5G移動通信頻率對人體比吸收率仿真

禹 忠, 吳光緒, 謝永斌, 王軍選

(西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710121)

移動終端通過天線向外發(fā)射電磁波，使用者在使用移動終端通信時身體吸收能量。當(dāng)電磁輻射超過人體的安全輻射劑量，隨著時間的推移吸收電磁場的累積效應(yīng)會對人體造成較大的傷害[1]。實驗表明，長期暴露于移動終端的電磁輻射，對人體的神經(jīng)元細胞、甲狀腺、免疫力、以及各種激素的正常分泌都會造成不良的后果[2-4]。因此，移動終端電磁輻射對人體健康的影響越來越受到公眾的關(guān)注。

目前，移動終端對人體電磁輻射的研究，主要集中在移動終端通話過程中對大腦的電磁輻射。文獻[5]研究了在900MHz下移動終端對人體大腦的比吸收率。文獻[6]采用時域有限差分法計算了在1.8GHz下移動終端對大腦的比吸收率。在使用2G網(wǎng)絡(luò)和3G網(wǎng)絡(luò)時移動終端對大腦的比吸收率是不同的[7]，即使在相同的網(wǎng)絡(luò)下，移動終端相對大腦的不同角度和距離對人腦的比吸收率也不同[8]。移動終端輻射不僅僅會對大腦產(chǎn)生影響，而且還會對人體的軀干產(chǎn)生影響。移動終端相對于人體的高度和傾斜角度也是影響人體比吸收率的重要因素[9]。文獻[10]對比了在2G、3G、4G網(wǎng)絡(luò)下移動終端對人腦的比吸收率。

第三代合作伙伴計劃(3rd generation partnership project，3GPP)5G標(biāo)準(zhǔn)化工作正有序地推進,這項工作將制定名為5G新空口(5G new radio，5G NR)的全球規(guī)范,研究人員正積極致力于5G設(shè)計,以促進并加快其發(fā)展。全新5G 技術(shù)正首次將頻率大于24 GHz以上頻段(通常稱為毫米波)應(yīng)用于移動寬帶通信。大量可用的高頻段頻譜可提供極致數(shù)據(jù)傳輸速度和容量,這將重塑移動體驗。5G NR標(biāo)準(zhǔn)中移動終端毫米波頻段的電磁輻射對人體影響鮮有研究。本文通過XFDTD軟件對成年男子的不同組織進行仿真計算，利用時域有限差分法開展了未來26GHz毫米波通信對人體心臟組織和下肢組織電磁輻射和人體比吸收率的研究工作。

1 人體模型

人體模型采用美國海軍計算機斷層掃描的成年男子人體模型[11]，如圖1所示，其包含了39種組織，模型分辨率為3 mm×3 mm×3 mm，該模型由626個片段組成，每個片段是由196×114的矩陣組成。每個體素占一個字節(jié)。該模型高187.5 cm，重105.3 kg。

圖1 移動終端置于心臟前10mm處

圖1顯示了移動終端和人體心臟組織的相對位置，圖2表示仿真的心臟模型，選取心臟作為26GHz毫米波通信移動終端電磁輻射的人體組織?？紤]到心臟組織是不規(guī)則的邊界，需要劃分出來一個長方體包含中整個心臟組織。心臟的邊界范圍為表1所示。心臟組織共包含有11 320個體素，其在26GHz下的電磁參數(shù)[12]分別為電導(dǎo)率為32.227 S/m，相對介電常數(shù)為24.439。心臟組織共重0.314 7 kg，密度為102 9.8 kg/m3。

圖2 心臟模型

坐標(biāo)軸最小值/mm最大值/mmx軸202.176338.123y軸91.311215.432z軸387.554504.592

其次，選取移動終端經(jīng)常攜帶部位，下肢前側(cè)作為另外一個5G NR毫米波電磁輻射研究組織。圖3顯示了移動終端和下肢組織的相對位置，圖4截取部分下肢模型。由于計算消耗以及內(nèi)存的要求，只取部分下肢組織來代替整個下肢。截取了右腿距離地面800～900mm區(qū)域的右側(cè)下肢組織，其體積為186 210 100 mm3。圖5為下肢的橫切面，圖中下肢中包含了8種組織，分別為血液、血管、脂肪、骨髓、脊神經(jīng)、肌肉、骨密質(zhì)、皮膚等。

圖3 移動終端置于下肢前10mm處

圖4 截取部分下肢組織

圖5 腿部橫切面

2 數(shù)值計算方法

國際上普遍采用比吸收率(specific absorption rate，SAR)來度量移動終端的電磁輻射，定義為人體內(nèi)單位組織吸收或消耗的電磁輻射能量[11]。SAR定義為

式中，σ是組織的電導(dǎo)率，ρ為人體的密度，E為電場強度大小。通常SAR分為10g平均SAR值(SAR10g)和1g平均SAR值(SAR1g)做為參考值。

本文選取時域有限差分法[13]作為研究方法。利用Yee氏正交矩形網(wǎng)格對計算區(qū)域和物體進行剖分，將其分割為規(guī)則分布的Yee元胞。采用二階中心差分近似，對一階麥克斯韋方程的微分形式在時域和空域進行離散化，將其轉(zhuǎn)換為差分形式的麥克斯韋方程。在將待求的連續(xù)電磁場離散后，在空域按Yee氏網(wǎng)格交錯分布，在時間域蛙跳式迭代更新電磁場分量。

麥克斯韋方程微分方程可為

其中，E為電場強度，H為磁場強度，D為電位移矢量，B為磁感應(yīng)強度，ρ為空間自由電荷密度，Je為傳導(dǎo)電流密度。

下面分別以Ex和Hy為例，說明電磁場中的電場強度E和磁場強度H的更新迭代方法，其迭代表示式分別為

生物組織的介電特性與頻率有著密切的關(guān)系，不同的頻率下生物組織表現(xiàn)出不同的介電特性。生物組織相對介電特性εr與頻率ω的關(guān)系可用柯爾-柯爾公式[5-6]表示，即

式中ε∞表示頻率區(qū)域無窮時的介電常數(shù)，αn表示對Debye行為偏離度，ω表示角頻率，τn為松弛時間常數(shù)，Δεn表示色散程度，σ0表示離子電導(dǎo)率。表2給出了26 GHz下部分組織的電磁參數(shù)。

表2 26 GHz下部分組織的電磁參數(shù)

移動終端的輻射源采用波長為26GHz毫米波8×8陣列天線，單個天線的大小為6 mm×6mm，發(fā)射功率為23dBm，其模型結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 陣列天線模型

由于采用時域有限差分法，需要對計算模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格邊長必須滿足如下關(guān)系

其中λ為波長。人體組織將被劃分為大量的小網(wǎng)格，電場分布在網(wǎng)格的各個邊上面，磁場分布在網(wǎng)格的每個面的中心，在每個時間步長上，利用一次迭代計算對應(yīng)電磁場的值。當(dāng)網(wǎng)格劃分的越小計算的精度就越高，同時需要耗費的內(nèi)存就越大，計算的開銷就會越大。因此，兼顧計算成本和計算精度，仿真采用的每個波長網(wǎng)格數(shù)為10。

邊界條件采用完全匹配層(perfect match layer， PML)，共有7層完全吸收介質(zhì)，保證最大程度的吸收邊界上的電磁波，邊界層計算收斂條件為-30dB。

3 仿真結(jié)果

3.1 心臟組織的比吸收率仿真

陣列天線放置在計算域坐標(biāo)取值為x= 80mm、y=81mm、z=498mm處，即心臟的正前方10mm處，載波頻率為26GHz，其波長為11mm，發(fā)射功率為23dBm。陣列天線毫米波對心臟組織的比吸收率仿真結(jié)果如圖7～10。

圖7 心臟中心的電壓

圖7顯示了在心臟組織中心的電場強度隨時間的變化情況。有研究證明，當(dāng)電場強度大于3.5V/cm時，會造成心肌細胞膜的內(nèi)膜和外膜的電勢差增大，超過安全值，進而會造成心率失常，危害人體心臟健康[14]。從圖7可見，移動終端對心臟組織的電場強度最大值為0.62V/m，遠遠低于3.5V/cm。因此，移動終端對心臟的電場輻射在安全范圍內(nèi)。圖8為心臟組織在zx面上的SAR的分布情況，由于陣列天線位于zx面上，位于心臟的正前方，由電磁波的傳播特性可得，離天線較近的位置比吸收率較大。在與電磁波傳播方向平行的xy面和yz面，比吸收率相對較小?？梢钥闯?，在靠近天線附近的組織的比吸收率最大為7.717 W/kg。10g組織的最大比吸收率為0.549 7 W/kg，低于安全標(biāo)準(zhǔn)。心臟組織10g比吸收率的平均值為0.549 7 W/kg，低于安全標(biāo)準(zhǔn)。圖9和圖10分別表示xy面和yz面上的SAR分布。在yz面上最大的SAR值為6.01W/kg，在xy面上最大的SAR值為4.01W/kg。10g心臟組織比吸收率的平均值均為0.3897 W/kg，低于安全標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 心臟組織俯視xz面上SAR分布

圖9 心臟組織正視xy面上的SAR分布

圖10 心臟組織側(cè)視yz面上的SAR分布

3.2 下肢組織的比吸收率仿真

若移動終端經(jīng)常攜帶部位在右側(cè)下肢處，移動終端相對人體位置如圖4所示。采用上述陣列天線毫米波及發(fā)射功率，其毫米波對下肢組織的比吸收率仿真結(jié)果如圖11～13。

圖11 下肢組織俯視xz面的SAR分布

從圖11～13可以看出，在下肢組織xz、xy、yz面上SAR的最大值分別為4.523 2 W/kg、3.063 W/kg、2.956 W/kg。其10g下肢組織比吸收率的最大值為0.1985 W/kg，10g下肢組織比吸收率的平均值為0.138 W/kg ，均低于安全標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 討論

通過對比心臟組織和下肢組織的比吸收率，不難發(fā)現(xiàn)，在相同條件下心臟組織比下肢組織吸收電磁波較強。心臟組織中比吸收率的最大值為下肢組織中比吸收率最大值的1.7倍，10g心臟組織的比吸收率最大值為下肢組織的比吸收率最大值的2.77倍，10g心臟組織的比吸收率平均值為下肢組織比吸收率平均值的2.82倍。心臟組織中的主要成分為血液，下肢組織中的主要成分為肌肉，肌肉組織的損耗角正切比血液的損耗角正切較大，因此，心臟組織的對電磁波的吸收能力要比下肢組織強。

4 結(jié)論

基于人體組織模型，利用時域有限差分法計算了5G NR毫米波26 GHz下電磁波對心臟和下肢組織的電磁輻射影響的研究。結(jié)果表明，在心臟組織中，10g組織的平均比吸收率SAR10g為0.5497 W/kg，遠遠低于安全標(biāo)準(zhǔn)。在下肢組織處其SAR值要比心臟組織的SAR值小，10g組織的平均比吸收率SAR10g為0.138 W/kg，低于安全標(biāo)準(zhǔn)。并且，在5G NR毫米波26 GHz下電磁波對心臟組織的影響要比對下肢組織的影響大。但是，無論是心臟組織還是下肢組織其比吸收率都低于安全標(biāo)準(zhǔn)，在使用毫米波頻段通信的移動終端對心臟和下肢組織的電磁輻射是安全的不會對健康造成不良的影響。

研究表明[9]，在2GHz下移動終端對人體的比吸收率SAR10g要高于在900MHz的情況，而且男性SAR10g要高于女性。在5G NR毫米波26GHz情況下男性SAR10g與女性SAR10g的關(guān)系還需要進一步研究。