1～6,GHz,射频暴露平台的设计及剂量特征
时间：2022-12-03 17:40:05 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
杜 丹 李 静 苗 霞 徐胜龙 郭 娟 何 伟 林加金
1（空军军医大学军事预防医学系辐射防护医学教研室 西安 710032）
2（陕西中医药大学公共卫生学院 咸阳 712000）
射频（Radio frequency，RF）表示可以辐射到空间的电磁频率，频率范围为300 kHz～300 GHz。射频辐射广泛应用于广播、电视、通信、交通运输、电力、医疗、科研等领域。近些年来，随着第4 代通讯［1］的普及和第5 代通讯的推广［2］，射频辐射已成为威胁人员健康［3−4］的重要环境因素之一［5−6］。流行病调查发现，射频辐射对通讯和雷达等职业人群有较大的负面影响［7−9］，特别是在神经、生殖等人体系统方面。因此，随着通讯系统的升级和对职业人群健康的关注，开展宽频谱条件下的复杂电磁环境对生物体的影响已成为作业人群健康维护研究的重点。传统的实验室研究主要集中于800～2 450 MHz 频段。如Maskey［10］采用喇叭天线设计了835 MHz暴露装置，大鼠的体内全身平均比吸收率（Whole body average specific absorption rate，WBA SAR）为1.6 W/kg；
Kesari［11］设计了2 450 MHz 暴露装置，大鼠体内的WBA SAR 为0.11 W/kg。传统射频暴露平台的暴露频率点单一［12−13］且频率上限值较低［14−15］，频率点一般为800 MHz、900 MHz、1 800 MHz、2 450 MHz。此外，传统暴露平台一般只关注WBA SAR数据，而对于作用靶点的组织比吸收率（Tissue specific absorption rate，TSAR）涉及较少。
为开展宽频谱条件下射频生物效应研究，我们研制一套宽频谱生物电磁暴露平台，并开展相应暴露条件下的剂量评估是生物效应研究的首要条件。本工作基于通讯和雷达等职业作业的常见暴露频率，建立了1～6 GHz宽频谱射频暴露平台，测定了暴露功率密度、对实验动物的WBA SAR、TSAR 等剂量参数进行了模拟仿真研究。
1.1 平台设计
暴露平台主要包括信号源、功放器、天线等。其中，功放器型号为BLMA0860-100，输出频段为800 MHz～6 GHz，最大输出功率50 dBm；
天线为双脊喇叭天线，型号为XJT-DR10180，可用频段为1～18 GHz，天线对角长度（D）为280 mm。图1 为暴露平台的设计示意图，其中，天线辐射的极化方向为垂直极化。
图1 暴露平台的设计示意图Fig.1 Design diagram of exposed platform
依据天线远场的产生条件［16］，在天线尺寸D<λ/2 时，则近场/远场的分界距离由式（1）确定，在D>λ/（2π）时，分界距离见式（2）。
考虑目标处的实际暴露尺寸限制，目标处与天线口面的距离设置为70 cm，满足以上远场条件。
1.2 暴露参数
辐射场的暴露参数主要包括功率密度和半功率波束宽度等。其中，半功率波束宽度也称3 dB 波束宽度或半功率角，在这个区域内天线的相对辐射功率大于二分之一。在本实验系统中，各频段处双脊喇叭天线波瓣图的半功率波束宽度θ可由式（3）预估［17］。
式中：G为天线的增益，dBi；
θ为半功率波束宽度，°。
采用森馥综合场强仪SEM600对暴露平台目标处的功率密度进行了测试，测试时功放器输出功率为44 dBm 左右，在50 dBm 额定功率下的辐射场强度可依据低功率下的测试功率进行递推计算。
表1 给出了辐射场的天线增益、半功率波束宽度、测试功率密度和额定功率密度参数。在1～6 GHz下，70 cm处的额定功率密度为63.3～149.0 W/m2。由于天线增益随频率变化，因此，目标处的功率密度也随之变化，其中，4 GHz附近可以获得较高的功率密度。
表1 辐射场基本参数Table 1 Basic parameters of radiation field
2.1 剂量学仿真条件
对实验室常用的辐照动物进行了比吸收率的剂量仿真研究。仿真环境为Sim4Life生物电磁仿真软件，动物为大鼠/小鼠模型。其中，大鼠性别为雄性，类型为Sprague dawley，长度为185 mm，质量为198 g，组织数目为52 种；
小鼠为雄性，类型为Nude normal，长度为86 mm，质量为28 g，组织数目为43种。
文献［18］研究表明，电场极化方向沿动物长轴方向可以获得较高的比吸收率值。本文对比研究了长轴极化下背部照射和侧面照射对比吸收率的影响。平面波极化方向及入射方向的具体设置条件如图2 所示。在仿真中，平面波的激励电场场强为1 V/m；
边界条件为理想吸收边界。
图2 长轴极化下不同照射方向的示意图：（a）顶部照射方向；
（b）侧向照射方向Fig.2 Schematic diagram of different irradiation directions under long axis polarization:(a)top direction;(b)side direction
比吸收率（Specific absorption ratio，SAR）是用来衡量生物体内能量沉积速率的重要量，是射频生物学研究的标准剂量。SAR值与生物体内的电场均方值E相关，见式（4）。
2.2 实验动物全身平均比吸收率
WBA SAR 是指生物体全身比吸收率的均值。表2 给出了不同照射方向、不同照射动物对WBA SAR 值仿真结果。其中，不同方向上的比吸收率差异V可表达为式（5）。
分析表2 数据可知：（1）相对于大鼠，小鼠在1～6 GHz 内可以获得更高的WBA SAR 值，高出约一个数量级；
（2）在长轴极化条件下，顶部照射和侧向照射对WBA SAR 的影响较小，大鼠的差异值最大为0.731 dB，小鼠的差异值最大为0.276 dB。
表2 不同照射方向、不同照射动物的全身平均比吸收率Table 2 Specific absorption rate of animals exposed in different directions (W·kg−1)
2.3 主要组织器官的组织比吸收率
文献［19］采用综述的方式归纳了射频对人体健康的影响，人体对射频较敏感的器官主要包括眼睛、脑部和雄性睾丸等。在激励电场场强1 V/m、边界条件为理想吸收边界的暴露条件下，探究了不同照射方向下不同照射动物的主要器官组织比吸收率（TSAR）特点。表3和表4分别给出了大鼠和小鼠主要组织器官的TSAR值结果。结果表明：在长轴极化下，顶部照射和侧向照射的TSAR存在明显差异。其中，大鼠晶状体的差异相对最大值可达到5.96 dB，大鼠睾丸的差异最大值可达到4.64 dB，大鼠大脑半球的差异最大值可达到11.02 dB；
小鼠眼部的差异最大值可达到10.73 dB，小鼠睾丸的差异最大值可达到2.71 dB，小鼠脑部的差异最大值可达到8.06 dB。
表3 大鼠的主要组织器官在不同照射条件下的TSAR值Table 3 TSAR difference of tissues and organs of rat under different irradiation conditions (W·kg−1)
表4 小鼠的主要组织器官在不同照射条件下的TSAR值Table 4 TSAR difference of tissues and organs of mouse under different irradiation conditions (W·kg−1)
3.1 WBA SAR的频率相关性
根据文献［20］的研究结论，全身平均比吸收率存在着共振频率，共振频率点需满足式（6）。
式中：L为动物长轴的长度，m；
λ为入射电磁波的波长，m。
本文中大鼠的长度为185 mm，小鼠的长度为86 mm；
相应的共振频率点分别为0.65 GHz 和1.4 GHz。依据2.2 节和2.3 节的数据，图3 给出了大鼠和小鼠分别在顶部和侧向照射下的比吸收率随频率变化的趋势。对于WBA SAR而言，具有明显的规律性。对于大鼠，1～6 GHz超过0.65 GHz的共振频率点，WBA SAR值随频率升高而缓慢降低；
对于小鼠，共振频率点1.4 GHz 落在1～6 GHz 区间内，WBA SAR 值存在着明显的峰值拐点，但略大于1.4 GHz，大约在2～3 GHz 区间内。表2 的对比结果也表明，顶部照射和侧向照射对WBA SAR 值影响较小，大鼠的差异值最大为0.731 dB，小鼠的差异值最大为0.276 dB，可忽略不计。因此，以上结果表明，在长轴极化下，实验动物的WBA SAR 值存在着频率相关性，WBA SAR值对照射方向的改变不敏感。
图3 比吸收率随频率变化趋势：(a)大鼠顶部照射；
(b)大鼠侧向照射；
(c)小鼠顶部照射；
(d)小鼠侧向照射Fig.3 Variation trend of SAR with frequency:(a)rat⊤(b)rat&side;(c)mouse⊤(d)mouse&side
3.2 TSAR的照射条件分散性
对于局部组织器官而言，TASR 的特点存在着明显差异。对于大鼠，尽管WBA SAR值随频率增加而减小，TSAR值也存在着明显的峰值拐点，主要位于2～4 GHz区间内。而对于小鼠，TSAR的峰值频率点要略高于WBA SAR 的共振频率点，且在峰值频率点前还存在着极低值拐点。表3 和表4 的结果差异对比值也表明，不同照射条件下，实验动物的主要组织器官的TASR值差异大多大于3 dB。因此，以上结果表明，在长轴极化下，TSAR值对照射方向的改变较敏感；
TSAR 值的峰值频率点略大于WBA SAR的全身共振频率点。
3.3 实验室评估
在国际标准中，人体损伤阈值被定义在全身平均比吸收率为4 W/kg；
职业标准阈值被定义在全身平均比吸收率为0.4 W/kg；
公众标准阈值被定义在全身平均比吸收率为0.08 W/kg。暴露实验必须要预先给出全身平均比吸收率的数值。
本研究在最大暴露值条件下，可以对不同实验动物的剂量值进行评估。估算公式见式（7）。
式中：SARMax为预估剂量，W/kg；
SARS为仿真剂量，W/kg；
PMax为最大暴露功率密度，W/m2，PS为仿真功率密度，W/m2；
SARS、PMax、PS均为已知值。
表5 给出了最大暴露值条件下的WBA SAR 评估值。大鼠和小鼠的WBA SAR均超过职业标准，其中小鼠的WBA SAR超过了损伤阈值4 W/kg。
表5 最大暴露值条件的WBA SAR评估值Table 5 WBA SAR evaluation value for maximum exposure condition (W·kg−1)
对于建立的1～6 GHz宽频谱生物电磁暴露平台开展了剂量研究和评估，探讨了暴露频段内实验动物的剂量学特征。研究结果表明：在长轴极化下，实验动物的全身平均比吸收率存在着频率相关性，对照射方向的改变不敏感；
组织比吸收率对照射方向的改变较敏感，峰值频率点略大于全身平均比吸收率的共振频率点；
在最大暴露值条件下，大鼠和小鼠的全身平均比吸收率均超过职业标准，其中小鼠的全身平均比吸收率已超过4 W/kg的损伤阈值。相对于传统文献报道的实验装置，该暴露平台具有频率上限值高、频谱范围宽等特点；
在剂量评估方面，对主要靶点器官的组织比吸收率进行了计算和对比。该实验装置可用于通讯和雷达等职业作业常见频率的在体效应研究；
实验动物的体内剂量可依据仿真计算的基本数据进行推算评估。
作者贡献说明 林加金和杜丹提出了研究思路和实验方案；
徐胜龙和何伟完成了实验场的建立和测量；
苗霞和郭娟为剂量仿真提供了指导；
林加金和李静完成了剂量仿真及评估工作。所有作者均已阅读并认可该论文最终版的所有内容。
