（电磁场与微波技术专业论文）宽带无线接入系统中人体sar的仿真分析.pdf

摘要 随着移动通信技术的发展，手机等移动通信终端设备在公众中的使用已经越来越普 及。由于手机在通话过程中必然要产生一定的电磁辐射，这些辐射或多或少对人体的健康 带来一定的影响。因此手机对人体的电磁辐射作用已经越来越受到公众的广泛关注。 目前，比较公认的人体电磁辐射的计算值是比吸收率s a r ( s p e c i f i c a b s o r p t i o n r a t e ) 。 比吸收率根据不同介质中电场强度的大小来相应的衡量电磁辐射的程度。国外对于比吸收 率的研究从上世纪七十年代已经开始，目前相当一部分国家已经提出或制定了s a r 方面的 标准和规范。 对于电磁辐射问题，国内外已经进行了大量的研究工作。本篇论文利用电磁场计算的 常用方法时域有限差分方法( f i n i t ed i f f e r e n c et i m ed o m a i n ) 对s a r 进行数值模拟计算， 并着重在一下几个方面展开讨论： 首先，将电磁场数值计算的常用的f d t d 方法应用到s a r 模拟仿真计算中，设置适 用于电磁辐射计算的边界条件，网格划分规则等； 其次，本文分别计算了9 0 0 m h zg s m 系统和2 0 0 0 m h zw c d m a 系统的基站天线系统 中人体的s a r 值。用近似的等效人体模型进行计算，并且比较了不同部位s a r 值的变化 情况。 最后，本文分别计算了9 0 0 m h zg s m 系统和2 0 0 0 m h zw c d m a 系统的手机系统中人 脑的s a r 值。建立人脑电磁模型，研究s a r 变化情况、并计算峰值s a r 和平均s a r 。 关键词：时域有限差分法比吸收率人体模型宽带无线接入系统 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , m o b i l ep h o n ea n do t h e r m o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e r m i n a l sb e c o m em o r ea n dm o r ep o p u l a ri np u b l i c b e c a u s ei nt h e p r o c e s so ft h ec a l l i n g ，t h e r em u s th a v ec e r t a i ne l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o np r o d u c e do rr e c e i v e db y t h et e r m i n a l t h e s er a d i a t i o n sm a y b r i n gt h eh e a l t hh a z a r d st oh u m a nb e i n gm o r eo rl e s s s ot h e e l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o nf r o mm o b i l et oh u m a nb r i n g sm u c hm o r ep u b l i c sc o n c e r n st o d a y a tp r e s e n t ，t h ec o m m o n l yr e c o g n i z e dv a l u ef o re l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o nt oh u m a ni ss a r ( s p e c i f i ca b s o r p t i o nr a t e ) s a rv a l u eb a s e do nt h ee l e c t r i cf i e l di n t e n s i t yi su s e dt oe v a l u a t et h e e l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o nd e g r e e t h es t u d yo fs a rb e g a nf r o mt h e 19 7 2 sa b r o a d ，n o ws t a n d a r d a n dc r i t e r i o no ns a rh a v e b e e np r e s e n t e di nm a n yc o u n t r i e s m a n yr e s e a r c h e sa b o u ts a r h a v eb e e nd e v e l o p e da th o m ea n da b r o a d t h i sp a p e ri n c l u d e s t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n sf o rs a rb a s e do nf d t d ( f i n i t ed i f f e r e n c et i m ed o m a i n ) w h i c hi s c o m m o n l yu s e di ne l e c t r o m a g n e t i cf i e l dc a l c u l a t i o n t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ef o l l o w i n g a s p e c t s ： f i r s t l y , t h ef d t d m e t h o dw h i c hi sw i d e l yu s e dn u m e r i c a lm e t h o df o re l e c t r o m a g n e t i cf i e l d c a l c u l a t i o ni si n t r o d u c e di n t ot h es i m u l a t i o no fs a r c h o o s et h eb e a e rb o u n d a r yc o n d i t i o na n d g r i ds p a c i n gf o rt h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l dc a l c u l a t i o n s e c o n d l y ，t h es a ri nt h eb a s es t a t i o na n t e n n as y s t e mi n9 0 0 m h zg s ms y s t e ma n d 2 0 0 0 m h zw c d m a s y s t e mi sc a l c u l a t e d u s i n ge q u i v a l e n th u m a nm o d e l ，t h es a r i nd i f f e r e n t p a r t so ft h ee q u i v a l e n th u m a nm o d e li sc o m p a r e d f i n a l l y ，t h es a ri nt h eh a n dp h o n es y s t e m 洫9 0 0 m h zg s ms y s t e ma n d2 0 0 0 m h z w c d m a s y s t e mi ss i m u l a t e d b a s e do nt h ee l e c t r o m a g n e t i cm o d e lo fh u m a nh e a d ，t h es a r i n t h eh u m a nh e a di sr e s e a r c h e d ，a n dt h ep e a ks a ra n dt h ea v e r a g es a ra r ec a l c u l a t e d k e yw o r d s ：s a r ；f d t d ；h u m a nm o d e l ；b r o a d - b a n dw i r e l e s ss y s t e m i i 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：墨整日期：竺：竺：! ，- 厂 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：圣晕塾导师签名：主雀毖塞日期：堡墨：笙。厂 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 随着科学技术的发展，尤其是通讯设施的日益增多，人们日益暴露于各种频率各种强 度的电磁场之中，例如，蜂窝无线通信系统，宽带无线接入系统，各种家用电器，办公室 的计算机屏幕，高压输电线路，电台、电视台和无线通讯网络等都产生一定的电磁辐射， 电磁辐射已成为一种新型、特殊的环境污染，特别是移动通信的电磁辐射对人类健康的影 响已经引起人们的极大关注。 在移动通信发展初期，人们已经开始着手电磁辐射对人体作用的研究，自1 9 9 3 年美 国佛罗里达州全球首个移动电话索赔案以来，有关移动电话的电磁辐射损害使用者健康的 诉讼屡有报道，激发了人们对这一问题研究的重视，国内外学术界围绕此问题进行了大量 艰辛的探索，但由于应用的数学工具、建模方法和实验条件等有所不同，迄今为止，对于 通信设备是否对人体健康构成危害，至今尚未定论。对其产生人体生物学效应的机理更是 知之甚少，导致各国制定的通信设备的辐射防护标准版本繁多，差异不小。 随着我国发展成为世界上最大的移动通信消费市场，通信设备电磁辐射问题已经成为 社会关注的焦点，外界电磁场与生物体的相互作用非常复杂，但只有进入生物体内直接与 生物体发生相互作用的电磁场是产生生物学效应的直接因素，因此确定进入生物体内的电 磁场分布显得十分重要。为保障理论计算的准确性，人体和通信设备( 如手机) 的建模是 一个关键环节。本课题的研究具有重要意义和广泛的应用前景，通过预测电磁波对人体的 电磁辐射作用剂量，可以直接与各种电磁辐射卫生标准进行比较，为建立符合我国实际情 况的卫生标准提供有价值的资讯数据。同时，为提供辐射中人体受到最大伤害的部位及分 布提供理论结果。 1 2 电磁辐射对生物体影响的国内外研究现状 各国规定的射频、微波辐射标准规定了电磁场的限值，这些标准是基于初步的手机辐 射热效应以及生物试验、调查等决定的。但由于移动通信场景的复杂性，以及移动通信技 术的快速发展，这些规定十分的不准确甚至是错误的。人在某些特殊的场景中，例如，离 人体很近的正在传输高速视频业务的手机，其辐射功率很强，在人体的局部会产生热效应 ( t h e r m a le f f e c t s ) 对生物体内的组织和分子化学键等等产生直接的影响。而与非热效应 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 ( n o n t h e r m a le f f e c t s ) 相关的试验表明手机辐射对细胞、神经、血红蛋白、免疫系统、d n a 等有一定的影响。 瑞典和挪威学者针对两国手机使用者( 大部分使用g s m 数字系统，部分使用n m t 9 0 0 模 拟系统) 的投诉，对1 2 0 0 0 瑞典人和5 0 0 0 挪威人进行了主述症状的问卷调查。主要表现为植 物神经系统症状( 眩晕、头痛、记忆力丧失、注意力分散) ；温热感觉( 耳上及耳后) ； 面部皮肤( 紧张、发抖和烧灼感) 以及其它自述症状【1 捌。另一项调查的4 0 个不同职业志愿 者描述了他们出现于太阳穴、枕骨或耳部的烧灼感或原因不明的痛感，这些症状发生于手 机通话几分钟，而且会复发和持续，这可能与颅内效应有关，其中7 5 与数字移动电话有 关【3 1 。使用一般电话时这些症状不会发生。 暴露于数字手机信号可明显升高人的血压。b r a u n e 等【4 】观察到血管明显变窄导致血压 升高的现象。为了评价手机i u 辐射对大脑电功能的潜在影响，k i m 等【5 】把1 0 名健康男性 志愿者分为两组，五名使用手机，其他五名为非手机使用者，脑功能应用脑电图( e e g ) 和听觉诱发电位( a e p ) 双重检验。他们得出结论：普通的g s m 手机辐射强度可以改变 大脑初期l 拘( p r e p a r a t o r y ) 生物电活动。有趣的是这效应是相对特定功能和脑局部解剖位置发 生的，由于对电磁场中心神经系统信息处理过程一无所知，所以讨论是推测性的。 c z e r s k a 等【6 】报导，由于暴露于射频电磁场，细胞周期将发生改变，其中暴露于低强度 的2 4 5 0 g h z 电磁场的细胞周期改变是暴露于2 7 m h z 电磁场的两倍左右。c l e a r y 等人证实 2 4 5 0 g h z 以及2 7 m h z 射频( s a r 值为5 w k g ) 可以促进人外周淋巴细胞株 7 1 、神经胶质 瘤细胞株( l n 7 1 ) i s l 和中国仓鼠卵巢细胞株【9 1 增殖。s t a g g 等人研究表明8 3 6 5 5 m h z 射频 ( s a r 值为5 9 m w k g ) 暴露2 4 小时对神经胶质瘤细胞株( c 6 ) 的增殖影响不大【l o 】。但 k w e e 等人研究表明9 6 0 m h z 射频( s a r 值分别为0 0 2 1 、o 2 1 和2 1 m w k g ) 降低人上皮 膜细胞的增殖】。由此看来射频暴露对细胞增殖等方面的研究必须存在显著的频率窗、强 度窗和时间窗效应。 c l e a r y 等【8 】报道，从7 2 m h z 到1 0 g h z 的范围内，电磁辐射能影响钠钾离子通过细胞膜 的流量。微波也能影响人红细胞膜上的钠钾a t p 泵1 2 】，以及细胞膜的通透性及膜电位13 1 ， 从而导致电穿孔【1 4 】。射频场对k + 、n a + 等离子通道的影响表明其可能影响细胞膜功能，其 原因可能主要是依靠温度，而不依靠i 疆场的频率【1 5 ，16 1 。体外研究还发现i u 场辐射还可 引起神经细胞或脑组织c a 2 + 夕b 流【1 7 】。 比吸收率的概念最早在1 9 5 3 年由美国的学者s c h w a n 提出【1 8 1 。但是国外对于比吸收率 的研究开始于上世纪七十年代末期，当时由于计算机技术的限制，所有的研究仅停留在简 单的估算和定性的描述。而且由于手机等移动通信设备使用还不够普及，比吸收率的研究 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 发展很缓慢。 到了上世纪九十年代，随着各种数值算法的成熟以及计算机技术的发展，使得利用数 值计算来分析电磁场问题成为可能。通过c t 扫描得到的真实人体模型被应用在仿真计算 里面，而到了九十年代中期开始。随着制造技术的发展，实验方法以及实验仪器也不断的 被研制出来，使得理论与实践有了相互参考的机会。 进入了二十一世纪，对于比吸收率的研究已经非常普遍，当前对于比吸收率的研究多 集中在一下几个方面： 1 ，构造不同的人体模型，特别是头部的模型。欧美国家都制定了一系列标准的人头 模型。并且根据年龄、性别、种族等进行了系列化【1 9 1 2 0 】； 2 ，考察不同频段的影响 2 l 】，由于无线通信技术使用的频段在不断的变化，因此对于 频率的影响已经做了很多的研究； 3 ，优化数值方法，使计算更加精确，并提高计算效率1 2 2 】； 4 ，将仿真实验与理论研究相结合，建立更好的仿真真实情况的模型2 3 】； 5 ，结合生物剂量学对电磁场的问题进行分析，引入生物热传导方程等模型【2 4 】； 国内对比吸收率的研究开始的比较晚，从上世纪九十年代中后期开始，其中信息产业 部所属的泰尔实验室是国内开展系统研究最早的单位。但是目前国内各研究单位由于条件 限制，研究多在理论方面进行【2 6 1 。 1 3 生物电磁学及生物电磁剂量学简介 电磁场对生物体特别是人体是否产生影响及产生何种影响的研究促成了一门交叉学科 “生物电磁学”的产生。生物电磁学是研究电磁场与生物系统相互关系和作用规律的 学科，从一般意义上讲，指的是外界电磁场与生物系统的相互作用，涉及一下六个方面的 主要内容：一是电磁场的生物效应，主要研究生物体吸收电磁波后所产生的与生命( 生理、 生化、结构、功能等) 有关的响应；二是电磁场的生物学效应机理，主要研究电磁场作用 下生物系统发生效应的原因；三是生物电磁剂量学，主要研究在多大的电磁场作用量条件 下才会发生生物电磁学效应；四是生物组织的电磁特性，主要研究在将生物组织作为电磁 媒质看待时它的电磁参数及色散特征；五是电磁场的医学、生物学应用，主要研究生物学 效应可在何处应用及如何应用；六是对基于新发现的电磁场生物效应的临床设备的研制开 发以及防止电磁场的负面效应而制定合理的、各行各业都应遵守的辐射限值国家标准。 生物电磁学的量化基础是生物电磁计量学。生物电磁计量学是电磁波生物学效应研究 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 的前提，是效应机制研究的基础，是应用研究的依据。 生物电磁学的含义是电磁波给予被作用的生物系统的电磁作用。其内容是：( 1 ) 选取 何种物理量来描述给予生物系统的电磁作用量，即选择科学合理的计量学量；( 2 ) 用什么 方法得到这一物理量，即研究生物系统获得这一计量学量的大小及该量在生物系统内如何 分布的方法。 1 4f d t d 方法概述 各类复杂系统中的电磁问题，主要依据各种电磁场数值计算方法来加以解决。现在随 着电子计算机处理能力和存储容量的巨大发展。更促使了这些计算方法在实际问题中的应 用。近几年来电磁场数值计算中的一个热门技术就是时域有限差分方法。 时域有限差分方法( f i n i t e d i f f e r e n c et i m e d o m a i nm e t h o d 简称f d t d m e t h o d ) 是求解 电磁问题的一种数值技术，它是在1 9 9 6 年由k s y e e 第一次提出的。f d t d 方法直接将有 限差分式代替麦克思维方程中的微分式，得到关于场分量的有限差分式，用具有相同电参 量的空间网格去模拟被研究体，选取合适的场分量初始值和计算空间的边界条件，可以得 到包括时间变量的麦克思维方程的四维数值解【2 7 1 。 2 0 多年来f d t d 方法经历了一个蓬勃发展的过程。最初是用来求解金属体上的散射问 题，采用笛卡儿坐标系，使空间单元呈直角六面体。鉴于当时的计算机容量水平，特别是 f d t d 技术本身尚有若干重要问题没有很好的解决，使得早期的数值解精度不高，应用范 围也不广，这种局面持续到7 0 年代末期。随着f d t d 技术的发展，首先需要解决的是有 限计算空间的无反射截断问题，早期采用的一种方法是加大边界与散射体之间的距离，以 在边界上构成外向行波，这种方法精度不高、计算空间也大。直到后来将波方程的二阶近 似用来处理边界上的场值，才得到了较好的近似吸收边界条件，才将这个问题的解决向前 推进了一大步。在直角坐标系中用f d t d 技术模拟时，光滑曲线形媒质表面将呈现锯齿形 状，这可能产生沿面的表面波，加大了数值色散误差，解决这个问题的有效方法是“共形 技术的提出，这包括：或是使用曲线坐标系使媒质表面与坐标曲线共形，或是在直角坐标 系中改变媒质界面上的网格形状，使二者共形，利用共形网格明显提高了计算精度。在电 磁问题中，当媒质结构尺寸小时( 如细线、窄缝或薄介质层等) ，将使f d t d 模拟变得困 难。近来相继出现以麦克思维方程的回路积分形式建立f d t d 算式，f d t d 与其他方法( 比 如积分方程法或矩量法) 的混合技术，以及媒质参数的网格平均技术等，均提供了解决这 类特殊问题的途径。f d t d 方法的特点是很容易求得被研究物体的近场，但不易一次直接 4 塑室唑皇奎兰堡圭塑窒竺兰垡堡茎至二兰丝笙 得到远场值。8 0 年代初期提出的利用等效原理将频域近场变换为远场是解决这个问题的好 方法，近几年又将此技术发展到时域上。这两种路径给求解散射问题和天线问题提供了强 有力的工具。上述几方面问题的进展有力推动了f d t d 技术的发展和应用，使它在解决复 杂形体结构和多种媒质并存的一类问题中占有重要的位置。今天不仅仅在电磁散射、电磁 兼容预测。生物电磁学中得到卓有成就的应用，而且在天线、微波技术。光电子学等应用 中愈益受到重视。 由于人体结构复杂、组成繁多，因此不可能运用解析法解决其相关的电磁问题；而时 域有限差分方法因其可以灵活的处理不规则形体的电磁问题，被广泛应用与生物电磁学 中。本文正是希望通过f d t d 方法来研究移动通信的电磁辐射在人体内部所产生的电磁场。 1 5 论文研究目标和主要内容 本文主要是计算宽带无线接入系统中人体对电磁辐射的比吸收率，包括计算基站系统 中人体的s a r 值和计算手机辐射下人脑的s a r 值。在计算基站系统下人体s a r 值时，主 要研究s a r 值在人体中的变化趋势，比较了不同部位的s a r 值；在计算手机辐射下人脑 的s a r 值时，除了研究s a r 值的变化趋势还计算了局部最大s a r 、局部平均s a r 、每克 最大s a r 以及每克平均s a r 值。 本文第一章是绪论，简单介绍本文的研究背景以及意义，国内在比吸收率上的研究的 现状，还有本文所设计到的一些理论基础，使得读者对本文有个大概的了解。 第二章介绍了生物电磁学概要，包括电磁辐射生物效应、电磁辐射剂量学的研究、电 磁辐射防护卫生标准等。 第三章是电磁波时域有限差分方法的基础知识，f d t d 方法是本次研究的主要方法。 本章主要是介绍了f d t d 方法的基本原理、基本方程、数值稳定性、吸收边界条件，激励 源设置等，最后还给出了几个采用f d t d 方法计算的算例，这些算例主要是为了检验f d t d 程序的正确性。 第四章是人脑模型的建立，包括建立方法、步骤等等。模型的建立是研究过程中的至 关重要的环节，关系到最后结构的准确性以及精度问题。 第五章列出了本次研究的主要结论、数据、图形等，包括s a r 值在人脑中的变换趋势、 最大s a r 值以及平均s a r 值等等。 本文计算的一个创新就在于计算了移动宽带无线接入系统中的s a r 值，本文是以 2 0 0 0 m h zw c d m a 系统为例进行计算的，不仅计算了手机终端辐射下人脑模型中的s a r 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 值还计算了基站系统中人体模型中的s a r 值。本文还计算了9 0 0 m h zg s m 系统下的s a r 值作为与2 0 0 0 m h z 的结果的对比。 6 直立邮电太堂亟硒宜生堂焦途塞筮三童生物虫磁堂拯噩 第二章生物电磁学概要 2 1 引言 生物电磁学( b i o e l e c t r o m a g n e t i c s ) 作为- i - j 独立学科是从二十世纪五十年代逐步发展 和确立起来的。生物医学工作者和物理学家之间的密切合作，使得大量物理学研究成果和 技术渗透到生物医学领域中，随着物理学的迅速发展，物质非平衡态和非线性电动力学在 基本生物组织上的应用，为细胞生物学和分子生物学研究开拓了新的局面。人们越来越关 注电磁场对生物体的作用以及其微观机理。近年来生物电磁学发展十分迅速，研究领域不 断拓展，地位日益重要，展示了广阔的反展前景。 生物电磁学综合应用物理学和有关工程技术的理论与方法，从工程科学的角度研究生 物。人体的结构和功能以及功能与结构之间的关系。生物电磁学的介入是双向的：一方面 将物理电子科学用于生物和医学领域，使这些领域的研究方向从定性提高到定量；另一方 面生命过程中揭示出的许多规律，特别是经过遗传进化而形成的生物信息处理的优异特性 将会给电子科学以重要启事，这不仅会推动电子科学的发展，还将会使信息科学发生革命 性的变革。生物电磁学作为一门新兴的学科，把物理学和生命科学紧紧的结合在一起，使 我们清楚的看到生物组织是基于原子水平的物理过程，而不是基于生物分子间的反应。这 些物理过程可以有力的调制生物化学反应的产物。电磁场对生物体的作用也不仅仅是电磁 能在生物体内的简单转化，理论和实验表明，电磁场对生物体的作用产生了许多复杂的生 物物理效应。 2 2 电磁辐射生物效应 跟普通无生命的导体、绝缘体以及半导体不同，生命体系是一个开放的耗散结构，新 陈代谢的能量不仅使生命体维持在非平衡态，也赋予了系统中有序结构的相干性和协同 性。电磁辐射起了初始触发的作用，触发了生物体系自身的特定结构和机制，使生命体有 序而协调的引起非线性的响应。当这种触发发达到一定的阈值，就能有效的启动响应机制。 机体内的神经系统。内分泌系统及免疫系统中都有这类非线性响应。 2 2 1 生物组织的电磁属性 生物组织由各种细胞组成，生物组织的电磁特性就是研究生物组织细胞在电磁场的作 直立邮虫太堂亟砑究生堂僮论塞 箍三重生物虫礁堂挞要 用下所表现的响应特性。电磁场对细胞的作用过程是随着温度、频率和强度而变化的，其 电磁特性归纳起来有如下三点【2 8 j ： ( 1 ) 几乎所有生物组织都是非磁性物质，即生物组织对外加磁场的响应与空气媒质相近， 因此，其磁道率可以用空气磁道率风表示。 ( 2 ) 生物组织在外加电场作用下表现出导电特性，导电特性是组织内自由电荷( 包括电 子和各种离子) 在外加电场作用下的响应，组织内自由带电粒子和各向正负离子将产生宏 观的迁移，生物组织内可以产生一定的传导电流，生物组织的电导率与频率有关，在 9 0 0 m h z - - 2 4 0 0 m h z 的范围内，呈现明显的色散特性，并且随温度变化而变化。 ( 3 ) 生物组织在外加电场作用下还表现出一种介质特性，介质特性是组织分子中的束缚 电荷对j b d i a 电场的响应，它起源于生物分子的带电粒子在j i - d i 场作用下所产生的极化效 应，包括：电子极化、离子极化。取向极化和空间电荷极化等。 以下简单介绍一下生物组织的导电特性以及介电特性。 生物组织的导电特性是组织内自由电子对j t , d n 电场的响应特性，用电导率。表示，单 位是s m 。只要得知各生物组织的o ，又求得各点的电场强度e ，就可以由欧姆定律的微 分形式了= 盯云( 彳m 2 ) 计算出生物组织中任意一点的电流密度：又可以又焦耳定律的微分 形式p = 面= a f f , ( w l m 3 1 求得单位体积的生物组织内的损耗功率( 转变为焦耳的功率) ， 由于生物组织的不均匀性，o 是位置的函数，由于生物组织的色散性，o 也是频率的函数。 生物组织的介电特性是生物分子中束缚电荷对外加电场的响应特性。媒质的介电特性 用介电常数表示，单位是f m ，或用相对介电常数f o 表示，式中o 为真空中的介电 常数。因为不同的生物组织由不同结构和功能的细胞组成，鉴于细胞及构成细胞的生物大 分子的多样性和复杂性，因此，生物组织的介电特性很难用理论方法作出准确的计算和分 析。不仅如此，生物组织的电导率。和介电常数在活体的情况下与离体的情况下也是完 全不同的，而就离体情况而言，也会随离体时间的长短而变。 就物体本质而言，媒质的介电特性是其在电场作用下被极化的反应。e 是其描述的宏 观参量。从微观角度，又可以将极化分为电子极化，离子极化，取向极化和空间电荷极化， 实际上它们是可以在同一媒质中同时存在的。在此应该强调指出，无论是哪种极化形式， 均需经历一定的时间才能达到稳定状态，这以过程称为弛豫过程，该段时间称为弛豫时间。 正是由于弛豫现象的存在，使不导电的所谓介质对在其内传播的电磁波也会产生损耗。为 了描述介质的这种特性，可以将介电常数表示成复数形式；= f 弦。，其中，s 被称为介 直立邮电太堂亟亟宣生堂僮论塞 堑三重生物虫礁堂接鐾 电常数实部或者介电常数，其物理意义如同前面的；占。被称为介电常数的虚部或者损耗 因子。从另一角度讲，占( 或前文中的占) 是介质储存电场能的描述参数，这可以从介质 中单位体积内的损耗功率表达式= 缈s e 2 ( w m 3 ) 看出，缈式中为电磁波的角频率。 另外，生物组织是集导体与介质于一身的媒质，因而它的损耗来自两个方面，一是导 电损耗，起因于宏观运动的电子与晶格的碰撞；二是介质损耗，起因于极化弛豫，或直观 理解为来自于分子偶极矩随时变外电场不断改变其方向过程中的碰撞。事实上，在实际问 题的处理中，人们无法区分也无需对二者加以区分，因而在应用时，提出了相互等效的描 述方法，比如，当把介质损耗等效为导电损耗时，其总损耗参数用等效介电常数s 。描述： s 。：里+ 占。这样，便可用等效复介电常数孑：占一声。描述生物组织的电特性。媒质的介 电常数与外加场的频率及弛豫时间的关系由d e b y e 方程描述如下： 占。肋) = 面d ( j c o 可) = 瓦+ 而e s - - ( 2 1 ) 其中，瓦是当频率趋于无穷大时的介电常数，即是在阶跃电压作用后零时间限上观察 值；瓦是零频率下的介电常数：f 是弛豫时间。将占，的实部和虚部分开，有： 其中 占，( 缈) z 蠢一_ ，f ：三氏+ 而g - e = ( 2 2 ) 占r 咆+ 祷 s ，锗 人体不同组织的电特性是不一致的，电特性是频率的函数也随位置而变。目前，在实 际问题中均采用的实验测试数据。在人体内有电磁波传播时，赋予人体模型不同网格不同 的电参数。因此需要知道各频率点处各种组织的电参数。 占。，为相对介电常数，占，为损耗因子，也就是在介质弛豫过程中吸收能量的量度，与介 质损耗有关。可见复介电常数具有色散特性。实际上，大多数生物组织不光是有一个时间 常数的弛豫状态，可能并行发生具有不同弛豫时间的多重弛豫过程。设存在线性响应，则 对于阶跃变化的e 场，媒质的介质响应可以表示为一阶过程的叠加，由此得 荆= 气一石j o 岛 o ，+ ；| ；焉 ( 2 3 ) 式中o - o 是专0 时电导率得极限值。式( 2 2 ) 是式( 2 - 3 ) 得特例。由上式可以得到， 乒气+ 喜祷 吒如喜锗 亿4 ， 式( 2 3 ) 是描述生物组织得d e b y e 多项式。实验测量得到得相对介电常数和电导率既 是式( 2 4 ) 中的g ：和o - , 。吒为等效电导率，包括生物组织的两种损耗：介质损耗和导电 损耗。人体不同组织电性质是非均匀的，电导率和介电常数都随频率变化，目前均采用生 物组织的实验测试参数。根据有关文献提供的不同生物组织在1 0 h z _ 1 0 0 g h z 的实验数 据，可以利用d e b y e 方程或者多项式，拟合出不同组织在不同频率点上的电参数。 2 2 2 电磁辐射对人体的作用 电磁辐射对人体组织器官可能造成两种类型的影响，分别是电离辐射和非电离辐射。 这两类电磁辐射与人体相互作用的机制完全不同，所导致的后果也不尽相剧2 9 】。 啦l o 31 0 a s l o 71 0 91 0 1 1l o 1 3l o 1 5l o 1 7i o 1 9l o 2 l1 0 n 2 31 0 “2 5 频率h z 图( 2 1 ) 按频率划分的电离辐射和非电离辐射 电离是电子受到外界能量的激发，从原子或者分子中逃逸出来的过程。如果生物体的 组织细胞或者分子结构受到照射，会对d n a 等结构造成损伤。电离的过程需要外界附加 较高的能量，需要有高频的电磁辐射，一般来说辐射源是x 射线等，手机等无线通信设备 使用的频率没有那么高。 非电离辐射即生物的“热效应 。手机等移动通信设备作为辐射源，其能量在电磁场中 以电磁波的形式进行传播。射频电磁波的频率范围在3 k h z 3 0 0 g h z 之间，虽然其单个频 l n 直塞蛏虫叁堂亟班塞垡堂僮论塞箍三重生物盥磁堂拖要 率的电磁波光子的能量不足以导致原子和分子的电离，但是在外加电磁辐射的作用下，人 体内将产生感应电磁场。人体内电磁场将会产生电流，导致吸收和耗散电磁辐射能量，因 此人体组织会局部受热，当生物组织受到刺激后会产生生物“热效应。尤其是频率相对 较高的射频辐射会使人体的组织无法处理产生的过多的热量导致人体自治结构受损。手机 等设备的产生的电磁辐射虽然频率相对较低，但是常时间的处于辐射之中，仍然会导致人 体器官温度的缓慢上升【3 0 】【3 1 1 。 和电离辐射不同，频率较低的非电离辐射在同样的电场强度下可能引起明显不同的能 量吸收水平。同样频率和功率的电磁辐射对动物可能不起任何作用，但是不能保证在同样 的强度辐射下对人体也是安全的。 生物电磁学的研究表明，人体的大脑以及生殖器官部位对于热效应产生的温度上升最 为敏感。此外，对于射频频段的电磁辐射，还存在一些“非热效应 的辐射危害，如生物 组织的共振效应、血液的化学反应、神经系统功能作用、生长效应等，这些效应与生物机 能等方面关系较大，不是电磁学可以研究解决的，与受到的电磁辐射剂量没有直接的关系， 如图( 2 2 ) 可以看到非线性关系。 1i m e s e c o n d s 图( 2 2 ) 不同人体器官随时间所吸收的功率密度值变化关系3 2 】 在绝大多数情况下，手机等通信设备的电磁辐射并不会导致直接、明显的危害，目前 对于手机等低功率的射频设备产生的电磁辐射，还没有证据证明会产生有害的生物效应。 但是现代社会对于手机等设备的依赖越来越大，使用频率也越来越高，随着公众的环保意 识的增强，其辐射的长期效应不能忽视，因此手机等设备的电磁辐射问题还是引起了足够 的关注和重视。 ed口s；e，参lsua口ja享d乱 直塞鲣皇太堂亟硒宜生堂僮论塞 箍三童生物血礁堂趣壁 2 3 电磁辐射剂量学 电磁场与生物体的相互作用是从物理到生物的一个复杂过程。电磁场的生物效应需要 依靠生物学和医学的研究结果来验证，但在这个验证过程中，剂量学起着十分重要的作用。 其一，剂量学研究能够预测辐射对人体( 或实验动物) 组织的能量作用的大小和分布，为 设计有效的生物学效应实验方案、建立防护措施提供依据。其二，目前已有大量关于非电 离辐射防护卫生标准公布，在实际应用中进行剂量分析可与这些标准进行比较得出初步结 论，控制照射条件。另外，为了电磁辐射生物效应研究结果的可比性，也需要采取公认一 致的剂量表达方法。 剂量是指计算或测量被照射靶标所吸收的能量及其内部场分布。剂量学的最终任务， 就是确定一定生物系统在特定照射条件下所接受的剂量，即所选定的剂量学量的数值。手 机对人体电磁辐射剂量学参数是用以表征外界电磁场进入生物体内并直接对生物体产生 作用的物理量，主要有能量比吸收率s a ( s p e c i f i ca b s o r p t i o n ，s a r ：w k g ) 和功率比吸收 率s a r 。s a 是指暴露与电磁场中的生物体内单位质量组织吸收的总能量，主要用来描述脉 冲场的作用。s a r 是指暴露与电磁场中的生物体内单位质量肌体按时间周期平均的平均吸 收功率，按取平均的组织区域的不同，又分为全身平均s a r 和局部平均s a r 。s a r 是电磁 剂量学的基本量，为各国卫生标准所广泛使用，目前国际上公认的以s a r 来衡量手机对人 体的影响程度，并用以确定人体能够接受的限制值。 比吸收率( s a r ) 定义为单位时间内单位质量的人体组织所吸收或消耗的电磁辐射功 率，单位为w k g 或m w g 3 3 】【3 4 1 。 黝r = 丢( 罢) = 丢( 多) 亿5 ， d l d m ) 斑p d y ) 、。 式( 2 5 ) 就是根据定义得到的s a r 表达式，其中t 为时间，单位为s ；w 为辐射功率， 单位为w ；m 为人体组织的质量，单位为k g ，p 为物质密度，单位为k m 3 ；v 为人体组 织结构的体积，单位为m 3 。 在实际的计算或者测量过程中，辐射功率是不容易直接得到的一个参数，因此可以将 式( 1 ) 进一步变换成如下形式： 蹦r ：堡 ( 2 6 ) p s a r = c 百d t i ，卸 1 2 ( 2 7 ) 直塞邮电态堂亟巫壅生堂僮途塞 簋三重生物盥礁堂概墓 在式( 2 6 ) 中e 是人体组织中电场强度的均方根值，即e = 霹+ e ；+ 霹，单位为 v m ；仃为人体组织电导率，单位为s m 。电导率和密度可以通过简单生物实验或者查阅 相关资料获得。由( 2 5 ) 式可以看出，计算人体组织的s a r 值，首先要计算出人体组织 中电场强度的分布。 在式( 2 7 ) 中，c 是人体组织的热容，单位为j k g 喂；后面的导数表示了初始受辐射 时刻人体组织的温度变化率，单位是k s 。从这个式子出发，只要通过测量人体组织的温 度变化就可以很方便的得到s a r 值。 本文对于比吸收率的研究，是从电磁场计算的角度来考虑，因此主要用到式( 2 6 ) 的 计算方法，即通过得到电场强度的分布来推算s a r 值。同时，s a r 值又可以分为局部s a r 值和平均s a r 值。平均s a r 值就是在前面计算的基础上，在一定质量的组织范围内对s a r 值求平均值的过程，一般取的质量单元的大小为l g 或1 0 9 。局部s a r 值主要用在考察 定范围内电磁辐射的最大峰值，以评判辐射是否符合相关的安全规范标准；而平均s a r 值可以描绘出空间电磁辐射的分布情况，给进一步分析提供帮助。 2 4 实验剂量学 实验剂量学是利用实验的方法测量生物体或模型在一定的电磁场作用下吸收的总功 率( 平均s a r ) 或内部场分布( 局部s a r ) 。常用的方法主要有：电场法、温度法和热像 法。电场法是指用电场探头逐点测量生物体内或模型内的电场，再根据公式( 2 6 ) 结合组 织参数确定靶标点的s a r 值。植入电场探头是最灵敏、最直接的测量局部s a r 值的方法。 偶极子传感器长度小于5 m m ，能探测低到o 2 w k g 的s a r 值。c l e v e l a n d 等【3 5 1 用可植入式三 维电场探头测试暴露在手机辐射环境下人体头部s a r 分布，测得的s a r 峰值表明手机侧面 放置时头部s a r 峰值超标。文献【3 6 1 在电波暗室中测试手机辐射，并讨论了温度和气流的影 响。温度法是最常用的确定组织和试管培养液中s a r 值的方法，它是用置入式温度传感器 在实验过程中实时测量靶标的温度。再由下式计算s a r 值。 s a r 4 18 6 c a t ( 2 8 ) t 式中，c 为组织材料的比热( k c a l k g ) ，4 1 8 6 为从k c a l 至l j j o u l e 的转换系数。r 为温 升( ) ，t 为照射时间( s ) 。如果射频辐射的能量足够高，温度探头法也可以用来确定 局部s a r 值。当人体或模型产生的空间峰值s a r 大于2 0 w & g 时，温度探头法能够准确地测 量。b a l z a n o 等鲫很早就用分辨率为0 0 1 的数字式温度计测量了手机天线对人头颅模型的 煎塞蛏电太堂亟婴究生堂焦途塞 蔓三重生塑啦鹫堂煎壁 作用。在二维s a r 钡, u 量中，有很多新的方法出现，如用温度敏感液晶板做可视化的定性分 析，也可用c c d 成像技术把液晶胶片颜色的色调转换成定量的温度数据【3 8 1 。热成像技术是 用来快速测量s a r 值的方法，它通过比较照射前与照射后的温度差来确定被照物体上升的 温度。g u y 等 3 9 】用热图像技术测量了模拟使用移动电话的人体模型内的s a l l 分布。还有的 研究人员用核磁共振成像来得到模型内部的热量分布，但在大多数实际应用中，费用太高。 发光图像技术是一种在光学透明模型中映射s a r 分布的新技术。b r u n o 等1 4 0 】用一种化学发 光的化合物在射频照射下发出的光密度的改变和一种定量的发光图像系统来推导s a r 分布 图。另外还有双井测热法、杜瓦瓶量热计法】等。这些方法适用于小靶标，而热像法一般 适用于大靶标。在上面介绍的各种方法中，电场法和温度法测量s a r 值的准确度在 2 d b 。3 d b 以内【4 2 1 。这种不确定性主要是由于感生电场分布的陡峭的梯度和射频照射中 的热动力学问题产生的。测量全身平均s a r 的热像法准确性比较高，在几个百分点以内。 综上所述，实验电磁剂量学虽取得了大量的实验数据，为进一步的工作奠定了良好的 基础。但由于各方面的问题，还有很多问题有待解决： 如何提高射频场中生物组织特性数据的准确性； s a r 测量方法的复杂性和困难度： 缺乏完全的校准内部电场测量系统的方法和灵敏度高( 分辨率0 0 1 ) 、射频透明的温 度探测系统； 没有标准化的模型和组织等效材料；加之考虑问题角度不同，采用的辐射模型和人体 模型上的差异，各研究者所得结果之间的差异很大，要相互比较非常困难。 在以上的分析、研究中，都以比吸收率( s a r 值) 作为基本的剂量学量，这也是国际通 行的电磁剂量。但s a r 本身是一个标量，并不能反映感生电场或电流的方向性，而耦合的 方向有时对s a r 值的结果影响很大。而且由于连续电磁波与调制波对生物效应的差异，在 考虑调制电磁波或电磁脉冲时，s a r 应该作一些修改以反映射频场的时变特性。对某