基站与终端电磁暴露研究

2019-10-14 02:08常天宇

常天宇，武涵，李彬

（国家无线电监测中心检测中心，北京 100041）

1 基站对人体的影响

图1 基站对人体的影响

实际环境空间损耗：（能量扩散损耗+衰落）

Ls=32.4+20lg（fmhz）+20lg（dkm）+f（environment）

式中，f（environment）是环境造成的衰落比如雨衰，建筑物遮挡等。

到达人体的功率：

需要注意的是，公式中表面上自由空间损耗部分（扩散损耗）和频率相关，但该公式是根据接收天线（取决于实际接收天线参数，理论上扩散损耗是和频率无关的），人体不能类比于天线，故扩散损耗与频率无关，但是环境影响和频率正相关（高频电磁波衍射绕射能力差，故损耗越大）。

可见：基站发射信号到达人体的电磁能量很小（实测距离基站20m 附近场强为3v/m 左右，低于国家标准限值5.4v/m）。

图2 便携设备对人体的影响

便携电子产品对人体的影响比基站大很多。比如手机通信过程中需要和基站建立连接发送数据包。此时靠近人体衡量近场辐射指标称为比吸收率SAR，单位W/kg 表示人体所吸收的电磁能量在任意连续6分钟内取平均得到的功率。

微观角度看当交变电磁场作用于人体极性分子（水）或者某些离子时，受电场影响，这些粒子运动过程中碰撞摩擦产生热量，即SAR 宏观上体现的是热效应，使分子震动（类似于微波炉加热原理）。

有损媒介中的电磁波电场强度表达式（平面波）

图3 有损媒介中趋肤深度和电磁波频率的关系

人体为有损媒介，由此可以得出两条结论：一是频率越高，电场强度衰减的越快，被吸收能能量越多，高频电磁波的对人体影响相对更大（但前提是相同功率等级的电磁波到达人体）。二是越靠近人体表皮辐射越大，这也解释了SAR 系统探头测试距离模型表面特别近的原因（考虑了最差情况）。

手机天线发射模块较小且能量集中靠近人体时，Localized SAR 定义式推到如下（目前市场上SAR 测量系统[Full SAR 、Fast SAR]也是基于如下公式进行评估）：

式中，E 为电场强度；σ 为组织液电导率；ρ 为组织液密度。

在温度几乎恒定的情况下，电导率和频率正相关，电磁波频率增高，场强方向交变越快，极性分子、离子往返运动越快。（目前6GHz 频率以下符合这一特性，6GHz 以上频段电导率特性可能因为粒子运动跟不上电场方向变化而迟滞）。

表1 模拟人体组织液电导率

便携设备离人体很近，可忽略自由空间扩散损耗，故到达人体表皮的电场强度与产品的对应频段的天线增益及传导功率正相关。

图4 模拟人体组织液电导率和电磁波频率的关系

考虑到高频电磁波路径损耗较大，故高频增益普遍较大。G发射天线增益∝f（某一款设备，关系如下）

图5 天线增益和电磁波频率的关系

结论：SAR ∝f

目前来讲，SAR 在亚洲部分地区是非强制的，且国内标准同欧盟测试标准及限值相同。但对于欧盟，北美等地区SAR 是法规强制的。

欧盟：10g-SAR 限值2w/kg（空间精细扫描区域内峰值SAR附近10cm3测量值取平均）

北美：1g-SAR 限值1.6w/kg（空间精细扫描区域内峰值SAR附近1cm3测量值取平均）

图6 SAR值3D测试图

针对5G NR sub-6GHz 测试沿用Full SAR + Fast SAR 的组合方式进行评估（介于5G NR 灵活的帧结构，fast SAR 会极大减少工作量），但是对于5G NR 毫米波天线阵列射频模块一体化的复杂性，评估方式将变为功率谱密度的测量。

近人身体使用的便携设备如手机，智能手表等对人体的影响远大于基站；相同功率等级下频率越高电磁辐射相对越大，但路径损耗越快、越多。