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Teoría electromagnética y sistemas de radiofrecuencia y ópticos

Juan Carlos Collado Gómez

Departamento Teoría de la Señal y ComunicacionesEscuela Politécnica Superior de Castelldefels

Universidad Politécnica de Cataluña

Contexto BLOQUE TEMÁTICO I: CIRCUITOS DE MICROONDAS

Tema I.1. Adaptación de impedancias Tema I.2. Líneas de transmisión I. Conceptos y definiciones. Tema I.3. Líneas de transmisión II. Aplicación Tema I.4. Análisis de circuitos de microondas. Parámetros S Tema I.5. Circuitos pasivos de microondas I Tema I.6. Circuitos pasivos de microondas II

BLOQUE TEMÁTICO II: ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS Tema II.1. Introducción al bloque y revisión de conceptos generales Tema II.2. Ondas esféricas Tema II.3. Ondas planas Tema II.4. Propagación de ondas en dieléctricos con pérdidas y conductores Tema II.5. Incidencia de ondas en conductores Tema II.6. Incidencia de ondas en dieléctricos Tema II.7. Dispersión y velocidad de grupo

BLOQUE TEMÁTICO III: ÓPTICA Y FOTÓNICA Tema III.1. Óptica geométrica. Principios básicos y componentes ópticos Tema III.2. Fotones: Conceptos básicos e interacción con la materia Tema III.3. Enlace de comunicaciones óptico: emisor, fibra, detector

BLOQUE TEMÁTICO IV: ASPECTOS MEDIOAMBIENTALES Tema IV.1. Efectos biológicos de la radiación EM

BLOQUE TEMÁTICO V: LABORATORIO Tema V.1. Bloque de radiofrecuencia Tema V.2. Bloque de óptica

BLOQUE IV. Tema 1

DuraciónBLOQUE IV. Tema 1

Clases expositivas: 3 Clases de aplicación: 2

ObjetivosBLOQUE IV. Tema 1

Motivar a los alumnos en temas multidisciplanares como es el bioelectromagnetismo.

Proporcionar la nomenclatura suficiente para entender las normativas de seguridad respecto a la exposición a la radiación EM

Radiación y seguridad

Al terminar este tema el estudiante debe de ser capaz de:

Con este tema se pretende:

Calcular el calentamiento de un material biológico (aproximadamente agua) sometido a radiación electromagnética.Conocer las normas internacionales de exposición a radiación electromagnética.Conocer la normativa legal vigente sobre estaciones base de telefonía móvil.Planificar la medida de la radiación en un caso práctico.Conocer la normativa legal en lo que se refiere al manejo de láseres.

ÍtemsBLOQUE IV. Tema 1

Efectos biológicos de la radiación electromagnética no ionizanteSARRecomendación internacional de exposición a radiación EMRecomendación internacional de exposición a láseres.Normativas de seguridad de estaciones base de telefonía móvil.

Contenido. ÍndiceBLOQUE IV. Tema 1

Radiación ionizanteRadiación no ionizanteEfectos térmicosModelos de absorción

SAR (tasa de absorción específica)Niveles de referencia de seguridad

Posibles efectos no térmicos de la radiación (I)Efectos biológicos a frecuencias ópticas

Contenido. E1aBLOQUE IV. Tema 1

RadiaciónIonizante

No ionizante

Radiación ionizante

ER> Energía de ionización de átomo (energía de ligadura del electrón más “periférico”)

C=11.2 eV; H=13.6 eV; O=13.6 eV; N=14.2 eV

f>3x1015 ; <100 nm

ionizaciónreacciones físico-químicas efectos biológicos

Efectos a corto-medio-largo plazo según dosis

Alteraciones cromosomaCáncer…

Contenido. E1bBLOQUE IV. Tema 1

Radiación ionizante

Contenido. E1cBLOQUE IV. Tema 1

Radiación no ionizante f<3x1015 ; >100 nm

EfectosTérmicos

No térmicosEstimulación nerviosa“Oir” las microondasOtros

Efectos térmicos

Ley de Joule

A

L

EI

dP VI ELI ELJA

A/m2J EDC

2dP EVol

RF21

2d

Vmed

P E PVol

Pot disipada por unidad V

Contenido. E1dBLOQUE IV. Tema 1

2 2

01 12 2V rP E k E

Efectos térmicos

Recordar pérdidas

0 00

1 1 con c r p rr

j j j

2

012V rP k E

Profundidad de penetración

0 0( )z

z j z j zE z E e e E e e

: distancia en la que la onda se ha atenuado 1 Np (8.686 dB)


Modelos + sencillos de absorción

Suponer ondas planas y superficies planas

propiedades eléctricas de tejidos del cuerpo humano

piel musculo hueso 1 2 3

Encontrar E(z) y luego potencia disipada Pv


Modelos + sencillos de absorción

Propiedades eléctricas de tejidos del cuerpo humano

Dielectric constant of various body tissues at 37°C

Frequency (MHz) Dielectric constant

Brain Fat Muscle Bone

25 > 160 - 103 - 115 -

50 110 - 114 11 - 13 85 - 97 6.8 - 7.7

100 81 - 83 - 71 - 76 -

200 - 4.5 - 7.5 56 -

400 - 4 - 7 52 - 54 -

700 - - 52 - 53 -

1000 - 5.3 - 7.5 49 - 52 4.3 - 7.3

3000 - 3.9 - 7.2 45 - 48 4.2 - 5.8

8500 - 3.5 - 4.5 40 - 42 4.4 - 5.4


Modelos + sencillos de absorciónPropiedades eléctricas de tejidos del cuerpo humano

Frequency (MHz) Conductivity (mS/cm) of various tissues

Brain Fat Muscle Bone

25 4.55 - - -

50 4.76 - 5.26 0.4 - 0.59 6.80 - 8.85 0.2 - 3.6

100 5.13 - 5.56 - - -

200 - 0.29 - 0.95 9.52 - 10.5 -

400 - 0.36 - 11.1 11.1 - 11.3 -

700 - - 12.7 - 13.7 -

1000 - 0.83 - 1.49 12.7 - 13.3 0.43 - 1

3000 - 1.11 - 2.27 21.7 - 23.3 1.16 - 2.25

8500 - 2.7 - 4.17 83.3 1.67 - 4.76

Table 6 Conductivity in (mS/cm) of various body tissues at 37°C

En general, tejidos con alto contenido en agua: y


Modelos + complejos de absorción

Modelos 3D. Discretizan modelo en pequeños elementos. Ecuaciones de Maxwell y condiciones de contorno para encontrar solución E y H en cada elemento.

Contenido. E2eBLOQUE IV. Tema 1

Medidas MURATA


SAR (tasa de absorción específica)2

1. . [ /kg]2

VEPd dWS A R w

dt dm

[kg/m3]. . [ºC/s]dT S A R

dt c

Calor específico: J / Kg ºC

Potencia por unidad de masa

Incremento de T por unidad de t

Parámetro importante pues el cuerpo humano tiene mecanismos de regulación de temperatura

Necesaria unidad de medida que tenga en cuenta la masa:


SAR (tasa de absorción específica)

Restricciones se cuantifican con el SAR teniendo en cuenta los mecanismos de respuesta del cuerpo humano

ICNIRP GUIDELINES FOR LIMITING EXPOSURE TO TIME-VARYING ELECTRIC,MAGNETIC, AND ELECTROMAGNETIC FIELDS (up to 300 GHz)International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection1


Niveles de referencia de seguridad

“Límites para adultos conociendo riesgos”

Niveles de referencia “medibles” fijados mediantes simulaciones y experimentación en laboratorio

Si se cumple nivel de referencia se cumplen restricciones básicas sobre el SAR


Niveles de referencia

“Límites para público en general”

5 veces más restrictivo en S


Posibles efectos no-térmicos de la radiación (I)


Posibles efectos no-térmicos de la radiación (II)

HASTA LA FECHA NADA CONCLUYENTE

ACEPTADO CON GENERALIDAD


•Térmicos:Puede provocar la muerte celular

•Fotoquímicos:Algunas moléculas absorben energía y la disipan mediante reacción química (vitamina D -radiación UV)

•Electromagnéticos:El intenso campo eléctrico del láser (107 a 1012 V/m), puede provocar la variación de la conductividad eléctrica perturbando su normal “funcionamiento”

Efectos biológicos a frecuencias ópticas

Efectos oculares:-Ultravioleta (UV):

UV-B i UV-C Fotoqueratitis, fotofóbia, enrojecimiento, UV-A Pueden provocar cataratas

-Margen visible:Toda la energía se transmite a las células fotoreceptoras de la retina pudiendo provocar la destrucción de éstas y la consiguiente perdida de capacidad visual (fenómeno totalmente irreversible)


Efectos biológicos a frecuencias ópticas

Tiempo de exposición (segundos) (nm) 1 10 1000 10000

850 35 W/mm2 20 W/mm2 6.38 W/mm2 6.38 W/mm2 900 45 W/mm2 25 W/mm2 8.0 W/mm2 8.0 W/mm2

1050-1400 90 W/mm2 50 W/mm2 16.0 W/mm2 16.0 W/mm2 1400-106 5600 W/mm2 1000 W/mm2 1000 W/mm2 1000 W/mm2

Densidades máximas de potencia :

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