Les utilisateurs d’appareils électroniques mobiles tels que les téléphones portables (et autres appareils sans fil) sont exposés à des rayonnements radiofréquences (RF). La quantité d’exposition de ces rayonnements qui est absorbée par le corps est mesurée par le débit d’absorption spécifique (DAS), qui représente le débit d’énergie RF. Afin de concevoir des appareils plus sûrs, les ingénieurs peuvent calculer les valeurs locales du DAS d’un modèle de tête humaine lorsqu’il absorbe les ondes émises par une antenne, à l’aide du logiciel COMSOL Multiphysics®.
Utiliser le DAS pour mesurer les débits d’absorption RF
Lorsque nous utilisons un appareil sans fil, notre corps est exposé à l’énergie RF émise par son antenne. Il est donc important de comprendre les implications sanitaires liées à l’exposition aux champs électromagnétiques (EM). L’énergie RF émise par l’antenne traverse les tissus et se dissipe sous forme de chaleur, que notre corps est capable d’absorber. La quantité d’énergie RF absorbée varie en fonction de la fréquence du signal RF.
Lorsque des équipes d’ingénierie mettent au point des prototypes d’appareils émettant de l’énergie RF, ils les conçoivent de manière à ce que leurs caractéristiques respectent les normes de sécurité. Cela permet de s’assurer qu’ils ne dépassent pas les niveaux d’exposition maximaux. Pour vérifier si ces appareils peuvent être utilisés sans danger, nous pouvons mesurer le niveau d’exposition RF en évaluant le DAS. La mesure du DAS fournit les informations nécessaires pour déterminer l’exposition maximale aux ondes électromagnétiques de divers appareils. Il est calculé à l’aide de la formule suivante:
où σ est la conductivité électrique du matériau, |E| est la norme du champ électrique (valeur efficace), et ρ est la masse volumique. La valeur est exprimée en watts par kilogramme (W/kg).
En utilisant COMSOL Multiphysics et le module RF, nous pouvons calculer et analyser les valeurs locales du DAS sur une tête et un cerveau humains simplifiés placés à proximité d’une antenne patch micro-ruban émettant dans la bande de fréquences Wi-Fi. Ce modèle montre comment une tête humaine absorbe l’onde émise par une antenne.
Graphique montrant le DAS d’un modèle simplifié de tissu cérébral à l’intérieur d’une tête humaine et de la norme du champ électrique d’une antenne patch.
Simuler un fantôme de tête humaine soumis à un rayonnement RF
Ce modèle de tutoriel utilise une géométrie de tête humaine importée, identique au fantôme SAM (Specific Anthropomorphic Mannequin) fourni par l’IEEE, la CEI et le CENELEC dans le cadre de leurs spécifications normatives relatives aux mesures de la valeur du DAS. Après avoir importé la géométrie dans COMSOL Multiphysics, des ajustements mineurs sont effectués et la géométrie d’origine est réduite à 60 % de sa taille initiale afin de réduire la taille du problème. À l’aide d’une forme ellipsoïdale, nous sommes en mesure de créer une version simplifiée du cerveau et de caractériser certaines parties de la tête humaine en utilisant les propriétés du tissu osseux cortical.
L’antenne située près de la tête humaine est composée d’une fine couche de métal, d’une carte diélectrique rectangulaire en FR4 et d’un plan de masse. Dans l’interface Ondes électromagnétiques, domaine fréquentiel, nous pouvons représenter les parties métalliques de l’antenne (ligne d’alimentation micro-ruban, émetteur d’antenne et plan de masse) comme des surfaces de Conducteur électrique parfait (PEC) lorsque les pertes sont négligeables. Une condition aux limites de type Port réduit (une version simplifiée de la condition Port) est ajoutée pour représenter une alimentation provenant de la source de puissance. Dans ce cas, l’antenne est alimentée par un port réduit de 50 Ω.
Pour reproduire les conditions de test d’une antenne en espace ouvert infini, nous plaçons le fantôme de tête humaine et l’antenne dans un volume d’air sphérique entouré d’une Couche parfaitement adaptée (PML). Une PML fonctionne comme une chambre anéchoïque en absorbant toute l’énergie des ondes sortantes et en empêchant les réflexions indésirables.
Fantôme de tête humaine et antenne patch à micro-ruban résonnant dans la bande de fréquences Wi-Fi. La partie mise en évidence correspond à la PML, dont la moitié a été retirée de l’image afin de révéler l’intérieur.
Enfin, pour calculer la valeur du DAS, une condition de domaine Taux d’absorption spécifique est ajoutée à la géométrie de la tête. Le taux d’énergie RF absorbé par les tissus est représenté par la valeur du DAS (directement disponible en tant que variable prédéfinie dans les résultats depuis la version 5.5) et est calculé à partir de la densité de dissipation électromagnétique et de la densité spécifiée pour la tête humaine.
Il convient de noter que ce modèle part du principe que tous les matériaux sont homogènes. Pour une description plus réaliste du cerveau, consultez le modèle Specific Absorption Rate (SAR) in the Human Brain, dans lequel les propriétés matériaux, basées sur les données d’imagerie IRM importées avec une fonction volumétrique, rendent compte de la variation des types de tissus à l’intérieur du crâne.
Les domaines sélectionnés pour la fonctionnalité Taux d’absorption spécifique.
Analyser les effets des ondes RF et le DAS d’une tête humaine
Les résultats ci-dessous présentent la valeur du DAS de la tête humaine placée à proximité de l’antenne Wi-Fi. La valeur la plus élevée de DAS du modèle se situe sur la surface exposée au champ électrique incident. En règle générale, l’effet du DAS dépend de la position de l’antenne et des propriétés diélectriques. Le corps humain présente différentes valeurs de propriétés diélectriques (permittivité et conductivité) qui sont fonction de variables telles que la fréquence et la géométrie. La conductivité et la permittivité des tissus humains sont toutes deux des facteurs déterminants pour les communications RF et le rayonnement absorbé. La valeur du DAS augmente lorsque les pertes par résistance augmentent.
DAS à une fréquence de 2.45 GHz.
On considère souvent le signal électrique comme un phénomène unidirectionnel, se propageant d’une source à une autre. Mais avec la RF, les signaux électriques peuvent se propager dans les deux sens en raison de la réflexion (à l’instar de la lumière qui se reflète sur un miroir). Les résultats ci-dessous montrent le champ rayonné par l’antenne patch à micro-ruban, qui est déformé par la réflexion sur la tête humaine; les résultats en champ lointain tiennent compte de ces effets.
Le diagramme de rayonnement en champ lointain déformé en 2D sur le plan xy (à gauche) et le diagramme de rayonnement en champ lointain en 3D de l’antenne à patch microbandes (à droite) à 2.45 GHz. Afin de représenter le diagramme de rayonnement en tenant compte de la géométrie de la tête et de l’antenne, l’échelle et le positionnement ont été modifiés dans le graphique ci-dessus.
La valeur du DAS présente un intérêt particulier pour les équipes de conception et peut être facilement obtenue à l’aide de COMSOL Multiphysics. Une fois la simulation terminée, le DAS peut également être évalué sur ou à l’intérieur d’une forme arbitraire définie par l’utilisateur (surface courbe ou volume). Lors de la conception d’appareils électroniques mobiles, il est important de quantifier la quantité de rayonnement susceptible d’être absorbée par le corps humain. L’utilisation de COMSOL Multiphysics et du module RF permet de concevoir plus rapidement et à moindre coût des dispositifs conformes à la réglementation en matière de sécurité.
Prochaine étape
Cliquez sur le bouton ci-dessous pour tester par vous-même le modèle de DAS d’une tête humaine placée à proximité d’une antenne Wi-Fi. Vous serez redirigé vers la Bibliothèque d’applications, où vous trouverez une documentation détaillée étape par étape ainsi qu’un fichier MPH.
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