλαπλή είσοδος πολλαπλή έξοδος) MoM Method of Moments (ΜΡ, Μέθοδος των Ροπών) MRI Magnetic Resonance Image (Εικόνες μαγνητικής τομογραφίας) PDA Personal Digital Assistant (Προσωπικός ψηφιακός βοηθός) PEC Perfect Electric Conductor (Τέλειος ηλεκτρικός αγωγός) PIFA Planar Inverted F Antenna (Επίπεδη κεραία ανεστραμμένου F) RF Radio Frequency (Ραδιοσυχνότητα) SAC/SAR Semi-Anechoic Chamber/Room (Ημι-ανηχωικός θάλαμος) SAM Specific Anthropomorphic Mannequin (Ανθρωπομορφικό ομοίωμα) SAR Specific Absorption Rate (Ειδικός ρυθμός απορρόφησης) SNR Signal to Noise Ratio (Λόγος σήματος προς θόρυβο) VHF/UHF Very/Ultra High Frequency (Πολύ υψηλή συχνότητα / υπερυψηλή συχνότητα) WLAN Wireless Local Area Network (Ασύρματο τοπικό δίκτυο) xi

22

23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Εισαγωγή Τ ο κεφάλαιο αυτό αποτελεί την εισαγωγή της παρούσας διδακτορικής διατριβής και σκοπό έχει να παρουσιάσει συνοπτικά το πρόβλημα της αλληλεπίδρασης μεταξύ της κεραίας των ασύρματων τερματικών και του ανθρώπινου σώματος καθώς και τις παραμέτρους που σχετίζονται με αυτό. Το ζήτημα εξετάζεται από δύο οπτικές: την αποδοτική λειτουργία του τερματικού και την ασφάλεια του χρήστη. Στο τέλος του κεφαλαίου παρουσιάζεται η διάρθρωση της διατριβής και οι δημοσιεύσεις που προέκυψαν κατά την διάρκειά της. 1.1 Σχεδίαση ασύρματων τερματικών Οι πρόσφατες ενδείξεις της αγοράς καθώς και οι μελλοντικές προβλέψεις δείχνουν ένα αυξανόμενο ενδιαφέρον για τη χρήση προσωπικών επίγειων και δορυφορικών ασύρματων συστημάτων επικοινωνίας. Ανάμεσα στα πολυποίκιλα συστατικά των συστημάτων αυτών ξεχωρίζουν οι τερματικές συσκευές οι οποίες πρέπει να έχουν σχεδιαστεί με τέτοιο τρόπο ώστε να ικανοποιούν τις ανάγκες του χρήστη. Οι απαιτήσεις σχεδίασης κυμαίνονται από την αισθητική εμφάνιση του τερματικού έως θέματα αποδοτικής λειτουργίας της κεραίας του και ασφάλειας του χρήστη. Οι κεραίες παίζουν κυρίαρχο ρόλο στη βέλτιστη σχεδίαση των διατάξεων εκπομπήςλήψης ασύρματων συστημάτων. Τα δύο βασικά χαρακτηριστικά που πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά τη σχεδίαση οποιασδήποτε κεραίας ασύρματου φορητού τερματικού είναι ότι πρέπει να τοποθετηθεί στο κέλυφος (housing) του τερματικού και ότι κατά τη λειτουργία της η συσκευή κρατείται από τον χρήστη ο οποίος μπορεί να τη μετακινεί και να την κατευθύνει τυχαία προς οποιαδήποτε κατεύθυνση. Επειδή η κεραία είναι πολύ κοντά με το κέλυφος της συσκευής, το ρεύμα της διαρρέει και στο αγώγιμο κέλυφος γεγονός που επηρεάζει το

24 Αλληλεπίδραση Μεταξύ Ασύρματων Τερματικών Συσκευών και του Ανθρώπινου Σώματος πρωτότυπο διάγραμμα ακτινοβολίας της κεραίας. Όταν το τερματικό βρίσκεται κοντά στο σώμα του χρήστη, μεταβάλλεται το διάγραμμα ακτινοβολίας της κεραίας και πέφτει η απόδοση της. Επίσης μεταβάλλεται και η πόλωση του ακτινοβολούμενου ηλεκτρομαγνητικού (ΗΜ) κύματος καθώς ο χρήστης αλλάζει την κατεύθυνση του τερματικού με τυχαίο τρόπο ανάλογα με τις ανάγκες και τις συνήθειές του. Οι παραπάνω περιορισμοί στη σχεδίαση συνοδεύονται και από την απαίτηση για σχεδίαση πολύ μικρών κεραιών ώστε να μπορούν να τοποθετηθούν σε συμπαγή, μικρά, ελαφριά και όσο το δυνατόν φθηνότερα τερματικά. Βέβαια όσο μικρότερα είναι τα τερματικά και κατά συνέπεια οι κεραίες τους, τόσο υποβαθμίζεται η απόδοσή τους ενώ αυξάνεται η επίδραση της ακτινοβολίας τους στο σώμα του χρήστη καθώς λειτουργούν πλησιέστερα σε αυτό. Επιπροσθέτως για τα σύγχρονα συστήματα υπάρχουν και άλλες απαιτήσεις όπως ασφάλεια στο συγκεκριμένο φάσμα λειτουργίας και δυνατότητα για διαφορική λήψη από τις κεραίες του τερματικού. Στο σχήμα 1.1 [1.1] φαίνεται συνοπτικά η επίδραση των παραπάνω παραγόντων στη σχεδίαση κεραιών για ασύρματα φορητά τερματικά. Ο απώτερος στόχος στη σχεδίαση είναι η μεγιστοποίηση της συνολικής απόδοσης στην συχνότητα λειτουργίας. Σχήμα 1.1 Παράγοντες που σχετίζονται με το σχεδιασμό κεραιών για ασύρματα τερματικά. 2

25 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή Συνοψίζοντας, για τη σχεδίαση των κεραιών των τερματικών συσκευών πρέπει να λαμβάνονται υπόψη οι εξής παράγοντες: η προσαρμογή της αντίστασης εισόδου της κεραίας, το εύρος ζώνης της, η απολαβή, η πόλωση, η επίδραση του ανθρώπινου σώματος στο διάγραμμα ακτινοβολίας και στην αντίσταση εισόδου, καθώς και η απορρόφηση ισχύος από το σώμα του χρήστη. 1.2 Αλληλεπίδραση Η εξάπλωση των συστημάτων κινητών επικοινωνιών που παρατηρείται τα τελευταία χρόνια, συνοδευόμενη από την έντονη ανησυχία του κοινού γύρω από τις πιθανές βιολογικές επιδράσεις της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που εκπέμπεται από τα κινητά τερματικά, έχει επιβάλλει την επιστημονική διερεύνηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ των κεραιών των τερματικών και του σώματος του χρήστη. Η έρευνα γύρω από το θέμα αυτό αποτελεί αντικείμενο αιχμής διεθνώς και απορρέει από την ανάγκη για όσο το δυνατόν αποδοτικότερη λειτουργία των διατάξεων εκπομπής / λήψης των κινητών συσκευών καθώς επίσης και από την ανάγκη για χαμηλότερη έκθεση του ανθρώπινου σώματος στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Η έρευνα εστιάζεται σε δύο σημεία: α) στον υπολογισμό της υποβάθμισης της απόδοσης της κεραίας που προκαλείται από την παρουσία του σώματος του χρήστη σε μικρή απόσταση από αυτή και β) στον ακριβή προσδιορισμό του ποσού της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που απορροφάται από το ανθρώπινο σώμα και ειδικότερα από τον ανθρώπινο εγκέφαλο κατά τη χρήση του ασύρματου τερματικού Απόδοση Όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενη παράγραφο, η απαίτηση για κατασκευή τερματικών συσκευών μικρού μεγέθους περιορίζει το μέγεθος των κεραιών. Είναι γνωστό ότι οι ηλεκτρικά μικρές κεραίες (μήκος κεραίας πολύ μικρότερο από το μήκος κύματος) υποφέρουν από υποβάθμιση των χαρακτηριστικών τους όπως το εύρος ζώνης, η απολαβή και η απόδοση ακτινοβολίας. Ο τελευταίος αυτός παράγοντας πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά τη σχεδίαση νέων κεραιών για συστήματα ασύρματων επικοινωνιών. Θεωρώντας ότι οι απώλειες στην κεραία, R l, περιλαμβάνουν τις ωμικές απώλειες στους αγωγούς και τις απώλειες στο διηλεκτρικό υλικό της κεραίας (αν υπάρχει), η απόδοση ακτινοβολίας, e rad, ορίζεται ως ο λόγος [1.2]: e rad Rr = (1.1) R + R όπου με R r συμβολίζεται η αντίσταση ακτινοβολίας της κεραίας. Η ακριβής μέτρηση της απόδοσης ακτινοβολίας είναι ένα αρκετά δύσκολο αντικείμενο και υπάρχουν σημαντικές πιθανότητες λάθους. Στη βιβλιογραφία έχουν αναφερθεί αρκετές μέθοδοι μέτρησης της r l 3