評估電動汽車GPS天線對人體產(chǎn)生的比吸收率

摘 要：電動汽車作為新能源汽車的代表，已經(jīng)成為全球主要經(jīng)濟(jì)體認(rèn)可的發(fā)展方向，而車載天線在車輛通信中起著關(guān)鍵作用，支持無線電話通信、GPS導(dǎo)航、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽峁└憬?、安全、智能化的駕駛體驗。目前GPS全球定位系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電動汽車導(dǎo)航，由于GPS天線的工作頻率為1.575 GHz，車內(nèi)乘客在這種高頻電磁暴露下的健康風(fēng)險令人擔(dān)憂。構(gòu)建GPS天線、電動汽車、人體模型，通過在有限元仿真軟件COMSOL Multiphysics中進(jìn)行頻域和瞬態(tài)分析的多物理場耦合計算，得到電動汽車內(nèi)3個位置的人體在受到GPS天線輻射30 min后的比吸收率（SAR）分布。結(jié)果得出30 min全身平均SAR為0.003 6 W/kg，是ICNIRP限值的4.5%，說明車載GPS天線的電磁暴露不會對人體健康造成威脅。

關(guān)鍵詞：GPS天線；高頻電磁場；電磁環(huán)境；暴露控制標(biāo)準(zhǔn)；公眾暴露

中圖分類號：TN965 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）24-0001-05

Abstract： Electric vehicles， as representatives of new energy vehicles， have become the recognized direction of development in major global economies. Vehicle-mounted antennas play a critical role in vehicle communication， supporting functions such as wireless telephony， GPS navigation， and wireless data transmission， providing a more convenient， secure， and intelligent driving experience. Currently， GPS global positioning systems are widely used in electric vehicle navigation. However， concerns arise regarding the potential health risks for passengers inside the vehicle due to the high-frequency electromagnetic exposure from GPS antennas， which operate at a frequency of 1.575 GHz. In this study， a simulation model was constructed， consisting of a GPS antenna， an electric vehicle， and a human body model. Through multiphysics field coupling calculations in the frequency domain and transient analysis using the finite element simulation software COMSOL Multiphysics， the specific absorption rate （SAR） distribution of the human body at three locations inside the electric vehicle， after 30 minutes of exposure to GPS antenna radiation， was obtained. The results showed that the average SAR for the entire body after 30 minutes was 0.0036 W/kg， which is 4.5% of the ICNIRP limit. This indicates that the electromagnetic exposure from the vehicle-mounted GPS antenna does not pose a threat to human health.

Keywords： GPS antenna; high-frequency electromagnetic field; electromagnetic environment; exposure control standards; public exposure

目前，電動汽車銷量日益增長[1]，有足夠的科學(xué)依據(jù)表明，電動汽車中的人暴露在高頻電場下可能會引起明確的生物反應(yīng)和生理效應(yīng)[2-4]。關(guān)于高頻天線對電動汽車中人體的暴露安全評估尚不全面，考慮到醫(yī)學(xué)倫理問題，通常無法在人體活體組織中通過實驗測量的方法測得組織中的場分布，為此，本文基于電磁劑量學(xué)方法[5-7]，研究了電動汽車高頻GPS天線產(chǎn)生的電磁場在車廂內(nèi)不同位置的乘客人體組織中比吸收率（SAR）的分布，并將所得結(jié)果與ICNIRP標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的電磁暴露限值進(jìn)行比較，評估電動汽車高頻天線產(chǎn)生的電場對車廂內(nèi)乘客的電磁暴露水平，為電動汽車電磁暴露相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定及電動汽車行業(yè)的發(fā)展提供一定的參考。

1 電磁計算理論與基礎(chǔ)

本文對給定邊界條件下的麥克斯韋方程組求解在COMSOL 6.1的RF模塊中進(jìn)行。生物電磁暴露評估的一大重點(diǎn)是生物體的介電特性，由于不同頻段下的同一生物組織會發(fā)生不同的色散現(xiàn)象，導(dǎo)致生物組織的相對介電常數(shù)和電導(dǎo)率會隨著頻率的變化而變化[8]。四階Cole-Cole模型可適用于計算10 Hz～20 GHz頻段內(nèi)的生物組織介電常數(shù)[9]，如式（1）所示

式中：r為復(fù)相對介電常數(shù)；？著r′為復(fù)相對介電常數(shù)中的實部，又稱相對介電常數(shù)；？著r"為復(fù)相對介電常數(shù)中的虛部，又稱損耗因子；？著r∞為相對介電常數(shù)位于光頻處的值；？棕為角頻率，rad/s，可以通過頻率求出；？著0=8.854 187 817×10-12為真空中的介電常數(shù)，F(xiàn)/m；？駐？著n是相對介電常數(shù)的增量；？子n為中心弛豫時間；？琢為弛豫分布時間，通常取值位于0～1 s之間；？滓i為離子的電導(dǎo)率。本文根據(jù)GPS天線頻率1.575 GHz，用相似組織的電導(dǎo)率來模擬頭部模型中的各種組織[10]，計算得出三層球頭模型和人體軀干的介電參數(shù)，具體見表1，其中大腦采用腦白質(zhì)、腦灰質(zhì)、腦脊液的平均值，軀干組織取皮膚、血液、肌肉和骨骼4種組織的平均值。

在高頻頻段電磁暴露對人體的影響以對人體的加熱效應(yīng)為主，這個加熱的物理過程在生物計量學(xué)中用SAR來表示。SAR是單位時質(zhì)量人體組織所吸收的電磁功率，能量增量dW被吸收于一個給定密度？籽和體積dV的質(zhì)量增dm的時間導(dǎo)數(shù)[11]。SAR的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

基于SAR的基本公式為

式中：SAR為比吸收率，W/kg；？滓為電導(dǎo)率，S/m；？籽為組織密度，kg/m3；E為電場強(qiáng)度，V/m；c為比熱容，J/（kg·℃）。

2 模型建立及電磁安全標(biāo)準(zhǔn)

2.1 GPS天線模型建立

建立了一個同軸饋電的右旋圓極化GPS貼片天線，其中心頻率為1.575 GHz。在正方形金屬貼片的對角處切出2個大小合適的等腰三角形，形成了圓極化輻射[12]。GPS天線模型及外殼如圖1所示。

人體坐姿模型參照國際通用的身高為1.75 m的成年人體模型比例建立車廂內(nèi)人體坐姿模型，人體坐姿模型整體高度為1 300 mm，肩寬為520 mm。簡易人體頭部三層球頭模型參數(shù)為：頭皮半徑為92 mm，顱骨半徑為85 mm，大腦半徑為80 mm。三層球頭模型由Rush 和 Driscoll[13]提出，用于數(shù)值計算。他們使用3個具有不同電阻率的同心球體來代表大腦、顱骨、頭皮。三層球頭模型的幾何和坐標(biāo)系及其與頭部的擬合性質(zhì)是根據(jù)場論和勢能方程的標(biāo)準(zhǔn)方法推導(dǎo)出來的。該模型的有效性通過含有人類顱骨的電解槽進(jìn)行了測試，并與猴子大腦內(nèi)部和人類頭部表面的活體數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，可用于等效計算人類頭部的介電參數(shù)。人體坐姿模型如圖2所示，電動汽車簡易模型如圖3所示。

2.2 國5bfb2f113f16c0d30b55a905dcf79a1d際安全評估準(zhǔn)則

根據(jù)最新版ICNIRP導(dǎo)則（2020），在100 kHz～300 GHz的電磁場中，30 min內(nèi)全身平均暴露的參考水平見表2。

3 GPS天線工作條件下電動汽車中人體電磁暴露的安全評估

對于高頻電磁輻射，外加電場會在人體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電場，電場會產(chǎn)生電流，從而吸收和耗散電磁能量，因此電場會對人體組織產(chǎn)生加熱效應(yīng)。圖4—圖6分別顯示了后排中間座位位置、后窗座位位置、駕駛員座椅位置下人體對天線的比吸收率分布。

表3詳細(xì)列出了在GPS天線工作頻率為1.575 GHz時，人體頭部模型和由頭皮層、顱骨層、大腦層組成的三層球頭模型的SAR值。當(dāng)天線產(chǎn)生的電磁波穿透人體頭部模型時，SAR值在人體頭部模型的頭皮層最高，穿過顱骨層后降低，進(jìn)入大腦層后最低。這是由顱骨層的電特性決定的，大量電磁波被顱骨層吸收，從而減少了進(jìn)入大腦層的電磁波數(shù)量。

表4詳細(xì)列出了當(dāng)車載GPS天線在1.575 GHz工作頻率下工作30 min時，人體模型的全身平均SAR值、溫升值、ICNIRP限值比較。

在車載GPS天線工作狀態(tài)下，經(jīng)過30 min的輻照時間后，電動汽車內(nèi)3個位置的人體全身平均SAR都沒有超過ICNIRP的限值。

4 結(jié)束語

在本文根據(jù)典型電動汽車及天線電磁環(huán)境的仿真下，GPS天線對人體產(chǎn)生的電磁暴露量遠(yuǎn)小于ICNIRP安全限值。然而，由于人體長期暴露在車載天線下，需要進(jìn)一步研究以評估長期暴露的潛在影響。對電動汽車高頻天線輻射影響的持續(xù)調(diào)查和研究將提高對潛在風(fēng)險的認(rèn)識，并有助于確保電磁輻照保持在可接受的范圍內(nèi)，以保護(hù)人類健康。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李洪慶，韓超，劉磊.我國電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題[J].汽車文摘，2023（9）：36-41.

[2] DE S V， GIACCONE L， FRESCHI F. Chassis Influence on the Exposure Assessment of a Compact EV during WPT Recharging Operations[J]. Magnetochemistry.2021，7（2）：25.

[3] BHARGAVA D， LEEPRECHANON N， RATTANADECHO P， et al. Specific absorption rate and temperature elevation in the human head due to overexposure to mobile phone radiation with different usage patterns[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2019（130）： 1178-1188.

[4] SHAH I A， YOO H. Assessing human exposure with medical implants to electromagnetic fields from a wireless power transmission system in an electric vehicle[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2019，62（2）：338-345.

[5] CONCHA P M T， VELEZ P， LAFOZ M ，et al. Passenger Exposure to Magnetic Fields due to the Batteries of an Electric Vehicle[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology，2016，6（65）：4564-4571.

[6] ARDUINO A， BOTTAUSCIO O， CHIAMPI M， et al. Accuracy Assessment of Numerical Dosimetry for the Evaluation of Human Exposure to Electric Vehicle Inductive Charging Systems[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2020，5（62）：1939-1950.

[7] WENTING M O U， MAI L U. Dosimetry simulation research on electromagnetic exposure of wireless charging electric vehicle to human central nervous system[C]//2021 IEEE 16th Conference on Industrial Electronics and Applications （ICIEA）. IEEE，2021：609-614.

[8] HURT W D. Multiterm Debye dispersion relations for permittivity of muscle[J]. IEEE Transactions on Biomedical Engineering，1985（1）：60-64.

[9] GABRIEL S， LAU R W， GABRIEL C. The dielectric properties of biological tissues： II. Measurements in the frequency range 10 Hz to 20 GHz[J]. Physics in medicine & biology，1996，41（11）：2251.

[10] LU M， UENO S. Comparison of the induced fields using different coil configurations during deep transcranial magnetic stimulation[J]. PloS one，2017，12（6）：e0178422.

[11] SCHIAVONI A， BERTOTTO P， RICHIARDI G， et al. SAR generated by commercial cellular phones-phone modeling， head modeling， and measurements[J]. IEEE transactions on microwave theory and techniques，2000，48（11）： 2064-2071.

[12] LU J H， TANG C L， WONG K L. Single-feed slotted equilateral-triangular microstrip antenna for circular polarization[J]. IEEE Transactions on antennas and propagation， 1999，47（7）：1174-1178.

[13] RUSH S， DRISCOLL D A. Current distribution in the brain from surface electrodes[J]. Anesthesia & Analgesia， 1968，47（6）：717-723.