Регистрация / Вход
Прислать материал

Моделирование распространения электромагнитных волн по поверхности тела человека

Сведения об участнике
ФИО
Кириллов Виталий Витальевич
Вуз
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования ""Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ” им. В.И. Ульянова (Ленина)” (СПбГЭТУ ""ЛЭТИ"")
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Физика и астрономия
Раздел области наук
Радиофизика, электроника, акустика
Тема
Моделирование распространения электромагнитных волн по поверхности тела человека
Резюме
Приводятся результаты моделирования и экспериментального исследования электромагнитных (ЭМ) волн микроволнового диапазона, распространяющихся по поверхности человеческого тела. Исследованы параметры распространения волны, такие как затухание и фазовая скорость. Выполнен расчёт распространения ЭМ волн численным методом FDTD (метод конечных разностей во временной области), а также с использованием аналитической модели распространения ЭМ волны вдоль плоской и криволинейной поверхностей. Экспериментальное исследование проведены на добровольце. Проведено сравнение результатов численного моделирования, аналитического расчёта и экспериментальных исследований.
Ключевые слова
Биологический объект, ЭМ волны, распространение, поверхностная волна, ползущая волна
Цели и задачи
Для создания оптимальной системы сбора информации необходимо понимать природу и адекватно описывать свойства ЭМ волн, используемых в таких системах. Данная работа посвящена исследованию свойств ЭМ волн, распространяющихся вдоль плоской и криволинейной поверхностей биологического объекта.
Введение

Численные методы, используемые в  САПР, позволяют рассчитывать распространение электромагнитных волн по поверхности практически любых объектов. Модели, используемые для таких расчётов, могут быть сколь угодно сложны как своей детализацией, так и описанием электромагнитных свойств моделируемых объектов. С практической точки зрения, использование таких моделей требует достаточно длительного времени. Использование упрощённых моделей для исследования распространения ЭМ волн вдоль поверхности человеческого тела позволяет получить приближённое решение при достаточно скромных затратах времени. При всём разнообразии форм на поверхности человеческих тел можно выделить два основных вида участков - плоские и криволинейные поверхности.

Методы и материалы

Методы проведения исследования: метод конечных разностей во временной области, аналитические методы электродинамики, эксперимент с использованием векторного анализатора цепей.

Описание и обсуждение результатов

По результатам проведённой работы по теоретическому и экспериментальному исследованию распространения ЭМ волн по поверхности человеческого тела можно сделать следующие выводы:

- для моделирования распространения ЭМ волн СВЧ диапазона как численными, так и аналитическими методами, можно использовать модель тела, выполненную из идеального проводника; точность выполняемых расчётов при этом достаточно высока и пригодна для инженерных приложений;

- аналитическое и численное моделирование методом FDTD позволяет достаточно точно рассчитывать зависимость потерь распространения ЭМ волны от расстояния, пройденного волной, и типа поверхности (плоская или криволинейная). Преимуществом аналитического расчёта потерь распространения по сравнению с численным расчётом методом FDTD является значительный выигрыш в скорости расчёта.

При обработке данных моделирования и эксперимента получены следующие результаты:

- Затухание ЭМ волны вдоль плоской поверхности существенно меньше, чем вдоль криволинейной поверхности;

- Ползущие ЭМ волны огибают объект и распространяются в области тени объекта;

- Фазовая скорость поверхностной ЭМ волны совпадает со скоростью волны в свободном пространстве;

- Фазовая скорость ползущей волны меньше фазовой скорости волны, распространяющейся в свободном пространстве.

Используемые источники
[1] E Balanis C. A. Antenna Theory: Analysis and Design, 3rd Edition. — 3-е изд. — Wiley-Interscience, апр. 2005. — ISBN 9780471667827.
[2] Collin R. . Field Theory of Guided Waves. — 2-е изд. — Wiley-IEEE Press, дек. 1990. — ISBN 9780879422370.
[3] Persson P. Analysis and Design of Conformal Array Antennas, Ph. D. Thesis. — Sweden : Univ. Serv. US AB, дек. 2001. — ISBN 9172832312.
[4] Paknys R. The Relation Between Creeping Waves, Leaky Waves, and Surface Waves / R. Paknys, D. R. Jackson // - IEEE Trans. on Antennas and Propag. - 2005. - Vol. 53. - № 3, pp. 898 – 907.
[5] Conway G.A. An Analytical path-Loss Model for On-Body Radio Propagation / G.A. Conway, W.G. Scanlon, S.L. Cotton, M.J. Bentum // - 2010 URSI Intern. Symp. on Electromagnetic Theory, 2010 IEEE. - pp.332-33.
Information about the project
Surname Name
Kirillov Vitaliy
Project title
Propagation of Electromagnetic Waves Along the Surface of Biological Objects
Summary of the project
Results of the modeling and experimental study of electromagnetic (EM) waves in the microwave range propagating along the surface of the human body. wave propagation parameters such as attenuation and phase velocity were investigated. Calculations of propagation of EM waves by numerical method FDTD (finite-difference time-domain method), as well as with the use of an analytical model of EM wave propagation along the flat and curved surfaces. Experimental research conducted on a volunteer. Comparison of results of numerical modeling, analytical calculation and experimental studies have been conducted.
Keywords
Biological objects, EM waves, creeping waves,surface waves, propagation.