Αλληλεπίδραση μεταξύ ασύρματων τερματικών συσκευών και του ανθρώπινου σώματος

Abstract

The 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. 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. 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. According to the results, an intense change of the antenna characteristics and of its radiation diagram in the presence of the user's head was observed. Also the rapid decrease of absorbed power and the increase of the efficiency were calculated after moving the handset away from the head. An important operation improvement was achieved with beamforming which is realized using multiple antennas at the terminal. Finally, the effect of the user's hand at MIMO terminal performance was examined and a reduction of the mean capacity of the channel in the presence of the hand was found.

Το αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη και σε βάθος ανάλυση και μοντελοποίηση της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης του ανθρωπίνου σώματος και των κεραιών που χρησιμοποιούν οι φορητές τερματικές συσκευές των συγχρόνων 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 (π.χ. κινητά τηλέφωνα) που θα είναι πιο αποδοτικά στη λειτουργία τους και ταυτόχρονα περισσότερο ασφαλή για το χρήστη τους. 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. Τα αποτελέσματα έδειξαν έντονη αλλαγή των χαρακτηριστικών της κεραίας και του διαγράμματος ακτινοβολίας της, παρουσία του κεφαλιού του χρήστη. Επίσης, υπολογίστηκε η απότομη πτώση της απορρόφησης ακτινοβολίας και η αύξηση της απόδοσης με την απομάκρυνση του τερματικού από το κεφάλι. Επιτεύχθηκε σημαντική βελτίωση της λειτουργίας μέσω της μορφοποίησης του διαγράμματος ακτινοβολίας που κατορθώνεται με τη χρήση πολλαπλών κεραιών (συστοιχία) στο τερματικό. Τέλος εξετάστηκε η επίδραση του χεριού του χρήστη στην απόδοση ενός ΜΙΜΟ τερματικού και βρέθηκε μείωση της μέσης χωρητικότητας του καναλιού με την παρουσία του χεριού.