近期，吉林大学未来科学国际合作联合实验室、集成光电子全国重点实验室吉林大学实验区、电子科学与工程学院科研团队在IEEE Transactions on Antennas and Propagation上发表题为“A Novel Method for Evaluating 5G Handset Array Antenna Exposure Applied to Irregular Human Body Models”的研究工作。该工作首次提出了一种基于复杂不规则人体模型表面体素权重分配的空间平均吸收功率密度的计算方法，对于毫米波段下人体电磁波暴露的计量学分析具有重要意义。

随着射频设备数量的增加及其在人体附近使用频率的升高，人们对其产生不良影响的担忧也随之增加。由于过度的局部电磁暴露会影响人体健康，因此对于人体电磁暴露的准确评估十分重要。国际非电离辐射防护委员会公布的电磁暴露指南提到：6 GHz以下频段的电磁暴露评估应采用比吸收率（SAR），对于6 GHz以上的频段应采用吸收功率密度（APD）。目前，对空间平均吸收功率密度的评估算法主要针对简化扁平组织、二维圆柱和三维前臂等简单的人体模型，无法评估更加拟人化的不规则人体模型。

基于上述情况，本研究提出了一种基于复杂不规则人体模型表面体素权重分配的空间平均吸收功率密度（sAPD）后处理算法。为实现高精度的sAPD评估，首先对人体耳朵模型按照自定义的步长进行体素化，接着根据体素块暴露面的个数分配不同的表面积权重，最后结合目标积分中心点，确定积分区域（图一）。

图一：吸收功率密度计算过程

首先使用简单的皮肤模型来验证所提出的sAPD电磁计算和后处理算法的可靠性，该皮肤模型是由皮肤、脂肪和肌肉层组成的无限长圆柱体。假定平面波沿圆柱体曲面的法线方向入射，即沿z轴方向。在电磁仿真中考虑了两种极化方式，即TE极化和TM极化。结果表明，在28 GHz频率下，该研究提出的sAPD后处理算法与相似研究所采用的时域有限差分（FDTD）方法的结果吻合较好（图二）。

图二：使用无限圆柱模型分析平面波照射下的吸收功率密度

由于耳模型对SAR分布有明显的散射，为了进一步提高sAPD的分析精度，选择了三个暴露位置进行吸收功率密度讨论：天线中心正下方（Position 1）、比吸收率峰值区域（Position 2）以及除上述两个位置外，能量最集中区域（Position 3）。研究发现，在不规则曲面上的SAR分布比在平坦平面上更加分散。此外，对于本研究所采用的人体耳朵模型，无论天线与耳朵最高点的距离如何变化，Position 1处得到的sAPD始终处于三个暴露位置中的最大值（图三）。

图三：暴露位置随耳朵最高点与天线距离的变化引起的sAPD变化

本研究进一步讨论了不同积分形状引起的sAPD相对差异。圆形和正方形积分形状之间的相对差异在Position 1处最大，使用圆形积分形状计算得到的sAPD值大于正方形积分形状，这种差异可能是由于Position 1处的电磁暴露更大，每单位体积包含更多的吸收功率，最终导致相同面积的sAPD差异更大。此外，分析了天线与人体耳朵模型间的不同方位旋转角度θ和φ对sAPD的影响，结果表明，改变φ对sAPD的影响大于改变θ的影响（图四）。

图四：积分形状、天线旋转角等因素对sAPD的影响

最后，评估了暴露位置、积分形状、旋转角和步长对sAPD的影响权重。其中，对于两种贴片天线，暴露位置所占的权重值最大，均超过51.9%，其余三个因素的影响相对较小。

相关的研究成果近期发表在IEEE Trans. Antennas Propag.上，文章第一作者为吉林大学硕士研究生李春晓，通讯作者为吉林大学王小龙教授。该工作得到了国家自然科学基金项目的支持。

全文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10747191