• 4.1 I risultati degli esperimenti su telefoni cellulari MOTOROLA tipo Classic e Microtac™
• 4.2 Campo vicino e caratteristiche radiative per telefoni portatili a 900 MHz
• 4.3 Calcolo del SAR per telefoni portatili operanti alla frequenza di 835 MHz

CAPITOLO 4

L'ASSORBIMENTO DI ENERGIA ELETTROMAGNETICA NELLA TESTA E NEL COLLO DELL'UTILIZZATORE

4.1 I risultati degli esperimenti su telefoni cellulari MOTOROLA tipo Classic e Microtac™

La distribuzione del SAR all'interno della testa dell'utilizzatore è stata valutata in riferimento al telefono "Classic", modellizzato come un dipolo a l/2, ed al telefono tipo "Microtac"; ponendo il "Classic" ad una distanza di 2.5 cm dalla testa, il valore del SAR di picco risulta di 2.47 W/Kg; questo valore è stato ottenuto su una cella cubica di lato 5 mm, corrispondente ad una massa corporea di circa 125 mg. La media su 1 g, ottenuta considerando 8 celle, ha permesso di ottenere l'effettivo SAR di picco, pari a 0.99 W/Kg, al di sotto del valore limite di 1.6 W/Kg stabilito dalla normativa ANSI C.95.1-1991 che classifica, inoltre, come dispositivi di bassa potenza gli apparati che emettono potenza fino a 0.7 W alla frequenza di 900 MHz. Il massimo per il SAR è risultato localizzato al di sopra del lobo esterno dell'orecchio, estremamente prossimo al feed dell'antenna.

Per quanto riguarda il modello simulato con una induttanza distribuita sulla base dell'antenna, proprio del tipo "Microtac", i valori del SAR sono risultati maggiori nella zona inferiore della testa e minori in quella superiore, rispetto agli omologhi ottenuti con le simulazioni relative al modello "Classic". Tali differenze sono dovute alla diversa posizione del feed point dell'antenna.

Nel caso del Microtac™, è risultato che il SAR di picco, mediato su 1 g, è uguale a 1.08 W/Kg, localizzato in corrispondenza del lobo esterno dell'orecchio. Con l'antenna rientrata, il SAR di picco aumenta a 1.32 W/Kg, presentando una distribuzione che manifesta valori maggiori all'interno della testa, sotto l'orecchio, rispetto alla situazione di funzionamento con l'antenna estratta.

E' stata anche presa in esame la situazione corrispondente all'uso del telefono all'interno di ambienti ristretti, come un veicolo o una cabina di ascensore, schematizzati attraverso una parete metallica verticale posta a varie distanze dietro il telefono, in posizione opposta rispetto all'utente, ed un'analoga parete orizzontale posta al disopra della sopra la testa (figura 4.1).

figura 4.1 - situazione corrispondente all'uso del telefono in ambienti ristretti

I risultati hanno mostrato che la presenza di una parete metallica verticale, di dimensioni 30x30 cm ad una distanza di 4 cm dalla sorgente ed in posizione opposta rispetto all'utilizzatore, influenza notevolmente il SAR di picco, che risulta pari a 1.71 W/Kg, sempre localizzato in corrispondenza del lobo esterno dell'orecchio, senza significative differenze nella distribuzione all'interno della testa. La stessa parete posta alla distanza d=l /4, peraltro, non causa una particolare differenza nella distribuzione del SAR rispetto alla posizione precedente; questo risultato si spiega con il fatto che, nel caso in esame, non ci troviamo nelle condizioni di propagazione per onde piane: in quest'ultima situazione, infatti, si sarebbe dovuto osservare un particolare rafforzamento del campo elettromagnetico dalla parte dell'utilizzatore, dovuto all'onda riflessa in fase con l'onda diretta.

L'effetto della parete metallica verticale sul campo vicino, dunque, si manifesta in uno sparpagliamento del campo che, pur non agendo sul valor medio di SAR, ne influenza notevolmente i valori di picco.

La presenza di una parete metallica orizzontale di dimensioni 30x30 cm sopra la testa dell'utilizzatore, a distanza di 6 cm, riduce il SAR di picco a 0.87 W/Kg, modificandone anche la distribuzione: minore nella parte superiore della testa, maggiore in quella inferiore.

Per quanto riguarda la dipendenza dell'assorbimento dalla distanza, essa è stata studiata ponendo la sorgente a 2 cm e 3 cm dalla testa: nel primo caso il SAR di picco aumenta sensibilmente, a 2.36 W/Kg, per restare praticamente a tale valore nel secondo caso; la distribuzione interna del SAR risulta alquanto insensibile a questo tipo di variazioni.

Riassumendo, il SAR di picco, per le distanze tipiche di utilizzazione, si è mantenuto quasi sempre al di sotto dei limiti (1,6 W/Kg) stabiliti dalle normative internazionali; solamente nel caso di sorgente posta a piccola distanza dalla testa ed in presenza di una parete verticale riflettente in posizione ravvicinata all'utilizzatore si possono avere valori eccedenti i limiti di sicurezza. Nonostante ciò, comunque, il SAR di picco è localizzato in una zona, il lobo esterno dell'orecchio, che non sembra avere grossi problemi di dissipazione termica, essendo, peraltro, soggetta normalmente ad agenti esterni ben più gravosi.

L'occhio, nelle condizioni esaminate, non risulta, invece, essere esposto in maniera pericolosa.

Tutte le simulazioni sono state condotte con potenza in trasmissione di 0.6 W, a rappresentare una condizione di tipo worst-case; questa, improbabile nel caso di uso del telefono con antenna estratta, risulta verosimile qualora l'apparato fosse utilizzato con antenna rientrata, dal momento che i telefoni cellulari sono dotati di un amplificatore AGC (Automatic Gain Control) che entra in azione, aumentando la potenza, quando la ricezione diventa difficile.

 
 

Situazione considerata	SAR di picco (su 1 g) [W/Kg]	SAR di picco (su 125 g) [W/Kg]
Dipolo 2.5 cm ("Classic")	0.99	2.47
Microtac 2.5 cm	1.08	2.40
Microtac 2.5 cm con parete verticale a 4 cm	1.71	3.80
Microtac 2.5 cm con parete verticale a l/4	1.58	3.53
Microtac 2.5 cm con parete orizzontale a 6 cm	0.87	1.20
Microtac 2.5 (con antenna collassata)	1.32	2.80
Microtac 2 cm	2.36	5.87
Microtac 3 cm	0.58	1.39

tabella 4.1 - risultati complessivi delle simulazioni descritte

4.2 Campo vicino e caratteristiche radiative per telefoni portatili a 900 MHz

Viene qui riportato lo studio svolto dai Proff. S. Caorsi, A. Massa ed A. Perasso, del Dipartimento di Ingegneria Biofisica ed Elettronica , presso l'Università di Genova.

E' stato impiegato un programma in grado di stimare il diagramma di radiazione dell'antenna di un telefono portatile e di analizzare la distribuzione di energia elettromagnetica nella testa dell'utilizzatore.

I risultati sono stati ottenuti con il metodo numerico dei momenti, come soluzione della formulazione integrale dello scattering del campo elettromagnetico; questo approccio numerico tiene conto del mutuo accoppiamento tra unità portatile e corpo umano.

Sono stati simulati tre diversi modelli, a grado di complessità crescente, per il telefono portatile a 900 MHz:

a) dipolo a l /2 senza il case (modello più rudimentale);

b) monopolo a l /4 con il case (modello realistico che prevede un flusso di corrente nel case);

c) sleeve dipole a l /2 con balun (trasformatore a linea da bilanciato a sbilanciato) e case.

Di tutti e tre questi modelli sono stati considerati diagramma di radiazione e distribuzione dell'energia in campo vicino, onde valutare le prestazioni d'antenna ed i rischi per l'utilizzatore.

La testa dell'operatore è stata simulata con una sfera uniforme, di materiale muscolo-equivalente, di raggio 10 cm, costante dielettrica relativa 50.5 e conducibilità 1.2 S/m.

Il telefono, nel modello b), è stato supposto a distanza di 2 cm dalla testa ed è stata valutata la differenza sul SAR determinato tenendo conto del mutuo accoppiamento, rispetto a quello ottenuto senza tenerne conto; la differenza tra i due valori è risultata attorno al 10%, aumentando, ovviamente, con il progressivo avvicinamento della sorgente alla testa dell'operatore.

Dall'analisi con il modello c), potrebbe risultare consigliabile l'adozione di antenne del tipo "sleeve dipole" con balun poste sul punto più alto del portatile, per ridurre l'assorbimento di energia nella testa e rendere l'antenna meno sensibile alla presenza dell'utente. Nonostante le dimensioni complessive dell'elemento radiante siano, in questa configurazione, aumentate, le correnti circolanti nel telefono, infatti, diminuiscono ed inoltre i valori di picco dell'energia di campo vicino vanno a localizzarsi al difuori dell'operatore.

4.3 Calcolo del SAR per telefoni portatili operanti alla frequenza di 835 MHz

Riportiamo ora due simulazioni condotte dai Proff. O.P. Gandhi, J.Y. Chen e D. Wu, del Dipartimento di Ingegneria Elettronica dell'Università dello Utah (U.S.A.).

Essi hanno effettuato uno studio sull'assorbimento di energia elettromagnetica nel corpo umano per 10 tipi diversi di telefono cellulare, in posizioni diverse, paragonando i valori di SAR risultanti con i limiti di sicurezza dettati dalla normativa ANSI/IEEE C.95.1-1992.

La simulazione è stata condotta utilizzando il FDTD su un modello a risoluzione millimetrica di corpo umano ottenuto da immagini di risonanza magnetica (MRI) scandite su un paziente volontario alto 176 cm, di 64 Kg.

La risoluzione della scansione MRI è di 3 mm in altezza e 1.875 mm lungo l'asse orizzontale; poiché il peso del paziente è inferiore alla media (in relazione alla sua altezza dovrebbe essere di 71 Kg) le dimensioni orizzontali delle celle discretizzate sono state incrementate del fattore  passando da 1.875 mm a 1.974 mm.

Utilizzando il pacchetto applicativo ANALYZE, le scansioni MRI sono state convertite in immagini che evidenziano 29 tessuti differenti, le cui caratteristiche dielettriche ( , ) sono state riferite alla frequenza di 835 MHz, centro banda della gamma 820 - 850 MHz e sono riassunte in tabella 4.2.

La regione di interesse è quella relativa a testa, collo e regione superiore del torso, per un totale di 42 cm in altezza.
 

Tipo di tessuto	Tessuto	er	s [S/m]
0	Aria	1.0	0.0
1	Muscolo	51.0	1.35
2	Grasso	7.2	0.16
3	Osso	7.2	0.16
4	Cartilagine	7.2	0.16
5	Pelle	35.0	0.60
6	Cervello	43.0	0.86
11	Sangue	64.0	1.25
12	Occhio	70.0	1.9
15	Polmone	12.0	0.24
17	Fluido cerebrospinale	76.0	1.75
18	Umor vitreo	73.0	1.9
19	Sclerotica/cornea	52.0	1.80
20	Cristallino	45.0	0.75
29	Orecchio	21.1	0.38

tabella 4.2 - proprietà dielettriche dei tessuti simulati nell'esperimento

Per tenere conto dell'abituale inclinazione di 33°, tipicamente, del portatile rispetto all'asse verticale della testa, è stato inclinato in avanti di 33° il modello ricavato dalle immagini da risonanza magnetica, spostando indietro ciascuno dei successivi strati dell'immagine MRI di una cella, cioè di 1.974 mm. In questo modo è stato possibile, agli effetti della simulazione, supporre il cellulare in posizione verticale, permettendo una migliore simulazione numerica di forma e dimensioni.

Per quanto riguarda la modellizzazione degli elementi radianti se ne sono utilizzate le immagini radiografiche, mentre per il rivestimento dell'antenna e del telefono si sono assunti materiali isolanti di costante dielettrica relativa 3.0 e 4.0; poiché lo strato isolante, spesso 1 mm circa, è più sottile della cella, spessa 1.974 mm, la costante dielettrica effettiva è data dalla

             (4.1)

dove w è lo spessore del rivestimento, in mm, e d è la dimensione (dx, dy, dz) della cella di Yee.

La mano è stata simulata con un materiale per 2/3 muscolo-equivalente, con costante dielettrica relativa 34 e conducibilità 0.867 S/m, di spessore 1.974 cm (dunque uguale a 10 dy) avvolto intorno a 3 delle facce del portatile.

I risultati delle 10 simulazioni relative ai 10 telefoni, analizzati in posizioni diverse, sono riassunti nelle tabelle 4.3 e 4.4.

Le diverse posizioni dei telefoni rispetto alla testa sono state scelte, in distanza, in modo da ottenere il massimo valore di SAR possibile.

Alcuni studi recenti, a cura di C. Gabriel, hanno messo in evidenza che le costanti dielettriche e le conducibilità di cranio e cartilagine possono essere maggiori di quelle indicate nella tabella 4.2; per tener conto di questa diversità, sono state fatte ulteriori misure sul telefono nella situazione numero 4, indicate nelle tabelle seguenti con 4*.

Il nuovo valore di SAR è risultato maggiore per la cartilagine dell'orecchio e minore per il cervello, a causa della maggiore schermatura dovuta all'aumento della conducibiltà del cranio.

Analoghe misure su fantocci antropomorfi, riportate in tabella 4.3, hanno dimostrato il buon accordo tra il SAR di picco per la singola cella ottenuto attraverso FDTD e quello misurato per la regione dietro la parte superiore dell'orecchio. Per quanto riguarda i tessuti, nella testa il SAR decresce fino all'1% del valore di picco, ad una profondità di 3-5 cm dal lato della testa che si trova di fronte a telefono.

Come si vede in tabella 4.3 , il SAR mediato su tutto il corpo è dell'ordine di 0.8 - 2.35 mW/Kg, inferiore per un ordine di grandezza rispetto al livello di 0.08 W/Kg definito come accettabile per il SAR mediato sull'intero corpo; il SAR di picco di tabella 4.4, inoltre, è dell'ordine di 0.16-0.69 W/Kg, minore del livello di 1.6 W/Kg accettato dalla normativa ANSI/IEEE.
 

Telefono n°	SAR mediato su tutto il corpo [mW/Kg] calcolato	SAR locale di picco su 1 cella di cervello ( 11.7 mg di tessuto) [W/Kg]	SAR locale calcolato di picco su 1 cella di orecchio ( 11.7 mg di tessuto) [W/Kg]	SAR locale misurato di picco su 1 cella di cervello ( 11.7 mg di tessuto) [W/Kg]
1	2.35	1.29	3.60	1.56-2.80
2	1.58	0.97	2.20	1.61-2.91
3	1.60	1.33	2.97	2.80-5.30
4	1.58	0.59	1.87	1.94-2.84
5	2.13	1.99	4.03	1.82-3.57
6	0.89	0.51	1.72	0.80-1.70
7	0.81	0.49	1.59	0.47-1.28
8	1.09	0.31	0.96	0.70-0.84
9	2.30	0.70	1.96	0.86-1.92
10	0.88	0.51	1.63	1.81-3.07
4*	1.60	0.35	2.48	---

tabella 4.3 - SAR mediato sul corpo e SAR calcolato per ogni cella

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