天线对人体电磁辐射与耦合问题的高效算法研究

Electromagnetic exposure of an antenna near the human body has become a public concern for more than a decade. The proposed research aims at developing a new hybrid electromagnetic(EM) modeling approach for fast Special Absorption Rate (SAR) assessment.In the proposed method, the problem domain is divided into two segregated computational regions, namely, the excitation source region and scatterer region. The source region is defined by the antenna and the scatterer region consists of the head model.A suitalbe algorithm is chosen to analyze the EM problem for each region. The EM coupling between the human tissue model and the antenna is taken into account by a fast convergent iteration approach.In summary, the following three major tasks will be completed in this project: (1) Investigate a novel and highly efficient NFM/MoM hybrid method with the domain decomposition electromagnetic modeling and iteration approach. Develop the null field method with disctist source (NFM-DS) algorithm for analysing EM scattering problem from the layered complex dielectric objects and an EM simulation software for nearly real-time SAR assessment with the proposed method. (2) Explore a hybrid multi-region and quasi-edage buffer (MR-QEB) iteration scheme for fast analyzing the EM problems from a high-resolution anatomically realistic human tissue model exposed to antennas,(3) Develop a new Algebraic Multigrid method for efficient and fast solving a large linear system from EM scattering promble. Through this project, we will clarify the internal mechanism of the multi-region iteration scheme based on integral equations, improve the theory of the proposed hybrid modeling scheme, and develop a software module for fast analyzing the EM problems from human body exposed to antennas. And some new parallel processing techniques will be used to speed up the electromagnetic simulation.

天线对人体电磁辐射评估是二十多年来重要研究课题。本课题研究目的是发展一种基于物理特性的区域分解算法，发展混合电磁建模理论，实现人体组织比吸收率（SAR）的快速评估。该方法将问题分为包含天线的源区和包含人体模型的散射区,分别采用合适的快速算法进行电磁建模，两区之间的电磁耦合通过迭代过程来实现。该方法有内存需求小,可并行化,收敛快的优点。本项目拟研究：（1）NFM/MoM混合算法，发展多层非规则介质目标电磁散射问题的零场法（NFM），实现对SAM人头模型SAR快速准确评估；（2）非均匀介质体带缓冲区的分区迭代快速算法,实现对真实人体组织模型SAR的快速分析；（3）发展新的多重网格和自适应算法，更加快速和有效地求解矩量法中的大型线性方程组。本项目将利用数学中的新算法，发展快速高效的混合算法理论，开发天线对人体电磁辐射快速评估软件模块，并采用并行技术进行加速。

天线对人体电磁辐射评估是二十多年来重要研究课题。本项目围绕天线对人体电磁辐射快速、精确评估问题，开展了基于CG-FFT的矩量法及并行技术研究、高分辨率的人头模型电磁建模及其比吸收率（SAR）快速计算方法研究、基于混合网格的时域间断伽辽金（DGTD）算法及其并行技术研究。同时开展了应用于基站的宽带双极化全向天线、基于人工表面等离子激源的宽带滤波器以及Fano共振等方面的研究与设计工作。具体内容有：.（1）高分辨率的中国人头电磁模型（CMODEL）研究与开发.开发了高分辨率的中国人头电磁模型, 该人头模型具有0.16*0.16*0.25mm 的分辨率，有49 中不同组织，模型采用Voxel 格式的数据格式，该模型为精确评估电磁波对人脑组织电磁辐射问题提供了基础条件。.(2)基于真实人头模型的比吸收率（SAR）的快速算法研究.为充分利用HUGO、CMODEL等真实人头模型的Voxel数据格式的性质，研究了基于CG-FFT的矩量法以及并行处理技术；混合网格技术是分析复杂目标电磁问题的强有力工具，开展了基于混合网格技术的DGTD 算法研究；研究包括CPU/GPU混合架构计算机平台上并行DGTD方法，实现DGTD算法混合架构计算平台的任务均衡分配，提高并行效率。.（3）波端口的DGTD 算法模型及参数提取.针对天线对人体电磁辐射问题中天线端口激励问题，开展了DGTD算法的波端口激励及参数提取问题研究。针对均匀波端口问题，研究波端口边界条件（WPBC）的DGTD算法电磁模型，并提出了基于辅助函数的快速算法，实现波端口分析中卷积的快速运算；针对非均匀波端口问题，提出了基于总场/散射场的DGTD算法模型和端口参数提取方法，实现非均匀波端口问题的时域有效快速仿真。.（4）宽带天线、宽带带通滤波器以及Fano共振等问题的研究与设计.研究设计了用于基站、WLAN的宽带双极化全向天线；基于人工表面等离子激源的宽带带通滤波器，所提出的滤波器具有低损耗、高传输和宽频带的优异性能，并给出了该滤波器的传输线模型；基于等离激元结构的Fano共振问题研究，在红外波段、太赫兹波段实现了对高阶Fano共振的主动调谐。