РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 60, № 8, с. 802-804
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
УДК 537.87
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ
НА ТЕЛЕ ЧЕЛОВЕКА
© 2015 г. В. Н. Дацко
Национальный исследовательский университет "МИЭТ" Российская Федерация, 124498 Москва, Зеленоград, проезд 4806, д. 5 E-mail: contyr@yandex.ru Поступила в редакцию 03.11.2012 г.
Проведены эксперименты по передаче через тело человека электрического сигнала в виде поверхностных электромагнитных волн на частоте 0.5 МГц.
DOI: 10.7868/S0033849415070049
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что поверхностные электромагнитные волны существуют на границе раздела проводящей среды с диэлектриком на частотах от сверхнизких до оптических. Они быстро (экспоненциально) затухают при удалении в обе стороны от поверхности; как бы "приклеены" к ней, а потому распространяются и по изогнутой поверхности; затухание и фазовая скорость волны зависят от величины поверхностного импеданса. Энергия волны сосредоточена в тонком приповерхностном слое. В работах [1, 2] сообщалось о наблюдении поверхностных электромагнитных волн на поверхности соленой воды — основе биологической ткани. Цель работы — на опыте продемонстрировать возможность возбуждения поверхностных электромагнитных волн на теле человека.
1. СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТА
На поверхности тела размещались электроды (рис. 1). Модулированный частотой 1 кГц электромагнитный сигнал от передатчика с частотой
0.5 МГц подавался на закрепленный на запястье электрод. Далее этот сигнал проходил по поверхности тела, поступал на приемную антенну, детектировался и измерялся селективным микровольтметром.
Передатчик состоял из генератора и усилителя, нагрузкой которого являлся электрод, и был выполнен на печатной плате размером 30 х 45 мм2, помещенной в экранированный корпус. Из корпуса выведен металлический электрод размером 20 х 20 мм2, предназначенный для контакта с телом без предварительной обработки кожи. Амплитуда выходного напряжения передатчика составляла 0.3 В. Приемная ХС-антенна была выполнена на печатной плате размером 55 х 55 мм2 и настроена на частоту 0.5 МГц.
Передатчик размещали либо на правом, либо на левом запястьях (рис. 1а). В обоих случаях человек (объект исследования) был одинаково ориентирован относительно приемной антенны, т.е. ближайшей к антенне частью тела являлась кисть левой руки. Объект удалялся от приемной антен-
(a)
(б)
Передатчик
Электрод
Рис. 1. Схема эксперимента; а — передача сигнала через объект, б — передача сигнала через воздух.
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ НА ТЕЛЕ ЧЕЛОВЕКА
803
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 г, м
Рис. 2. Напряжение сигнала на приемной антенне в зависимости от расстояния в присутствии человека (кривые 1 и 2) и без него (кривая 3).
ны на расстояние до 1.1 м; при этом фиксировали показания микровольтметра. Отметим, что расстояния от приемной антенны до передающего электрода на левой или правой руке составляли, соответственно, 20 и 90 см (при касании пальцами приемной антенны, г = 0) (рис. 1а).
На рис. 1б представлена схема эксперимента без участия человека, когда передатчик излучает напрямую через воздух. Эксперимент проводили в следующей последовательности:
1) при выключенном генераторе измерялся фон, оказавшийся пренебрежимо малым;
2) в отсутствие человека фиксировался сигнал прямого прохождения с излучателя на приемник;
3) в присутствии человека измерялся полный сигнал, поступивший на приемник через тело;
4) полезный сигнал находился вычитанием сигналов фона и прямого прохождения из полного сигнала.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
На рис. 2 представлены зависимости напряжения на приемной антенне от расстояния до объекта (кривые 1 и 2), а также от расстояния до передающего электрода (кривая 3) в случае связи через воздух.
При расположении передатчика на правом запястье наблюдался монотонный экспоненциальный спад зависимости напряжения на приемной антенне от расстояния (кривая 1). При расположении передатчика на левом запястье, на рассто-
янии 7 см от приемника наблюдали максимум (кривая 2); ближе 7 см — "провал" (область А). Подобный "провал" в пространственной характеристике напряженности поля наблюдали также в работе [3], автор которой назвал это "непонятным" эффектом. На самом деле "провал" и последующий максимум объясняются интерференцией пространственной и поверхностной электромагнитных волн, распространяющихся через тело и по поверхности его.
Эксперимент повторялся с размещением передатчика на других частях объекта исследования. Обнаружено, что на расстояниях между передатчиком и приемной антенной превышающих 50 см "провал" исчезает, так как на таких расстояниях от передатчика пространственная составляющая сигнала, переданного по воздуху, не существенна (кривая 3). Следовательно, сигнал, проходящий в присутствии человека, спадает гораздо медленнее сигнала, распространяющегося по воздуху без него.
При расположении передающего электрода и приемной антенны на теле, на расстоянии между ними большем 50 см, измеряемое напряжение не зависит от того, находятся передатчик и приемник в прямой видимости или нет, т.е. сигнал следует за изгибами поверхности тела.
3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Как видно из рис. 2, спад напряжения при передаче сигнала по воздуху имеет пологий характер и близок к зависимости 1/г3, что хорошо согласу-
РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА том 60 № 8 2015
3*
804
ДАЦКО
ется с теорией. При передаче сигнала через тело (кривая 1) напряженность поля при удалении от поверхности тела спадает экспоненциально, что говорит о присутствии ПЭВ. Они следуют за изгибами поверхности и как бы "приклеены" к ней; в иностранной литературе такие волны называют "creeping waves" — стелющиеся, ползучие волны [4].
В эксперименте были обнаружены три признака присутствия ПЭВ:
1) экспоненциальное затухание напряженности поля вне тела;
2) следование сигнала за кривизной поверхности тела;
3) зависимость затухания поверхностного сигнала от величины поверхностного импеданса (влажности кожи).
Кроме того, наблюдаемый на рис. 2 (кривая 2) максимум объяснен интерференцией поверхностной и пространственной электромагнитных волн.
Существенный вклад в передачу электромагнитного сигнала дает прямое прохождение пространственной (объемной) электромагнитной волны через тело, так как толщина скин-слоя на данной частоте (500 кГц) для основных тканей тела составляет более 1 м. На частотах порядка нескольких сотен мегагерц толщина скин-слоя не превышает 10 см. Поэтому дальнейшие исследования возможности применения поверхностных электромагнитных волн для передачи данных по телу человека необходимо вести на СВЧ.
ВЫВОДЫ
Показано, что при передаче через тело человека высокочастотный электромагнитный сигнал в
виде волны проходил по поверхности тела и следовал за ее изгибами. При удалении от поверхности зависимость напряженности электрического поля сигнала от расстояния имела более резкий (экспоненциальный) спад по сравнению с передачей через воздух, что типично для поверхностных электромагнитных волн. Характеристики волны зависели от влажности кожи.
Затухание электромагнитной волны зависит от электропроводности живой ткани, которая, в свою очередь, тесно связана с функциональным состоянием тканей и органов, со свойствами клеточных и межклеточных жидкостей. Следовательно, относительные изменения в затухании волны можно использовать для диагностики. Благодаря перечисленным преимуществам, технология передачи данных через тело человека c помощью поверхностных электромагнитных волн может получить широкое применение в медицине, спорте, системах доступа и т.д. [5].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Байбаков В.И., Дацко В.Н., Кистович Ю.В. // Письма в ЖТФ. 1980. Т. 6. № 7. С. 394.
2. Байбаков В.И., Дацко В.Н., Кистович Ю.В. // Успехи физ. наук. 1989. Т. 157. № 4.
3. Такигути К. Система связи. Патент RU 2302699. Офиц. бюл. "Изобретения. Полезные модели". № 19. Опубл. 10.07.2007.
4. Ryckaert J., De Doncker P., Meys R. et al. // Electron. Lett. 2004. V. 40. № 9. P. 543.
5. Дацко В.Н., Павлов К.А. // Докл. VI Всерос. науч.-техн. конф. "Радиолокация и радиосвязь". 19—22 ноября 2012 г. М.: ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН, 2012. С. 258.
РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА том 60 № 8 2015
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.