CN100388008C

CN100388008C - 比吸收率测量系统和方法

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Publication number: CN100388008C
Application number: CNB2005101174872A
Authority: CN
Inventors: 大西辉夫; 山口良; 上林真司; 都甲浩芳; 清水直文; 永妻忠夫
Original assignee: NTT Docomo Inc; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Docomo Inc; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2004-11-02
Filing date: 2005-11-02
Publication date: 2008-05-14
Anticipated expiration: 2025-11-02
Also published as: US20060114003A1; CA2525158A1; CN1769926A; US7511511B2; JP2006132970A; KR20060052388A; CA2525158C; EP1653237A1; US20070236229A1

Abstract

提供了一种在评价电磁波能量吸收的比吸收率测量系统中使用的活体等效体模单元。该体模单元包括：用于接受电磁波的吸收的活体等效体模；分别配置在活体等效体模内的多个被测量点处、具有与活体等效体模的介电常数接近的介电常数的多个电光晶体；为了使各电光晶体与外部结合而铺设在所述活体等效体模内的多条光纤。另外，提供了一种使用了活体等效体模单元的用于评价电磁波能量的吸收的比吸收率测量系统，其由以下部分构成：射出光的光源；调节从光源射出的光的偏振状态的偏光调节器；使从偏光调节器射出的光依次入射到各电光晶体的光路切换器；以及通过检测从电光晶体反射的光来测量比吸收率的比吸收率测量单元。

Description

比吸收率测量系统和方法

技术领域

本发明涉及在评价电磁波能量的吸收的比吸收率测量系统中使用的活体等效体模单元、使用了该单元的比吸收率测量系统和方法。

背景技术

近年来，定量地评价从发送设备射出的电磁波对人体等的活体所产生的热作用的需求正在增长，希望开发出能正确且迅速地测量作为电磁波对活体所产生的作用的指标的比吸收率(Specific Absorption Rate：下面称为SAR)的系统。

SAR是如下式(1)所定义的那样，与电场(|E|²)成比例的值，主要用于评价在人体附近使用例如便携电话时所吸收的功率。

[式1]

SAR＝σ|E|²/ρ 式(1)

这里，σ和ρ分别是活体等效体模的导电率[S/m]和密度[kg/m³]。

通常在测量SAR时，采用通过微小偶极子检测在介质内所产生的电场，并使用公式(1)转换成SAR(电场测量法)的方法。

图1示出了现有的比吸收率测量系统100。比吸收率测量系统100由以下装置构成：通过液体来模拟人体的电气常数的虚拟人体(下面，称为体模)101、盛入液体的容器102、电场检测用探头103、探头扫描装置104、信号电缆105、电场检测装置106、测量操作及数据分析用处理装置107。

如图1所示，通过在比吸收率测量系统100的附近配置便携电话等被测量设备108，来测量在体模内所产生的电场。通过探头扫描装置104三维地扫描电场检测用探头103来测量SAR。

图2示出了现有的另一个比吸收率测量系统200。比吸收率测量系统200由以下装置构成：通过固体来模拟人体的电气常数的体模121、电场检测用探头122、信号传输用电缆123、电场检测装置124、测量操作及数据分析用处理装置124、以及扫描装置126。

如图2所示，通过在比吸收率测量系统200的附近配置便携电话等被测量设备127，来测量在体模内所产生的电场。其中，与图1的现有例不同，利用扫描装置126扫描便携电话127来测量SAR。

在任何一个现有例中，均使用电场检测用探头103或122。在图1的右侧详细地示出了电场检测用探头103或122的检测部110。由微小偶极子元件111、112检测出的电场被插入在细缝内的肖特基二极管(Schottky Diode)113检测到，并经由高电阻线114将电信号传送给电场检测装置106、124。利用肖特基二极管检测由2～5mm左右的导体形成的微小偶极子元件所产生的电压。

然而，这些电场测量法如上述那样，因为使用了微小偶极子和高电阻线，所以在被测量电场中存在导体，产生检测部周边的电磁场分布被扰乱的问题。并且，由于很难进一步减小偶极子长度，所以可以预见随着频率变高干扰会进一步变大。

因此，为了降低上述的电场检测用探头本身对被测量电磁场的干扰，正在开发图3所示的利用了波导型光调制器和激光的电场传感器。

图3所示的电场传感器300由以下部分构成：激光光源131、电场探头132、波导型光调制器133、由金属形成的微小偶极子134、受光部135。

由于电场传感器300除了微小偶极子134之外全部由电介质材料构成，所以与具有高电阻线的上述电场检测法相比，能够高精度地计量电场。

对于如上述的电场传感器300那样使用了波导型光调制器和激光的电场测量法，因为使用微小偶极子，所以与使用了高电阻线的电场测量法相比干扰变小，但还存在检测部周边的电磁场分布受到干扰的问题。另外，在液体体模内的SAR测量中因为三维地扫描电场检测用探头或电场传感器，所以体模溶剂被搅拌，产生由探头的振动引起的噪声。如果为了消除该噪声而设置使溶剂回复至正常状态的时间，则测量需要很长时间。如果为了缩短测量时间，在体模内二维或三维地配置多个电场传感器，则多个微小偶极子的集合体对被测量电磁场而言起到导体的作用，成为很大的干扰。结果，有可能计量出与实际完全不同的SAR分布，从而产生问题。

发明内容

本发明就是为了解决上述问题而提出的，其课题是提供一种能够正确且迅速地测量SAR分布的比吸收率测量系统和方法，并且提供适用于该系统和方法的活体等效体模单元。

为了解决上述课题，基于本发明的一个特征的在评价电磁波能量的吸收的比吸收率测量系统中使用的活体等效体模单元，具有：用于接受电磁波的吸收的活体等效体模；多个电光晶体，其被分别配置在活体等效体模内的多个被测量点处，具有与活体等效体模的介电常数接近的介电常数；多条光纤，其被铺设在活体等效体模内，用于使各电光晶体与外部结合。

在这样的活体等效体模单元中，可以在光纤的表面应用高介电常数材料。

基于本发明的另一个特征的使用了所述活体等效体模单元的用于评价电磁波能量的吸收的比吸收率测量系统，其包括：射出光的光源；偏光调节器，其调节从光源射出的光的偏振状态；光路切换器，其用于使从偏光调节器射出的光依次入射到各电光晶体；以及比吸收率测量单元，其通过检测从电光晶体反射过来的光来测量比吸收率。

基于本发明的另一个特征的使用了接受电磁波照射的活体等效体模的用于评价电磁波能量的吸收的比吸收率测量方法，其包括以下步骤：将具有与活体等效体模接近的介电常数的多个电光晶体配置在所述活体等效体模内的多个被测量点处；在对从光源射出的光进行了偏振状态调节后，通过光路切换器使其依次入射到各电光晶体内；对入射到电光晶体内的光进行反射；将从电光晶体反射过来的光引导到检偏器中；在光检测器中将通过检偏器后的光转换成电信号，导出比吸收率。

在所述比吸收率测量方法中，对入射到光学晶体内的光进行反射的步骤可以由以下步骤组成：在光学晶体中，通过与光入射面相对的面上所设置的电介质反射膜来反射光。

在所述比吸收率测量方法中，也可以通过光纤连接光路切换器和所述各电光晶体，通过光路切换器来选择光纤，从而使光依次入射到各电光晶体内。

并且，在所述比吸收率测重方法中，也可以通过在光纤的表面应用高介电常数材料，使光纤的等效介电常数实际上与活体等效体模的介电常数相等。

在本发明中，因为电场检测部由非金属构成，所以可以消除现有技术中产生的干扰而测量SAR分布。另外，通过使用具有与体模接近的介电常数的电光晶体作为传感头，可以降低由介电常数的差别引起的反射，测量更准确的SAR分布。并且，测量中的空间分辨率与透过电光晶体的光的光束直径成比例，所以原理上可以使空间分辨率小至光的波长(几μm)。并且，因为被测量点的电光晶体的折射率变化起因于跟随电磁波的偶极子的偏差，所以可以进行从MHz频带到THz的宽波段的SAR测量。

根据本发明，通过使用具有与体模接近的介电常数的电光晶体，不但可以降低由界面反射引起的电光晶体内的电场的变小，还可以降低界面反射引起的对电光晶体周边的电磁场的影响。因此，通过使用基于本发明的实施方式的比吸收率(SAR)测量系统，能够获得正确的比吸收率(SAR)分布。

附图说明

图1是现有的比吸收率测量系统100的概略图。

图2是现有的另一个比吸收率测量系统200的概略图。

图3是现有的利用了波导型光调制器和激光的电场传感器的概略图。

图4是基于本发明的实施方式的比吸收率(SAR)测量系统的框图。

图5是基于本发明的实施方式的体模附近的立体图。

图6是表示由比介电常数差引起的电光晶体内的电场强度的误差的曲线图。

具体实施方式

下面，参照附图对用于实施本发明的最佳方式进行说明。附图中，对于具有相同功能的部件赋予同一参照符号，省略重复的说明。

图4是基于本发明的实施方式的比吸收率(SAR)测量系统的框图。比吸收率测量系统40的活体等效体模单元42由以下构成：由液体、凝胶、固体等构成的模拟人体的电气常数的虚拟人体(体模)1、具有与体模1接近的介电常数的电光晶体3、裸光纤10。

比吸收率测量系统40还具有：便携电话等被测量电磁波产生器2、DFB-LD等线偏振光光源4、偏振保持光纤(PMF)5、环行器6、由1/4波片或1/2波片构成的偏光调节器7、单模光纤(SMF)8、通过MEMS技术或PLC技术形成的光路切换器9、比吸收率测量单元44。

比吸收率测量单元44由以下部分构成：检偏器11、光检测器12、电信号线13、信号处理部14、SAR分布图像显示器15。

比吸收率测量系统40如图4所示，是使用电光晶体3来测量配置在体模1附近的被测量电磁波产生器2在体模1内产生的电场的系统。

从线偏振光光源4射出的线偏振光通过偏振保持光纤(PMF)5经由环行器6被传播到偏光调节器7。偏光调节器7将入射来的线偏振光调节为特定的偏振状态并射出。

该特定偏振状态由配置在体模1内的电光晶体3的晶轴和从被测量电磁波产生器2射出的电场的振动方向所决定。例如，在使用作为闪锌矿型晶体的CdTe来检测与y轴平行地振动的电场的情况下，调节偏光调节器7，使作为CdTe的晶面的(001)、(100)、(010)面配置成分别与y、x、z轴垂直，或者分别与y、z、x轴垂直，并且使线偏振光或椭圆偏振光的偏光轴与x轴或z轴平行。

经过了偏光调节后的光由单模光纤(SMF)8传播，通过光路切换器9依次向各电光晶体3入射。

入射的光被设置在与电光晶体3的入射面相对的面上的电介质反射膜反射，沿着入射路径逆行。当光在电光晶体内沿着入射路径逆行时，由于与所施加的电场强度的1次方成比例的折射率变化(普克尔效应)而在特定的偏振光成分间产生相位差，偏振状态被改变(偏振光调制)。

如上述示例那样，在配置了CdTe的情况下，在与x轴和z轴平行的偏振光成分间，产生由下式所表示的相位差Γ。

[式2]

Γ＝(2π/λ)n₀ ³r₄₁Ed 式(2)

这里，λ、n0、r41、E和d分别是入射光的波长[m]、电光晶体3的折射率、普克尔常数[m/V]、电场强度[V/m]和电光晶体3在电场振动方向上的长度[m]。

被反射并被偏振光调制后的光经由光路切换器9、偏光调节器7，通过环行器6被分支到检偏器11中。由检偏器11取出分支后的光的调制成分，通过光检测器12转换成电信号。电信号的振幅与被测量电磁波的电场强度成比例。电信号的振幅通过信号处理器14被转换成SAR，可以在附上位置信息后由SAR分布图像显示器15显示SAR分布。

比吸收率(SAR)虽然通过电场测量法被定义为式(1)，但也可以通过使用基于本实施方式的比吸收率测量系统40，根据式(1)、(2)由下式来定义SAR。

[式3]

SAR＝σK|Γ²|/ρ 式(3)

这里，K是由电光晶体3的晶轴和从被测量电磁波产生器2射出的电场的振动方向所决定的常数。如上述示例那样，在配置CdTe的情况下，可以利用下式来表示K。

[式4]

K＝λ/(2πn₀ ³r₄₁d) 式(4)

同样，在使用作为闪锌矿型晶体的CdTe来检测与x(或y)轴平行地振动的电场的情况下，调节偏光调节器7，使作为CdTe的晶面的(110)、(1(1-)0)、(001)面配置成分别与x(z)、y、z(x)轴垂直，并且使线偏振光或椭圆偏振光的偏光轴与x(z)轴平行。这种情况下，在相对于x轴和z轴倾斜45的偏振光成分之间，产生由下式表示的相位差(Γ)。

[式5]

Γ＝(2π/λ)ln₀ ³r₄₁Ed 式(5)

这里，l是电光晶体3在光通过的方向上的长度[m]。另外，当利用式(3)来定义SAR时，系数K可以表示成下式。

[式6]

K＝λ/(2πln₀ ³r₄₁) 式(6)

在基于本实施方式的比吸收率测量系统40中，因为电场检测部由电介质材料构成，所以可以消除在现有的电场测量法中成为问题的由微小偶极子的集合体所引起的对被测量电磁场的干扰。体模1的比介电常数由ARIB规定。虽然根据电光晶体3的种类由于介电常数差而在界面产生电磁波的反射(菲涅耳反射)，但该反射与由微小偶极子的集合体引起的干扰相比非常小。

图6是表示在电光晶体3中不存在电磁波的吸收的情况下考虑了界面的反射时的电光晶体3内的电场强度的曲线图。在计算中假定了电磁波垂直入射到半无限的电光晶体3中的模型，使用由ARIB所规定的1450MHz时的值(40.5)作为体模的比介电常数。从计算结果可知，在上述示例中所使用的CdTe的情况下，通过考虑约10％的反射而对测量到的电场进行校正，能够获得真实的值。另外，认为由反射引起的对被测量电磁场的影响与电光晶体3所占有的面积比率成比例。由于SAR测量中的最小空间分辨率为1mm，电光晶体3的最小加工尺寸为小于等于100m，所以当按照面积比率来换算每1mm²的反射率时，约为1/100的1％，为几乎可以忽略的大小。通过使用具有与体模的介电常数接近的值的LN、LT、KD*P等电光晶体，可以不用进行校正而测量SAR。表1表示LN、LT、KD*P的电特性与由反射所引起的测量电场的误差。

[表1]

电光晶体的电特性与由界面反射引起的测量电场误差

电光晶体	普克尔系数(×10<sup>-12</sup>m/V)	比介电常数	测量电场误差
电光晶体	普克尔系数(×10<sup>-12</sup>m/V)	比介电常数	测量电场误差	LiNbO<sub>3</sub>(LN)	19	28	0.8％
LiTaO<sub>3</sub>(LT)	22	43	小于等于0.01％	LiNbO<sub>3</sub>(LN)	19	28	0.8％
LiTaO<sub>3</sub>(LT)	22	43	小于等于0.01％	KD<sub>2</sub>PO<sub>4</sub>(KD*P)	24.1	48	小于等于0.2％

根据同样的理由，在连接电光晶体3和光路切换器9的光纤11中也发生约28％的反射，存在对被测量电磁场产生干扰的可能性。通常的裸光纤的直径包括被覆层在内为250μm，每1mm²的测量截面的反射率为1/16(约1.8％)。考虑到低温下的抗微弯(microbend)特性而形成被覆层，但本实施方式的系统中的裸光纤10被体模1所覆盖，所以可以使用没有被覆层的80μm直径的包层光纤。通过使用这样的包层光纤，可以将每1mm²的反射率降低到小于等于0.2％。

如图5所示，当在y轴方向上排列N个电光晶体3的情况下，光路切换器9侧的每1mm²的裸光纤10的根数为N，每1mm²的反射率小于等于0.2×N％。如果将允许的反射率设定成小于等于10％，则可以在y轴方向上排列50个电光晶体3，如果以1mm的间隔来排列则能够在y轴方向上排列电光晶体3的长度为50mm。因为模拟头部的体模的大小为300mm左右，所以光路切换器9侧的反射可以变得很大。

对此，在裸光纤10的表面涂敷介电常数较大的材料，使得等效介电常数与体模相等，从而能够防止电磁波的反射。由于可以通过主轴方向或烧结温度将比介电常数调节至40-120，所以具有低于玻璃的软化温度(约1500℃)的烧结温度的TiO2或BaTiO2适合用作涂敷材料。

Claims

1.一种活体等效体模单元，其在用于评价电磁波能量的吸收的比吸收率测量系统中使用，其特征在于，包括：

用于吸收电磁波的活体等效体模；

在该活体等效体模内的两个或更多个测量点处设置的两个或更多个电光晶体，所述电光晶体的介电常数接近于所述活体等效体模的介电常数；以及

铺设在所述活体等效体模内、用于把所述各个电光晶体接到外部的两条或更多条光纤。

2.根据权利要求1所述的活体等效体模单元，其特征在于：

在所述光纤的表面上应用了高介电常数的材料。

3.一种使用权利要求1所述的活体等效体模单元来评价电磁波能量的吸收的比吸收率测量系统，其特征在于，包括：

发出光的光源；

用于调节光的偏振状态的偏光调节器；

把该偏光调节器输出的光依次提供给所述活体等效体模单元的各个电光晶体的光路切换器；以及

检测由所述电光晶体反射的光、并测量比吸收率的比吸收率测量单元。

4.一种使用接收电磁波照射的活体等效体模单元来评价电磁波能量的吸收的比吸收率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

在所述活体等效体模单元内的两个或更多个测量点处设置两个或更多个介电常数接近于该活体等效体模单元的介电常数的电光晶体；

通过光路切换器把光顺序地提供给所述各个电光晶体，该光是由光源发出的，并且该光的偏振状态经过了调节；

反射提供给所述电光晶体的光；

把所述电光晶体反射的光导向检偏器；以及

通过光检测器把进入所述检偏器的光转换成电信号，得到比吸收率。

5.根据权利要求4所述的比吸收率测量方法，其特征在于，反射提供给所述电光晶体的光的步骤是如下的步骤：

通过所述电光晶体的一个表面上的介电反射膜反射提供给该电光晶体的光，所述的一个表面是与光入射到所述电光晶体中的表面相对的表面。

6.根据权利要求5所述的比吸收率测量方法，其特征在于：

通过所述光路切换器选择多条光纤中的一条，把光依次提供给所述各个电光晶体，其特征在于所述光路切换器通过所述光纤中的相应的一条光纤分别与所述各个电光晶体相连。

7.根据权利要求6所述的比吸收率测量方法，其特征在于：

在所述光纤的表面上应用了高介电常数的材料。