典型地鐵站臺(tái)射頻天線電磁暴露安全評(píng)估

李 瑾，逯 邁

(蘭州交通大學(xué) 光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

國際公共交通協(xié)會(huì)(UITP)2018年9月公布的最新數(shù)據(jù)顯示，在56個(gè)國家的182個(gè)城市，每天有1.68億人次乘客乘坐地鐵[1]。我國城市軌道交通協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)報(bào)告顯示，截至2018年末，全國城軌交通累計(jì)投運(yùn)車站3394座，地鐵在城市軌道交通運(yùn)營里程中占比75.6%，客運(yùn)量穩(wěn)步增長。“互聯(lián)網(wǎng)+城軌交通”是城市軌道交通發(fā)展的新方向。地鐵無線通信系統(tǒng)不僅要滿足行車安全需求，也要為乘客提供高質(zhì)量通信服務(wù)，并與地面無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)同步信息數(shù)據(jù)的傳輸。地鐵站臺(tái)客流量大、無線通信需求旺盛[2]，形成復(fù)雜的電磁環(huán)境。

生物電磁學(xué)研究表明，射頻電磁暴露對(duì)人體健康有潛在危害[3-4]。已有研究證實(shí)，人體神經(jīng)系統(tǒng)特別是大腦在射頻電磁暴露下會(huì)影響人體健康[5-6]。實(shí)驗(yàn)室研究顯示，在移動(dòng)通信射頻電磁暴露下人體腦電圖發(fā)生改變，變化的程度和效應(yīng)依賴于射頻暴露強(qiáng)度[7]。大腦組織對(duì)射頻能量的吸收還會(huì)影響大腦葡萄糖代謝，從而影響大腦功能[8]。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)軌道交通系統(tǒng)電磁暴露安全性的研究逐年增多[9-11]，特別是針對(duì)軌道交通復(fù)雜電磁現(xiàn)象的相關(guān)問題，我國科研團(tuán)隊(duì)做了大量卓有成效的研究工作，且主要集中在系統(tǒng)抗電磁干擾和對(duì)外電磁騷擾及無線信號(hào)傳輸?shù)确矫鎇12-14]，但是目前我國尚未形成完整的軌道交通電磁暴露行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，尤其缺少對(duì)地鐵站臺(tái)射頻電磁暴露安全性的研究。

本文基于數(shù)值電磁劑量學(xué)方法展開地鐵站臺(tái)電磁暴露研究，評(píng)估乘客在此環(huán)境下的安全性，為消除乘客對(duì)電磁暴露的恐慌起到積極作用，并為軌道交通電磁暴露行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供依據(jù)。

1 比吸收率

人體暴露于高頻(100 kHz～10 GHz)電磁輻射中時(shí)，電磁暴露的作用機(jī)制主要是人體組織從電磁場(chǎng)吸收能量。由于目前人體活體組織在電磁暴露中的不可測(cè)量性，數(shù)值電磁劑量學(xué)成為研究生物組織電磁能量吸收的重要研究方法。比吸收率(Specific Absorption Rate, SAR)這一概念在上世紀(jì)60年代被提出，現(xiàn)在已經(jīng)被國際學(xué)術(shù)界廣泛認(rèn)可，用來描述人體電磁輻射劑量的分布。SAR具體定義為在單位時(shí)間內(nèi)，人體組織單位質(zhì)量吸收的電磁輻射能量。人體數(shù)值模型中某點(diǎn)的SAR計(jì)算式為

(1)

式中：SAR為SAR的值；σ為人體組織電導(dǎo)率，S·m-1；E為人體內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度， V·m-1；ρ為人體組織密度，kg·m-3。

國際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)(ICNIRP)導(dǎo)則基于已確定的健康效應(yīng)制定了暴露于電磁場(chǎng)中的基本限值[15]，在高頻段人體電磁輻射劑量測(cè)定量綱SAR為任意10 g相鄰組織內(nèi)的平均比吸收率，通過對(duì)基本限值的推導(dǎo)研究制定了導(dǎo)出限值，包括電場(chǎng)強(qiáng)度E。當(dāng)SAR值與電場(chǎng)強(qiáng)度E超過限值標(biāo)準(zhǔn)，必須采取適當(dāng)保護(hù)措施。

2 數(shù)值模型

基于有限元法的電磁仿真軟件HFSS在天線設(shè)計(jì)[16]與生物電磁劑量學(xué)領(lǐng)域[17]有廣泛應(yīng)用，下文基于此軟件進(jìn)行電磁暴露仿真研究。

2.1 地鐵站臺(tái)射頻天線數(shù)值模型

目前地鐵站臺(tái)專用和民用通信系統(tǒng)主要采用吸頂天線覆蓋信號(hào)，吸頂天線作為一種典型的寬頻帶天線，多為雙錐天線或其變形結(jié)構(gòu)[18]，具有頻帶寬、小型化等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于室內(nèi)通信覆蓋環(huán)境。

地鐵站臺(tái)吸頂天線的性能參數(shù)見表1，其工作頻段為806～960 MHz/1 710～2 700 MHz，低頻段增益大于1.5 dBi，高頻段增益大于3.0 dBi。吸頂天線安裝在站臺(tái)上方天花板處，如圖1所示。

仿真時(shí)設(shè)計(jì)了一款滿足地鐵站臺(tái)無線信號(hào)覆蓋的吸頂天線，結(jié)構(gòu)為雙錐天線的變形，如圖2所示。

圖1 地鐵站臺(tái)吸頂天線

圖2 吸頂天線模型(單位：mm)

50 Ω同軸線饋電時(shí)，仿真計(jì)算得到806～960和1 710～2 700 MHz頻段的回波損耗如圖3所示。由圖3可知，天線諧振頻率為900和2 440 MHz，表明吸頂天線的設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到了工程需求。

低頻段及高頻段的方向圖分別如圖4和圖5所示。由圖4和圖5可知，增益與方向圖圓度都符合表1所示的參數(shù)要求。

圖3 回波損耗仿真結(jié)果

圖4 900 MHz時(shí)天線的增益方向圖(單位：dB)

圖5 2 440 MHz時(shí)天線的增益方向圖(單位：dB)

2.2 人體數(shù)值模型

乘客人體數(shù)值模型如圖6所示，模型由頭部和軀干2個(gè)部分構(gòu)成，頭部模型分為頭皮、顱骨、大腦3層，半徑分別為0.100，0.092和0.085 m，人體模型高1.74 m。計(jì)算得到900和2 440 MHz時(shí)人體組織相對(duì)介電常數(shù)及電導(dǎo)率[19]見表2，其中軀干組織由皮膚、血液、肌肉和骨骼4種組織的平均值求得。

圖6 人體數(shù)值模型

表2 不同天線諧振頻率時(shí)人體組織介電常數(shù)及電導(dǎo)率

2.3 HFSS軟件驗(yàn)證

SAR的計(jì)算在最早期采用經(jīng)典的時(shí)域有限差分法(FDTD)算法。為檢驗(yàn)本研究中所建數(shù)值模型對(duì)HFSS軟件的適用性，采用與文獻(xiàn)[20]完全相同的條件模擬計(jì)算人體頭部的SAR。手機(jī)外殼長、寬、高分別為60，30和150 mm，天線位于手機(jī)外殼正上方，工作頻率為915 MHz，天線距離人體頭部外側(cè)15 mm，天線輻射功率為1 W，計(jì)算得到手機(jī)輻射下人頭模型中的SAR值分布如圖7所示。在HFSS軟件中計(jì)算得到頭部組織10 g的平均SAR值為4.40 W·kg-1，與文獻(xiàn)結(jié)果4.3 W·kg-1相比，誤差為2%，表明HFSS軟件可以適用于以上所建模型的SAR值計(jì)算。

圖7 手機(jī)輻射下人頭模型中的SAR值分布

3 數(shù)值計(jì)算

根據(jù)地鐵站臺(tái)實(shí)際尺寸，設(shè)吸頂天線距地面高度為4 m，在HFSS軟件中對(duì)地鐵站臺(tái)天花板和地面建模，其厚度分別為0.02和0.01 m，材質(zhì)分別為PVC和混凝土。射頻電磁暴露源對(duì)人體的輻射隨著距離增加衰減，乘客人體數(shù)值模型位于吸頂天線下方時(shí)距離輻射源最近，電磁暴露風(fēng)險(xiǎn)最大。有限元算法在進(jìn)行電大尺寸計(jì)算時(shí)，網(wǎng)格剖分及迭代計(jì)算占用大量計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)空間，考慮到硬件計(jì)算性能，選取地面和天花板的面積均為1.2 m×1.2 m。建立的地鐵站臺(tái)電磁暴露模型如圖8所示，在此模型外建立空氣層，設(shè)置吸收邊界條件，得到有限元離散化模型如圖9所示。

圖8 地鐵站臺(tái)電磁暴露模型

圖9 離散化模型

因地鐵站臺(tái)吸頂天線工作在功率15 dBmW(32 mW)時(shí)滿足通信需求[21]，所以選取吸頂天線的工作頻率分別為900和2 440 MHz，功率在32 MW時(shí)，研究乘客的電磁能量吸收，以評(píng)估乘客在此環(huán)境下的安全性。

4 結(jié)果分析

4.1 900 MHz頻率時(shí)

地鐵站臺(tái)吸頂天線工作在900 MHz時(shí)乘客人體組織內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度和SAR值分布仿真結(jié)果如圖10所示。由圖10(a)可知：900 MHz時(shí)乘客電場(chǎng)強(qiáng)度最大值為0.139 V·m-1，約為最小值的2 279倍，說明900 MHz時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度在人體組織內(nèi)迅速衰減。由圖10(b)可知，900 MHz時(shí)乘客SAR值最大值為4.441×10-7W·kg-1，出現(xiàn)在頸部，次大值出現(xiàn)在頭部和腿部，最大值約為最小值的34 005倍，說明900 MHz時(shí)SAR值在人體組織內(nèi)的衰減速度大于電場(chǎng)強(qiáng)度的衰減。

圖10 900 MHz時(shí)乘客電場(chǎng)強(qiáng)度和SAR值分布

重點(diǎn)分析乘客頭部SAR值分布，900 MHz時(shí)乘客頭皮、顱骨、大腦的SAR值分布如圖11所示。由圖11可知：頭皮、顱骨、大腦的SAR值最大值依次為1.614×10-7，1.159×10-7和1.926×10-7W·kg-1，可知大腦的SAR值大于頭皮和顱骨。

以30 mm為間隔，對(duì)人頭模型做5個(gè)切片，得到900 MHz時(shí)乘客頭部SAR值的分層分布如圖12所示。由圖12可知：乘客頭皮處有較高的SAR值，頭皮暴露在頭部最外側(cè)，有較多電磁能量吸收；顱骨層較薄，SAR值最小，電磁能量吸收較少；說明900 MHz時(shí)電磁場(chǎng)對(duì)頭皮和顱骨有很強(qiáng)的穿透能力，大腦中有較多電磁能量吸收，電磁能量在頭部穿透深度較大。

圖11 900 MHz時(shí)乘客頭部不同部位的SAR值分布

圖12 900 MHz時(shí)乘客頭部SAR值分層分布

4.2 2 440 MHz頻率時(shí)

吸頂天線工作在2 440 MHz時(shí)乘客人體組織內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度和SAR值分布仿真結(jié)果如圖13所示。由圖13(a)可知：2 440 MHz時(shí)乘客電場(chǎng)強(qiáng)度最大值為0.148 V·m-1，約為最小值的19 470倍，說明2 440 MHz時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度在人體組織內(nèi)迅速衰減。由圖13(b)可知，2 440 MHz時(shí)乘客SAR值最大值為1.165×10-6W·kg-1，約為最小值的2 498 392倍，說明2 440 MHz時(shí)SAR值在生物組織內(nèi)的衰減速度大于電場(chǎng)強(qiáng)度的衰減；與900 MHz時(shí)相比，2 440 MHz時(shí)乘客人體組織內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度及SAR值的衰減速度更大。

圖13 2 440 MHz時(shí)乘客電場(chǎng)強(qiáng)度和SAR值分布

乘客頭部不同部位在2 440 MHz電磁場(chǎng)中的SAR值分布如圖14所示。由圖14可知：頭皮、顱骨、大腦SAR值最大值依次為4.984×10-7，2.165×10-7和3.070×10-7W·kg-1，可以看出頭皮的SAR值最大，其次是大腦，顱骨中SAR值最小，說明射頻電磁能量在頭皮中吸收最多，顱骨層較薄，介電參數(shù)小，電磁能量吸收最小。

圖14 2 440 MHz時(shí)乘客頭部不同部位的SAR值分布

2 440 MHz時(shí)乘客頭部SAR值的分層分布如圖15所示。由圖15可知：乘客頭皮處的SAR值較高，顱骨和大腦內(nèi)SAR值較低，電磁能量吸收集中在接近輻射源的頭部上方；與900 MHz時(shí)相比，2 440 MHz時(shí)大腦電磁能量吸收沒有出現(xiàn)明顯的峰值，與文獻(xiàn)[9]的研究結(jié)論相一致。

圖15 2 440 MHz時(shí)乘客頭部SAR值分層分布

ICNIRP導(dǎo)則制定的公眾電磁暴露限值分別為：900 MHz時(shí)，SAR限值為2 W·kg-1，電場(chǎng)強(qiáng)度限值為41.25 V·m-1；2 440 MHz時(shí)，SAR限值為2 W·kg-1，電場(chǎng)強(qiáng)度限值為61 V·m-1。乘客人體的電場(chǎng)強(qiáng)度最大值、SAR值最大值與ICNIRP導(dǎo)則制定限值的對(duì)比見表3。由表3可知：900和2 440 MHz時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度仿真值均小于ICNIRP限值，分別為ICNIRP限值的0.003，0.002倍；SAR值仿真值遠(yuǎn)小于ICNIRP限值，分別為ICNIRP限值的2.221×10-7和5.825×10-5倍。

表3 乘客人體電場(chǎng)強(qiáng)度、SAR仿真值與ICNIRP導(dǎo)則制定限值的對(duì)比

5 結(jié) 論

(1)對(duì)典型地鐵站臺(tái)無線通信系統(tǒng)射頻天線的公眾電磁暴露進(jìn)行了安全評(píng)估，天線分別工作在900和2 440 MHz時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度和比吸收率在乘客人體組織內(nèi)均迅速衰減，比吸收率的衰減更快，大于電場(chǎng)強(qiáng)度的衰減。

(2)乘客頭部頭皮、顱骨、大腦不同部位在頻率為900 MHz電磁場(chǎng)中的比吸收率依次為1.614×10-7，1.159×10-7和1.926×10-7W·kg-1，大腦的SAR值分別大于頭皮和顱骨的SAR值，其中大腦中SAR值是頭皮中SAR值的1.193倍。2 440 MHz時(shí)頭皮、顱骨、大腦SAR值最大值依次為4.984×10-7，2.165×10-7和3.070×10-7W·kg-1，可以看出頭皮中SAR值是大腦中SAR值的1.623倍。說明2 440 MHz時(shí)射頻電磁能量在顱內(nèi)的穿透能力小于900 MHz時(shí)的穿透能力。

(3)乘客生物組織內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度和SAR值均小于ICNIRP國際電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)，乘客在此電磁環(huán)境中是安全的。

(4)本文只是針對(duì)單個(gè)成年人體模型完成了仿真計(jì)算，下一步將重點(diǎn)研究未成年人在地鐵站臺(tái)的射頻電磁暴露安全性。