人体受到电磁辐射的仿真研究

苏国辉

（兰州交通大学电子与信息工程学院， 兰州 730070）

0 引言

比吸收率（SAR）作为电磁场(波)对人体作用的电磁吸收量的一个衡量标准，目前国际上主要有两个SAR限值标准：一个是欧洲采用的通行标准——国际非电离性照射保护委员会（ International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection. ICNIRP[1]）规定的IEEE1528SAR-200x 标准；另一个是国际电子电气工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers.IEEE[2]）规定的 IEEEC95.1-1992 安全标准，这是目前国际电信业界的通行标准，它以 1克组织为测量单位，该文献定出人体暴露于 RF 辐射（3 kHz 至 300 GHz）下的安全标准为：“对于公众场合下的照射，在任意连续30 min内，人体全身平均 SAR 应小于 0.08w/kg,任意 1 克肌体中最大 SAR 应小于 1.6 w/kg。”欧洲采用的测试标准的测量单位是 10 g，对于 10 MHz～10 GHz 频段规定的限值是：头部和躯干部位：公众暴露每 10克 SAR 限值：2 w/kg。但我国现有的卫生部标准（GB9175-88）（环境电磁波卫生标准）（该标准适用于一切人群经常居住和流动场所的环境电磁辐射），规定平均功率密度不超过 40 μW/cm2，显然不适合作为电磁波卫生安全标准。因此有必要在标准人体模型基础上对现有通信系统进行有代表性的研究和仿真分析验证。

1 人体模型

仿真中采用的高保真人体模型是基于人体医学解剖图片数据建立的，通过图像的识别和重建（解剖图用Photoshop 软件将每一种组织用一种颜色来代替），标记出40多种组织，将图像导入MATLAB，通过图像处理函数构造标准可视化模型，赋予结构模型中每一基本单元一个与它表示的生物组织相同的电学参数[3]。在计算时将该数据文件读入，判断每点的数字，用相应的电磁参数代替[4]。

高仿真人体模型的解析度为3mm，3个坐标方向的网格数218×136×648如图1所示。表1列出人体电磁模型中所使用的部分组织的色值和相应组织在 900 MHz 下对应的电导率、相对介电常数等[5]。

图1 3mm直立人体模型

表1 建立人体模型时各组织的数据表示

2 基站天线辐射对人体影响

以一个理想点源天线作为基站天线（表2列出基站天线发射功率），在人体正前方入射频率为 900 MHz 的正弦平面波功率，在电场矢量平行于人体模型长轴（E 极化）条件下，设人体处于自由空间中，计算空间为网格218×136×648的6面体，空间的外边界设为吸收边界，对于 900 MHz 的辐射源，网格边长 δ 满足 10δ≤λmin，3 mm 的人体模型满足要求。利用 FDTD 计算人体受平面波照射下体内 SAR 分布，并以工程实测数据作为基础来验证基站天线电磁辐射是否超标。

表2 基站天线发射功率

表3 人体比吸收率计算结果值(SAR: W/kg)

图2 人体SAR分布

由表3可知人体在基站天线照射下的平均 SAR 值符合国际卫生部标准。

图2给出人体模型在 900M 平面电磁波正面照射下Z=128，Z=320，Z=600 层在时间步长 T=1200 时的体内场分布。

3 手机天线辐射对人体影响

平面倒 F 天线（PIFA）代表着手机天线的发展趋势[6-7]，对于双频段手机以及将来将 3G、GPS 等应用集合在一个手机内来说，是最合适的天线。因此选择最常见的900 MHz 单频 PIAF 天线研究。图3给出PIFA 的模型尺寸标注，馈电点在天线的右上角。天线和底板都采用了理想材质，天线和底板之间的介质是空气。手机外壳由相对介电常数为 2 的介质材料构成。图4给出手机外壳的尺寸：24 mm×50 mm×116 mm。

图3 PIFA模型尺寸

天线的中心工作频率 900MHz，采用特性阻抗为 50 Ω的同轴线馈电。FDTD 网格的尺寸Δx=Δy=Δz=Δ=1 mm，计算的时间步长 Δt=Δ/(2c)，c 为真空中的光速，计算的时间步数 N=4000，计算空间网格总数为 58×83×151。

图5 计算出的天线的参数 S11的曲线

图6 头部与手机模型

由图5可知天线在 900 MHz 中心频率点处阻抗匹配较好,拥有较好的反射系数，满足设计要求。

针对手机通讯系统对人体影响的典型情况进行仿真，仿真中单频 PIFA 天线置于高仿真人体头部1 cm处，中轴与人脑纵轴成 30°夹角[8]，如图6所示。FDTD 法求解空间的网格数为 218×136×347，网格分辨率为 3 mm；计算的时间步数 N=2 000；采用二阶吸收边界条件。在馈电点处馈入 900 MHz 频率2W的输入功率，由 FDTD 法求得了人体头部内的电场分布。表4列出头部各主要组织比吸收率 SAR 的最大值、平均值 。

表4 比吸收率计算结果值(SAR: W/kg)（中心工作频率900 MHz，输入功率2W）

4 结论

由图2和表3的SAR 数值计算结果可知，电磁波进入人体后迅速衰减，皮肤表面 SAR 分布较大，体内则迅速减小，因此在面向照射方向的肌体表面SAR 值最大。与环保标准比较，此照射剂量远低于安全标准。

由表4中可知，无论是 SAR 的峰值还是平均值，在各组织中的分布差异相当大，其中皮肤内的 SAR明显要高于其他组织。参照目前通用的IEEEC95.1-1992 国际安全标准，手机峰值发射(2W)时，头部组织中的峰值 SAR 指标超标，整个头部的平均 SAR 指标未超标。

[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]郑木生.基于Matlab 语言实现电磁场中的FDTD 算法编程[J].现代电子技术,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]周晓明,赖声礼,倪新蕾.螺旋天线手机与30b人头模型系统的数值模拟[J].电波科学学报,2004(3):329-332.

[7]李芳.PIAF天线的设计及宽带的比较[J].电子产品世界,2007(2):100-101.

[8]刘畅.人体头部比吸收率（SAR）数值仿真分析研究[D].北京:北京邮电大学,2010:27-35.