一种可穿戴天线人体电磁暴露研究

摘" 要：该文提出一种ISM（2.4 GHz）频段的平面单极子天线。该天线为全向天线，在2.23 GHz到2.84 GHz频段的回波损耗比小于-15 dB。建立模拟电磁安全环境的模型，建立人体结构仿真模型和辐射边界。最后，仿真分析2.4 GHz频点的比吸收率、电场强度最大值，与瞬态热模块耦合，计算6 min和30 min的温升，与国际非电离辐射防护委员会（International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection， ICNIRP）制定的电磁暴露安全防护导则进行安全评估。结果表明，该天线对大脑和心脏的比吸收率、电场强度、温升远小于安全限值，不会对健康造成危害。

关键词：可穿戴天线;ISM;比吸收率;ICNIRP;电磁暴露

中图分类号：TN820" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2024）26-0027-05

Abstract： A planar monopole antenna in ISM （2.4 GHz） band is proposed in this paper. The antenna is omni-directional， and the echo loss ratio is less than-15 dB in the frequency band ranging from 2.23 GHz to 2.84 GHz. The model of simulating electromagnetic safety environment is established， and the simulation model of human body structure and radiation boundary are established. Finally， the specific absorptivity and the maximum electric field of the 2.4 GHz frequency point are simulated and analyzed， coupled with the transient thermal module， and the temperature rises of 6 minutes and 30 minutes are calculated， and the safety assessment is carried out with the electromagnetic exposure protection guidelines formulated by the International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection （ICNIRP）. The results show that the specific absorptivity， electric field intensity and temperature rise of the antenna to the brain and heart are far less than the safety limit and will not cause harm to health.

Keywords： wearable antenna; ISM; specific absorptivity; ICNIRP; electromagnetic exposure

随着科技的进步，可穿戴天线逐渐映入人们的眼帘，由于可穿戴天线与人体的空间距离较近，电磁场与生物体组织交互的现象和过程不可避免。一些研究表明：①电磁暴露可能会诱导离子通道的变化，从而影响神经元之间的信号传导[1];②暴露于电磁场的生物体可能会产生氧化应激反应，影响细胞的生命周期和功能[1];③高频电磁场可能导致DNA损伤，增加突变和癌症的风险[2];④电磁场可能通过改变细胞膜的渗透性，影响细胞内部的化学反应，可能影响细胞的生长和复制[3]。总之，天线电磁暴露可能导致各种不确定的生物体安全问题。

因此，研究可穿戴天线辐射的电磁波对人体健康产生的影响十分必要。通过比吸收率（Specific Absorption Rate，SAR）对辐射影响程度进行定量分析[4]，SAR值表示单位质量的人体组织所吸收或消耗的电磁功率。国际非电离辐射防护委员会（International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection， ICNIRP）科学地研究了非电离辐射对人体的潜在危害，并为此提供全球范围内的防护建议。

本文设计了一款覆盖ISM（2.4 GHz）频段的织物可穿戴天线，建立了人体模型，评估成年人在不同高度的辐射源辐射下电磁环境的安全性，为无线可穿戴设备电磁暴露行业的安全问题提供理论依据。

1" 模型设计

相比于聚二甲基硅氧烷[5]等柔性材料，羊毛毡[6]具有轻质舒适、灵活性好、透气吸湿等特点，可以提高穿戴的舒适度，而且羊毛毡的介电常数适中，可为天线提供一个稳定的介质环境，有利于保持天线的性能。羊毛毡便于加工，可以根据需要裁剪成不同的形状和尺寸，以适应不同的天线设计和身体部位的穿戴。作为一种自然材料，羊毛毡相对环保，对环境造成的影响较小。

因此，选用羊毛毡作为可穿戴天线的介质基板提供了一个将天线无缝整合到衣物中的可能，同时确保了穿戴的舒适性和天线的性能。本文提出的织物天线基本尺寸如图1所示。该天线采用厚度为SUBH的羊毛毡为介质基板[5]，相对介电常数为1.2，损耗角正切值为0.002。天线是以Y轴为对称轴的对称结构，由地平面与天线辐射贴片2部分组成。以距离天线1/4自由空间波长Lam建立空气盒子，详细尺寸见表1。

以国际通用成年人的身体比例为参考，建立成年人人体模型，包含躯干、四肢、人头，如图2所示。人头模型为三层球头模型，2个球壳和1个实心球，半径分别为R1、R2、R3，从内到外依次是大脑、颅骨、头皮。心脏则用近似成年人心脏体积的半径为R4的实心球体来代替，心脏距离地面垂直高度为H。人头模型和心脏模型尺寸见表2。

通过1996年Gabriel等[7]提出4阶Cole-Cole模型，计算在2.4 GHz频率下头皮、颅骨、大脑、身体和心脏的相对介电常数和电导率。其中大脑组织的生物电参数以脑灰质和脑白质的平均值等效代替，躯干组织的生物电参数以皮肤、血液、肌肉和骨骼4种组织的平均值等效代替。为了简化模型，将生物等效为固体生物（忽略人体体温调节系统）来计算热特性，比热容与导热系数由文献[8]—文献[10]得出。生物参数见表3。

如图3所示，天线平面平行于人体躯干，将天线放置在距离人体躯干1 cm处，建立人体与天线的电磁安全仿真模型，在天线相对地面80、100、120和140 cm高度处进行仿真分析。辐射边界为包含于模型的长方体，距离人体或天线最小距离为中心频点1/4自由空间波长。

2" 天线仿真分析

天线的反射系数|S11|仿真结果如图4所示。该天线具有非常好的阻抗特性，-15 dB阻抗带宽可以完全覆盖蓝牙频段，天线在2.4 GHz的回波损耗为-17.52 dB，具有较高的工作效率。如图5所示，电流的馈电点电流最大，辐射贴片和地平面分别出现2个电流零点。

最后，对天线的增益进行分析，如图6所示，天线的增益形式为苹果形状，即环绕y轴方向增益最大，最大增益为3.1 dBi。可以确保无论将天线如何穿戴在身上都可以将最大增益方向朝外，符合全向天线辐射特性。

3nbsp; 电磁仿真计算

3.1" SAR与电场计算

在电磁暴露的研究和安全评估中，计算SAR（比吸收率）和电场是为了确保电磁辐射在规定的安全限值内，并评估其可能对人体造成的生物效应和健康风险。SAR是指人体组织在单位时间内吸收的电磁能量与单位质量的比值，通常用瓦特每千克（W/kg）来表示。SAR提供了一个直接量化的标准来评估人体某一局部或整体对射频能量的吸收量。电场强度（E-field）是电磁波的基本属性之一，它描述了每单位电荷受力的大小，通常以伏特每米（V/m）来表示。电场强度的测量和计算能够帮助估计人体外部和内部受到的电磁能量水平。电场的大小和方向对电荷载体产生作用，从而影响电磁辐射与生物组织的相互作用。

SAR和电场强度是2个互补的参数，在电磁暴露评估中同等重要。SAR强调电磁能量被生物组织吸收的程度，而电场强度则关注电磁辐射对人体的直接影响。结合这2方面的信息，可以更全面地了解电磁辐射对人体的潜在生物效应，设计更安全的电磁环境。

仿真计算天线输入功率为1 W 时，上文中天线4种放置高度的大脑和心脏10 g组织的局部SAR和电场强度的最大值。利用仿真软件的便利，将身体部分隐藏，只保留大脑和心脏。天线工作在2.4 GHz时人体心脏和大脑内的最大电场强度和SAR值分布仿真结果见表4。

由表5可知，电场强度变化趋势与比吸收率变化趋势基本吻合。当天线高度为120 cm时，距离心脏最近，心脏的SAR和电场强度达到最大值，分别为1.3×10-1 W/kg和9.972 V/m;当天线高度为140 cm时，距离大脑最近，此时大脑的SAR和电场强度达到最大值，分别为8.7×10-4 W/kg和1.743 V/m;当天线距离大脑比较远时，对大脑的比吸收率在2.5×10-4 W/kg左右波动。心脏的最大比吸收率要大于大脑的最大比吸收率，因此天线对心脏的影响要大于大脑。所以在佩戴可穿戴天线时要尽量远离心脏和大脑等重要器官。所有仿真值都远小于安全限值，因此判定该可穿戴天线是安全的。

3.2" 温度场计算

尽管SAR和电场强度可以提供关于射频能量在组织中的吸收率和对人体直接影响的信息，但这并不直接等同于组织的温度变化。生物组织内的温度变化不仅取决于吸收的射频能量，还受到多种其他因素的影响，例如，组织的热导率、血液循环、初始温度、持续时间、频率，以及辐射强度等。

因此，即使SAR计算能得出单位质量组织吸收辐射的能量是多少，但为了准确预测电磁波暴露后生物组织的实际温度变化，还需要计算温度场。Ansys Electronics Desktop的HFSS模块无法完成温度场计算，因此使用Ansys Workbench将HFSS与瞬态温度场进行耦合，求解瞬态热之前需要对人体进行网格剖分，如图7所示。

本文选择比吸收率和电场强度最大值时的天线高度进行温度场耦合计算，分别计算天线高度为120、140 cm的6、30 min瞬态温度场。表6为初始温度为37 ℃情况下的瞬态温度场。

同等条件下，比吸收率与温升的趋势成正相关，因此只仿真计算大脑和心脏比吸收率最大值的天线高度所对应的温升，最大温升为0.134 ℃，远小于ICNIRP安全限值1 ℃。因此可以判断，当天线输入功率为1 W时，不会对心脏和大脑造成安全隐患。

4" 结论

仿真设计2.4 GHz ISM频段的织物可穿戴天线，分析了天线的性能指标，包括回波损耗、三维方向图、增益。对该天线在输入功率为1 W的前提下进行电磁暴露安全评估，计算了天线距离地面分别为80、100、120和140 cm情况下人体器官SAR值、电场强度、温度场计算。分析了不同高度的影响趋势，同等条件下，距离越近，天线的辐射越强。选用不同参照物进行对比时，天线对心脏的辐射要强于对大脑的辐射。仿真计算得出的SAR、电场强度、温升的最大值分别为1.3×10-1 W/kg、9.972 V/m、0.134 ℃，均远小于ICNIRP安全限值，因此可以判定，在相似环境下，该天线在2.4 GHz频点下工作不会对工作人员造成安全隐患。

本文建立的成年人人体模型没有考虑到人体散热机制，下一步将重点研究天线穿戴者在存在人体散热机制的模型中仿真模拟温度场变化情况。

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作者简介：曹鹤（1996-），男，硕士研究生。研究方向为电磁暴露安全评估