人體受到電磁輻射的仿真研究

蘇國輝

（蘭州交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院， 蘭州 730070）

0 引言

比吸收率（SAR）作為電磁場(波)對人體作用的電磁吸收量的一個衡量標(biāo)準(zhǔn)，目前國際上主要有兩個SAR限值標(biāo)準(zhǔn)：一個是歐洲采用的通行標(biāo)準(zhǔn)——國際非電離性照射保護(hù)委員會（ International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection. ICNIRP[1]）規(guī)定的IEEE1528SAR-200x 標(biāo)準(zhǔn)；另一個是國際電子電氣工程師協(xié)會（Institute of Electrical and Electronics Engineers.IEEE[2]）規(guī)定的 IEEEC95.1-1992 安全標(biāo)準(zhǔn)，這是目前國際電信業(yè)界的通行標(biāo)準(zhǔn)，它以 1克組織為測量單位，該文獻(xiàn)定出人體暴露于 RF 輻射（3 kHz 至 300 GHz）下的安全標(biāo)準(zhǔn)為：“對于公眾場合下的照射，在任意連續(xù)30 min內(nèi)，人體全身平均 SAR 應(yīng)小于 0.08w/kg,任意 1 克肌體中最大 SAR 應(yīng)小于 1.6 w/kg?！睔W洲采用的測試標(biāo)準(zhǔn)的測量單位是 10 g，對于 10 MHz～10 GHz 頻段規(guī)定的限值是：頭部和軀干部位：公眾暴露每 10克 SAR 限值：2 w/kg。但我國現(xiàn)有的衛(wèi)生部標(biāo)準(zhǔn)（GB9175-88）（環(huán)境電磁波衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)）（該標(biāo)準(zhǔn)適用于一切人群經(jīng)常居住和流動場所的環(huán)境電磁輻射），規(guī)定平均功率密度不超過 40 μW/cm2，顯然不適合作為電磁波衛(wèi)生安全標(biāo)準(zhǔn)。因此有必要在標(biāo)準(zhǔn)人體模型基礎(chǔ)上對現(xiàn)有通信系統(tǒng)進(jìn)行有代表性的研究和仿真分析驗證。

1 人體模型

仿真中采用的高保真人體模型是基于人體醫(yī)學(xué)解剖圖片數(shù)據(jù)建立的，通過圖像的識別和重建（解剖圖用Photoshop 軟件將每一種組織用一種顏色來代替），標(biāo)記出40多種組織，將圖像導(dǎo)入MATLAB，通過圖像處理函數(shù)構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)可視化模型，賦予結(jié)構(gòu)模型中每一基本單元一個與它表示的生物組織相同的電學(xué)參數(shù)[3]。在計算時將該數(shù)據(jù)文件讀入，判斷每點的數(shù)字，用相應(yīng)的電磁參數(shù)代替[4]。

高仿真人體模型的解析度為3mm，3個坐標(biāo)方向的網(wǎng)格數(shù)218×136×648如圖1所示。表1列出人體電磁模型中所使用的部分組織的色值和相應(yīng)組織在 900 MHz 下對應(yīng)的電導(dǎo)率、相對介電常數(shù)等[5]。

圖1 3mm直立人體模型

表1 建立人體模型時各組織的數(shù)據(jù)表示

2 基站天線輻射對人體影響

以一個理想點源天線作為基站天線（表2列出基站天線發(fā)射功率），在人體正前方入射頻率為 900 MHz 的正弦平面波功率，在電場矢量平行于人體模型長軸（E 極化）條件下，設(shè)人體處于自由空間中，計算空間為網(wǎng)格218×136×648的6面體，空間的外邊界設(shè)為吸收邊界，對于 900 MHz 的輻射源，網(wǎng)格邊長 δ 滿足 10δ≤λmin，3 mm 的人體模型滿足要求。利用 FDTD 計算人體受平面波照射下體內(nèi) SAR 分布，并以工程實測數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)來驗證基站天線電磁輻射是否超標(biāo)。

表2 基站天線發(fā)射功率

表3 人體比吸收率計算結(jié)果值(SAR: W/kg)

圖2 人體SAR分布

由表3可知人體在基站天線照射下的平均 SAR 值符合國際衛(wèi)生部標(biāo)準(zhǔn)。

圖2給出人體模型在 900M 平面電磁波正面照射下Z=128，Z=320，Z=600 層在時間步長 T=1200 時的體內(nèi)場分布。

3 手機(jī)天線輻射對人體影響

平面倒 F 天線（PIFA）代表著手機(jī)天線的發(fā)展趨勢[6-7]，對于雙頻段手機(jī)以及將來將 3G、GPS 等應(yīng)用集合在一個手機(jī)內(nèi)來說，是最合適的天線。因此選擇最常見的900 MHz 單頻 PIAF 天線研究。圖3給出PIFA 的模型尺寸標(biāo)注，饋電點在天線的右上角。天線和底板都采用了理想材質(zhì)，天線和底板之間的介質(zhì)是空氣。手機(jī)外殼由相對介電常數(shù)為 2 的介質(zhì)材料構(gòu)成。圖4給出手機(jī)外殼的尺寸：24 mm×50 mm×116 mm。

圖3 PIFA模型尺寸

天線的中心工作頻率 900MHz，采用特性阻抗為 50 Ω的同軸線饋電。FDTD 網(wǎng)格的尺寸Δx=Δy=Δz=Δ=1 mm，計算的時間步長 Δt=Δ/(2c)，c 為真空中的光速，計算的時間步數(shù) N=4000，計算空間網(wǎng)格總數(shù)為 58×83×151。

圖5 計算出的天線的參數(shù) S11的曲線

圖6 頭部與手機(jī)模型

由圖5可知天線在 900 MHz 中心頻率點處阻抗匹配較好,擁有較好的反射系數(shù)，滿足設(shè)計要求。

針對手機(jī)通訊系統(tǒng)對人體影響的典型情況進(jìn)行仿真，仿真中單頻 PIFA 天線置于高仿真人體頭部1 cm處，中軸與人腦縱軸成 30°夾角[8]，如圖6所示。FDTD 法求解空間的網(wǎng)格數(shù)為 218×136×347，網(wǎng)格分辨率為 3 mm；計算的時間步數(shù) N=2 000；采用二階吸收邊界條件。在饋電點處饋入 900 MHz 頻率2W的輸入功率，由 FDTD 法求得了人體頭部內(nèi)的電場分布。表4列出頭部各主要組織比吸收率 SAR 的最大值、平均值 。

表4 比吸收率計算結(jié)果值(SAR: W/kg)（中心工作頻率900 MHz，輸入功率2W）

4 結(jié)論

由圖2和表3的SAR 數(shù)值計算結(jié)果可知，電磁波進(jìn)入人體后迅速衰減，皮膚表面 SAR 分布較大，體內(nèi)則迅速減小，因此在面向照射方向的肌體表面SAR 值最大。與環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)比較，此照射劑量遠(yuǎn)低于安全標(biāo)準(zhǔn)。

由表4中可知，無論是 SAR 的峰值還是平均值，在各組織中的分布差異相當(dāng)大，其中皮膚內(nèi)的 SAR明顯要高于其他組織。參照目前通用的IEEEC95.1-1992 國際安全標(biāo)準(zhǔn)，手機(jī)峰值發(fā)射(2W)時，頭部組織中的峰值 SAR 指標(biāo)超標(biāo)，整個頭部的平均 SAR 指標(biāo)未超標(biāo)。

[1]ICNIRP.ICNIRP statement-Health issues related to the use of hand-held radiotelephones and base transmitters[S].Health Phys,1996.70(4):587-593

[2]IEEE.IEEE Std C95.3-2002.IEEE recommended practice for measurements and computations of frequency electromagnetic fields with respect to human exposure to such fields, 100KHz-300GHz[s], Dec.2002.

[3]T. V. Yioultsis, T. I. Kosmanis, E. P. Kosmidou, T.T. Zygiridis, N. V. Kantartzis, T. D. Xenos, T. D.Tsiboukis.A Comparative Study of the Biological Effects of Various Mobile Phone and Wireless LAN Antennas[J]. IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, 2002,38(2):777-780.

[4]鄭木生.基于Matlab 語言實現(xiàn)電磁場中的FDTD 算法編程[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2005(8):45-46.

[5]N.J.Ryan, D.A.Stone, B.Chamhers.FDTD MODELLING OF HEATSINKS FOR EMC[R].EMC York 99,Conference Publication No.464, IEE, 1999:125-130.

[6]周曉明,賴聲禮,倪新蕾.螺旋天線手機(jī)與30b人頭模型系統(tǒng)的數(shù)值模擬[J].電波科學(xué)學(xué)報,2004(3):329-332.

[7]李芳.PIAF天線的設(shè)計及寬帶的比較[J].電子產(chǎn)品世界,2007(2):100-101.

[8]劉暢.人體頭部比吸收率（SAR）數(shù)值仿真分析研究[D].北京:北京郵電大學(xué),2010:27-35.