Frequency-dependent FDTD를 이용한 인체 두부에 미치는 전자파 현상 연구 = Anlysis of EM effects on human head using frequency-dependent FDTD method
저자
발행사항
서울 : 연세대학교 대학원, 2003
학위논문사항
학위논문(석사)-- 연세대학교 대학원: 전기전자공학과 2003. 8
발행연도
2003
작성언어
한국어
주제어
KDC
569.1 판사항(4)
발행국(도시)
서울
형태사항
vii, 60p. : 삽도 ; 26 cm.
일반주기명
지도교수: 박한규
소장기관
본 논문에서는 주파수 의존적인 물질 상수들을 구현하고 계산할 수 있는 알고리즘 연구를 위해, 기존의 주파수 영역 해석 방법에 비해 광대역의 주파수 특성을 얻을 수 있고 공간에서 파의 전파를 관찰할 수 있는 시간영역 해석 방법인 3차원 Frequency-Dependent FDTD방법에 관해 연구하였다. 이 때 주파수 영역 결과의 오차를 줄이기 위하여 경계면에 흡수 경계 조건을 설정해야 한다. 본 논문에서는 흡수경계 조건으로 UPML을 사용하였다.
주파수 의존적인 인체 매질을 모델링을 하기에 앞서 주파수 의존적인 분산 매질에 관한 연구가 이루어졌다. 대표적인 분산매질 모델인 Debye 모델과 Lorentz 모델의 수학적 모델링 형태에 대해 알아보고 각 모델 내에서의 시간에 따른 전파 진행 현상을 연구하였다. 또한 주파수 영역에서의 각 모델 별 전파 진행 특성에 관해서도 분석하였으며, 각 모델 별 분산계수를 구해 본 결과, Frequency-Dependent FDTD를 통해 얻은 결과와 이론적인 수치가 잘 일치함을 확인할 수 있었다.
분산(dispersive)매질 중 Debye 모델의 확장을 통해 얻은 2-pole 형태의 Debye 식을 이용함으로써 인체 모델링이 이루어졌으며, 이는 실제 인체 측정 데이터를 통해 검증되었다. 또한 모델링된 인체 매질을 구의 형태로 제작하여 인체 두부 내에 야기되는 전계 분포를 Frequency-Dependent FDTD를 통해 알아본 결과 Mie Series Solution을 이용한 이론적인 수치와 거의 일치함을 확인할 수 있었고, 이를 통해 사용된 알고리즘의 신뢰성을 검증할 수 있었다.
Frequency-Dependent FDTD를 통한 해석시 사용된 셀 크기를 줄여줌으로써 좀 더 정교한 구 형태를 띠는 인체 두부 모델을 얻을 수 있었고, 해석할 수 있는 주파수 대역도 높일 수 있었다. 셀룰라 주파수 대역인 900 MHz 부근에서 주파수 변화에 따른 인체 두부 내의 전계 분포에 대해 해석하였으며, 전원의 위치와 종류에 따라 변화하는 전계 분포에 관해 연구하였다. 마지막으로 전자파에 의한 인체 영향의 척도 중 하나인 SAR을 제안된 인체 두부 모델을 이용하여 해석하였다.
좀 더 정교한 형태의 인체와 입력 전원에 대한 모델링이 이루어지고, 개선된 흡수경계조건에 대한 연구가 이루어져 유한한 격자공간에서 비롯되는 오차를 줄일 수 있다면, 3차원 Frequency-Dependent FDTD는 인체 내 전자파 현상을 연구하는데 더욱 유용하게 사용될 수 있을 것이다.
In this thesis, the three dimensional Frequency-Dependent FDTD (Finite Difference Time Domain) method, which has wide frequency characteristics and geometrical availability comparing to the frequency domain method, is used to develop a coding algorithm for frequency dependent materials, Absorbing boundary conditions must be applied to each boundary because better absorbing boundary condition can reduce the error in the 3D-FDTD method. UPML (Uniaxial Perfectly Matched Layer) is selected and applied to the 3D-FDTD method in this paper.
A study on frequency dependent materials has been conducted before frequency dependent human body modeling. Debye and Lorentz equations are studied as typical models of dispersive media. Wave propagation in these models is simulated versus time and frequency. Simulated S-parameters of these models agree well with those acquired by theoretical calculation.
Using 2-pole type of Debye equation, which is extended from conventional Debye model, human body is modeled, and this modeling is validated by data of human body measurements. In addition, This human body modeling is applied to a sphere by using Frequency-Dependent FDTD, so E-field distribution in human head is analyzed. The results agree well with the theoretical results from Mie Series Solution, so validate the reliability of the algorithm used in this simulation.
Due to reduced cell size, reliable simulation results are acquired in the higher frequency. In cellular frequency band, near 900 MHz, E-field distribution in human head is simulated versus frequency. Variation of the field is also studied as the position and shape of the source is changed. Finally, SAR(Specific Absorption Rate) distribution in the human head is simulated.
Further work is required for more accurate shape of human body and source modeling and advanced absorption boundary condition to study Electromagnetic phenomena in human body using Frequency-Dependent FDTD.
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