典型地鐵站臺射頻天線電磁暴露安全評估

李 瑾，逯 邁

(蘭州交通大學 光電技術與智能控制教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

國際公共交通協會(UITP)2018年9月公布的最新數據顯示，在56個國家的182個城市，每天有1.68億人次乘客乘坐地鐵[1]。我國城市軌道交通協會統計報告顯示，截至2018年末，全國城軌交通累計投運車站3394座，地鐵在城市軌道交通運營里程中占比75.6%，客運量穩步增長。“互聯網+城軌交通”是城市軌道交通發展的新方向。地鐵無線通信系統不僅要滿足行車安全需求，也要為乘客提供高質量通信服務，并與地面無線網絡實現同步信息數據的傳輸。地鐵站臺客流量大、無線通信需求旺盛[2]，形成復雜的電磁環境。

生物電磁學研究表明，射頻電磁暴露對人體健康有潛在危害[3-4]。已有研究證實，人體神經系統特別是大腦在射頻電磁暴露下會影響人體健康[5-6]。實驗室研究顯示，在移動通信射頻電磁暴露下人體腦電圖發生改變，變化的程度和效應依賴于射頻暴露強度[7]。大腦組織對射頻能量的吸收還會影響大腦葡萄糖代謝，從而影響大腦功能[8]。

國內外學者對軌道交通系統電磁暴露安全性的研究逐年增多[9-11]，特別是針對軌道交通復雜電磁現象的相關問題，我國科研團隊做了大量卓有成效的研究工作，且主要集中在系統抗電磁干擾和對外電磁騷擾及無線信號傳輸等方面[12-14]，但是目前我國尚未形成完整的軌道交通電磁暴露行業標準，尤其缺少對地鐵站臺射頻電磁暴露安全性的研究。

本文基于數值電磁劑量學方法展開地鐵站臺電磁暴露研究，評估乘客在此環境下的安全性，為消除乘客對電磁暴露的恐慌起到積極作用，并為軌道交通電磁暴露行業標準的制定提供依據。

1 比吸收率

人體暴露于高頻(100 kHz～10 GHz)電磁輻射中時，電磁暴露的作用機制主要是人體組織從電磁場吸收能量。由于目前人體活體組織在電磁暴露中的不可測量性，數值電磁劑量學成為研究生物組織電磁能量吸收的重要研究方法。比吸收率(Specific Absorption Rate, SAR)這一概念在上世紀60年代被提出，現在已經被國際學術界廣泛認可，用來描述人體電磁輻射劑量的分布。SAR具體定義為在單位時間內，人體組織單位質量吸收的電磁輻射能量。人體數值模型中某點的SAR計算式為

(1)

式中：SAR為SAR的值；σ為人體組織電導率，S·m-1；E為人體內電場強度， V·m-1；ρ為人體組織密度，kg·m-3。

國際非電離輻射防護委員會(ICNIRP)導則基于已確定的健康效應制定了暴露于電磁場中的基本限值[15]，在高頻段人體電磁輻射劑量測定量綱SAR為任意10 g相鄰組織內的平均比吸收率，通過對基本限值的推導研究制定了導出限值，包括電場強度E。當SAR值與電場強度E超過限值標準，必須采取適當保護措施。

2 數值模型

基于有限元法的電磁仿真軟件HFSS在天線設計[16]與生物電磁劑量學領域[17]有廣泛應用，下文基于此軟件進行電磁暴露仿真研究。

2.1 地鐵站臺射頻天線數值模型

目前地鐵站臺專用和民用通信系統主要采用吸頂天線覆蓋信號，吸頂天線作為一種典型的寬頻帶天線，多為雙錐天線或其變形結構[18]，具有頻帶寬、小型化等優點，主要應用于室內通信覆蓋環境。

地鐵站臺吸頂天線的性能參數見表1，其工作頻段為806～960 MHz/1 710～2 700 MHz，低頻段增益大于1.5 dBi，高頻段增益大于3.0 dBi。吸頂天線安裝在站臺上方天花板處，如圖1所示。

仿真時設計了一款滿足地鐵站臺無線信號覆蓋的吸頂天線，結構為雙錐天線的變形，如圖2所示。

圖1 地鐵站臺吸頂天線

圖2 吸頂天線模型(單位：mm)

50 Ω同軸線饋電時，仿真計算得到806～960和1 710～2 700 MHz頻段的回波損耗如圖3所示。由圖3可知，天線諧振頻率為900和2 440 MHz，表明吸頂天線的設計指標達到了工程需求。

低頻段及高頻段的方向圖分別如圖4和圖5所示。由圖4和圖5可知，增益與方向圖圓度都符合表1所示的參數要求。

圖3 回波損耗仿真結果

圖4 900 MHz時天線的增益方向圖(單位：dB)

圖5 2 440 MHz時天線的增益方向圖(單位：dB)

2.2 人體數值模型

乘客人體數值模型如圖6所示，模型由頭部和軀干2個部分構成，頭部模型分為頭皮、顱骨、大腦3層，半徑分別為0.100，0.092和0.085 m，人體模型高1.74 m。計算得到900和2 440 MHz時人體組織相對介電常數及電導率[19]見表2，其中軀干組織由皮膚、血液、肌肉和骨骼4種組織的平均值求得。

圖6 人體數值模型

表2 不同天線諧振頻率時人體組織介電常數及電導率

2.3 HFSS軟件驗證

SAR的計算在最早期采用經典的時域有限差分法(FDTD)算法。為檢驗本研究中所建數值模型對HFSS軟件的適用性，采用與文獻[20]完全相同的條件模擬計算人體頭部的SAR。手機外殼長、寬、高分別為60，30和150 mm，天線位于手機外殼正上方，工作頻率為915 MHz，天線距離人體頭部外側15 mm，天線輻射功率為1 W，計算得到手機輻射下人頭模型中的SAR值分布如圖7所示。在HFSS軟件中計算得到頭部組織10 g的平均SAR值為4.40 W·kg-1，與文獻結果4.3 W·kg-1相比，誤差為2%，表明HFSS軟件可以適用于以上所建模型的SAR值計算。

圖7 手機輻射下人頭模型中的SAR值分布

3 數值計算

根據地鐵站臺實際尺寸，設吸頂天線距地面高度為4 m，在HFSS軟件中對地鐵站臺天花板和地面建模，其厚度分別為0.02和0.01 m，材質分別為PVC和混凝土。射頻電磁暴露源對人體的輻射隨著距離增加衰減，乘客人體數值模型位于吸頂天線下方時距離輻射源最近，電磁暴露風險最大。有限元算法在進行電大尺寸計算時，網格剖分及迭代計算占用大量計算機存儲空間，考慮到硬件計算性能，選取地面和天花板的面積均為1.2 m×1.2 m。建立的地鐵站臺電磁暴露模型如圖8所示，在此模型外建立空氣層，設置吸收邊界條件，得到有限元離散化模型如圖9所示。

圖8 地鐵站臺電磁暴露模型

圖9 離散化模型

因地鐵站臺吸頂天線工作在功率15 dBmW(32 mW)時滿足通信需求[21]，所以選取吸頂天線的工作頻率分別為900和2 440 MHz，功率在32 MW時，研究乘客的電磁能量吸收，以評估乘客在此環境下的安全性。

4 結果分析

4.1 900 MHz頻率時

地鐵站臺吸頂天線工作在900 MHz時乘客人體組織內的電場強度和SAR值分布仿真結果如圖10所示。由圖10(a)可知：900 MHz時乘客電場強度最大值為0.139 V·m-1，約為最小值的2 279倍，說明900 MHz時電場強度在人體組織內迅速衰減。由圖10(b)可知，900 MHz時乘客SAR值最大值為4.441×10-7W·kg-1，出現在頸部，次大值出現在頭部和腿部，最大值約為最小值的34 005倍，說明900 MHz時SAR值在人體組織內的衰減速度大于電場強度的衰減。

圖10 900 MHz時乘客電場強度和SAR值分布

重點分析乘客頭部SAR值分布，900 MHz時乘客頭皮、顱骨、大腦的SAR值分布如圖11所示。由圖11可知：頭皮、顱骨、大腦的SAR值最大值依次為1.614×10-7，1.159×10-7和1.926×10-7W·kg-1，可知大腦的SAR值大于頭皮和顱骨。

以30 mm為間隔，對人頭模型做5個切片，得到900 MHz時乘客頭部SAR值的分層分布如圖12所示。由圖12可知：乘客頭皮處有較高的SAR值，頭皮暴露在頭部最外側，有較多電磁能量吸收；顱骨層較薄，SAR值最小，電磁能量吸收較少；說明900 MHz時電磁場對頭皮和顱骨有很強的穿透能力，大腦中有較多電磁能量吸收，電磁能量在頭部穿透深度較大。

圖11 900 MHz時乘客頭部不同部位的SAR值分布

圖12 900 MHz時乘客頭部SAR值分層分布

4.2 2 440 MHz頻率時

吸頂天線工作在2 440 MHz時乘客人體組織內的電場強度和SAR值分布仿真結果如圖13所示。由圖13(a)可知：2 440 MHz時乘客電場強度最大值為0.148 V·m-1，約為最小值的19 470倍，說明2 440 MHz時電場強度在人體組織內迅速衰減。由圖13(b)可知，2 440 MHz時乘客SAR值最大值為1.165×10-6W·kg-1，約為最小值的2 498 392倍，說明2 440 MHz時SAR值在生物組織內的衰減速度大于電場強度的衰減；與900 MHz時相比，2 440 MHz時乘客人體組織內電場強度及SAR值的衰減速度更大。

圖13 2 440 MHz時乘客電場強度和SAR值分布

乘客頭部不同部位在2 440 MHz電磁場中的SAR值分布如圖14所示。由圖14可知：頭皮、顱骨、大腦SAR值最大值依次為4.984×10-7，2.165×10-7和3.070×10-7W·kg-1，可以看出頭皮的SAR值最大，其次是大腦，顱骨中SAR值最小，說明射頻電磁能量在頭皮中吸收最多，顱骨層較薄，介電參數小，電磁能量吸收最小。

圖14 2 440 MHz時乘客頭部不同部位的SAR值分布

2 440 MHz時乘客頭部SAR值的分層分布如圖15所示。由圖15可知：乘客頭皮處的SAR值較高，顱骨和大腦內SAR值較低，電磁能量吸收集中在接近輻射源的頭部上方；與900 MHz時相比，2 440 MHz時大腦電磁能量吸收沒有出現明顯的峰值，與文獻[9]的研究結論相一致。

圖15 2 440 MHz時乘客頭部SAR值分層分布

ICNIRP導則制定的公眾電磁暴露限值分別為：900 MHz時，SAR限值為2 W·kg-1，電場強度限值為41.25 V·m-1；2 440 MHz時，SAR限值為2 W·kg-1，電場強度限值為61 V·m-1。乘客人體的電場強度最大值、SAR值最大值與ICNIRP導則制定限值的對比見表3。由表3可知：900和2 440 MHz時，電場強度仿真值均小于ICNIRP限值，分別為ICNIRP限值的0.003，0.002倍；SAR值仿真值遠小于ICNIRP限值，分別為ICNIRP限值的2.221×10-7和5.825×10-5倍。

表3 乘客人體電場強度、SAR仿真值與ICNIRP導則制定限值的對比

5 結 論

(1)對典型地鐵站臺無線通信系統射頻天線的公眾電磁暴露進行了安全評估，天線分別工作在900和2 440 MHz時，電場強度和比吸收率在乘客人體組織內均迅速衰減，比吸收率的衰減更快，大于電場強度的衰減。

(2)乘客頭部頭皮、顱骨、大腦不同部位在頻率為900 MHz電磁場中的比吸收率依次為1.614×10-7，1.159×10-7和1.926×10-7W·kg-1，大腦的SAR值分別大于頭皮和顱骨的SAR值，其中大腦中SAR值是頭皮中SAR值的1.193倍。2 440 MHz時頭皮、顱骨、大腦SAR值最大值依次為4.984×10-7，2.165×10-7和3.070×10-7W·kg-1，可以看出頭皮中SAR值是大腦中SAR值的1.623倍。說明2 440 MHz時射頻電磁能量在顱內的穿透能力小于900 MHz時的穿透能力。

(3)乘客生物組織內的電場強度和SAR值均小于ICNIRP國際電磁輻射標準，乘客在此電磁環境中是安全的。

(4)本文只是針對單個成年人體模型完成了仿真計算，下一步將重點研究未成年人在地鐵站臺的射頻電磁暴露安全性。