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高频毫米波通信的人体电磁辐射测量技术
摘 要：电磁暴露的人体安全性问题一直受到国内外的广泛关注.随着电子技术的发展,尤其是高功率射频和微波设备日益广泛的使用,越来越多的人生活或工作在较强的电磁环境中.由于一定剂量的电磁波照射会对人的健康造成危害,本文从电磁辐射的原理出发,跟踪和总结了未来高频毫米波通信中测量电磁辐射的方法,并对未来相关测试技术的发展给出了结论及展望.
关键词：毫米波通信；电磁辐射；技术
1 引言
自20 世纪50 年代起,人类就开始对人体的电磁辐射剂量展开了一系列的研究.早期的理论电磁剂量学的研究主要采用解析方法求解麦克斯韦方程,计算模型较为简单,以规则物体、平板及分层结构为主,由于这些模型与实际人体差别太大,其理论计算结果的价值相对有限.
1979 年之前,美国和加拿大等国基于当时理论计量学和试验剂量学的结果提出的人体电磁辐射安全标准十分粗糙.这一标准规定,在任何使用频率和环境下人体所受长期电磁波照射的功率密度为.1980 年,I.Chaterjee 等人基于不均匀的分块模型研究了近场照射下的电磁辐射剂量.在此基础上,美国国家标准局ANSI 在1982 年提出并发布了人体电磁波辐射安全标准C95.1—1982,其频率范围为300kHz~100GHz,共分为5 个频段.该标准一经出台,几乎被所有西方国家使用,同时也引起了多方研究机构的争议.美国国家标准局专门成立了一个由9 名教授及有关专家组成的委员会,每年举行讨论,不断对标准进行修正.
20 世纪90 年代,随着损耗液体内电磁剂量测试的发展,直接的SAR 值测量技术发展迅速.K.Pokovic、T.Schmid、N.Kuster 等人研制了应用于损耗液体内的电场探头和校准系统,可以对人体组织液吸收的SAR值进行直接的测量.1998 年,国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）向世界各国推荐了电磁场辐射限值导则,导则规定了以SAR值为中心的限值系统（见图1）.随后,西方各国以及我国都基于ICNIRP导则制定了相应的电磁暴露限值.
跟据ICNIRP 导则的介绍,电磁辐射对人体生物学影响在100kHz~300GHz 并没有本质的区别.在高频部分,电磁辐射对人体健康的影响主要为躯体热效应.但是随着频率的升高,辐射波长变短,人体作为导体的趋肤深度变潜,这使得电磁波无法在人体内部进行传输,只在体表或者皮下产生热效应,所以在高频部分,SAR 值将很难测量.ICNIRP 导则中采用了自由空间的功率密度衡量电磁暴露强度,并给出了相应的限值.
在电磁暴露检测方面,由于电磁辐射的极化和传播方向未知,各向同性与体积小巧是检测探头的关键技术指标.在手机通信频段,主流的探头形式如图2所示.偶极子天线位于三棱柱的3 个表面,极化相互正交,从而实现各向同性.由于探头尺寸远小于工作波长,探头区域的场值均匀,偶极子天线检测到的电场与探头中心处的电场差别很小,探头精度很高.在毫米波频段,波长急剧变小,而受到工艺的限制传统探头尺寸无法大幅度缩小,导致探头的精度降低,因此该探头结构不再适用于毫米波频段.目前,毫米波电场检测多采用波导探头,对于极化单一、分布均匀的电场,波导探头尚可以满足测试需求.对于辐射特性复杂的终端产品,单一极化的波导不再适用,同时波导口尺寸较大,会与被测物体发生强烈的耦合.可见,研制可用于毫米波频段的小型化、各向同性的探头是解决电磁暴露检测的关键.
2 毫米波段人体电磁暴露的理论基础
目前,在6GHz以下的通信频段,人体电磁暴露检测技术已经非常成熟.在毫米波频段,由于受到测试仪器的限值,目前对人体辐射的研究主要依赖于理论计算.其中,都立大学基于兔子的眼球进行了一系列的研究.J. Chakarothai 等人基于不同的辐射环境,研究了兔子眼球部分的电磁吸收情况.图3 中分别是在平面波、喇叭天线、介质透镜天线的照射下,兔子面部的电磁吸收功率密度,工作频率为40GHz.可以看出：介质透镜天线具有很好的聚束效应,在同等辐射功率的情况下,造成的局部电磁吸收最强.
都立大学基于透镜天线的辐射特点,采用了PMCHWT-MoM-FDTD 的综合算法,计算了电磁暴露在兔子眼球内部的SAR 值吸收情况.如图4 所示,SAR的峰值出现在眼球与外界接触的表面,辐射功率为4.66mW,SAR值约为40W/kg.
MaximZhadobov 等人基于理论计算和实际测量,模拟了单层细胞在毫米波段的电磁吸收情况.如图5a所示,采用聚四氟乙烯制成的培养基器皿承装组织液,通过标准波导辐射出58.4GHz的毫米波信号.为了提高检测分辨率,本文采用了直径为25um的热偶计来测试液体温度.最后,通过液体温度和介电特性计算出波导输出功率为1W时的SAR 值,结果如图5b 所示.通过以上结果可以看出：SAR值的峰值出现在模型的表面处,并且达到了极高的峰值,约为40KW/kg,但是随着深度的变化衰减很快,在1mm处接近为0.
3 毫米波段人体电磁测量的研究现状
通过以上的理论计算和模型试验可以看出：由于趋肤深度较浅,人体表面产生的SAR峰值很高,但整体SAR 值却较低,考虑到人体的热平衡性,这种SAR 分布很难评估出毫米波辐射的影响.为此,都立大学团队基于兔子眼球进行了一系列的活体试验,通过在眼球内部插入温度计测量来测量在200mW/cm2的功可以看出：由于靠近眼球表面,角膜处的升温最为明显,通过房水循环和热传导效应,晶状体的温度也有所提升,并延续到玻璃体.对比不同频率的辐射效果可以看出40GHz 的电磁波产生的热效应最为明显,是18GHz 的2 倍左右.为了研究眼球内部的热量传导情况,本文在眼球前房处注入热敏液晶颗粒,采用摄像机来记录电磁波照射后眼球的温度变化.为了研究电磁辐射的伤害阈值,该团队对兔眼在76GHz的频率下进行了长时间的照射试验.试验结果表明：当兔眼被强度为200mW/cm2的电磁波照射2~3 天后,分别出现了角膜混浊、瞳缩和眼部发炎等症状；当辐射强度为100 和75mW/cm2 时,仅发现角膜上皮组织出现可逆性伤害；当辐射强度为50 和10mW/cm2 时,眼部并未发生变化.
基于以上的研究可以看出：
（1）目前在毫米段直接的SAR测量十分困难,但是可以通过微米级的温度探头来测试样本或者活体的温度变化.
（2）由于波长较短,计算的SAR值在电磁暴露的体表具有很高的峰值,但是随着趋肤深度衰减很快.
（3）通过对兔眼的活体试验可以看出：不同频率对生物体产生的辐射热效应有所不同；当辐射功率密度在200mW/cm2以上时,长时间的电磁暴露会产生严重的伤害,在50mW/cm2以下时则相对安全.
4 结束语
近年来,随着毫米波芯片的快速发展,第五代移动通信技术日益成熟.在未来几年国内外将会有多个试点开展5G通信,各种搭载毫米波通信设备的移动终端会走进人们的生活,如手机、平板、笔记本、VR 设备等.根据毫米波段对人体辐射的研究结果表明,一定剂量的电磁暴露会对人体产生伤害.因此,对毫米波电磁暴露进行检测并制定相应的辐射标准对安全使用5G通信设备有着重要的意义.结合人体辐射计量学的研究可以看出：
（1）电磁暴露检测手段与电磁辐射标准之间的发展相互促进.
（2）目前通信频段的电磁暴露检测技术已经十分成熟,但是在毫米波频段却相对匮乏.
（3）根据电磁波的辐射机理,毫米波的电磁暴露衡量标准以体外的功率密度为主.
（4）目前仍然没有可行的方法来测量毫米波段电磁暴露.
随着5G通信的发展和未来商用,研究毫米波段的电磁暴露计量技术对未来通信终端产品的发展和安全应用有着重要的意义：
（1）有效的评估5G通信设备的辐射特性.
（2）推进5G终端产品行业标准的制定.
（3）对5G通信信道模型进行检测,加速5G通信的应用.
考虑到5G通信庞大的应用前景,该项技术有着重要的市场价值.
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