摘 " "要： 為解決單向單線電能傳輸系統(tǒng)的電磁安全性問(wèn)題，首先搭建了單向單線電能傳輸系統(tǒng)和含有重要器官的人體模型；其次根據(jù)國(guó)內(nèi)電磁場(chǎng)限值標(biāo)準(zhǔn)仿真研究了系統(tǒng)周圍電磁場(chǎng)強(qiáng)度的限值范圍，并探究了系統(tǒng)不同位置處的電磁場(chǎng)對(duì)體內(nèi)重要器官的電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度、電流密度和比吸收率（SAR值）最大值的影響程度；最后通過(guò)三維電磁場(chǎng)測(cè)量裝置探測(cè)了單向單線電能傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)周圍的電磁場(chǎng)分布，得出了系統(tǒng)的限值距離，并與仿真限值距離進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明：發(fā)射端和接收端的電磁場(chǎng)強(qiáng)度高于單導(dǎo)線周圍的電磁場(chǎng)強(qiáng)度，右腎在發(fā)射端、接收端、單線處的的磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為0.86、0.81和0.18 A/m； 發(fā)射端和接收端對(duì)體內(nèi)重要器官的影響程度明顯大于單導(dǎo)線。實(shí)驗(yàn)與仿真所得的電磁場(chǎng)強(qiáng)度限值距離具有良好的一致性，證明了系統(tǒng)電磁安全性研究的正確性。

關(guān)鍵詞： 單向單線電能傳輸；電磁安全；限值距離

中圖分類號(hào)： TM15 " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A " " " " " " " "文章編號(hào)： "１６７１－０２４Ｘ（２０24）０5－００66－09

Electromagnetic safety of one-way single-wire power transfer system

LI Yang1，2， HU Taocheng1， ZHAI Yujie2， WANG Xueliang1， HUANG Wenxin1， LOU Zhigang1

（1. School of Electrical Engineering， Tiangong University， Tianjin 300387， China； 2. Tianjin Key Laboratory of New Energy Power Conversion， Transmission and Intelligent Control， Tianjin University of Technology， Tianjin 300384， China）

Abstract： To solve the problem of electromagnetic safety of one-way single-wire power transfer system， firstly， a one-way single-wire power transfer system and a human body model with critical organs were built. Secondly， the limit range of electromagnetic field strength around the system was studied according to the domestic electromagnetic field limit standard simulation， and the degree of influence of electromagnetic field at different locations of the system on the maximum value of electric field strength， magnetic field strength， current density and specific absorption ratio（SAR） of vital organs in the body was investigated. Finally， the electromagnetic field distribution around the one-way single-wire power transfer experimental system was detected by a three-dimensional electromagnetic field measurement device， and the limit distance of the system was derived and compared with the simulated limit distance for analysis. The results show that the electromagnetic field strength at the transmitter and receiver are higher than the electromagnetic field strength around the single conductor. The electromagnetic field intensity of the right kidney on the transmitter， receiver and single conductor are 0.86， 0.81， and 0.18 A/m， respectively， and the degree of influence of the transmitter and receiver on the vital organs in the body are obviously higher than that of the single conductor. The electromagnetic field strength limit distances obtained from the experiments and simulations has excellent agreement， which proves the correctness of the system electromagnetic safety of the study.

Key words： one-way single-wire power transfer； electromagnetic safety； limit distance

無(wú)線電能傳輸擺脫了線纜的制約和束縛，是一種靈活、便捷的電能傳輸方式，因而得到快速發(fā)展并廣泛應(yīng)用于體內(nèi)植入器件、軌道交通、便攜式電子設(shè)備等領(lǐng)域[1-3]。其中激光和微波輻射式無(wú)線電能傳輸可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，但是還存在傳輸效率低下、線圈尺寸龐大、對(duì)生物體安全性影響較大等諸多問(wèn)題[4-5]。近場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸技術(shù)（諧振式、感應(yīng)式、電場(chǎng)式等）雖能實(shí)現(xiàn)較大功率和較高效率的電能傳輸，但是存在無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膯?wèn)題[6-11]。到目前為止，現(xiàn)存的幾種無(wú)線電能傳輸方法在保證生物體電磁安全和實(shí)現(xiàn)高效率傳輸?shù)耐瑫r(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的電能傳輸。因此，為了消除安全性、遠(yuǎn)距離和高效率間的矛盾，提出了一種利用單根導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離電能傳輸?shù)募夹g(shù)，即單線電能傳輸（single-wire power transfer， SWPT）技術(shù)[12]。該技術(shù)通過(guò)單根導(dǎo)線連接發(fā)射端和接收端實(shí)現(xiàn)電能的傳輸，既可以減少金屬資源的使用，又可以提高電能傳輸?shù)撵`活性和安全性，當(dāng)單導(dǎo)線被周圍導(dǎo)體（暖氣管、海水、人體、潮濕的土壤等）進(jìn)行替代時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)線電能傳輸。目前，SWPT技術(shù)還停留在初步研究的階段，通過(guò)深入研究有望在遠(yuǎn)距離的情況下以高效率的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)無(wú)線電能傳輸，滿足人類在特殊場(chǎng)景下的用電需求。該技術(shù)的研究和發(fā)展有望運(yùn)用于海上孤島輸電、偏遠(yuǎn)山區(qū)供電、封閉金屬物體供電等領(lǐng)域。20世紀(jì)初，特斯拉首次提出僅利用單導(dǎo)線來(lái)傳輸電能的技術(shù)和用地球代替單導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)全球無(wú)線電能傳輸?shù)脑O(shè)想；并提出通過(guò)合理布置發(fā)射器和接收器的位置，使能量通過(guò)大地傳輸至任何位置[13-14]。然而，他宏偉的“全球無(wú)線電能傳輸”計(jì)劃由于缺乏資金而落幕。2001年，全俄農(nóng)業(yè)電氣化科研所研制了適用于兩個(gè)電壓等級(jí)的單線傳能線路，并使用單導(dǎo)線和大地形成傳輸線結(jié)構(gòu)[15]。2008年，美國(guó)內(nèi)華達(dá)雷電實(shí)驗(yàn)室基于特斯拉電能傳輸系統(tǒng)，研究了兩個(gè)諧振變壓器之間的電場(chǎng)耦合關(guān)系，在5 m距離處傳輸800 W功率，效率可達(dá)22%。2009年，美國(guó)田納西理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種非對(duì)稱單線電能傳輸系統(tǒng)，用海水代替單線為25 m外的25 W白熾燈供電，證明了單線電能傳輸系統(tǒng)能夠以海水為介質(zhì)進(jìn)行傳能。2017年，大連理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)建立了基于特斯拉線圈的集總參數(shù)電路模型，并對(duì)傳輸特性進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)研究[16]。2020年，天津工業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)對(duì)多負(fù)載SWPT系統(tǒng)進(jìn)行了研究，制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并通過(guò)建筑物固有地線替代單導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)了電能傳輸，大大提高了單線電能傳輸系統(tǒng)的靈活性，為單線被現(xiàn)有建筑結(jié)構(gòu)替代的設(shè)想提供了實(shí)例[17-19]。

上述研究的核心思想是依靠空間電場(chǎng)和單根導(dǎo)線共同作用形成回路，并成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)電能的傳輸，對(duì)單線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展起到了積極的作用，但是空間電場(chǎng)的存在使系統(tǒng)的安全性降低，傳輸距離也無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)限擴(kuò)大。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、安全的單線電能傳輸，提出了一種不依靠空間電場(chǎng)，僅利用單根導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)無(wú)閉合回路的新型單線電能傳輸方法，本文稱其為單向單線電能傳輸（one-way single-wire power trans-fer）技術(shù)。本文首先通過(guò)理論分析了電磁環(huán)境對(duì)生物體的影響和單向單線電能傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法；其次建立了單向單線電能傳輸系統(tǒng)模型和帶有重要器官的人體模型；接下來(lái)通過(guò)仿真分析了電磁場(chǎng)限值范圍，并分別研究了系統(tǒng)不同位置處體內(nèi)關(guān)鍵器官的電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度、電流密度以及比吸收率（SAR值）的最大值；最后利用實(shí)驗(yàn)方法證明了仿真中電磁場(chǎng)限值范圍的正確性，為單線電能傳輸技術(shù)的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 理論分析

1.1 電磁環(huán)境對(duì)生物體的影響

輻射是一種能量向外傳播的現(xiàn)象，輻射分為電離輻射和非電離輻射。像原子彈、日本核泄漏、切爾諾貝利產(chǎn)生的輻射，就叫做電離輻射，一般稱為射線，比如：阿爾法射線、貝塔射線、X光-倫琴射線等，也就是人們平時(shí)談之色變的真兇。它會(huì)破壞生物體的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，是誘發(fā)癌癥的原因之一。日常生活中的電視、手機(jī)、電腦、電磁爐、微波爐、高壓電線、變電站和通信基站等屬于非電離輻射的范圍，相比電離輻射要安全得多。電磁輻射對(duì)生物體的影響主要體現(xiàn)在3個(gè)方面，分別為熱效應(yīng)、非熱效應(yīng)和累計(jì)效應(yīng)。熱效應(yīng)是指人體內(nèi)的水分子受到電磁輻射后相互摩擦，引起身體溫度升高；非熱效應(yīng)是指電磁輻射會(huì)打亂和干擾人體器官和組織中存在的微弱電磁場(chǎng)，如被X射線過(guò)多照射后，雖然身體不會(huì)發(fā)熱但會(huì)影響身體健康；累計(jì)效應(yīng)是指熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)久而久之產(chǎn)生的累積性的影響。

近年來(lái)，世衛(wèi)組織多次組織多個(gè)國(guó)家和國(guó)際組織開(kāi)展“國(guó)際電磁場(chǎng)計(jì)劃”，致力于研究低頻電磁輻射環(huán)境對(duì)健康的影響，并建立暴露于電磁場(chǎng)中健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、預(yù)測(cè)和預(yù)防的有效機(jī)制。單向單線電能傳輸系統(tǒng)電磁安全性的研究既有助于該技術(shù)的進(jìn)一步研究和廣泛應(yīng)用，又可以反向約束系統(tǒng)的參數(shù)，促進(jìn)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一化，利于系統(tǒng)的加快應(yīng)用。因此系統(tǒng)的電磁場(chǎng)限值范圍及其對(duì)人體的影響研究是該技術(shù)走向?qū)嶋H應(yīng)用的過(guò)程中必須要解決的問(wèn)題。

1.2 單向單線電能傳輸系統(tǒng)

同軸線內(nèi)的電場(chǎng)線總是從內(nèi)導(dǎo)體垂直指向外導(dǎo)體或從外導(dǎo)體垂直指向內(nèi)導(dǎo)體，磁場(chǎng)線環(huán)繞內(nèi)導(dǎo)體，同時(shí)垂直于內(nèi)外導(dǎo)體；同軸線內(nèi)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)只存在垂直于傳播方向的橫向分量，不存在平行于傳播方向的縱向分量，故同軸線中傳遞的電磁波為橫電磁波，簡(jiǎn)稱TEM波。單導(dǎo)線在單線電能傳輸系統(tǒng)中起導(dǎo)引和束縛電磁波的作用，通過(guò)分析單導(dǎo)線上的電磁場(chǎng)可知，電場(chǎng)線始于單導(dǎo)線的表面又終于其表面，電場(chǎng)既存在橫向分量也存在縱向分量，磁場(chǎng)線始終環(huán)繞單導(dǎo)線并垂直于電場(chǎng)線，僅存在橫向分量，故單線上傳輸?shù)碾姶挪闄M磁波，簡(jiǎn)稱TM波。從同軸線的TEM波到單導(dǎo)線的TM波，存在電磁波模式轉(zhuǎn)換的過(guò)程，故稱該過(guò)渡結(jié)構(gòu)為模式轉(zhuǎn)換裝置。單向單線電能傳輸系統(tǒng)整體的電磁場(chǎng)分布如圖1所示。

根據(jù)上述傳輸原理及分析，本文設(shè)計(jì)使用了一種含有模式轉(zhuǎn)換裝置的新型單向單線電能傳輸系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。系統(tǒng)發(fā)射端由電源、阻抗匹配裝置、同軸線和模式轉(zhuǎn)換裝置（螺旋線圈）構(gòu)成；系統(tǒng)接收端由模式轉(zhuǎn)換裝置（螺旋線圈）、同軸線、整流裝置和負(fù)載構(gòu)成。系統(tǒng)發(fā)射端和接收端中的模式轉(zhuǎn)換裝置一端連接同軸線外導(dǎo)體，另一端懸空處于開(kāi)路狀態(tài)。

2 "模型建立

2.1 單線電能傳輸系統(tǒng)模型

本研究搭建的單向單線電能傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。主要包括發(fā)射端（同軸線、模式轉(zhuǎn)換裝置、電源、完美電導(dǎo)體、阻抗匹配裝置）、單導(dǎo)線、接收端（模式轉(zhuǎn)換裝置、同軸線、負(fù)載、完美電導(dǎo)體）、空氣域、完美匹配層等。

2.2 人體模型

通過(guò)有限元仿真軟件搭建單向單線電能傳輸系統(tǒng)，選擇線圈線長(zhǎng)為10 m的模式轉(zhuǎn)換裝置，模式轉(zhuǎn)換裝置的匝間距設(shè)置為10 mm，線圈線徑設(shè)置為1 mm，距離設(shè)置為5 m，傳輸功率設(shè)置為100 W，系統(tǒng)的工作頻率設(shè)置為12.69 MHz。人體表面及體內(nèi)主要器官建模通過(guò)Mimics軟件完成，該軟件可將實(shí)際人體的CT圖像轉(zhuǎn)換為仿真中的三維模型，通過(guò)格式轉(zhuǎn)換后就可以導(dǎo)入COMSOL中。構(gòu)建的1.75 m站立雙手上舉的男性人體模型如圖4所示。圖4（a）為人體的正面、背面和側(cè)面模型，圖4（b）為人體內(nèi)的主要器官，分別為大腦、心臟、肝臟、胃部、左肺、右肺、左腎和右腎。

3 "仿真分析

3.1 電磁場(chǎng)限值范圍

本小節(jié)將對(duì)系統(tǒng)周圍的電場(chǎng)線、磁場(chǎng)線、電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行研究，通過(guò)分析電磁場(chǎng)線的疏密程度判斷系統(tǒng)發(fā)射端、接收端和單導(dǎo)線的電磁場(chǎng)分布情況。研究系統(tǒng)周圍的電磁場(chǎng)強(qiáng)度大小，并與國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，給出系統(tǒng)的電磁場(chǎng)限值范圍。根據(jù)設(shè)置的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以得到系統(tǒng)的電場(chǎng)線和磁場(chǎng)線如圖5所示。

由圖5（a）可知：整個(gè)空間中，均有電場(chǎng)線的分布；不同位置處的電場(chǎng)線疏密程度不同，在發(fā)射端和接收端周圍的電場(chǎng)線較為稠密，單導(dǎo)線附近比較零落；遠(yuǎn)離系統(tǒng)時(shí)，電場(chǎng)線由密集逐漸變得稀疏。由圖5（b）可知：空間中都分布著磁場(chǎng)線；不同位置處的磁場(chǎng)線疏密程度不同，與電場(chǎng)線分布情況類似，磁場(chǎng)線在單向單線電能傳輸系統(tǒng)周圍較為密集；距離系統(tǒng)越遠(yuǎn)，系統(tǒng)的磁場(chǎng)線越稀疏。根據(jù)設(shè)置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以獲得系統(tǒng)電磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布如圖6所示。

由圖6分析可得，系統(tǒng)的發(fā)射端、單線和接收端的電磁場(chǎng)強(qiáng)度不同，發(fā)射端和接收端的電磁場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)來(lái)說(shuō)較強(qiáng)，單導(dǎo)線周圍的電磁場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)來(lái)說(shuō)較弱；距離系統(tǒng)越遠(yuǎn)，系統(tǒng)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度越弱，逐漸趨于零。本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外的電磁場(chǎng)強(qiáng)度限值標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比本系統(tǒng)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度，給出建議的限值范圍。截至目前，國(guó)內(nèi)有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)主要有GB8702-2014，國(guó)外有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有ICNIRP1998[20]、ICNIRP2010[21]、IEEE C95.1，考慮到本系統(tǒng)中使用的頻率范圍，則對(duì)應(yīng)各標(biāo)準(zhǔn)下的電場(chǎng)、磁場(chǎng)強(qiáng)度限值如表1所示。

考慮到本系統(tǒng)中使用的頻率為12.69 MHz，則電場(chǎng)、磁場(chǎng)強(qiáng)度具體的數(shù)值如表2所示。綜合對(duì)比國(guó)內(nèi)外4種不同的標(biāo)準(zhǔn)，可以發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度限值遠(yuǎn)低于國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也表明國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)比國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格。因此，本文采用國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB8702-2014下要求的18.81 V/m作為電場(chǎng)強(qiáng)度的限值，采用0.048 A/m作為磁場(chǎng)強(qiáng)度的限值進(jìn)行研究。

根據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度18.81 V/m、磁場(chǎng)強(qiáng)度0.048 A/m的參考值，在有限元仿真軟件結(jié)果后處理中選擇二維繪圖組下的等值線選項(xiàng)，得到單向單線電能傳輸系統(tǒng)的電場(chǎng)強(qiáng)度限值范圍和磁場(chǎng)強(qiáng)度限值范圍如圖7所示。

設(shè)置發(fā)射端垂直于單線方向的限值距離為A，發(fā)射端平行于單線方向的限值距離為B，接收端垂直于單線方向的限值距離為C，接收端平行于單線方向的限值距離為D。由圖7可知，單向單線電能傳輸系統(tǒng)的電場(chǎng)強(qiáng)度限值距離A、B、C、D分別為1.32、1.68、1.08、1.66 m，磁場(chǎng)強(qiáng)度限值距離A、B、C、D分別為0.63、0.79、0.55、0.61 m?？梢?jiàn)，電場(chǎng)強(qiáng)度的限值距離整體上大于磁場(chǎng)強(qiáng)度的限值距離，電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的限值距離都出現(xiàn)了A略大于C的情況，說(shuō)明發(fā)射端的電磁能量更大，相比于接收端，發(fā)射端的電磁場(chǎng)強(qiáng)度更需要警惕。

3.2 體內(nèi)電場(chǎng)、磁場(chǎng)強(qiáng)度分析

將構(gòu)建的人體模型導(dǎo)入單向單線電能傳輸系統(tǒng)，人體以雙手上舉站立姿勢(shì)背對(duì)于系統(tǒng)?？紤]到單線電能傳輸系統(tǒng)可分為3個(gè)部分，分別為發(fā)射端、單線和接收端；考慮到人體處于不同位置時(shí)，所處的電磁環(huán)境不同，電磁場(chǎng)強(qiáng)度也會(huì)不同。故本文研究人體分別處于3個(gè)不同位置時(shí)，人體內(nèi)重要器官的電場(chǎng)強(qiáng)度最大值和磁場(chǎng)強(qiáng)度最大值。人體分別處于系統(tǒng)的發(fā)射端、單線和接收端的模型如圖8所示。

不同的頻率下，人體內(nèi)關(guān)鍵器官的電磁參數(shù)不同，本系統(tǒng)使用的頻率為12.69 MHz，由計(jì)算所得該頻率下器官的電導(dǎo)率、相對(duì)介電常數(shù)和密度如表3所示。

將表3所示的人體內(nèi)各個(gè)器官的電磁參數(shù)代入仿真軟件中，進(jìn)行仿真計(jì)算，得到人體內(nèi)關(guān)鍵器官的電場(chǎng)強(qiáng)度最大值的仿真結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，在發(fā)射端、單線和接收端3個(gè)位置處，大腦的電場(chǎng)強(qiáng)度分別為3.05、2.24、2.22 V/m；心臟的電場(chǎng)強(qiáng)度分別為5.46、2.03、3.47 V/m；肝臟的電場(chǎng)強(qiáng)度分別為10.61、2.61、5.18 V/m；胃部的電場(chǎng)強(qiáng)度分別為4.35、1.47、2.38 V/m；左肺的電場(chǎng)強(qiáng)度分別為8.86、2.29、6.33 V/m；右肺的電場(chǎng)強(qiáng)度分別為10.51、4.11、7.62 V/m；左腎的電場(chǎng)強(qiáng)度分別為7.09、1.39、7.24 V/m；右腎的電場(chǎng)強(qiáng)度分別為7.33、1.67、4.30 V/m。綜合對(duì)比來(lái)看，體內(nèi)各器官在發(fā)射端處承受的電場(chǎng)強(qiáng)度最大，接收端次之，單線處最小。肺部和肝臟處的電場(chǎng)強(qiáng)度明顯高于其他器官，腦部的電場(chǎng)強(qiáng)度整體低于其他器官，分析原因，是因?yàn)楦髌鞴傧嗑嘞到y(tǒng)的直線距離不同而導(dǎo)致該現(xiàn)象的產(chǎn)生。器官表面的電場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖10所示。

圖10中顏色代表體內(nèi)各器官受到系統(tǒng)電場(chǎng)強(qiáng)度的影響程度，藍(lán)色到紅色分別表示受到電場(chǎng)強(qiáng)度的影響程度由低到高。由圖10可知，當(dāng)人體處于發(fā)射端時(shí)，系統(tǒng)受到電場(chǎng)強(qiáng)度的影響最大；當(dāng)人體處于接收端時(shí)，系統(tǒng)受到電場(chǎng)強(qiáng)度的影響次之；當(dāng)人體處于單導(dǎo)線時(shí)，系統(tǒng)受到電場(chǎng)強(qiáng)度的影響最小。腦部和肺部的上方區(qū)域受到電場(chǎng)強(qiáng)度的影響整體上小于其他器官，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是系統(tǒng)設(shè)置在人體的中心位置，導(dǎo)致各器官距離系統(tǒng)的直線距離不同。因此，該結(jié)論對(duì)于單向單線電能傳輸系統(tǒng)的放置位置有一定的指導(dǎo)意義。通過(guò)對(duì)人體內(nèi)關(guān)鍵器官的磁場(chǎng)強(qiáng)度最大值進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如圖11所示。

由圖11可知，在發(fā)射端、單線和接收端3個(gè)位置處，大腦的磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為0.21、0.09、0.15 A/m；心臟的磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為0.42、0.13、0.76 A/m；肝臟的磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為0.84、0.13、0.53 A/m；胃部的磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為0.55、0.14、0.32 A/m；左肺的磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為0.79、0.17、0.56 A/m；右肺的磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為0.76、0.13、0.50 A/m；左腎的磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為0.84、0.16、0.74 A/m；右腎的磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為0.86、0.18、0.81 A/m。綜合對(duì)比來(lái)看，體內(nèi)各器官在發(fā)射端處承受的磁場(chǎng)強(qiáng)度最大，接收端次之，單線處最小。肺部和腎部處的磁場(chǎng)強(qiáng)度明顯高于其他器官，腦部的磁場(chǎng)強(qiáng)度整體低于其他器官，分析原因，主要是因?yàn)楦髌鞴倬嚯x系統(tǒng)的直線距離不同導(dǎo)致該現(xiàn)象的產(chǎn)生。

3.3 體內(nèi)電流密度和比吸收率（SAR）值分析

上小節(jié)通過(guò)對(duì)體內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的最大值進(jìn)行分析，得出了系統(tǒng)不同的位置（發(fā)射端、單線和接收端）和不同的直線距離（器官與系統(tǒng)）對(duì)人體內(nèi)關(guān)鍵器官電磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響程度不同的結(jié)論。體內(nèi)電流密度和SAR值的大小也是電磁場(chǎng)限值標(biāo)準(zhǔn)中的重要指標(biāo)。人體分別處于3個(gè)不同位置時(shí)，人體內(nèi)重要器官的電流密度最大值的仿真結(jié)果如圖12所示。

由圖12可知，在發(fā)射端、單線和接收端3個(gè)位置處，大腦的電流密度分別為0.88、0.65、0.64 A/m2；心臟的電流密度分別為3.0、1.11、1.91 A/m2；肝臟的電流密度分別為3.79、0.93、1.85 A/m2；胃部的電流密度分別為3.53、1.19、1.93 A/m2；左肺的電流密度分別為4.09、1.06、2.92 A/m2；右肺的電流密度分別為4.85、1.90、3.52 A/m2；左腎的電流密度分別為4.10、0.81、4.18 A/m2；右腎的電流密度分別為4.23、0.97、2.49 A/m2。分析上述數(shù)據(jù)可得，當(dāng)人體處于發(fā)射端時(shí)，右肺的電流密度最大，大腦的電流密度最小；當(dāng)人體處于單線時(shí)，右肺的電流密度最大，大腦的電流密度最??；當(dāng)人體處于接收端時(shí)，左腎的電流密度最大，右肺的電流密度次之，大腦的電流密度最小。綜合對(duì)比來(lái)看，與系統(tǒng)對(duì)人體的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度影響的結(jié)論類似，即系統(tǒng)的不同位置（發(fā)射端、單線和接收端）和不同的直線距離（器官與系統(tǒng)），對(duì)體內(nèi)關(guān)鍵器官的電流密度影響程度不同；體內(nèi)各器官在發(fā)射端處承受的電流密度最大，接收端次之，單線處最小。

通過(guò)對(duì)人體內(nèi)關(guān)鍵器官的SAR值最大值進(jìn)行計(jì)算，得到的仿真結(jié)果如圖13所示。

由圖13可知，在發(fā)射端、單線和接收端3個(gè)位置處，大腦的SAR值分別為0.001 11、0.000 60、0.000 59 W/kg；心臟的SAR值分別為0.00 733、0.001 01、0.002 96 W/kg；肝臟的SAR值分別為0.016 22、0.000 98、0.003 86 W/kg；胃部的SAR值分別為0.007 33、0.000 76、0.002 00 W/kg；左肺的SAR值分別為0.032 84、0.002 20、0.016 75 W/kg；右肺的SAR值分別為0.046 22、0.007 07、0.024 31 W/kg；左腎的SAR值分別為0.011 71、0.000 45、0.012 20 W/kg；右腎的SAR值分別為0.012 52、0.000 65、0.004 31 W/kg。綜合分析上述的數(shù)據(jù)可得，與系統(tǒng)對(duì)體內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度和電流密度影響的結(jié)論類似，即系統(tǒng)的不同位置（發(fā)射端、單線和接收端）和不同的直線距離（器官與系統(tǒng)），對(duì)體內(nèi)關(guān)鍵器官的電流密度影響程度不同；體內(nèi)各器官在發(fā)射端處的SAR值最大，接收端次之，單線處最小。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文構(gòu)建的單向單線電能傳輸系統(tǒng)如圖14所示。該系統(tǒng)主要由3個(gè)部分組成，分別為發(fā)射裝置、單導(dǎo)線、接收裝置。發(fā)射裝置由信號(hào)發(fā)生器（Agilent 33522A 30 MHz）、功率放大器（AR 500A250C 10 kHz～250 MHz 500 W）、高精度功率計(jì)（Bird 4421 1.5～32 MHz 3 W～10 kW）、阻抗匹配裝置（PSGK-Ⅱ 500 W 2-30 MHz）、同軸線（RG316）、模式轉(zhuǎn)換裝置（聚氨酯漆包銅線繞制的螺旋線圈）構(gòu)成；單導(dǎo)線由聚氨酯漆包銅線構(gòu)成；接收裝置由模式轉(zhuǎn)換裝置、同軸線、高精度功率計(jì)、衰減器（Bird 8890-300 2 500 W 50 Ω）構(gòu)成。信號(hào)發(fā)生器和功率放大器構(gòu)成的電源端可以為整個(gè)系統(tǒng)提供所需的頻率和功率，通過(guò)調(diào)節(jié)它們的電壓幅值和增益可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)輸出功率的控制。阻抗匹配裝置由兩個(gè)陶瓷真空可調(diào)電容器（CKTB1000/3.5/60）和可調(diào)電感構(gòu)成，主要調(diào)節(jié)系統(tǒng)阻抗；同軸線和螺旋線圈構(gòu)成的模式轉(zhuǎn)換裝置分別起到傳遞TEM波和電磁波模式轉(zhuǎn)換的作用；單導(dǎo)線起到束縛和引導(dǎo)電磁波的作用；功率計(jì)用作測(cè)量系統(tǒng)的傳輸功率；衰減器用于消耗系統(tǒng)的能量。

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度，和國(guó)內(nèi)電磁場(chǎng)限值標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，給出電磁場(chǎng)強(qiáng)度限值范圍，驗(yàn)證仿真的正確性。電磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)試系統(tǒng)圖如圖15所示?？紤]到本系統(tǒng)中使用的頻率為12.69 MHz，依據(jù)國(guó)標(biāo)下電場(chǎng)強(qiáng)度18.81 V/m、磁場(chǎng)強(qiáng)度0.048 A/m，測(cè)量到的系統(tǒng)限值距離如表4所示。

由表4可知，實(shí)驗(yàn)中的電磁場(chǎng)限值距離和仿真結(jié)果較為吻合，但整體低于仿真結(jié)果。原因可能是相較于仿真環(huán)境，實(shí)驗(yàn)環(huán)境中存在周圍金屬物品、墻體、人體等的干擾，使得系統(tǒng)周圍的電磁環(huán)境較為復(fù)雜，因此實(shí)際應(yīng)用時(shí)，還需預(yù)留一定的空間，以保證系統(tǒng)的高效運(yùn)行和周圍生物體的安全。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)單向單線電能傳輸系統(tǒng)的電磁安全性進(jìn)行了研究，得到的結(jié)論如下：

（1） 仿真得到發(fā)射端垂直和平行于單線方向的限值距離分別為1.32 m和1.68 m，接收端垂直、平行于單線方向的限值距離分別為1.08 m和1.66 m；實(shí)驗(yàn)所得的發(fā)射端垂直和平行于單線方向的限值距離分別為1.23 m和1.54 m，接收端垂直、平行于單線方向的限值距離分別為1.03 m和1.54 m。從空間電磁場(chǎng)強(qiáng)度的角度分析可得，不同位置處的電磁場(chǎng)強(qiáng)度不同，發(fā)射端的電磁場(chǎng)強(qiáng)度最大，接收端次之，單線處最小。

（2） 在發(fā)射端、單線和接收端3個(gè)位置處，右腎的磁場(chǎng)強(qiáng)度最大分別為0.86、0.18、0.81；右肺的電流密度最大分別為4.85、1.90、3.52 A/m2；右肺的SAR值最大分別為0.046 22、0.007 07、0.024 31 W/kg。器官與系統(tǒng)的直線距離不同時(shí)，系統(tǒng)對(duì)體內(nèi)關(guān)鍵器官的電磁場(chǎng)強(qiáng)度、電流密度、SAR值最大值影響程度不同。

（3） 仿真與實(shí)驗(yàn)所得的電磁場(chǎng)限值距離較為吻合，實(shí)驗(yàn)中的電磁場(chǎng)限值距離整體低于仿真結(jié)果，分析其原因，可能是相較于仿真環(huán)境，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)周圍復(fù)雜的電磁環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了一定的影響。

綜上，相比于系統(tǒng)的單線處和接收端，系統(tǒng)發(fā)射端的電磁安全更需要警惕。通過(guò)對(duì)單向單線電能傳輸系統(tǒng)電磁安全性的研究，為該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，并對(duì)單向單線電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。

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