Υπολογιστικός Ηλεκτρομαγνητισμός

HTML
DOWNLOAD

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Υπολογιστικός Ηλεκτρομαγνητισμός"

Θήρων Σκλαβούνος
8 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Υπολογιστικός Ηλεκτρομαγνητισμός Σκουλίδου Δήμητρα - Ζαφειράκογλου Απόστολος 1 Εισαγωγή Στόχος της εργασίας ήταν η αναπαραγωγή των αποτελεσμάτων για τον δείκτη απορρόφησης SAR της πρωτότυπης εργασίας των H. Virtanen, J. Huttunen, A. Toropainen, R. Lappalainen με τίτλο Interaction of mobile phones with superficial passive metalic implants. Η εργασία μελετούσε την διάδοση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων που εκμπέπονται από την κεραία ενός κινήτου τηλεφώνου, και διαδίδονται σε ένα ανθρώπινο μέλος στο οποίο υπάρχει τοποθετημένο κάποιο μεταλλικό εμφύτευμα. Διάγραμμα 1.1: Μεταλλικά εμφυτεύματα Για την μελέτη που ακολουθεί χρησιμοποιήθηκαν οι ίδιες γεωμετρικές και φυσικές ιδιότητες με το μοντέλο της εργασίας, αλλά μετά από υπόδειξη του διδάσκοντα, ασχοληθήκαμε μόνο με την περίπτωση του καρφιού (pin). 1.1 Βασικά γεωμετρικά χαρακτηριστικά του μοντέλου Το μοντέλο του κινητού τηλεφώνου που χρησιμοποιείται αποτελείται από την θήκη και την κεραία. Η θήκη έχει διαστάσεις 140mm 40mm 16mm. Το μονό- 1

2 ΠΜΣ Υπολογιστικής Φυσικής 1 Εισαγωγή πολο λ που χρησιμοποιείται ως κεραία αναπαριστάται με δύο κυλίνδρους το μήκος των οποίων εξαρτάται από τη συχνότητα της πηγής που θα χρησιμοποιούμε 4 και η διάμετρος τους είναι 2mm. Το μοντέλο των διάφορων ιστών είναι ένας κύλινδρος συνολικής διαμέτρου 150mm. Το πάχος των διαφόρων στρωμάτων των ιστών φαίνεται στον παρακάτω πίνακα. Ιστός Πάχος (mm) Δέρμα 4 Λίπος 10 Μυς 40 Κόκκαλο (ακτίνα) 21 Πίνακας 1: Πάχος ιστών Το μοντέλο του κινητού τηλεφώνου απέχει από αυτό των διαφόρων ιστών απόσταση 10mm. Η πηγή που χρησιμοποιήσαμε έχει εσωτερική αντίσταση 50 Ohm και διαρρέεται από εναλλασσόμενο ρεύμα 100 ma συχνότητας 1800 MHz. Διάγραμμα 1.2: Το μοντέλο που σχεδιάσαμε Οι συνοριακές συνθήκες που χρησιμοποιήσαμε είναι Mur δεύτερης τάξης. 2

3 ΠΜΣ Υπολογιστικη ς Φυσικη ς 1 Εισαγωγη 1.2 Φυσικές ιδιότητες και περιπτώσεις Οι φυσικές ιδιότητες των ιστών για την συχνοτητα που εφαρμόζουμε φαινονται στον παρακάτω πίνακα. Ιστός ε r σ(s m 1 ) Πυκνότητα (gr/m 3 ) Δέρμα Λίπος Μυς Κόκκαλο Πίνακας 2: Φυσικές διηλεκτρικές ιδιότητες των ιστών για 1800MHz Για την δικη μας εργασία μας ενδιέφερε μόνο ο προσανατολισμός (orientation) και το μήκος (length) του εμφυτεύματος-καρφιού. Στο πρώτο μέρος ασχολούμαστε με τον προσανατολισμο ενός καρφιού (pin) με μηκος 14mm και διάμετρο 2mm. Διακρίνουμε τρεις περιπτώσεις για το καρφί: να είναι παράλληλο με τον άξονα x να είναι παράλληλο με τον άξονα y να είναι παράλληλο με τον άξονα z. Όταν το συγκεκριμενο καρφί είναι παράλληλο με τον άξονα z το αποτέλεσμα δεν είναι το αναμενόμενο. Ο λόγος είναι ότι η διακριτοποίηση του πλέγματος δεν είναι ικανοποιητική για την περίπτωση αυτή. Αυξάνοντας την ακτίνα του καρφιού κατά 1 mm, λαμβάνουμε το επιθυμητό αποτέλεσμα. Στο δεύτερο μερος ασχολούμαστε με το μηκος ενός καρφιού προσανατολισμενού παράλληλα στον z άξονα το οποίο έχει διάμετρο 4 mm. Διακρίνουμε τρεις περιπτώσεις. Το καρφί να έχει μήκος 7mm 14mm 28mm 3

4 2 Περιγραφή της διαδικασίας 2.1 Σχεδιασμός του μοντέλου Το μοντέλο υλοποιήθηκε με SemCAD 1.9.Η διαδικασία που ακολουθήσαμε μπορεί να αποτυπωθεί με τα ακόλουθα βήματα: i. Σχεδιάστηκε το κινητό τηλέφωνο. Αποτελείται από: κεραία με πηγή (antenna upper part - lower part) ορθογώνια παραλληλεπίπεδη μεταλλική θήκη (case) Διάγραμμα 2.1 ii. Σχεδιάστηκε το μέλος του σώματος, με τα διάφορα στρώματα/ επίπεδα του. Για να το πετύχουμε αυτό, αρχικά σχεδιάσαμε ομοαξονικούς κυλίνδρους, και αφαιρέσαμε από κάθε επόμενο κύλινδρο, τον προηγούμενο. Το αποτέλεσμα είναι ένας κύλινδρος διαφορετικών στρώματων που δίνει την αίσθηση ενός ποδιού. Αποτελείται από: δέρμα (skin layer), πάχους 4mm λίπος (fat layer), πάχους 10mm ιστό (muscle layer), πάχους 40mm 4

5 κόκκαλο (bone), ακτίνας 21mm Διάγραμμα 2.2 Διάγραμμα 2.3 iii. Σχεδιάστηκε το καρφί, το οποίο έχει διάμετρο 2mm, και μήκος 7mm, 14mm, 28mm. Το καρφί το περιστρέφαμε και το μετακινούσαμε, ανάλογα με το σε ποια διεύθυνση θέλαμε να είναι τοποθετημένο, και το αφαιρούσαμε από το layer του muscle. Σε όλες τις περιπτώσεις εντός του μυός. 5

6 Διάγραμμα 2.4 iv. Για την μέτρηση των πεδίων στον υπολογιστικό χώρο τοποθετήθηκαν: Field Sensor Far Field Sensor Διάγραμμα 2.5 v. Μετά τον σχεδιασμό όλων τον παραπάνω αντικειμένων, δώσαμε στα διάφορα σώματα ιδιότητες: 6

7 Case - PEC Antenna (και τα δύο τμήματα) - PEC Pin - PEC Skin - Dielectric Fat - Dielectric Muscle - Dielectric Bone - Dielectric vi. Κατόπιν δώσαμε τις τιμές των φυσικών ιδιοτήτων στα διηλεκτρικά όπως παρουσιάζονται στον Πίνακα 2 vii. Υπολογίσαμε τα voxels, και τα πεδία. 2.2 Αποτελέσματα Παραθέτουμε τα αποτελέσματα του δείκτη απορρόφησης SAR που υπολογίσαμε με τη χρήση του παραπάνω μοντέλου. Η κλίμακα για τον δείκτη απορρόφησης SAR στα διαγράμματα που ακολουθούν φαίνεται παρακάτω Διάγραμμα 2.6: Κλίμακα του δείκτη απορρόφησης SAR Σε όλες τις περιπτώσεις που ακολουθούν, η ελάχιστη απόσταση του άξονα του κυλίνδρου από την πηγή είναι 3 cm. Στο πρώτο μέρος της εργασίας αλλάζουμε τον προσανατολισμό του καρφιού. Το καρφί έχει 14 mm μήκος και 2 mm διάμετρο, εκτός από την περίπτωση που το 7

8 καρφί είναι παράλληλο στον z άξονα οπότε εξετάζουμε επιπλέον τι συμβαίνει με τον δείκτη SAR όταν η διάμετρος του καρφιού είναι 4 mm. Διάγραμμα 2.7: Καρφί παράλληλο στον x Διάγραμμα 2.8: Καρφί παράλληλο στον y 8

9 (αʹ) διάμετρος 2 mm (βʹ) διάμετρος 4 mm Διάγραμμα 2.9: Καρφί παράλληλο στον z Στην Εικόνα 2.9.α. το διάγραμμα του SAR δεν συμφωνεί με αυτό που προβλέπει η πρωτότυπη εργασία. Το πρόβλημα αυτό λύνεται αυξάνοντας την διάμετρο του καρφιού (Εικόνα 2.9.β.). Στο δεύτερο μέρος της εργασίας αλλάζουμε το μήκος το καρφιού. Το καρφί είναι προσανατολισμένο παράλληλα στον z άξονα και έχει διάμετρο 4 mm. Διάγραμμα 2.10: Καρφί μήκους 7 mm 9

10 Διάγραμμα 2.11: Καρφί μήκους 14 mm Διάγραμμα 2.12: Καρφί μήκους 28 mm 10

11 ΠΜΣ Υπολογιστικη ς Φυσικη ς 3 Συ γκριση με το πρωτο τυπο μοντε λο 3 Σύγκριση με το πρωτότυπο μοντέλο Το μοντέλο που υλοποιήθηκε έδωσε αποτελέσματα πολύ κοντά με αυτά που αναμέναμε και περιγραφονταν στην πρωτότυπη εργασία. Τα θεωρητικά αποτελέσματα για τον δείκτη SAR παρουσιάζονται στα ακόλουθα διαγράμματα. Διάγραμμα 3.1: Αποτελέσματα πρωτότυπης εργασίας (προσανατολισμός) Διάγραμμα 3.2: Αποτελέσματα πρωτότυπης εργασίας (μήκος) Οι διαφορές που παρατηρούνται κατά τη γνώμη μας οφείλονται στις εξής δια- 11

12 ΠΜΣ Υπολογιστικη ς Φυσικη ς 3 Συ γκριση με το πρωτο τυπο μοντε λο φοροποιήσεις που υπάρχουν σε σχέση με το μοντέλο της εργασίας: i. Στην πρωτότυπη εργασία το μοντέλο λάμβανε ως διαφορετικές περιπτώσεις την περίπτωση skin-muscle, και skin-fat. Εμείς προσπαθήσαμε να υλοποιήσουμε ένα πιο ρεαλιστικό μοντέλο και βάλαμε skin-fat-muscle-bone ως διαφορετικά διηλεκτρικά. Καθ υπόδειξη του διδάσκοντα, χρησιμοποιήθηκαν τιμές πάχους για τους διάφορους φλοιούς, που να είναι πραγματικοί. Πρέπει βέβαια σε αυτό το σημείο να σημειώσουμε ότι τα στατιστικά μεγέθη για το πλάτος λίπος, έχουν σχετικά μεγάλη τυπική απόκλιση, πράγμα το οποίο εν πολλοίς αναμένονταν. ii. Μία επιπλέον διαφορά με την πρωτότυπη εργασία είναι ο όγκος των voxels. Στην έκδοση του SemCAD που χρησιμοποιήθηκε οι διαστάσεις των πιο μικρών voxels είναι 1mm 1mm 1mm, ενώ στην εργασία 0.2mm 0.2mm 0.2mm. Αυτό κάνει τις δύο διαμερίσεις, αισθητά διαφορετικές. 12

Σχετικά έγγραφα

Από το στοιχειώδες δίπολο στις κεραίες

Από το στοιχειώδες δίπολο στις κεραίες Τι ξέρουμε Έχουμε μελετήσει ένα στοιχειώδες (l