摘 要：为了研究毫米波频段下手机天线电磁辐射对人体头部的暴露影响，在COMSOL电磁仿真软件中分别建立了一种毫米波5G宽频带微带天线阵列和包含头皮层、颅骨层和大脑层的三层球形人头模型。针对三种不同的天线输入功率，使用国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）所规定的入射功率密度（Sinc）和吸收功率密度（Sab）对天线的电磁暴露水平进行了剂量学仿真分析，并研究了人头模型中的温升分布情况。仿真结果表明：当天线输入功率为23 dBm时，Sinc值和Sab值不符合ICNIRP的规定限值，表明18 dBm是毫米波天线的合适选择；三种输入功率下，25 GHz时计算得到的Sab值最大，其对应的大脑层表面温升最高，达0.149 ℃，不会对人体头部造成热损伤；当距离从1 mm增大到30 mm时，Sinc值显著较小，最大减小了82.95%。
关键词：毫米波；5G手机天线；宽频带；电磁暴露；温度场分布
中图分类号：TN929.53 文献标识码：A 文章编号：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
随着毫米波5G无线通信技术的快速发展，这一新兴频段电磁波辐射对人体的健康影响日益受到人们的重视[1]。ICNIRP（International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection）已发布国际安全导则和标准，以保护人类免受射频电磁场的影响[2]。根据最新发布的ICNIRP导则，在毫米波频段下定义了新的暴露指标吸收功率密度（absorbed power density， Sab）来近似代替局部温升。由于基本限值吸收功率密度难以测量，ICNIRP还定义了在自由空间中测量的参考水平入射功率密度（incident power density， Sinc）。为了确保手机天线在使用过程中对人体大脑组织的电磁辐射水平符合规定，需要进行剂量学研究。这项研究将重点关注工作于毫米波频段下的手机天线的电磁辐射水平的合规性。这对于确保毫米波移动通信技术的安全性和可靠性至关重要。
目前针对毫米波频段下的天线电磁辐射水平已进行了大量的剂量学研究[3-5]。Morelli等[6]使用有限差分时域（FDTD）方法估算了不同人体模型中来自微带贴片天线阵列的射频能量吸收情况，并从吸收功率密度（Sab）的结果进行了合规性安全评估。Li等[7]研究了在频率高于6 GHz的电磁场下不同类型辐射源天线对人体吸收电磁能量水平的影响，并通过比较来自6个不同机构组织的计算结果分析了剂量分析中的数学计算误差。Nakae等[8]评估了在28 GHz时4元偶极子天线阵列的射频近场暴露下，皮肤温度升高与入射功率密度之间的关系。
本文提出了一种工作在毫米波频段的宽频带多层微带贴片天线，通过增加寄生辐射贴片的方式扩展天线带宽，并通过构建阵列提高天线的增益。利用三维电磁仿真软件COMSOL建立天线模型和三层球形人头简化模型。运用Maxwell方程[9]对比分析在不同天线输入功率下，手机天线工作在不同频段（23.15～28.3 GHz）的电磁辐射水平。从参考水平Sinc、基本限制Sab的仿真计算结果进行剂量学合规性评估。并使用Pennes生物传热方程对人头模型中的温度场分布进行数值模拟。
1 建立模型与研究方法
1.1 天线模型
为适用于毫米波频段工况需求，本文构建了基于缝隙耦合馈电的宽频带多层微带贴片天线结构。该天线由三层相同规格尺寸的介质基板组成，基板的具体尺寸为9 mm×9 mm×0.254 mm。其中介质基板采用了Rogers5880材料，其相对介电常数为2.2，损耗正切为0.000 9。在sub1基板的背面是微带线，其长度超过缝隙的位置。在sub2基板的正面是辐射贴片，其背面为接地面。为了耦合馈电，在接地面上进行了开槽设计。sub3基板正面为寄生贴片，用于实现天线宽频带性能，天线的具体结构和尺寸如图1所示。
为了改善毫米波频段的路径损耗问题，将上述提出的天线组合成一个1×4的高增益线性天线阵列[10]。并添加了一个智能手机的外壳模型模拟真实的移动手机。该外壳模型采用聚氯乙烯作为介电材料（相对介电常数为2.96，损耗正切为0.01，电导率为0.016 S/m）。手机外壳模型的尺寸为147.5 mm×71.5 mm×7.85 mm，厚度为2 mm，具体结构如图2所示。
1.2 人头模型
在日常手机通话场景中，由于手机天线非常靠近人体大脑，因此人们的主要关注点在于手机天线对人体大脑组织的电磁辐射暴露水平。人头组织的结构非常复杂，为了简化头部模型，本研究采用了参考文献[11]提出的理论模型，该模型使用了三个具有不同电导率的同心球来代表脑组织、颅骨和头皮，如图3所示。
2 结果与讨论
2.1 天线S11图
图4展示了设计的天线单元的S11图，从图中可以看出该天线工作的频段范围为23.15～28.3 GHz，其-10 dB阻抗带宽约为5.15 GHz，实现了宽频带。该频段完全覆盖了2019年世界无线电通信大会提出的毫米波频段24.25～27.5 GHz。
2.2 电磁暴露合规性评估
2.2.1 参考水平Sinc值分析
ICNIRP导则中规定，在6～30 GHz频率范围内，应将相关剂量Sab和Sinc的值在一个4 cm2的区域上求平均值。在ICNIRP-2020导则中使用入射功率密度Sinc作为参考水平，Sinc定义为复坡印廷矢量的模值：
（1）
其中，X *表示复数值X的复共轭，E和H分别表示电场矢量和磁场矢量。
图5给出了参考水平Sinc值在4 cm2的面积上的平均值在天线不同输入功率下，随天线工作频率的变化趋势。可以看出，工作频率对Sinc值的影响不明显，而输入功率的影响非常显著。当天线输入功率为23 dBm时，相较于天线输入功率为15 dBm和18 dBm，天线在各工作频率下计算得到的Sinc平均值分别提高了约5.25倍和2.17倍。此外，天线输入功率无论为多少，其工作频率在24 GHz时，Sinc平均值最大，在15 dBm时达6.493 W/m2，在18 dBm时达12.785 W/m2，在23 dBm时达40.587 W/m2。值得注意的是，在天线输入功率为23 dBm时的所有天线工作频率下，Sinc值均超过了相应频率下的ICNIRP参考水平标准限值，因此需要进一步考虑基本限值Sab值的合规性。
为了研究不同距离下Sinc值的变化，将测量Sinc值的平面与天线模型之间的距离d分别设置为1～5 mm（间隔为1 mm）、5～30 mm（间隔为5 mm）。此时将天线的最大输入功率设置为18 dBm，工作频率设置为24 GHz。图6展示了随着分离距离的增加，Sinc在4 cm2区域上的平均值的变化情况，蓝色虚线表示24 GHz下Sinc的安全标准限值。可以看出，随着分离距离的增加，Sinc平均值逐渐降低。特别是当分离距离从1 mm减小到2 mm时，Sinc的平均值显著下降，大约减少了50%。Sinc的平均值在距离天线1 mm处达到最大值，为34.238 W/m2，超过了对应的安全标准限值31.3 W/m2，约超出限制9.4%。在除1 mm以外的所有距离下，Sinc平均值都低于安全标准限值。
2.2.2 基本限值Sab值分析
吸收功率密度Sab按照式（2）进行计算：
（2）
其中体表面积在z=0时，A表示平均面积（m2），zmax表示相应区域的体表深度。
图7显示了在不同天线工作频率下，将天线放置在距离人头组织5 mm处时，天线频率和输入功率对基本限制Sab值的影响，图中蓝色虚线表示Sab的安全标准限值。不论天线输入功率为何，Sab值随频率的变化趋势保持一致，在25 GHz处达到最大值。此外，Sab值随着天线输入功率的增加而增加，当天线输入功率为23 dBm时，相较于天线输入功率为15 dBm和18 dBm时，天线在其各对应工作频率下计算得到的Sab值分别提高了约6.25倍和3.17倍。当天线输入功率为23 dBm时，工作频率为25 GHz、26 GHz和27 GHz下的Sab值均超过了ICNIRP规定的基本限制暴露标准20 W/m2。综上所述，拥有23 dBm天线输入功率的天线的电磁辐射水平超过了电磁暴露安全标准，可能对人体产生负面影响。
2.2.3 温度场分布分析
当手机天线发射电磁波穿过人体头部模型时，由于电磁耦合效应的作用，各层生物组织会吸收电磁辐射能量，并将其转化为热能损耗，导致人体头部组织升温。图8（a）、图8（b）和图8（c）分别表示天线输入功率为15 dBm、18 dBm和23 dBm，辐照时间6 min时，不同天线工作频率下大脑层表面温度场分布情况。
根据图8的结果可以观察到，在不同工作频率下，人体头部模型的大脑层表面温度分布是不同的。当天线的工作频率为25 GHz时，大脑层表面的温度升高最明显。其中，当输入功率为15 dBm时（见图8（a）），由于所采用的精度限制，无法显示出明显的差异。然而，当输入功率分别为18 dBm（见图8（b））和23 dBm（见图8（c））时，大脑层表面的最大温升分别为0.144 ℃和0.149 ℃。从图中可以看出温升的变化是非常小的，在所设计的天线辐照人体头部组织6分后，大脑层表面的温度有轻微的变化，最大温升约为0.149 ℃。
为了研究辐照时间对人体头部模型温升的影响，考虑了天线工作频率为24 GHz、输入功率为18 dBm时，各组织层最大温升随辐照时间的变化情况。从图9可以观察到，随着辐照时间的增加，人体头部组织逐渐累积吸收电磁辐射的能量，各组织层最大温升逐渐增大。在辐照时间为2 min之前，头皮层的最大温升相对于颅骨层和大脑层是最高的。然而，之后的时间内大脑层的最大温升持续保持在最高。此外，在辐照时间超过10 min后，人体头部模型中各组织层的最大温升会趋于稳定，不再呈现明显的增加。
3 结 论
本文对所提出的毫米波宽频带微带贴片天线阵列的电磁暴露剂量水平进行合规性评估，在三种天线输入功率下，天线在不同工作频段时仿真计算了Sinc和Sab值，并数值模拟了头部模型的温度场分布情况。研究发现，Sab和Sinc值均随着天线输入功率的增大而增大，拥有23 dBm天线输入功率的天线的电磁辐射水平超过了ICNIRP电磁暴露安全标准，可能对人体产生负面影响。因此在设计毫米波频段下的天线时，不能单纯地仅考虑天线输入功率对天线性能的影响，还需要考虑其电磁辐射水平对人体的影响，18 dBm是一个合理的毫米波频段天线输入功率；随着分离距离的增加，Sinc平均值显著降低。因此在日常通话中，应尽量保持较远的距离，以最大程度减小人体所受射频电磁场的影响。当天线的工作频率为25 GHz时，大脑层表面的温度升高最明显。大脑层表面温升随天线输入功率的增大而增大。从图中可以看出温升的变化是非常小的，大脑层表面的最大温升约为0.149 ℃，远小于造成人体组织热损伤的温升阈值。
由于天线阵列具有波束高聚焦性，在未来对于毫米波天线阵列的设计，应注意采用一些技术手段如优化信号处理算法、引入自适应波束形成技术等来扩大其波束覆盖范围，以满足移动通信全向信号覆盖的需求。此外需要注意的是，本文只考虑了日常通话暴露情况下的电磁辐射暴露水平，未来研究应该增加更多暴露场景的考虑。
参考文献：
[1] WU T，RAPPAPORT T S，COLLINS C M. Safe for Generations to Come： Considerations of Safety for Millimeter Waves in Wireless Communications [J].IEEE Microwave Magazine，2015，16（2）：65-84.
[2] ICNIRP. Guidelines for Limiting Exposure to Electromagnetic Fields （100 kHz to 300 GHz） [J].Health Physics，2020，118（5）：483-524.
[3] COLOMBI D1036Ym0F2mG976IePFSiwg==，THORS B，TÖRNEVIK C，et al. RF Energy Absorption by Biological Tissues in Close Proximity to Millimeter-Wave 5G Wireless Equipment [J].IEEE Access，2018，6：4974-4981.
[4] DIAO Y L，HIRATA A. Exposure Assessment of Array Antennas at 28 GHz Using Hybrid Spherical Near-Field Transformation and FDTD Method [J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2021，63（5）：1690-1698.
[5] LI K，HIKAGE T，MASUDA H，et al. Parameter Variation Effects on Millimeter Wave Dosimetry Based on Precise Skin Thickness in Real Rats [J/OL].Scientific Reports，2023，13（1）：17397[2024-01-20].https：//doi.org/10.1038/s41598-023-44572-y.
[6] MORELLI M S，GALLUCCI S，SIERVO B，et al. Numerical Analysis of Electromagnetic Field Exposure from 5G Mobile Communications at 28 GHZ in Adults and Children Users for Real-World Exposure Scenarios [J/OL].International Journal of Environmental Research and Public Health，2021，18（3）：1073[2024-01-20].https：//doi.org/10.3390/ijerph18031073.
[7] LI K，DIAO Y L，SASAKI K，et al. Intercomparison of Calculated Incident Power Density and Temperature Rise for Exposure From Different Antennas at 10–90 GHz [J]. IEEE Access，2021，9：151654-151666.
[8] NAKAE T，FUNAHASHI D，HIGASHIYAMA J，et al. Skin Temperature Elevation for Incident Power Densities From Dipole Arrays at 28 Ghz [J].IEEE Access，2020，8：26863-26871.
[9] 冯慈璋， 马西奎. 工程电磁场导论 [M].北京：高等教育出版社，2000：105-115.
[10] 吕思涵，何宇奇，赵鲁豫，等.高性能的5G毫米波天线（阵列）实现与性能评估 [J].移动通信，2022，46（3）：13-20+41.
[11] RUSH S，DRISCOLL D A. Current Distribution in the Brain from Surface Electrodes [J].Anesthesia & Analgesia，1968，47（6）：717-723.
作者简介：杜玥（1999—），女，汉族，甘肃兰州人，硕士在读，研究方向：手机天线电磁暴露剂量学研究。
