调幅射频电磁场人体辐照实验系统的设计与实现

蓝茂英+蔡林波+邓官华+段松+熊威+李晓东+辛学刚

摘 要： 设计可用于调幅射频电磁场生物效应研究的人体辐照平台，分别从硬件系统部分和软件系统部分两方面进行介绍。硬件系统由射频信号发生模块、功率放大模块、阻抗匹配模块以及发射天线构成，其接收到由软件系统发出的载波、调制频率、调制深度以及功率参数指令后，进而实时产生相应的调幅射频电磁场。实际测量结果表明，设计的调幅射频电磁场人体辐照实验系统具有良好的性能参数，该系统为人体调幅射频电磁场生物效应研究提供一个使用方便、参数可控的电磁辐照平台。

关键词： 调幅射频电磁场； 生物效应； 电磁辐照系统； 电磁仿真； FDTD； 匹配电路

中图分类号： TN761.2?34； R318 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）06?0104?05

Abstract： A human body irradiation experimental system used for studying biological effects of amplitude?modulated radiofrequency electromagnetic field was designed. The system are introduced in the aspects of hardware system and software system respectively. The hardware system which is composed of radiofrequency signal generating module， power amplification module， impedance matching module and transmitting antenna receives parameter instructions of carrier wave， modulation frequency， modulation depth and power issued by the software system， and then generates the corresponding amplitude?modulated radiofrequency electromagnetic field in real time. The actual measurement results show that the designed human body irradiation experimental system for amplitude?modulated radiofrequency electromagnetic field has good performance parameters， and can provide an easy?to?use and parameter?controllable electromagnetic irradiation platform for biological effect research on human body amplitude?modulated radiofrequency electromagnetic field.

Keywords： amplitude?modulated radiofrequency electromagnetic field； biological effect； electromagnetic irradiation system； electromagnetic simulation； FDTD； matching circuit

电磁场与生物体相互作用时，会产生电磁生物效应，包括热效应和非热效应[1]。近年来，电磁场的生物效应及治疗作用愈加受到人们关注，成为了国际电磁学届研究的热点，包括低频磁场[2]、肿瘤治疗场[3]、毫米波[4]、调幅射频电磁场[5?7]等，已运用于肿瘤和增生性疾病的治疗研究。Costa和Pasche等给癌症患者口含的勺状天线施加特定频率调制的调幅射频电磁场[5?6]，发现可以对患者产生一定的治疗作用，有望成为一种新的肿瘤治疗方法，但其具体作用机制还不清楚，需要更加深入的研究。

辐照设备系统是开展电磁场生物效应研究的基础。目前，电磁场生物效应研究的辐照设备按照生物实验可分为在体照射和离体照射系统[8?10]，主要有横电磁室、波导、喇叭天线和共振腔等辐照设备。其中大部分辐照设备主要用于细胞和动物的辐照研究，用于人体研究的较少，国内目前尚无相关文献报道调幅射频电磁场人體辐照实验系统。因此，研究一种参数可控的用于人体辐照的调幅射频电磁场实验系统，对于开展调幅射频电磁场生物效应研究具有重要意义。

针对上述问题，本文设计针对调幅射频电磁场生物效应研究的人体电磁辐照平台。配合软件部分和硬件部分，即可实时产生所需参数的调幅射频电磁场，实现对发射参数的控制。通过示波器观察波形，功率计监控功率大小，网络分析仪查看阻抗匹配程度。该系统为人体调幅射频电磁场生物效应研究提供了一个使用方便、参数可控的电磁辐照平台。

1 系统总体结构

本设备系统主要由硬件部分和软件部分两大部分组成，如图1所示。其中硬件部分包括射频信号发生模块、功率放大模块、阻抗匹配模块和发射天线，用于产生放大和发射所需的调幅射频信号。软件部分的功能是通过计算机完成对系统的控制、参数调节和实验数据记录处理。上位机软件发出载波、调制频率、调制深度和功率等参数指令给硬件系统，产生调幅射频信号，经过功率放大模块和阻抗匹配后，经发射天线刺激到人体，上位机软件记录辐照后的人体参数。endprint

2 系统硬件部分

2.1 调幅射频信号发生模块

本设备系统发射的电磁场为调幅电磁场。调幅是用低频信号去控制载波的幅度，使已调波的幅度随调制信号的大小线性变化，而保持载波的角频率不变。

为了实现发射系统所需要的射频调幅信号，采用Agilent N5182A射频矢量信号发生器，它具有数字调制和模拟调制功能，幅度调制时，AM深度类型为线性或指数，调制深度最大为100%，分辨率为调制深度[11]的0.1%。幅度调制可以选择内置模拟调制源或者外部信号调制源。内置模拟调制源频率范围从0.1 Hz～

3 MHz可调，分辨率为0.1 Hz。PC机通过通用接口总线（GPIB）接口卡和射频信号发生器连接，以实现设备和计算机的连接，然后利用Matlab仪器控制工具箱控制信号源，使信号源产生所需的调幅波形，实现调制序列信号实时产生。

2.2 功率放大模块

高频功率放大器按工作状态分为线性放大和非线性放大两种。由于非线性放大的非线性作用，导致输出会产生新的频率分量，使被放大的信号频谱发生变化，频带展宽。传统的调幅模拟发射系统，要求线性功放，故本系统所使用的功放为A类线性放大器。功率放大模块输入/输出阻抗均为50 Ω，接口为SMA射频接头，工作电压为12 V，工作电流约为140 mA。图2为不同信号源输出功率经过放大模块放大后测得的功率，从图2可以看出，本模块具有较宽的线性功率输出范围，在输入信号功率范围从-30～5 dBm时，线性增益均约为19.6 dB。

2.3 阻抗匹配模块

为了达到最大功率传输，功率放大模块和负载之间需要进行阻抗匹配。阻抗匹配的优劣可以通过驻波比衡量（Standing Wave Ratio，SWR）：

[SWR=（1+Г）（1-Г）] （1）

式中，[Г]为反射系数，其值为：

[Г=Zb-ZaZb+Za] （2）

式中：[Za]为负载阻抗；[Zb]传输线特性阻抗。驻波比越接近1，说明匹配效果越好。

在实际测量中，利用安捷伦4395A网络分析仪进行负载阻抗和驻波比测量。首先，进行网络分析仪的校准，分别接上开路、短路和标准负载校准件进行校准。测试时，把1.5 m同轴线、发射天线和人体的阻抗看成一个整体，通过多次测量，取平均值，得出总复合阻抗，测出的阻抗结果显示在史密斯圆图上。由于功率放大模块输出阻抗为50 Ω，阻抗匹配需要把复合阻抗匹配到50 Ω。通过选择合适的两个电抗元件就可以完成匹配，常使用二元件匹配电路即L形匹配电路[12]把阻抗匹配到史密斯圆图的任意一点上。选择合适的电路和电容电感元件，通过观察史密斯圆图，不断调试，即可完成阻抗匹配。本文采用漆包线自制电感、贴片电容和可调电容完成匹配电路模块，如图3所示。为了和前后端方便连接，匹配电路模块输入端采用SMA公头接口，匹配电路输出端采用SMA母头接口。图4a）显示了某位志愿者的复合阻抗，为7.263 9-j17.458 Ω，经过匹配后的驻波比如图4b）所示，在载波频率为27.12 MHz时，驻波比达到了1.163，符合设计要求。

2.4 功率和波形监控模块

为了确保功率放大模块输出的功率是正确的，采用Agilent N1913A功率计和E9301B功率传感器测量功率放大模块的输出功率。首先，把30 dB固定衰减器和功率传感器连接好，进行功率计的校准和归零，然后接入功率放大模块进行测试，即可进行功率监控。为了观察调幅射频信号经过功率放大后的波形，采用Agilent DSO7104B示波器，因为功率放大模块输出阻抗为50 Ω，所以把示波器的匹配阻抗设置为50 Ω进行测试，图5是载波频率为27.12 MHz，调制频率为1 kHz，调制深度为85%时的调幅射频信号。从图5可以看出，经过放大后，调幅射频信号波形仍比较完好，说明功率放大模块线性度比较好。

2.5 发射天线

为了方便使用和连接前一级模块，发射天线采用SMA公头射频接口，如图6所示。发射天线采用不锈钢勺子制成，材料对人体无害，耐用性好且容易清洗消毒，并且可以防止发生霉变或滋生细菌。

3 软件部分

软件部分的功能是通过计算机完成对系统的控制、参数调节和实验数据记录处理。本设备系统软件主要分为两个功能模块：信号输出控制模块和数据分析处理模块。软件设计流程如图7所示。

启动程序，通过仪器控制工具箱可以实现PC机与设备间的通信，然后进行仪器初始化，设置好所需的调幅射频电磁场参数如载波频率、调制频率、调制深度和功率大小等。初始化和参数设置完毕后开始输出波形，輸出波形时软件自动记录时间点和对应的调制频率。完成波形输出后进行数据分析处理和存储，程序结束。

4 电磁仿真

生物电磁学研究中通常采用比吸收率（Specific Absorption Rate，SAR）作为剂量学量。目前，常采用数值计算方法得到SAR值。为了得到实验系统发射的电磁场在人体的SAR值分布，本文采用基于时域有限差分算法（Finite Difference Time Domain， FDTD）的商用软件SEMCAD X（www.speag.com， version 14.6）来计算SAR值。在实际计算过程中，空间中位置r处的SAR（r）可通过式（3）计算得出：

[SAR（r）=12?σ（r）ρ（r）E2（r）] （3）

式中：[σ（r）]和[ρ（r）]分别是空间位置r处的电容率和电导率；[E（r）]为电场。

根据实际使用的勺状天线尺寸大小，利用电磁仿真软件SEMCAD建立天线模型，如图8所示。人体模型采用DUKE模型，在三维人体模型的基础上，给人体模型的组织赋予相应的电导率、介电常数和密度值[13]，可以得到用于电磁仿真计算的模型，表1给出了27.12 MHz时各主要器官的电导率、相对介电常数和密度值。endprint

完成天线模型建立和人体模型导入后，设置好电磁参数，在进行电磁计算时将人体模型和勺状发射天线构成的整体作为计算域，数值计算区域的边界吸收条件设置为完全匹配层，层数[14]设置为8。在网格化过程中，将模型分割为250×249×249共15 500 250个元胞，仿真频率为27.12 MHz，仿真时间为30个仿真周期。进行仿真计算，得到SAR值分布。仿真结果显示，全身平均SAR值为1.127 05 mW/kg，远低于国际安全标准[15]。SAR值最大为3.67 mW/g，最大SAR值位置坐标为x=0.000 481，y=0.261 707，z=0.763 5（单位：m），位置在发射天线与舌头接触的地方。图9显示了在27.12 MHz时不同截面的DUKE人体模型表面的SAR值分布，SAR值采用dB值显示，其中图9a）为yz平面的SAR值，x=0.051 7；图9b）为xz平面的SAR值，y=0.103；圖9c）为xy平面的SAR值，z=0.738；图9d）为xy平面的SAR值，z=0.532。通过电磁仿真实验，得到了系统发射的电磁场在人体的SAR值分布。

5 结 论

本文设计一种可用于调幅射频电磁场生物效应研究的人体辐照平台，分别从硬件和软件系统进行了详细介绍，并对设计的设备系统进行了测试，通过电磁仿真得出人体SAR值分布。实验结果表明本设备系统具有良好的性能参数，通过软件系统可调节调幅信号的载波、调制频率、调制深度和功率大小，可以实时改变调幅射频电磁场参数，为促进调幅射频电磁场生物效应的基础研究提供一种操作方便、参数可控的辐照系统平台。

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