摘 要：為了研究毫米波頻段下手機天線電磁輻射對人體頭部的暴露影響，在COMSOL電磁仿真軟件中分別建立了一種毫米波5G寬頻帶微帶天線陣列和包含頭皮層、顱骨層和大腦層的三層球形人頭模型。針對三種不同的天線輸入功率，使用國際非電離輻射防護(hù)委員會（ICNIRP）所規(guī)定的入射功率密度（Sinc）和吸收功率密度（Sab）對天線的電磁暴露水平進(jìn)行了劑量學(xué)仿真分析，并研究了人頭模型中的溫升分布情況。仿真結(jié)果表明：當(dāng)天線輸入功率為23 dBm時，Sinc值和Sab值不符合ICNIRP的規(guī)定限值，表明18 dBm是毫米波天線的合適選擇；三種輸入功率下，25 GHz時計算得到的Sab值最大，其對應(yīng)的大腦層表面溫升最高，達(dá)0.149 ℃，不會對人體頭部造成熱損傷；當(dāng)距離從1 mm增大到30 mm時，Sinc值顯著較小，最大減小了82.95%。

關(guān)鍵詞：毫米波；5G手機天線；寬頻帶；電磁暴露；溫度場分布

中圖分類號：TN929.53 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）15-0001-05

Millimeter Wave 5G Mobile Phone Antenna Electromagnetic Exposure Dosimetric Simulation Analysis

DU Yue

（Key Laboratory of Opt-Electronic Technology and Intelligent Control of Ministry of Education， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， China）

Abstract： To research the exposure impact of electromagnetic radiation from mobile phone antennas under the millimeter wave on the human head， a broadband millimeter wave 5G microstrip antenna array and a three-layer spherical human head model including the scalp layer， skull layer， and brain layer are established in COMSOL electromagnetic simulation software. For three different antenna input powers， the electromagnetic exposure levels of the antennas are analyzed through dosimetric simulation using the incident power density （Sinc） and absorbed power density （Sab） specified by the ICNIRP， with a focus on the distribution situation of temperature rise within the head model. The simulation results indicate that when the antenna input power is 23 dBm， the Sinc and Sab values do not meet the ICNIRP specified limits， suggesting that 18 dBm is a suitable choice for millimeter wave antennas. Among the three input powers， the Sab value calculated at 25 GHz is the highest， resulting in a surface temperature rise on the brain layer of up to 0.149 ℃， which is below the threshold for thermal damage to the human head. As the distance increases from 1 mm to 30 mm， the Sinc value significantly decreases， with a maximum reduction of 82.95%.

Keywords： millimeter wave; 5G mobile phone antenna; broadband; electromagnetic exposure; temperature field distribution

0 引 言

隨著毫米波5G無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，這一新興頻段電磁波輻射對人體的健康影響日益受到人們的重視[1]。ICNIRP（International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection）已發(fā)布國際安全導(dǎo)則和標(biāo)準(zhǔn)，以保護(hù)人類免受射頻電磁場的影響[2]。根據(jù)最新發(fā)布的ICNIRP導(dǎo)則，在毫米波頻段下定義了新的暴露指標(biāo)吸收功率密度（absorbed power density， Sab）來近似代替局部溫升。由于基本限值吸收功率密度難以測量，ICNIRP還定義了在自由空間中測量的參考水平入射功率密度（incident power density， Sinc）。為了確保手機天線在使用過程中對人體大腦組織的電磁輻射水平符合規(guī)定，需要進(jìn)行劑量學(xué)研究。這項研究將重點關(guān)注工作于毫米波頻段下的手機天線的電磁輻射水平的合規(guī)性。這對于確保毫米波移動通信技術(shù)的安全性和可靠性至關(guān)重要。

目前針對毫米波頻段下的天線電磁輻射水平已進(jìn)行了大量的劑量學(xué)研究[3-5]。Morelli等[6]使用有限差分時域（FDTD）方法估算了不同人體模型中來自微帶貼片天線陣列的射頻能量吸收情況，并從吸收功率密度（Sab）的結(jié)果進(jìn)行了合規(guī)性安全評估。Li等[7]研究了在頻率高于6 GHz的電磁場下不同類型輻射源天線對人體吸收電磁能量水平的影響，并通過比較來自6個不同機構(gòu)組織的計算結(jié)果分析了劑量分析中的數(shù)學(xué)計算誤差。Nakae等[8]評估了在28 GHz時4元偶極子天線陣列的射頻近場暴露下，皮膚溫度升高與入射功率密度之間的關(guān)系。

本文提出了一種工作在毫米波頻段的寬頻帶多層微帶貼片天線，通過增加寄生輻射貼片的方式擴展天線帶寬，并通過構(gòu)建陣列提高天線的增益。利用三維電磁仿真軟件COMSOL建立天線模型和三層球形人頭簡化模型。運用Maxwell方程[9]對比分析在不同天線輸入功率下，手機天線工作在不同頻段（23.15～28.3 GHz）的電磁輻射水平。從參考水平Sinc、基本限制Sab的仿真計算結(jié)果進(jìn)行劑量學(xué)合規(guī)性評估。并使用Pennes生物傳熱方程對人頭模型中的溫度場分布進(jìn)行數(shù)值模擬。

1 建立模型與研究方法

1.1 天線模型

為適用于毫米波頻段工況需求，本文構(gòu)建了基于縫隙耦合饋電的寬頻帶多層微帶貼片天線結(jié)構(gòu)。該天線由三層相同規(guī)格尺寸的介質(zhì)基板組成，基板的具體尺寸為9 mm×9 mm×0.254 mm。其中介質(zhì)基板采用了Rogers5880材料，其相對介電常數(shù)為2.2，損耗正切為0.000 9。在sub1基板的背面是微帶線，其長度超過縫隙的位置。在sub2基板的正面是輻射貼片，其背面為接地面。為了耦合饋電，在接地面上進(jìn)行了開槽設(shè)計。sub3基板正面為寄生貼片，用于實現(xiàn)天線寬頻帶性能，天線的具體結(jié)構(gòu)和尺寸如圖1所示。

為了改善毫米波頻段的路徑損耗問題，將上述提出的天線組合成一個1×4的高增益線性天線陣列[10]。并添加了一個智能手機的外殼模型模擬真實的移動手機。該外殼模型采用聚氯乙烯作為介電材料（相對介電常數(shù)為2.96，損耗正切為0.01，電導(dǎo)率為0.016 S/m）。手機外殼模型的尺寸為147.5 mm×71.5 mm×7.85 mm，厚度為2 mm，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 人頭模型

在日常手機通話場景中，由于手機天線非?？拷梭w大腦，因此人們的主要關(guān)注點在于手機天線對人體大腦組織的電磁輻射暴露水平。人頭組織的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，為了簡化頭部模型，本研究采用了參考文獻(xiàn)[11]提出的理論模型，該模型使用了三個具有不同電導(dǎo)率的同心球來代表腦組織、顱骨和頭皮，如圖3所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 天線S11圖

圖4展示了設(shè)計的天線單元的S11圖，從圖中可以看出該天線工作的頻段范圍為23.15～28.3 GHz，其-10 dB阻抗帶寬約為5.15 GHz，實現(xiàn)了寬頻帶。該頻段完全覆蓋了2019年世界無線電通信大會提出的毫米波頻段24.25～27.5 GHz。

2.2 電磁暴露合規(guī)性評估

2.2.1 參考水平Sinc值分析

ICNIRP導(dǎo)則中規(guī)定，在6～30 GHz頻率范圍內(nèi)，應(yīng)將相關(guān)劑量Sab和Sinc的值在一個4 cm2的區(qū)域上求平均值。在ICNIRP-2020導(dǎo)則中使用入射功率密度Sinc作為參考水平，Sinc定義為復(fù)坡印廷矢量的模值：

（1）

其中，X *表示復(fù)數(shù)值X的復(fù)共軛，E和H分別表示電場矢量和磁場矢量。

圖5給出了參考水平Sinc值在4 cm2的面積上的平均值在天線不同輸入功率下，隨天線工作頻率的變化趨勢?？梢钥闯觯ぷ黝l率對Sinc值的影響不明顯，而輸入功率的影響非常顯著。當(dāng)天線輸入功率為23 dBm時，相較于天線輸入功率為15 dBm和18 dBm，天線在各工作頻率下計算得到的Sinc平均值分別提高了約5.25倍和2.17倍。此外，天線輸入功率無論為多少，其工作頻率在24 GHz時，Sinc平均值最大，在15 dBm時達(dá)6.493 W/m2，在18 dBm時達(dá)12.785 W/m2，在23 dBm時達(dá)40.587 W/m2。值得注意的是，在天線輸入功率為23 dBm時的所有天線工作頻率下，Sinc值均超過了相應(yīng)頻率下的ICNIRP參考水平標(biāo)準(zhǔn)限值，因此需要進(jìn)一步考慮基本限值Sab值的合規(guī)性。

為了研究不同距離下Sinc值的變化，將測量Sinc值的平面與天線模型之間的距離d分別設(shè)置為1～5 mm（間隔為1 mm）、5～30 mm（間隔為5 mm）。此時將天線的最大輸入功率設(shè)置為18 dBm，工作頻率設(shè)置為24 GHz。圖6展示了隨著分離距離的增加，Sinc在4 cm2區(qū)域上的平均值的變化情況，藍(lán)色虛線表示24 GHz下Sinc的安全標(biāo)準(zhǔn)限值。可以看出，隨著分離距離的增加，Sinc平均值逐漸降低。特別是當(dāng)分離距離從1 mm減小到2 mm時，Sinc的平均值顯著下降，大約減少了50%。Sinc的平均值在距離天線1 mm處達(dá)到最大值，為34.238 W/m2，超過了對應(yīng)的安全標(biāo)準(zhǔn)限值31.3 W/m2，約超出限制9.4%。在除1 mm以外的所有距離下，Sinc平均值都低于安全標(biāo)準(zhǔn)限值。

2.2.2 基本限值Sab值分析

吸收功率密度Sab按照式（2）進(jìn)行計算：

（2）

其中體表面積在z=0時，A表示平均面積（m2），zmax表示相應(yīng)區(qū)域的體表深度。

圖7顯示了在不同天線工作頻率下，將天線放置在距離人頭組織5 mm處時，天線頻率和輸入功率對基本限制Sab值的影響，圖中藍(lán)色虛線表示Sab的安全標(biāo)準(zhǔn)限值。不論天線輸入功率為何，Sab值隨頻率的變化趨勢保持一致，在25 GHz處達(dá)到最大值。此外，Sab值隨著天線輸入功率的增加而增加，當(dāng)天線輸入功率為23 dBm時，相較于天線輸入功率為15 dBm和18 dBm時，天線在其各對應(yīng)工作頻率下計算得到的Sab值分別提高了約6.25倍和3.17倍。當(dāng)天線輸入功率為23 dBm時，工作頻率為25 GHz、26 GHz和27 GHz下的Sab值均超過了ICNIRP規(guī)定的基本限制暴露標(biāo)準(zhǔn)20 W/m2。綜上所述，擁有23 dBm天線輸入功率的天線的電磁輻射水平超過了電磁暴露安全標(biāo)準(zhǔn)，可能對人體產(chǎn)生負(fù)面影響。

2.2.3 溫度場分布分析

當(dāng)手機天線發(fā)射電磁波穿過人體頭部模型時，由于電磁耦合效應(yīng)的作用，各層生物組織會吸收電磁輻射能量，并將其轉(zhuǎn)化為熱能損耗，導(dǎo)致人體頭部組織升溫。圖8（a）、圖8（b）和圖8（c）分別表示天線輸入功率為15 dBm、18 dBm和23 dBm，輻照時間6 min時，不同天線工作頻率下大腦層表面溫度場分布情況。

根據(jù)圖8的結(jié)果可以觀察到，在不同工作頻率下，人體頭部模型的大腦層表面溫度分布是不同的。當(dāng)天線的工作頻率為25 GHz時，大腦層表面的溫度升高最明顯。其中，當(dāng)輸入功率為15 dBm時（見圖8（a）），由于所采用的精度限制，無法顯示出明顯的差異。然而，當(dāng)輸入功率分別為18 dBm（見圖8（b））和23 dBm（見圖8（c））時，大腦層表面的最大溫升分別為0.144 ℃和0.149 ℃。從圖中可以看出溫升的變化是非常小的，在所設(shè)計的天線輻照人體頭部組織6分后，大腦層表面的溫度有輕微的變化，最大溫升約為0.149 ℃。

為了研究輻照時間對人體頭部模型溫升的影響，考慮了天線工作頻率為24 GHz、輸入功率為18 dBm時，各組織層最大溫升隨輻照時間的變化情況。從圖9可以觀察到，隨著輻照時間的增加，人體頭部組織逐漸累積吸收電磁輻射的能量，各組織層最大溫升逐漸增大。在輻照時間為2 min之前，頭皮層的最大溫升相對于顱骨層和大腦層是最高的。然而，之后的時間內(nèi)大腦層的最大溫升持續(xù)保持在最高。此外，在輻照時間超過10 min后，人體頭部模型中各組織層的最大溫升會趨于穩(wěn)定，不再呈現(xiàn)明顯的增加。

3 結(jié) 論

本文對所提出的毫米波寬頻帶微帶貼片天線陣列的電磁暴露劑量水平進(jìn)行合規(guī)性評估，在三種天線輸入功率下，天線在不同工作頻段時仿真計算了Sinc和Sab值，并數(shù)值模擬了頭部模型的溫度場分布情況。研究發(fā)現(xiàn)，Sab和Sinc值均隨著天線輸入功率的增大而增大，擁有23 dBm天線輸入功率的天線的電磁輻射水平超過了ICNIRP電磁暴露安全標(biāo)準(zhǔn)，可能對人體產(chǎn)生負(fù)面影響。因此在設(shè)計毫米波頻段下的天線時，不能單純地僅考慮天線輸入功率對天線性能的影響，還需要考慮其電磁輻射水平對人體的影響，18 dBm是一個合理的毫米波頻段天線輸入功率；隨著分離距離的增加，Sinc平均值顯著降低。因此在日常通話中，應(yīng)盡量保持較遠(yuǎn)的距離，以最大程度減小人體所受射頻電磁場的影響。當(dāng)天線的工作頻率為25 GHz時，大腦層表面的溫度升高最明顯。大腦層表面溫升隨天線輸入功率的增大而增大。從圖中可以看出溫升的變化是非常小的，大腦層表面的最大溫升約為0.149 ℃，遠(yuǎn)小于造成人體組織熱損傷的溫升閾值。

由于天線陣列具有波束高聚焦性，在未來對于毫米波天線陣列的設(shè)計，應(yīng)注意采用一些技術(shù)手段如優(yōu)化信號處理算法、引入自適應(yīng)波束形成技術(shù)等來擴大其波束覆蓋范圍，以滿足移動通信全向信號覆蓋的需求。此外需要注意的是，本文只考慮了日常通話暴露情況下的電磁輻射暴露水平，未來研究應(yīng)該增加更多暴露場景的考慮。

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作者簡介：杜玥（1999—），女，漢族，甘肅蘭州人，碩士在讀，研究方向：手機天線電磁暴露劑量學(xué)研究。