一種可穿戴天線人體電磁暴露研究

摘" 要：該文提出一種ISM（2.4 GHz）頻段的平面單極子天線。該天線為全向天線，在2.23 GHz到2.84 GHz頻段的回波損耗比小于-15 dB。建立模擬電磁安全環(huán)境的模型，建立人體結(jié)構(gòu)仿真模型和輻射邊界。最后，仿真分析2.4 GHz頻點的比吸收率、電場強度最大值，與瞬態(tài)熱模塊耦合，計算6 min和30 min的溫升，與國際非電離輻射防護委員會（International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection， ICNIRP）制定的電磁暴露安全防護導(dǎo)則進行安全評估。結(jié)果表明，該天線對大腦和心臟的比吸收率、電場強度、溫升遠小于安全限值，不會對健康造成危害。

關(guān)鍵詞：可穿戴天線;ISM;比吸收率;ICNIRP;電磁暴露

中圖分類號：TN820" " " 文獻標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：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

隨著科技的進步，可穿戴天線逐漸映入人們的眼簾，由于可穿戴天線與人體的空間距離較近，電磁場與生物體組織交互的現(xiàn)象和過程不可避免。一些研究表明：①電磁暴露可能會誘導(dǎo)離子通道的變化，從而影響神經(jīng)元之間的信號傳導(dǎo)[1];②暴露于電磁場的生物體可能會產(chǎn)生氧化應(yīng)激反應(yīng)，影響細胞的生命周期和功能[1];③高頻電磁場可能導(dǎo)致DNA損傷，增加突變和癌癥的風(fēng)險[2];④電磁場可能通過改變細胞膜的滲透性，影響細胞內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，可能影響細胞的生長和復(fù)制[3]。總之，天線電磁暴露可能導(dǎo)致各種不確定的生物體安全問題。

因此，研究可穿戴天線輻射的電磁波對人體健康產(chǎn)生的影響十分必要。通過比吸收率（Specific Absorption Rate，SAR）對輻射影響程度進行定量分析[4]，SAR值表示單位質(zhì)量的人體組織所吸收或消耗的電磁功率。國際非電離輻射防護委員會（International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection， ICNIRP）科學(xué)地研究了非電離輻射對人體的潛在危害，并為此提供全球范圍內(nèi)的防護建議。

本文設(shè)計了一款覆蓋ISM（2.4 GHz）頻段的織物可穿戴天線，建立了人體模型，評估成年人在不同高度的輻射源輻射下電磁環(huán)境的安全性，為無線可穿戴設(shè)備電磁暴露行業(yè)的安全問題提供理論依據(jù)。

1" 模型設(shè)計

相比于聚二甲基硅氧烷[5]等柔性材料，羊毛氈[6]具有輕質(zhì)舒適、靈活性好、透氣吸濕等特點，可以提高穿戴的舒適度，而且羊毛氈的介電常數(shù)適中，可為天線提供一個穩(wěn)定的介質(zhì)環(huán)境，有利于保持天線的性能。羊毛氈便于加工，可以根據(jù)需要裁剪成不同的形狀和尺寸，以適應(yīng)不同的天線設(shè)計和身體部位的穿戴。作為一種自然材料，羊毛氈相對環(huán)保，對環(huán)境造成的影響較小。

因此，選用羊毛氈作為可穿戴天線的介質(zhì)基板提供了一個將天線無縫整合到衣物中的可能，同時確保了穿戴的舒適性和天線的性能。本文提出的織物天線基本尺寸如圖1所示。該天線采用厚度為SUBH的羊毛氈為介質(zhì)基板[5]，相對介電常數(shù)為1.2，損耗角正切值為0.002。天線是以Y軸為對稱軸的對稱結(jié)構(gòu)，由地平面與天線輻射貼片2部分組成。以距離天線1/4自由空間波長Lam建立空氣盒子，詳細尺寸見表1。

以國際通用成年人的身體比例為參考，建立成年人人體模型，包含軀干、四肢、人頭，如圖2所示。人頭模型為三層球頭模型，2個球殼和1個實心球，半徑分別為R1、R2、R3，從內(nèi)到外依次是大腦、顱骨、頭皮。心臟則用近似成年人心臟體積的半徑為R4的實心球體來代替，心臟距離地面垂直高度為H。人頭模型和心臟模型尺寸見表2。

通過1996年Gabriel等[7]提出4階Cole-Cole模型，計算在2.4 GHz頻率下頭皮、顱骨、大腦、身體和心臟的相對介電常數(shù)和電導(dǎo)率。其中大腦組織的生物電參數(shù)以腦灰質(zhì)和腦白質(zhì)的平均值等效代替，軀干組織的生物電參數(shù)以皮膚、血液、肌肉和骨骼4種組織的平均值等效代替。為了簡化模型，將生物等效為固體生物（忽略人體體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)）來計算熱特性，比熱容與導(dǎo)熱系數(shù)由文獻[8]—文獻[10]得出。生物參數(shù)見表3。

如圖3所示，天線平面平行于人體軀干，將天線放置在距離人體軀干1 cm處，建立人體與天線的電磁安全仿真模型，在天線相對地面80、100、120和140 cm高度處進行仿真分析。輻射邊界為包含于模型的長方體，距離人體或天線最小距離為中心頻點1/4自由空間波長。

2" 天線仿真分析

天線的反射系數(shù)|S11|仿真結(jié)果如圖4所示。該天線具有非常好的阻抗特性，-15 dB阻抗帶寬可以完全覆蓋藍牙頻段，天線在2.4 GHz的回波損耗為-17.52 dB，具有較高的工作效率。如圖5所示，電流的饋電點電流最大，輻射貼片和地平面分別出現(xiàn)2個電流零點。

最后，對天線的增益進行分析，如圖6所示，天線的增益形式為蘋果形狀，即環(huán)繞y軸方向增益最大，最大增益為3.1 dBi?？梢源_保無論將天線如何穿戴在身上都可以將最大增益方向朝外，符合全向天線輻射特性。

3nbsp; 電磁仿真計算

3.1" SAR與電場計算

在電磁暴露的研究和安全評估中，計算SAR（比吸收率）和電場是為了確保電磁輻射在規(guī)定的安全限值內(nèi)，并評估其可能對人體造成的生物效應(yīng)和健康風(fēng)險。SAR是指人體組織在單位時間內(nèi)吸收的電磁能量與單位質(zhì)量的比值，通常用瓦特每千克（W/kg）來表示。SAR提供了一個直接量化的標(biāo)準(zhǔn)來評估人體某一局部或整體對射頻能量的吸收量。電場強度（E-field）是電磁波的基本屬性之一，它描述了每單位電荷受力的大小，通常以伏特每米（V/m）來表示。電場強度的測量和計算能夠幫助估計人體外部和內(nèi)部受到的電磁能量水平。電場的大小和方向?qū)﹄姾奢d體產(chǎn)生作用，從而影響電磁輻射與生物組織的相互作用。

SAR和電場強度是2個互補的參數(shù)，在電磁暴露評估中同等重要。SAR強調(diào)電磁能量被生物組織吸收的程度，而電場強度則關(guān)注電磁輻射對人體的直接影響。結(jié)合這2方面的信息，可以更全面地了解電磁輻射對人體的潛在生物效應(yīng)，設(shè)計更安全的電磁環(huán)境。

仿真計算天線輸入功率為1 W 時，上文中天線4種放置高度的大腦和心臟10 g組織的局部SAR和電場強度的最大值。利用仿真軟件的便利，將身體部分隱藏，只保留大腦和心臟。天線工作在2.4 GHz時人體心臟和大腦內(nèi)的最大電場強度和SAR值分布仿真結(jié)果見表4。

由表5可知，電場強度變化趨勢與比吸收率變化趨勢基本吻合。當(dāng)天線高度為120 cm時，距離心臟最近，心臟的SAR和電場強度達到最大值，分別為1.3×10-1 W/kg和9.972 V/m;當(dāng)天線高度為140 cm時，距離大腦最近，此時大腦的SAR和電場強度達到最大值，分別為8.7×10-4 W/kg和1.743 V/m;當(dāng)天線距離大腦比較遠時，對大腦的比吸收率在2.5×10-4 W/kg左右波動。心臟的最大比吸收率要大于大腦的最大比吸收率，因此天線對心臟的影響要大于大腦。所以在佩戴可穿戴天線時要盡量遠離心臟和大腦等重要器官。所有仿真值都遠小于安全限值，因此判定該可穿戴天線是安全的。

3.2" 溫度場計算

盡管SAR和電場強度可以提供關(guān)于射頻能量在組織中的吸收率和對人體直接影響的信息，但這并不直接等同于組織的溫度變化。生物組織內(nèi)的溫度變化不僅取決于吸收的射頻能量，還受到多種其他因素的影響，例如，組織的熱導(dǎo)率、血液循環(huán)、初始溫度、持續(xù)時間、頻率，以及輻射強度等。

因此，即使SAR計算能得出單位質(zhì)量組織吸收輻射的能量是多少，但為了準(zhǔn)確預(yù)測電磁波暴露后生物組織的實際溫度變化，還需要計算溫度場。Ansys Electronics Desktop的HFSS模塊無法完成溫度場計算，因此使用Ansys Workbench將HFSS與瞬態(tài)溫度場進行耦合，求解瞬態(tài)熱之前需要對人體進行網(wǎng)格剖分，如圖7所示。

本文選擇比吸收率和電場強度最大值時的天線高度進行溫度場耦合計算，分別計算天線高度為120、140 cm的6、30 min瞬態(tài)溫度場。表6為初始溫度為37 ℃情況下的瞬態(tài)溫度場。

同等條件下，比吸收率與溫升的趨勢成正相關(guān)，因此只仿真計算大腦和心臟比吸收率最大值的天線高度所對應(yīng)的溫升，最大溫升為0.134 ℃，遠小于ICNIRP安全限值1 ℃。因此可以判斷，當(dāng)天線輸入功率為1 W時，不會對心臟和大腦造成安全隱患。

4" 結(jié)論

仿真設(shè)計2.4 GHz ISM頻段的織物可穿戴天線，分析了天線的性能指標(biāo)，包括回波損耗、三維方向圖、增益。對該天線在輸入功率為1 W的前提下進行電磁暴露安全評估，計算了天線距離地面分別為80、100、120和140 cm情況下人體器官SAR值、電場強度、溫度場計算。分析了不同高度的影響趨勢，同等條件下，距離越近，天線的輻射越強。選用不同參照物進行對比時，天線對心臟的輻射要強于對大腦的輻射。仿真計算得出的SAR、電場強度、溫升的最大值分別為1.3×10-1 W/kg、9.972 V/m、0.134 ℃，均遠小于ICNIRP安全限值，因此可以判定，在相似環(huán)境下，該天線在2.4 GHz頻點下工作不會對工作人員造成安全隱患。

本文建立的成年人人體模型沒有考慮到人體散熱機制，下一步將重點研究天線穿戴者在存在人體散熱機制的模型中仿真模擬溫度場變化情況。

參考文獻：

[1] JEN H L， PEI S C， ENG H L. Liquid EBG-backed stretchable slot antenna for human body[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2022， 70（10）：9120-9129.

[2] GUO P G， BIN H， SHAO F W， et al. Wearable circular ring slot antenna with ebg structure for wireless body area network[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters.2018，17（3）：434-437.

[3] YANG X， ZU H R， SONG R G， et al. Multiband and low-specific-absorption-rate wearable antenna with low profile based on highly conductive graphene assembled film[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters.2023，22（9）：2195-2199.

[4] MAI L， XIAO Y W. Study of specific absorption rate （SAR） induced in human endocrine glands for using mobile phones[C]//2016 Asia-Pacific International Symposium on Electromagnetic Compatibility （APEMC）.IEEE，2016.

[5] PURNA B S，SHENG J J C， Christophe F. Flexible hybrid-substrate dual-band dual-mode wearable antenna[J]." IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2024，72（2）：1286-1296.

[6] YANG H C， LIU X Y. Wearable dual-band and dual-polarized textile antenna for on- and off-body communications[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2020，19（12）：2324-2328.

[7] GABRIEL S， LAU R W， GABRIEL C. The dielectric properties of biological tissues：IIIparametric models for the dielectric spectrum of tissues[J]. Physics in Medicine and Biology，1996，41（11）：2271-2293.

[8] SPIEGEL R J. A Review of numerical models for predicting the energy deposition and resultant thermal response of humans exposed to electromagnetic fields[J].Microwave Theory Techniques IEEE Transactions on，1984，32（8）：730-746.

[9] PENNES H H. Analysis of tissue and arterial blood temperatures in the resting human forearm[J]. Journal of Applied Physiology，1998，85（1）：5-34.

[10] YANG D， CONVERSE M C， MAHVI D M， et al. Expanding the bioheat equation to include tissue internal water evaporation during heating[J].IEEE transactions on bio-medical engineering，2007，54（8）：1382-1388.

作者簡介：曹鶴（1996-），男，碩士研究生。研究方向為電磁暴露安全評估