Analyse de l'exposition radioélectrique aux ondes millimétriques en champ proche

Near-field millimeter-wave radio-frequency exposure analysis

• Auteur / Autrice : Seyedfaraz Jafari
• Direction : Joe Wiart, Alain Sibille, Gholamreza Moradi, Reza Sarraf Shirazi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Réseaux, informations et communications
• Date : Soutenance le 22/11/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris en cotutelle avec Amirkabir University of Technology (Tehran, Iran)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Traitement et communication de l'information (Paris ; 2003-....) - Laboratoire de Traitement et Communication de l'Information
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement opérateur d'inscription : Télécom Paris (Palaiseau ; 1977-....)
• Jury : Président / Présidente : Hélène Roussel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hélène Roussel, Jean-Marc Laheurte, Keyvan Forooraghi, Christian Person
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Marc Laheurte, Keyvan Forooraghi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Champs magnétiques -- Effets physiologiques

Prévention

Radiocommunications mobiles

Risques pour la santé

Ondes millimétriques

Aspect médical

Radiofréquences

Mots clés libres

5g

Densité de puissance absorbée

Santé et sécurité

Exposition humaine

Appareils mobiles

Méthode de reconstruction

Absorbed power density (APD)

Fifth-Generation (5G)

Human exposure

Millimeter-Wave (mm- Wave)

Mobile phone

Résumé

Cette thèse vise à déterminer la densité de puissance absorbée (APD) en tenant compte du couplage et des réflexions multiples entre l'antenne et le corps humain, ce qui pose des défis dans l'évaluation de l'APD en raison de leur proximité étroite.La première partie de la thèse explore le concept de mesure de l'APD à l'intérieur d'un fantôme de tissu cutané, en se concentrant spécifiquement sur son application dans les technologies 5G. Cependant, la mesure de l'APD à l'intérieur du fantôme de tissu cutanéest limitée en raison de la faible profondeur de pénétration des champs aux ondes millimétriques et quasi-millimétriques. Pour surmonter cette limitation, une technique de reconstruction est utilisée, en utilisant la méthode du spectre de plane inverse. Le champélectrique est échantillonné à une distance spécifique à l'intérieur du fantôme, permettant de déterminer la densité de puissance absorbée à la surface de la peau humaine. Dans la deuxième partie, une approche non invasive basée sur la fonction de Green dyadique (DGF) est proposée pour l'évaluation de l'APD. Cette méthode tient compte du couplage entre le modèle de peau humaineet le dispositif en cours de test (DUT). L'espace entier est divisé en deux demi-espaces : la demi-espace supérieur est rempli d'air, où l'antenne est positionnée, et le demi-espace inférieur est rempli d'un équivalent de peau humaine. L'équation intégrale de champ électrique (EFIE), basée sur les DGF spatiaux, est résolue à l'aide de la méthode des moments (MoM) pour reconstruire les courants équivalents. L'APD est évaluée en fonction des courants équivalents reconstruits sous l'interface air-fantôme.En plus des techniques proposées, la thèse examine les exigences de mesure pour les deux approches, y comprisl'incertitude de mesure du champ électrique, la résolution angulaire d'échantillonnage et la taille requise du fantôme.Les résultats démontrent que les techniques proposées présentent une nouvelle méthodologie pour évaluerl'APD, en tenant compte du couplage entre le corps humain et l'antenne, notamment dans le contexte de l'exposition aux appareils portables fonctionnant au dessus de 6 GHz.Pour garantir la sécurité des individus exposés au RF-EMF à des fréquences supérieures à 6 GHz, le taux d'absorption spécifique (SAR) est remplacé par la densité de puissance (PD) en tant que critère d'exposition, comprenant la densité de puissance absorbée (APD) et la densité de puissance incidente (IPD). L'IPD mesure la densité de puissance du rayonnement émis par une antenne dans l'espace libre, mais il peut ne pas être adapté aux situations d'exposition en champ proche où l'antenne est près du corps humain. Les interactions entre le corps humain et l'antenne, telles que le couplage et les réflexions multiples, peuvent entraîner des changements dans les schémas de rayonnement et les niveaux d'exposition, rendant l'IPD inadéquat. En revanche, l'APD prend en compte le couplage entre l'antenne et le corps humain, permettant une évaluation plus précise du niveau d'exposition réel.Cette thèse vise à déterminer l'APD aux fréquences millimétriques 5G en tenant compte du couplage entre l'antenne et le corps humain lorsqu'ils sont en proximité. Deux approches sont proposées :Évaluation de l'APD dans un Modèle de Peau Humaine : Cette approche implique l'utilisation d'une antenne patch 2x2 fonctionnant à 10, 24 et 60 GHz avec une puissance rayonnée de 200 milliwatts. Le champ E est échantillonné à l'intérieur d'un modèle de tissu cutané humain à différentes distances de la surface de la peau. Le champ E sous l'interface air-fantôme est ensuite évalué par rétropropagation à l'aide de la méthode d'expansion d'onde plane (PWS). Les résultats montrent une erreur de reconstruction inférieure à 9,4 %, 7,35 % et 7,8 % respectivement à 10, 24 et 60 GHz, pour des distances supérieures à 1 mm entre l'antenne et le fantôme.

This thesis aims to determine the absorbed power density (APD) considering the coupling and multiple reflections between the antenna and the human body, which poses challenges in assessing APD due to their close proximity.The first part of the thesis explores the concept of measuring APD inside a skin tissue phantom, specifically focusing on its application in 5G technologies.However, measuring APD inside the skin tissue phantom is limited due to the shallow penetration depth of fields at millimeter and quasi-millimeter waves. To overcome this limitation, a reconstruction technique is employed, utilizing the backward plane-wave spectrum(PWS) method. The electric field is sampled at a specific distance within the phantom, enabling the determination of APD at the human skin surface.In the second part, a non-invasive approach based on the dyadic Green's function (DGF) is proposed for APD assessment. This method takes into account the coupling between the human skin model and the device under test (DUT). The entire space is dividedinto two half-spaces : the upper half-space (z > 0) is filled with air, where the antenna is positioned, and the lower half-space is filled with an equivalent human skin liquid or solid. The electric field integral equation (EFIE), based on spatial DGFs, is solved using the method of moments (MoM) to reconstruct the equivalent currents. The electric field is sampled on the surface of a hemisphere surrounding the antenna, and the APD is evaluated based on the reconstructed equivalent currents beneath the air-phantom interface.In addition to the proposed techniques, the thesis investigates the measurement requirements for both approaches, including E-field measurement uncertainty, sampling angular resolution, and the required size of the phantom.The findings demonstrate that the proposed techniques present a novel methodology for assessing APD, taking into consideration the coupling between the human body and the antenna, particularly in the context of exposure to handheld devices operating above 6GHz.