评估电动汽车GPS天线对人体产生的比吸收率

摘 要：电动汽车作为新能源汽车的代表，已经成为全球主要经济体认可的发展方向，而车载天线在车辆通信中起着关键作用，支持无线电话通信、GPS导航、无线数据传输等功能，提供更便捷、安全、智能化的驾驶体验。目前GPS全球定位系统广泛应用于电动汽车导航，由于GPS天线的工作频率为1.575 GHz，车内乘客在这种高频电磁暴露下的健康风险令人担忧。构建GPS天线、电动汽车、人体模型，通过在有限元仿真软件COMSOL Multiphysics中进行频域和瞬态分析的多物理场耦合计算，得到电动汽车内3个位置的人体在受到GPS天线辐射30 min后的比吸收率（SAR）分布。结果得出30 min全身平均SAR为0.003 6 W/kg，是ICNIRP限值的4.5%，说明车载GPS天线的电磁暴露不会对人体健康造成威胁。

关键词：GPS天线；高频电磁场；电磁环境；暴露控制标准；公众暴露

中图分类号：TN965 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）24-0001-05

Abstract： Electric vehicles， as representatives of new energy vehicles， have become the recognized direction of development in major global economies. Vehicle-mounted antennas play a critical role in vehicle communication， supporting functions such as wireless telephony， GPS navigation， and wireless data transmission， providing a more convenient， secure， and intelligent driving experience. Currently， GPS global positioning systems are widely used in electric vehicle navigation. However， concerns arise regarding the potential health risks for passengers inside the vehicle due to the high-frequency electromagnetic exposure from GPS antennas， which operate at a frequency of 1.575 GHz. In this study， a simulation model was constructed， consisting of a GPS antenna， an electric vehicle， and a human body model. Through multiphysics field coupling calculations in the frequency domain and transient analysis using the finite element simulation software COMSOL Multiphysics， the specific absorption rate （SAR） distribution of the human body at three locations inside the electric vehicle， after 30 minutes of exposure to GPS antenna radiation， was obtained. The results showed that the average SAR for the entire body after 30 minutes was 0.0036 W/kg， which is 4.5% of the ICNIRP limit. This indicates that the electromagnetic exposure from the vehicle-mounted GPS antenna does not pose a threat to human health.

Keywords： GPS antenna; high-frequency electromagnetic field; electromagnetic environment; exposure control standards; public exposure

目前，电动汽车销量日益增长[1]，有足够的科学依据表明，电动汽车中的人暴露在高频电场下可能会引起明确的生物反应和生理效应[2-4]。关于高频天线对电动汽车中人体的暴露安全评估尚不全面，考虑到医学伦理问题，通常无法在人体活体组织中通过实验测量的方法测得组织中的场分布，为此，本文基于电磁剂量学方法[5-7]，研究了电动汽车高频GPS天线产生的电磁场在车厢内不同位置的乘客人体组织中比吸收率（SAR）的分布，并将所得结果与ICNIRP标准中规定的电磁暴露限值进行比较，评估电动汽车高频天线产生的电场对车厢内乘客的电磁暴露水平，为电动汽车电磁暴露相关标准的制定及电动汽车行业的发展提供一定的参考。

1 电磁计算理论与基础

本文对给定边界条件下的麦克斯韦方程组求解在COMSOL 6.1的RF模块中进行。生物电磁暴露评估的一大重点是生物体的介电特性，由于不同频段下的同一生物组织会发生不同的色散现象，导致生物组织的相对介电常数和电导率会随着频率的变化而变化[8]。四阶Cole-Cole模型可适用于计算10 Hz～20 GHz频段内的生物组织介电常数[9]，如式（1）所示

式中：r为复相对介电常数；？着r′为复相对介电常数中的实部，又称相对介电常数；？着r"为复相对介电常数中的虚部，又称损耗因子；？着r∞为相对介电常数位于光频处的值；？棕为角频率，rad/s，可以通过频率求出；？着0=8.854 187 817×10-12为真空中的介电常数，F/m；？驻？着n是相对介电常数的增量；？子n为中心弛豫时间；？琢为弛豫分布时间，通常取值位于0～1 s之间；？滓i为离子的电导率。本文根据GPS天线频率1.575 GHz，用相似组织的电导率来模拟头部模型中的各种组织[10]，计算得出三层球头模型和人体躯干的介电参数，具体见表1，其中大脑采用脑白质、脑灰质、脑脊液的平均值，躯干组织取皮肤、血液、肌肉和骨骼4种组织的平均值。

在高频频段电磁暴露对人体的影响以对人体的加热效应为主，这个加热的物理过程在生物计量学中用SAR来表示。SAR是单位时质量人体组织所吸收的电磁功率，能量增量dW被吸收于一个给定密度？籽和体积dV的质量增dm的时间导数[11]。SAR的数学表达式为

基于SAR的基本公式为

式中：SAR为比吸收率，W/kg；？滓为电导率，S/m；？籽为组织密度，kg/m3；E为电场强度，V/m；c为比热容，J/（kg·℃）。

2 模型建立及电磁安全标准

2.1 GPS天线模型建立

建立了一个同轴馈电的右旋圆极化GPS贴片天线，其中心频率为1.575 GHz。在正方形金属贴片的对角处切出2个大小合适的等腰三角形，形成了圆极化辐射[12]。GPS天线模型及外壳如图1所示。

人体坐姿模型参照国际通用的身高为1.75 m的成年人体模型比例建立车厢内人体坐姿模型，人体坐姿模型整体高度为1 300 mm，肩宽为520 mm。简易人体头部三层球头模型参数为：头皮半径为92 mm，颅骨半径为85 mm，大脑半径为80 mm。三层球头模型由Rush 和 Driscoll[13]提出，用于数值计算。他们使用3个具有不同电阻率的同心球体来代表大脑、颅骨、头皮。三层球头模型的几何和坐标系及其与头部的拟合性质是根据场论和势能方程的标准方法推导出来的。该模型的有效性通过含有人类颅骨的电解槽进行了测试，并与猴子大脑内部和人类头部表面的活体数据进行了比较，可用于等效计算人类头部的介电参数。人体坐姿模型如图2所示，电动汽车简易模型如图3所示。

2.2 国5bfb2f113f16c0d30b55a905dcf79a1d际安全评估准则

根据最新版ICNIRP导则（2020），在100 kHz～300 GHz的电磁场中，30 min内全身平均暴露的参考水平见表2。

3 GPS天线工作条件下电动汽车中人体电磁暴露的安全评估

对于高频电磁辐射，外加电场会在人体内产生感应电场，电场会产生电流，从而吸收和耗散电磁能量，因此电场会对人体组织产生加热效应。图4—图6分别显示了后排中间座位位置、后窗座位位置、驾驶员座椅位置下人体对天线的比吸收率分布。

表3详细列出了在GPS天线工作频率为1.575 GHz时，人体头部模型和由头皮层、颅骨层、大脑层组成的三层球头模型的SAR值。当天线产生的电磁波穿透人体头部模型时，SAR值在人体头部模型的头皮层最高，穿过颅骨层后降低，进入大脑层后最低。这是由颅骨层的电特性决定的，大量电磁波被颅骨层吸收，从而减少了进入大脑层的电磁波数量。

表4详细列出了当车载GPS天线在1.575 GHz工作频率下工作30 min时，人体模型的全身平均SAR值、温升值、ICNIRP限值比较。

在车载GPS天线工作状态下，经过30 min的辐照时间后，电动汽车内3个位置的人体全身平均SAR都没有超过ICNIRP的限值。

4 结束语

在本文根据典型电动汽车及天线电磁环境的仿真下，GPS天线对人体产生的电磁暴露量远小于ICNIRP安全限值。然而，由于人体长期暴露在车载天线下，需要进一步研究以评估长期暴露的潜在影响。对电动汽车高频天线辐射影响的持续调查和研究将提高对潜在风险的认识，并有助于确保电磁辐照保持在可接受的范围内，以保护人类健康。

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