8/10/2019 01552133
1/4
S t u d y
o f
SAR
R e d u c t i o n
w i t h
S p l i t
R i n g
R e s o n a t o r s
J i u n n - N a n
H w a n g *
a n d
F u - C h i a r n g
C h e n
D e p a r t m e n t
o f
C o m m u n i c a t i o n
E n g i n e e r i n g
N a t i o n a l
C h i a o
T u n g
U n i v e r s i t y
1 0 0 1
T a h s u e h
R d . ,
H s i n c h u 3 0 0
T a i w a n
T E L :
+ 8 8 6 - 3 - 5 7 1 - 2 1 2 1
e x t .
5 4 5 6 2 ,
F a x : + 8 8 6 - 3 - 5 7 1 - 0 1 1 6 ,
E - m a i l :
e m i g [ n a . c m 9 1 g
n c t u . e d u . t w * f c h e n @ m a i l . n c t u . e d u . t w
A b s t r a c t
I n
t h i s p a p e r ,
we u s e t h e
s p l i t
r i n g
r e s o n a t o r s
( S R R s )
t o
r e d u c e
t h e EM
i n t e r a c t i o n
b e t w e e n
a d i p o l e a n t e n n a
a n d a
m u s c l e
c u b e .
W i t h
p r o p e r l y c h o o s i n g
t h e g e o m e t r y p a r a m e t e r s
o f S R R s ,
t h e
p e r m e a b i l i t y
c a n
b e
n e g a t i v e
a t 900MHz
a n d 1 . 8 G H z .
I t
i s
f o u n d
t h a t
t h e s p e c i f i c
a b s o r p t i o n
r a t e ( S A R )
i n
t h e
m u s c l e c u b e
c a n
b e
r e d u c e d
b y
p l a c i n g t h e d e s i g n e d
S R R s
b e t w e e n
t h e
d i p o l e
a n t e n n a
a n d
t h e
m u s c l e
c u b e . T h e
p e r f o r m a n c e s
o f t h e a n t e n n a
w i t h
S R R s
a r e
a l s o s t u d i e d .
N u m e r i c a l
r e s u l t s a r e
d e m o n s t r a t e d
t o v a l i d a t e
t h e
e f f e c t o f
SAR
r e d u c t i o n .
I . I n t r o d u c t i o n
T h e p e n e t r a t i o n
r a t e o f
t h e c e l l u l a r
p h o n e s
h a s
b e e n
g r o w i n g
r a p i d l y
i n t h e
g l o b a l
c o m m u n i t i e s .
T h e i n f l u e n c e o f
EM
w a v e s
f r o m
c e l l u l a r p h o n e s
h a s b e e n
w i d e l y
d i s c u s s e d
r e c e n t l y . T h e
s p e c i f i c a b s o r b i n g
r a t e
( S A R )
i s a d e f i n e d
p a r a m e t e r
f o r
e v a l u a t i n g
p o w e r
d e p o s i t i o n
i n
h u m a n t i s s u e .
F o r
t h e
c e l l u l a r
p h o n e
c o m p l i a n c e , t h e
SAR
m u s t
b e b e l o w t h e
l i m i t s
r e c o m m e n d e d
b y i n t e r n a t i o n a l
s a f e t y g u i d e l i n e s
[ 1 , 2 ] . S o m e r e s u l t s h a v e
i m p l i e d t h a t t h e
p e a k
1
g
a v e r a g e d
SAR
v a l u e
( S A R 1 I )
m a y
e x c e e d t h e
s a f e t y l i m i t s
w h e n
a p o r t a b l e
t e l e p h o n e
i s p l a c e d
e x t r e m e l y
c l o s e d
t o
t h e h e a d [ 3 ] .
T h e r e f o r e ,
m a n y
r e s e a r c h e r s
a r e
w o r k i n g o n
r e d u c i n g
t h e
SAR
d i s t r i b u t i o n i n h u m a n
h e a d
[ 4 ] .
R e c e n t l y ,
m e t a m a t e r i a l s h a v e i n s p i r e d g r e a t
i n t e r e s t s
i n
t h e i r
u n i q u e
p h y s i c a l
p r o p e r t i e s
a n d
n o v e l a p p l i c a t i o n .
Two
i m p o r t a n t p a r a m e t e r s ,
e l e c t r i c p e r m i t t i v i t y
a n d m a g n e t i c p e r m e a b i l i t y
d e t e r m i n e t h e
r e s p o n s e o f t h e m a t e r i a l s
t o
t h e
e l e c t r o m a g n e t i c
p r o p a g a t i o n .
A n e g a t i v e
p e r m i t t i v i t y c a n
b e
o b t a i n e d
b y
a r r a n g i n g
t h e
t h i n
m e t a l l i c
w i r e s
p e r i o d i c a l l y
[ 5 ] .
On
t h e
o t h e r h a n d ,
a n a r r a y
o f
s p l i t r i n g r e s o n a t o r s
( S R R s )
c a n
e x h i b i t n e g a t i v e
e f f e c t i v e p e r m e a b i l i t y
[ 6 ] .
When
o n e o f t h e e f f e c t i v e m e d i u m
p a r a m e t e r s
i s
n e g a t i v e
a n d t h e
o t h e r
i s
p o s i t i v e ,
t h e m e d i u m w i l l
d i s p l a y
a s t o p b a n d .
I n
t h i s p a p e r ,
t h e
S R R s
a r e
u s e d
t o r e d u c e t h e EM
i n t e r a c t i o n b e t w e e n
a
d i p o l e a n t e n n a
a n d a m u s c l e
c u b e . W i t h
p r o p e r l y
c h o o s i n g g e o m e t r y p a r a m e t e r s
o f
S R R s ,
t h e
p e r m e a b i l i t y
c a n b e
n e g a t i v e
a t 9 0 0 M I H z
a n d 1 . 8 G H z ,
r e s p e c t i v e l y .
T h e
SAR
d i s t r i b u t i o n i n a
m u s c l e t i s s u e
w i t h
t h e
p r e s e n c e
o f
S R R s
i s s t u d i e d .
T o
i n v e s t i g a t e
t h e i n f l u e n c e
o f
S R R s
t o
t h e
a n t e n n a ,
t h e r a d i a t e d
p o w e r
a n d r a d i a t i o n
i m p e d a n c e
o f t h e a n t e n n a a r e a l s o
a n a l y z e d .
N u m e r i c a l
r e s u l t s a r e d e m o n s t r a t e d
t o v a l i d a t e t h e
e f f e c t
o f
SAR
r e d u c t i o n .
0 - 7 8 0 3 - 8 8 8 3 - 6 / 0 5 / 2 0 . 0 0
2 0 0 5
I E E E
7 8 0
8/10/2019 01552133
2/4
I I .
SRR g e o m e t r y
a n d
s i m u l a t i o n
T h e m e t a m a t e r i a l s w i t h
n e g a t i v e
p e r m e a b i l i t y
m e d i u m c a n b e o b t a i n e d
b y
a r r a n g i n g s p l i t
r i n g r e s o n a t o r s
( S R R s ) p e r i o d i c a l l y . T h e S R R s
c o n s i d e r e d
h e r e
c o n s i s t e d
o f
t w o
c o n c e n t r i c s q u a r e
r i n g s ,
e a c h
w i t h
g a p s
a p p e a r i n g
o n
t h e
o p p o s i t e
s i d e s .
F i g .
1 s h o w s t h e d e t a i l s o f
S R R s .
T h e r e s o n a n t
f r e q u e n c y
o i s
v e r y
s e n s i t i v e
t o
s m a l l
c h a n g e s
i n t h e s t r u c t u r e
p a r a m e t e r s
o f
S R R .
T h e
f r e q u e n c y
r e s p o n s e
c a n b e s c a l e d t o
h i g h e r
o r
l o w e r
f r e q u e n c y d e p e n d s
o n
p r o p e r l y
c h o o s i n g
t h e s e
g e o m e t r y p a r a m e t e r s [ 6 ]
6 2
3 c o
2c2=
( 1 )
x l n
d - r
d
N u m e r i c a l
s i m u l a t i o n s
c o u l d
p r e d i c t
t h e
t r a n s m i s s i o n
p r o p e r t i e s
d e p e n d
o n
v a r i o u s
s t r u c t u r e
p a r a m e t e r s
o f
t h i s s y s t e m .
S i m u l a t i o n s o f t h i s
c o m p l e x
s t r u c t u r e
a r e
p e r f o r m e d
w i t h
FDTD
m e t h o d .
T o
c o n s t r u c t
t h e
S R R s
f o r
SAR
r e d u c t i o n ,
t h e
S R R s
l i e i n t h e x z
p l a n e
a r e
c o n s i d e r e d ,
a s
s h o w n
i n
F i g .
2 . T h e
EM w a v e
p r o p a g a t e s a l o n g t h e y d i r e c t i o n . T h e e l e c t r i c f i e l d
p o l a r i z a t i o n
i s
k e p t a l o n g
t h e z
a x i s ,
a n d
m a g n e t i c f i e l d
p o l a r i z a t i o n
i s
k e p t
a l o n g
x
a x i s .
P e r i o d i c
b o u n d a r y
c o n d i t i o n s
a r e u s e d t o r e d u c e t h e
c o m p u t a t i o n a l
d o m a i n
a n d
a b s o r b i n g
b o u n d a r y
c o n d i t i o n i s u s e d a t t h e
p r o p a g a t i o n
r e g i o n s .
T h e
t o t a l - f i e l d / s c a t t e r - f i e l d
f o r m u l a t i o n
i s
u s e d
t o
i n j e c t
p l a n e w a v e a t t h e l e f t
s i d e .
T h e
s t o p
b a n d s o f
S R R s
a r e
d e s i g n e d
t o b e
900MHz a n d
1 . 8 G H z .
T o
o b t a i n
a
s t o p
b a n d
a t
9 0 0 M H z ,
t h e
p a r a m e t e r s o f
SRR
a r e
c h o s e n
a s
c = 1 . 8 m m ,
d = 0 . 6 m m ,
g = 0 . 6 m m ,
a n d r = 1 7 . 7 m m .
T h e
p e r i o d i c i t y a l o n g
x ,
y ,
z ,
a x e s a r e
L , = 6 3 m m ,
L y =
1 . 5 m m ,
a n d
L z = 6 3 m m ,
r e s p e c t i v e l y .
On
t h e
o t h e r
h a n d ,
t o
o b t a i n
a
s t o p
b a n d
a t
1 . 8 G H z , t h e
p a r a m e t e r s
o f
SRR
a r e
c h o s e n
a s
c = 1 . 8 m m , d = 0 . 6 m m ,
g - 0 . 6 m m ,
a n d r = 1 2 . 9 m m .
T h e
p e r i o d i c i t y
a l o n g
x , y ,
z ,
a x e s
a r e L , = 5 0 m m ,
L y =
1 . 5 m m ,
a n d
L z
= 5 0 m m ,
r e s p e c t i v e l y .
B o t h t h e
t h i c k n e s s a n d
d i e l e c t r i c
c o n s t a n t o f t h e
c i r c u i t
b o a r d s
f o r
9 0 0 M H z
a n d
1 . 8 G H z
a r e
0 . 5 0 8 m m a n d
3 . 3 8 ,
r e s p e c t i v e l y .
F i g .
3
s h o w s
t h e
m o d e l e d t r a n s m i s s i o n c o e f f i c i e n t . A f t e r
p r o p e r l y
c h o o s i n g g e o m e t r y
p a r a m e t e r s , t h e
S R R s
m e d i u m c a n
d i s p l a y
a
s t o p
b a n d
a r o u n d
9 0 0 M H z
a n d
1 . 8 G H z ,
r e s p e c t i v e l y .
I I I .
SAR c a l c u l a t i o n i n a
m u s c l e
c u b e
T h e
SAR
d i s t r i b u t i o n w i t h t h e
d e s i g n e d
S R R s
i s
s t u d i e d .
S i n c e a 3 - D m o d e l
o f t h e
w h o l e
h e a d w i t h t h e
p r e s e n c e o f S R R s s t r u c t u r e
r e q u i r e s
a
g r e a t
a m o u n t
o f
m e m o r y ,
a
s i m p l i f i e d
m u s c l e c u b e i s u s e d t o
v a l i d a t e t h e e f f e c t o f
SAR r e d u c t i o n .
F i g .
4
s h o w s t h e
m u s c l e
c u b e u s e d
i n
SAR
s i m u l a t i o n .
I t
i s f o r m e d
b y
m u s c l e
t i s s u e w i t h
e
=
5 1 . 8 ,
a=
1 . 1 1
a n d
p=
1 0 4 0
f o r
9 0 0 M H z
a n d
e
=
4 9 . 4 ,
o=
1 . 5 3 ,
a n d
p=
1 0 4 0 f o r
1 . 8 G H z .
A
A J 2
d i p o l e
a n t e n n a
i s
p l a c e d
n e a r t h e
m u s c l e t i s s u e .
T h e d i s t a n c e
b e t w e e n t h e
a n t e n n a
a n d t h e m u s c l e c u b e
i s
2 5 m m .
T h e
r a d i a t e d
p o w e r
f r o m
t h e a n t e n n a i s
a s s u m e d
t o
b e
0 . 6 W
f o r 9 0 0 M H z a n d
0 . 1 2 5 W
f o r
1 . 8 G H z ,
r e s p e c t i v e l y .
T h e
d e s i g n e d
S R R s
a r e
p l a c e d
b e t w e e n
t h e
a n t e n n a
a n d
t h e
m u s c l e
c u b e .
T h e
m e d i u m
w i t h
p a r a m e t e r s
N X
=
1 ,
N y
=
1 0 ,
a n d
7 8 1
8/10/2019 01552133
3/4
N ,
= 1
u n i t
e l e m e n t s a l o n g
e a c h d i r e c t i o n a r e
u s e d . T h e s i z e s o f t h e m u s c l e
c u b e
a r e
c h o s e n
t o b e
t h e
l e n g t h
o f t h e
A / 2
d i p o l e
a n t e n n a .
T o
i n v e s t i g a t e
t h e
SAR
d i s t r i b u t i o n a n d
a n t e n n a
p e r f o r m a n c e
w i t h
S R R s ,
t h e
p o w e r r a d i a t e d
f r o m t h e
a n t e n n a ,
t h e r a d i a t i o n
i m p e d a n c e
o f
t h e
a n t e n n a ,
a n d
t h e
p e a k
1
g
a v e r a g e d SAR v a l u e s
( S A R I g )
a r e
a n a l y z e d .
T h e
f r e e
s p a c e
r a d i a t i o n
i m p e d a n c e
o f
t h e
a n t e n n a ,
i n
t h e
a b s e n c e
o f
t h e
S R R s
a n d
t h e
m u s c l e
c u b e ,
i s
Z R O .
A s i n
[ 7 ] ,
t o
e v a l u a t e
t h e
p o w e r
r a d i a t e d f r o m
t h e
a n t e n n a ,
t h e s o u r c e
i m p e d a n c e
( Z s )
h a s
b e e n a s s u m e d
e q u a l
t o
t h e
c o m p l e x
c o n j u g a t e
o f t h e f r e e
s p a c e
r a d i a t i o n
i m p e d a n c e
Z S = Z R o * .
T h e s o u r c e
v o l t a g e
( V s )
i s c h o s e n t o o b t a i n
a
r a d i a t e d
p o w e r P R
i n
f r e e s p a c e
( V s
=
P
8 R R O When a n a l y z i n g
t h e i n f l u e n c e o f t h e
m e t a m a t e r i a l s
t o t h e r a d i a t e d
p o w e r
f r o m t h e a n t e n n a ,
t h e
s o u r c e i m p e d a n c e
a n d
t h e s o u r c e v o l t a g e
a r e c o n s i d e r e d f i x e d a t t h e
Z s
a n d
V s
v a l u e s . T h e
p o w e r
r a d i a t e d f r o m t h e a n t e n n a
i s e v a l u a t e d
b y
c o m p u t i n g
t h e r a d i a t i o n
i m p e d a n c e i n
t h i s
s i t u a t i o n
( Z R - - R R + j X R )
a n d u s i n g
t h e
f o l l o w i n g e q u a t i o n s
I l V 2
R R
2
R
= 2
Z R
+ Z S 2
( 2 )
T h e p e a k
S A R i g
a n d p e r f o r m a n c e
o f
t h e a n t e n n a a r e
s t u d i e d . T h e
r e s u l t s
a r e
g i v e n
i n
TABLE
I a n d
c o m p a r e d
w i t h t h e r e s u l t s
w i t h o u t
S R R s
p l a c e d
b e t w e e n
t h e a n t e n n a a n d t h e
m u s c l e
c u b e . I n
t h e
c o n d i t i o n
w i t h o u t
S R R s ,
t h e
p e a k
S A R i g
i s
8 . 8 5
a t 900MHz a n d
0 . 9 7
a t
1 . 8 G H z ,
r e s p e c t i v e l y .
T h e f r e e
s p a c e
r a d i a t i o n
i m p e d a n c e i s 8 1 . 9 4 + j 3 8 . 8 3
Q
a t
9 0 0 M 4 H z .
T h e s o u r c e
i m p e d a n c e
i s s e t
t o b e 8 1 . 9 4 - j 3 8 . 8 3 a n d
t h e
a m p l i t u d e
o f s o u r c e
v o l t a g e
1 9 . 8 3 V
h a s b e e n
a s s u m e d
t o o b t a i n
a
r a d i a t e d
p o w e r 600mW
i n
f r e e
s p a c e .
T h e r a d i a t i o n
i m p e d a n c e Z R
c h a n g e s
t o
4 0 . 7 7 + j 4 9 . 0 4
Q
w i t h t h e
p r e s e n c e
o f S R R s . F r o m
2 ,
t h e
r a d i a t e d
p o w e r
f r o m t h e
a n t e n n a
w i t h S R R s
c h a n g e s
t o
5 2 8 . 8 m W .
T h e
p e a k
S A R I g
b e c o m e s 5 . 5 9
W / k g ,
a
r e d u c t i o n
o f 3 6 . 8
w i t h
r e s p e c t
t o
t h e
c o n d i t i o n
w i t h o u t S R R s . T h e a n t e n n a o p e r a t e d
a t 1 . 8 G H z i s
c o n s i d e r e d .
T h e f r e e s p a c e
r a d i a t i o n
i m p e d a n c e
i s 8 7 . 3
1 + j 5 4 . 8 3
Q . T h e s o u r c e
i m p e d a n c e
i s
s e t
t o b e 8 7 . 3 1 -
j 5 4 . 8 3 Q a n d t h e a m p l i t u d e
o f
s o u r c e
v o l t a g e 9 . 3 4 V h a s b e e n a s s u m e d
t o
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r a d i a t e d
p o w e r 125mW i n f r e e s p a c e .
T h e
r a d i a t e d p o w e r w i t h
S R R s
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1 1 9 . 2 m W
a n d
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i s
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0 . 5 4 ,
a
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4 4 . 3
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c o n d i t i o n w i t h o u t
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T h e
r a d i a t e d p o w e r i s
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S A R i g
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s i g n i f i c a n t l y .
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t h e
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S R R s
c a n
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we c o n s t r u c t m e t a m a t e r i a l s f r o m
p e r i o d i c a l a r r a n g e m e n t
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r i n g
r e s o n a t o r s
( S R R s ) .
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p r o p e r l y
c h o o s i n g g e o m e t r y
p a r a m e t e r s
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S R R s ,
t h e
s t o p b a n d c a n b e s h i f t e d a r o u n d GSM
9 0 0 M H z
a n d
1 . 8 G H z o f
t h e c e l l u l a r
p h o n e .
T h e
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d i s t r i b u t i o n
i n
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p r e s e n c e
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r e d u c t i o n
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N u m e r i c a l
r e s u l t s
c a n
p r o v i d e
u s e f u l i n f o r m a t i o n
i n
d e s i g n i n g
c o m m u n i c a t i o n e q u i p m e n t s f o r
s a f e t y
c o m p l i a n c e .
V . R e f e r e n c e s :
7 8 2
8/10/2019 01552133
4/4
[ I ]
I E E E
C 9 5 . 1 - 1 9 9 1 ,
I E E E
S t a n d a r d
f o r S a f e t y
L e v e l s w i t h R e s p e c t
t o Human E x p o s u r e
t o
R a d i o F r e q u e n c y
E l e c t r o m a g n e t i c
F i e l d s ,
3 k H z
t o 3 0 0 G H z ,
I n s t i t u t e
o f
E l e c t r i c a l
a n d
E l e c t r o n i c s E n g i n e e r s ,
I n c . New Y o r k ,
1 9 9 2 . G u i d e l i n e s .
[ 2 ] I n t e m a t i o n a l
N o n - I o n i z i n g
R a d i a t i o n
C o m m i t t e e
o f
t h e
I n t e m a t i o n a l
R a d i a t i o n
P r o t e c t i o n
A s s o c i a t i o n ,
G u i d e l i n e s
o n
l i m i t s o f e x p o s u r e
t o r a d i o f r e q u e n c y
e l e c t r o m a g n e t i c
f i e l d s
i n
t h e
f r e q u e n c y
r a n g e
f r o m OOKHz
t o
3 0 0 G H z ,
H e a l t h P h y s i c s ,
v o l . 5 4 :
1 , p p .
1 1 5 - 1 2 3 ,
1 9 8 8 .
[ 3 ]
J .
Wang
a n d
0 .
F u j i w a r a ,
FDTD
o m p u t t i o n
o f
t e m p e r a t u r e
r i s e
i n t h e h u m a n
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f o r
p o r t a b l e t e l e p h o n e s ,
I E E E
T r a n s .
M i c r o w a v e
T h e o r y
T e c h . ,
v o l .
4 7 ,
n o .
8 ,
p p .
1 5 2 8 -
1 5 3 4 , A u g . 1 9 9 9 .
[ 4 ]
J . Wang
a n d
0 .
F u j i w a r a ,
R e d u c t i o n
o f e l e c t r o m a g n e t i c
a b s o r p t i o n
i n
t h e
h u m a n h e a d
f o r
p o r t a b l e t e l e p h o n e s
b y
a
f e r r i t e
s h e e t
a t t a c h m e n t ,
I E I C E
T r a n s .
C o m m u n i c a t . ,
v o l .
E 8 0 B ,
n o . 1 2 ,
p p . 1 8 1 0 - 1 8 1 5 ,
1 9 9 7 .
[ 5 ] M .
M . S i g a l a s ,
C . T .
C h a n ,
K .
M . H o ,
a n d
C . M .
S o u k o u l i s , M e t a l i c p h o t o n i c
b a n d
g a p
m a t e r i a l s ,
P h y s .
R e v .
B ,
v o l .
5 2 ,
n o .
1 1 7 4 4 ,
O c t . 1 9 9 5 .
[ 6 ]
J . B .
P e n d r y ,
A . J .
H o l e n ,
D .
J . R o b b i n s ,
a n d
W J . S t e w a r t , M a g n e t i s m f r o m c o n d u c t o r s
a n d
e n h a n c e d
n o n l i n e a r
p h e n o m e n a ,
I E E E
T r a n s .
M i c r o w a v e
T h e o r y
T e c h . ,
v o l . 4 7 ,
p p .
2 0 7 5 -
2 0 8 4 ,
N o v . 1 9 9 9 .
[ 7 ]
P . B e m a r d i , M .
C a v a g n a r o ,
a n d
S .
P i s a ,
E v a l u a t i o n
o f t h e SAR d i s t r i b u t i o n
i n
t h e h u m a n
h e a d
f o r c e l l u l a r
p h o n e s u s e d
i n
a
p a r t i a l l y
c l o s e d
e n v i r o n m e n t ,
I E E E
T r a n s . E l e c t r o m a g n .
C o m p a t . ,
v o l .
3 8 ,
n o .
3 ,
p p .
3 5 7 - 3 6 6 ,
A u g .
1 9 9 6 .
F i g .
I
D i a g r a n i
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s p i t
I C , r e o a t r
( S R R s )
F i g .
2 .
T o p
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p l a n e
wave i n c i d e n t
on
p e r i o d i c
S R R s .
F i g .
3 .
M o d e l e d
t r n s s m i s s i o n
c o e f f i c i e n t
o f
t h e
d e s g n e d
S R R s .
F i g .
4 .
S t o u m e
u s e d
i n
S A n e
c a l c i n a t i o n
TABLE
1
EFFECTS
O F
S R R t s
O N
THE ANTENNA
PERFORMANCE
AN D SAR REDUCTION
N o SRR
S R R s
No
SR R
S R R s
Z R
4 9 . 4 8 + j 4 8 . 8 1 4 0 . 7 7 j 4 9 . 0 4
6 3 . 3 0 + j ` 8 3 . 2 6
8 3 . 1 2 7 + j 9 l . 8 8
P r
6 mW
5 2 8 . 1 m W
t 2 5 m W 1
1 9 . 2 m W
S A R , ,
5 . 5 5
5 . 5 9 0 . 9 7
0 . 5 4
7 8 3
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