FDTD-menetelmä tukiasema-antennin säteilylle altistumisen arvioinnissa

Abstract

FDTD on eksplisiittinen aika-alueen differenssimenetelmä, joka ratkaisee Maxwellin yhtälöt numeerisesti. Tämän diplomityön tarkoituksena on selvittää FDTD-menetelmän soveltamista tukiasema-antennin säteilylle altistumisen arvioimisessa. Radiotaajuuksilla sähkömagneettiselle säteilylle altistumista mitataan niin sanottujen SAR-arvojen (specific absorption rate) kautta, jotka kertovat sähkömagneettisesta häviötehosta kudoksissa ja ovat yhteydessä säteilyn mahdollisiin haitallisiin terveysvaikutuksiin.

Motivaatio tälle tutkimukselle on tukiasema-antenneihin liittyvässä standardoinnissa. Radioaaltoalueen koko kehon tehtävissä FDTD-menetelmä on yleisesti käytetyin menetelmä, ja on tärkeää tietää, kuinka luotettavasti säteilyannoksia saadaan arvioitua, ja mitkä tekijät vaikuttavat tulosten tarkkuuteen.

Työn pääpaino on FDTD SAR-laskennassa tarvittavissa menetelmissä, niiden epävarmuuksissa ja virhetekijöissä. Erityisenä tutkimuskohteena on FDTD:n diskretoinnin resoluution vaikutus SAR-arvoihin. Lisäksi paneudutaan muun muassa materiaalien mallintamiseen FDTD:ssä sekä absorboivien reunaehtojen toimivuuteen SAR-laskennassa. Lopputulosten kannalta on myös tärkeää, miten SAR-arvot on itse asiassa laskettu. Työssä esitelläänkin joitakin vaihtoehtoisia tapoja laskea SAR-arvoja, ja tutkitaan näiden vaikutusta tuloksiin.

FDTD is an explicit finite-difference method that solves the Maxwell's equations numerically in the time domain. The objective of this thesis is to investigate the application of the FDTD method in the assessment of the human exposure to base station radiation. At radio frequencies, the exposure to electromagnetic radiation is given in terms of SAR values (specific absorption rate). SAR describes the power loss inside the tissues, and is linked to the possible adverse health effects of radiation.

The motivation for this study lies in the standardization regarding exposure to base-station antennas. At radio frequencies, FDTD is the most used method in the problems involving full human body models, and it is thus of great importance to study how reliably the SAR values are assessed in FDTD, and which factors affect the accuracy of the results.

The emphasis of this thesis is on the methods which are needed in the FDTD-SAR calculations and their uncertainties. How the resolution of the FDTD discretization affects the SAR values is of particular interest. Among other things, material modeling in FDTD and the applicability of absorbing boundary conditions in SAR calculations are studied in detail. Naturally, the final results are affected by how the SAR values actually are calculated. Several different methods for SAR calculation are presented in this work, and their effects on the results are studied.