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左手材料在手机辐射防护中的作用

华南理工大学学报（自然科学版）

第３７卷第７期

２００９年７月

Ｊｏｕｍａ／ｏｆＳｏｕｔｈＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

Ｖ０１．３７

Ｊｕｌｙ

Ｎｏ．７２００９

（Ｎａｔｕｒａｌ

Ｓｃｉｅｎｃｅ

Ｅｄｉｔｉｏｎ）

文章编号：

１０００－５６５Ｘ（２００９）０７－０１３５—０３

左手材料ＳＲＲ在手机辐射防护中的作用木

周晓明

（华南理工大学理学院，广东广州５１０６４０）

摘要：

通过建立开口环状谐振器（ＳＲＲ）手机与人体相互作用系统的数值仿真模型，应

用时域有限差分法计算人体内辐射剂量的比吸收率（ＳＡＲ）值，并由天线方向性图分析ＳＲＲ对手机通信质量的影响，研究了左手材料ＳＲＲ对减少手机电磁辐射的防护效果．结

果表明，在手机中置入ＳＲＲ后，每克和每１０克人体生物组织的平均ＳＡＲ峰值降幅在

５０％以上，而辐射场强度最大降幅不超出１０ｄＢ．说明使用左手材料ＳＲＲ可以明显降低手机对人体造成的辐射危害，对手机通信性能的影响在可接受的范围内．

关键词：

左手材料；开口环状谐振器；手机辐射；比吸收率中网分类号：

０４４１；ＴＭ

１５

文献标识码：

Ａ

移动通信手机作为小功率的收发射电子设备，由于操作时其天线离人头很近，头部处于近区感应场和辐射场范围内，足够强的微波辐射可能对人体组织产生热效应和非热效应，包括人体温度升高和生理代谢调节机制的功能紊乱等，从而构成对人体尤其是眼睛、大脑等敏感区域的潜在危害，如何有效减少手机辐射的影响，日益成为人们广泛关注的话题．

文中基于医学解剖学人体模型，应用时域有限差分（ＦＤＴＤ）法【ｌ之１在工作频率为９００ＭＨｚ下模拟计算了单极天线手机辐射近场对人体的电磁作用剂

时为负的介质中，电磁波的电场Ｅ、磁场Ｈ和波矢Ｋ之间呈左手螺旋关系，Ｖｅｓｅｌａｇｏ称这种假想的介质为左手性材料（ＬＨＭ）．１９９９年，Ｐｅｎｄｒｙ等¨刮提出可以制作在某一频率区间的介电常数和磁导率同时为负值的左手性材料，２００１年Ｓｍｉｔｈ等Ｍ刁１制作出微波波段的介电常数和磁导率同时为负的材料，从实验上证明了左手性介质的存在．１

建模

人体模型采用美国可视化人体工程（ＶＨＰ）哺】

的简化模型，包括头部和肩膀，包含皮肤／脂肪、骨骼、肌肉、大脑、眼球和血液等８种不同的人体组织，各人体生物组织在９００ＭＨｚ电磁波频率下的属性参数见表ｌ

ｐＪ．

量，给出了加入开口环状谐振器（ＳＲＲ）前后人体模型及各重要器官平均比吸收率（ＳＡＲ）峰值的变化．

从电磁理论知道，介电常数占和磁导率肛为描

述介质电磁性质的基本物理量，在普通的介电材料中，介电常数和磁导率均为正值．由麦克斯韦方程组可知，在介电常数和磁导率都为正值的物质中，电场Ｅ、磁场日和波矢Ｋ之间呈右手螺旋关系，这样的物质被称为右手性材料（ＲＨＭ）．１９６８年，ＶｅｓｅｌａｇｏＨｌ从理论上探讨了介电常数占和磁导率ｐ同时为负值的物质的电磁学性质，指出在介电常数与磁导率同

收稿日期：

２００８—０３．１８

考虑到人体受手机辐射近场作用主要集中在头颅部分，为避免过于复杂化，对人手模型进行了简单的均匀化处理，将其电磁特性等效为２／３的肌肉组织，手呈凹形握住手机下部，环绕在手机的３个侧面上，手部模型的厚度为２０ｍｉｌｌ，高度为１００ｍｎ＇ｌ，人手的相对介电常数为３９，电导率为０．８０７Ｓ／ｍ，密度为

１．００９／ｅｍ３．

・基金项目：

广东省自然科学基金资助项目（０６０２５７１６）；华南理工大学自然科学基金资助项目（１２３Ｅ５０４０９２０）

作者简介：

周晓明（１９６３一），男，教授，博士，主要从事电磁场数值计算和生物电磁效应研究．Ｅ—ｍａｉｌ：

ｚＩｌｏｕｘｍ＠∞ｕ１．ｅｄｕ．朋

万方数据　

华南理工大学学报（自然科学版）

第３７卷

表１人体生物组织电磁属性１’

Ｔａｂｌｅ１

Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｈｕｍａｎｂｏｄｙｔｉｓｓｕｅｓ

１）电磁泼频率为９００ＭＩ－ｈ．

特异材料的获得是利用开口环状谐振器在特定频段具有负介电常数和负磁导率的性质，即用谐振的方法实现左手性传输，文中设置ＳＲＲ单元数为１０，其放置方式及结构如图ｌ所示，通过选取几何参数，可调节ＳＲＲ的谐振频率，以获得在９００ＭＨｚ的禁带‘－ｏＩ，ＳＲＲ的结构参数为：

环边长Ｚ：

４３．８ｍｍ，环

厚度ｃ：

１．８删，环间隔ｄ：

０．６ｍｍ，裂口间隔ｇ：

０．６ｍｍ，ＳＲＲｓ沿ｘ，ｙ、彳方向的周期长度分别为Ｌ，＝眦ｎ

６３ｍｍ、Ｌ，＝１．５ｎｔｍ、￡；＝６３

ｍｍ，电路板的相对介电

常数为３．３８。

厚度为０．５０８

ｒａｉｎ．

Ｌ：

图１

ＳＲＲ几何数据与放置位置

Ｆｉｇ．１

Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃｓｉｚｅ

ａｎｄ

ｐｌａｃｅｄｌｏｃａｔｉｏｎｏｆＳＲＲｓ

文中应用ＸＦＤＴＤ软件进行数值模拟计算，在ＦＤＴＤ计算中选择立方体网格，网格边长６为１．６７

ｍｉｌｌ，

在９００ＭＨｚ的天线工作频率下，该值满足数值色散对空间间隔的条件，即：

１０８≤Ａｍｉ。

（Ａ。

ｉ。

为被计算区域介质内的最小波长值），图２为单极天线手机与人体几何结构模型图．手机外形为长方体金属外壳，其长、宽、高分别为６０ｍｍ×１０ｈｉｍ×１３０ｒｆｔｎｌ，单极天线置于手机上表面中央处，天线长度为５０ｍｍ，人右手持机，。

轴方向与天线平行，ｘ轴方向为由人头水平指向手机方向，Ｙ轴方向为人头后脑至鼻尖方向，头部与手机外盒层间距为０（如图２所示）．

激励源选择正弦波点馈方式，馈电点定位于机身上表面中心沿天线方向的一个网格上，馈电电压为

１

Ｖ，天线阻抗为５０Ｑ．模拟计算以自动检测收敛至

万　

方数据－３０ｄＢ为终止条件，计算时间步长～为３．２１６ｐｓ．计算区域网格总数为２４７×１８２×１８６＝８３６１４４４，采用完全匹配层（ＰＭＬ）吸收边界条件，ＰＭＬ设置为８层．计

算结束后将所有ＳＡＲ值校准到手机天线输入功率

为０．６Ｗ下的归一化数据，时间总步数约为２０００．图３为单极天线手机与人体网格计算模型．

（８）无ｓ‘璐

（６）有ｓ１№

图２单极天线手机与人体几何结构模型

Ｆｉｇ・２

Ｇｅｏｍ“。

８咖。

恤ｍｏｄｅｌｓｏｆｍ。

ｎ。

ｐｏｌｅｈ卸幽锄ｄｈｕ。

ｂｏｄ７

图３单极天线手机与人体网格计算模型

Ｆｉｇ．３

Ｍｅｓｈｅｄｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｍｏｄｅｌｓｏｆｍｏｎｏｐｏｌｅｈａｎｄｓｅｔａｎｄ

ｈｕｍａｎｂｏｄｙ

为了比较加入ＳＲＲ对手机天线辐射特性的影响，文中绘出了在相同输入功率下，置入ＳＲＲ前后，在０＝９０。

的ｐ平面内的方向性图，如图４所示

—一无ＳＲＲ

２７０。

图４

ＳＲＲ置入前后辐射方向图比较

Ｆｉｇ．４

Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｐａｔｔｅｒｎｓｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｐｏｓｔｉｎｇ

ＳＲＲｓ

２计算结果与分析

第７期周晓明等：

左手材料ＳＲＲ在手机辐射防护中的作用

（所有辐射方向图已对未放置材料下的辐射场强度最大值作归一化处理）．

由图４可见，使用特异材料时，在接近人头一

出了位于馈点处人头横断面的电场分布，由图可形象地看出，置入ＳＲＲ不仅明显降低了电磁场在人体

头部内的峰值，而且使平均分布强度大大降低．综合

上述分析可知，置人ＳＲＲ在对手机天线通信性能影

侧，辐射场强度最大降幅不超出ｌＯｄＢ，置入ＳＲＲ对

手机辐射方向性的影响在可接受的范围内．

表２给出了加入ＳＲＲ和不加入ＳＲＲ两种情形时的各种ＳＡＲ峰值，包括每克和每１０克人体生物组织的平均ＳＡＲ峰值．

表２

Ｔａｂｌｅ２

响不大的前提下，能有效减少手机辐射对人体头部

的作用．３

结论

文中应用ＸＦＤＴＤ软件，采用真实人体解剖学模

９００ＭＨｚ下人体模型ＳＡＲ计算峰值”

ＣｏｍｐｕｔｅｄＳＡＲｐｅａｋｖａｌｕｅｓｏｆｔｌｌｅｈｕｍａｎｂｏｄｙｍｏｄｅｌｓ

ａｔ

型，通过数值仿真计算，分析了置入ＳＲＲ特异材料对手机通信件能的影响及其对手机电磁辐射的防护

９００ＭＨｚ

作用，结果发现置人ＳＲＲ未明显降低通信质量，在

一定程度上能减少手机使用造成的辐射危害．参考文献：

１）天线辐射功率Ｐａ＝Ｏ．６Ｗ；ＳＡＲｔ。

为人体模型每克生物组织的平均ＳＡＲ峰值；ｓＡＲｌｏｓ为人体模型每ｌＯ克生物组织的平均ＳＡＲ峰值；改变率为置入ＳＲＲ前后ＳＡＲ值增量与未加ＳＲＲ时的ＳＡＲ值之比．

【１］

ＹｅｅＫＳ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ

ｓｏｌｕｔｉｏｎ

ｏｆｉｎｉｔｉａｌ

ｂｏｕｎｄａｒｙ

ｖａｌｕｅ

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图５

Ｆｉｇ．５

Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ

ＳＲＲ置入前后电场分布比较

ｏｆ

［８］ＪｅｎｅｓｅｎＭＡ，Ｒａｈｍａｔ・ＳａｍｉｉＹ．ＥＭｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｏｆ

ａ

ｈａｎｄ

Ｓｅｔ

ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒ

ａｌａｔｅｎｒｍａｎｄｈｕｍａｎｈｅａｄｉｎ

ｐｅｒｓｏｎａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ

ｐｏｓｔｉｎｇＳＲＲｓ

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ＳｐｉｔｚｅｒＶ

Ｍ，ＷｈｉｔｌｏｃｋＤＧ．Ｔｈｅｖｉｓｉｂｌｅｈｕｍａｎｄａｔａ．ｓｅｔ：

由表２的计算结果可知，人体模型加入ＳＲＲ

ｔｈｅａｎａｔｏｍｉｃａｌＡｎａｔｏｍｉｃａｌ

ｐｌａｔｆｏｒｍ

ｆｏｒｈｕｍａｎ

ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｔｈｅ

后，每克人体生物组织的平均ＳＡＲ峰值降幅为

６９．３％，每１０克人体生物组织的平均ＳＡＲ峰值降幅为５３．４％，加入ＳＲＲ使人体模型的平均ＳＡＲ峰值明显减少．

为了直观反映出置入ＳＲＲ的效果，于图５中绘

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（下转第１４６页）

万方数据　

１４６

华南理工大学学报（自然科学版）

ｔｉｏｎｓｉｎＲ２ｗｉｔｈｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｉｅｓｉｎｔｈｅｃｒｉｔｉｃａｌｇｒｏｗｔｈｒａｎｇｅ

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ＵｎｉＭａｔｈ

ａｎ

ｉｎｅｑｕａｌｉｔｙｂｙＮ．Ｔｍｄｉｎｇｅｒ

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ＮｏｎｌｉｎｅａｒＢｉｈａｒｍｏｎｉｃＰｒｏｂｌｅｍｗｉｔｈＣｒｉｔｉｃａｌＰｏｔｅｎｔｉａｌａｎｄ

ＩｎｄｅｆｉｎｉｔｅＰｏｔｅｎｔｉａｌ

ＺｈｎｎｇＹｉ—－ｍｉｎ

ＳｈｅｎＹａｏ・－ｔｉａｎ

（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ

ｏｆＭａｔｈｅｍａｔｉｃｓ，ＳｏｕｔｈＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６４０，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：

Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｅａｌｓｗｉｔｈ

ａ

ｃｌａｓｓｏｆｎｏｎｌｉｎｅａｒｂｉｈａｒｍｏｎｉｃｐｒｏｂｌｅｍｗｉｔｈｃｒｉｔｉｃａｌｐｏｔｅｎｔｉａｌａｎｄｉｎｄｅｆｉｎｉｔｅｐｏｔｅｎ－

ｔｉａｌｉｎＲ４．Ｉｎｔｈｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ，ｔｈｅｅｘｐｏｎｅｎｔｉｎｃｒｉｔｉｃａｌｐｏｔｅｎｔｉａｌｉｓｐｒｏｖｅｄｏｐｔｉｍａｌ，ａｎｄｔｈｅｅｘｉｓｔｅｎｃｅｏｆｔｈｅｎｏｎｔｒｉ・ｖｉａｌｓｏｌｕｔｉｏｎｉｓｐｒｏｖｅｄｂｙｕｓｉｎｇ

ａｎ

ｏｐｔｉｍａｌＨａｒｄｙｉｎｅｑｕａｌｉｔｙａｎｄｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｏｆｔｈｅｆｉｒｓｔｅｉｇｅｎｖａｌｕｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：

ｓｕｂｃｒｉｔｉｃａｌｇｒｏｗｔｈ；Ｈａｒｄｙｉｎｅｑｕａｌｉｔｙ；ｃｒｉｔｉｃａｌｐｏｔｅｎｔｉａｌ

（上接第１３７页）

ＲａｄｉｏｐｒｏｔｅｃｔｉＶｅＲｏｌｅｏｆＬｅｆｔ—Ｈａｎｄｅｄ

ＭａｔｅｒｉａｌｓＳＲＲｓｉｎＣｅｌｌｕｌａｒＰｈｏｎｅ

ＺｈｏｕＸｉａｏ・ｍｉｎｇ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，ＳｏｕｔｈＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇａａｎｇｚｈｏｕ５１０６４０，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：

Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｒａｄｉｏｐｒｏｔｅｅｔｉｖｅｒｏｌｅｏｆｌｅｆｔ－ｈａｎｄｅｄｉｎｒｅｄｕｃｉｎｇｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｒａｄｉａｔｉｏｎｆｒｏｍ

ｔｅｒｎ

ａ

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ｒｉｎｇ

ｌ＂ｅｓｏｌｍｔｏｒ８（ＳＲＲｓ）一

ｒａｔｅ（ＳＡＲ）ｏｆ

ｒａｄｉａｔｉｏｎ

ｃｅｌｌｕｌａｒｐｈｏｎｅ．ａｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓｙｓ－

ｂｅｔｗｅｅｎｃｅｌｌｕｌａｒｐｈｏｎｅｗｉｔｈＳＲＲｓａｎｄｈｕｍａｎｂｏｄｙｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄｔｈｅｓｐｅｃｉｆｉｃａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ

ｒａｄｉａｔｉｏｎｄｏｓａｇｅｉｎｈｕｍａｎｂｏｄｙｉｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂｙｍｅａｎｓｏｆｆｉｎｉｔｅ—ｄｉｆｆｅｆｅｎｃｅｔｉｍｅ．ｄｏｍａｉｎ（ＦＤＴＤ）ｍｅｔｈｏｄ．Ｍｏｒｅ．ｏｖｅｒ．ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＳＲＲｓ

ｏｎ

ｔｈｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ

ｑｕａｌｉｔｙｏｆｃｅｌｌｕｌａｒｐｈｏｎｅｉｓａｎａｌｙｚｅｄ

ｂｙｕｓｉｎｇ

ａｎｔｅｎｎａ

ｐａｔｔｅｒｎｓ．ｒ１１ｌｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔ，ｂｙｕｓｉｎｇＳＲＲｓ，ｔｌｌｅａｖｅｒａｇｅＳＡＲｐｅａｋｖａｌｕｅｓｐｅｒ１ｇａｎｄ１０９ｈｕｍａｎｔｉｓｓａｅｓｄｅ－

ｃｒｅａｓｅ

ｂｙｍｏｒｅｔｈａｎ５０％．ａｎｄ

ｔｏ

ｔｈｅｒａｄｉａｔｉｏｎｉｎｔｅｎｓｉｔｙｄｅｃｒｅａｓｅｓｂｙｌｅｓｓ

ｔｈａｎ

１０ｄＢ．ＩｔｉＳｔｈｕｓｃｏｎｃｌｕｄｅｄｔｈａｔＳＲＲｓ

ｏｎ

ｍａｒｋｅｄｌｙｒｅｄｕｃｅｔｈｅｈａｒｍ

ｈｕｍａｎｂｏｄｙｃａｕｓｅｄｂｙｃｅｌｌｕｌａｒｐｈｏｎｅｒａｄｉａｔｉｏｎ，ａｎｄｉｔｓｉｎｆｌｕｅｎｃｅ

ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ

ｑｕａｌｉｔｙｋｅｅｐｓｉｎａｎａｃｃｅｐｔａｂｌｅｒａｎｇｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：

ｌｅｆｔ—ｈａｎｄｅｄｍａｔｅｒｉａｌ；ｓｐｌｉｔ

ｒｉｎｇｒｅｓｏｎａｔｏｒ；ｍｏｂｉｌｅｒａｄｉａｔｉｏｎ；ｓｐｅｃｉｆｉｃ

ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ

ｒａｔｅ

万方数据　

左手材料SRR在手机辐射防护中的作用

作者：

作者单位：

刊名：

英文刊名：

年，卷（期）：

被引用次数：

周晓明，ZhouXiao-ming华南理工大学,理学院,广东,广州,510640华南理工大学学报（自然科学版）JOURNALOFSOUTHCHINAUNIVERSITYOFTECHNOLOGY（NATURALSCIENCEEDITION）2009,37（7）1次

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1.宋治国.周晓明.刘伟.SongZhiguo.ZhouXiaoming.LiuWei基于碳纳米管吸波材料减少手机辐射对人体影响的建模与仿真[期刊论文]-武汉科技大学学报（自然科学版）2009,32

（2）

2.闫耀武绿色成熟技术解决手机辐射危害大脑的世界难题[期刊论文]-中国科技财富2010（10）

3.Rayspan超材料天线可减少手机辐射、加快测试进程和缩短产品上市时间[期刊论文]-电脑与电信2010

（1）

4.李爱铭.LiAi-Ming『左手材料』将彻底消除手机辐射[期刊论文]-金属世界2006

（1）

引证文献（1条）

1.王小军.文庆珍.朱金华.李志生.余超左手材料的研究进展[期刊论文]-材料开发与应用2011

（2）

引用本文格式：

周晓明.ZhouXiao-ming左手材料SRR在手机辐射防护中的作用[期刊论文]-华南理工大学学报（自然科学版）2009（7）