5G毫米波终端电磁辐射测量

2020-08-20

在移动终端被广泛使用的今天，公众对移动终端引起的电磁辐射健康效应一直有着极高的关注。虽然WHO明确表示迄今为止尚不能证实移动电话的使用会对人体健康造成任何不良后果，但为了避免潜在风险，相关组织对电磁辐射的暴露限值做出了严格的规定。目前国际上大体采用两种方案，一类是以国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）的时变电磁场导则作为电磁辐射安全防护的标准，另一类则是采用ANSI/IEEE C95.1为标准。中国的无线通信终端设备电磁辐射局部暴露限值则属于ICNIRP限值体系。
一、电磁辐射剂量指标的变化
根据3GPP的协议， 5G频段被分为了两个范围：FR1与FR2。其中FR1为450 -7125MHz, 被称作Sub-6GHz。目前绝大部分的Sub-6GHz终端和2/3/4G终端的工作频率都在6GHz以下，在电磁辐射评估中所采用的物理量也是一致的，即比吸收率（SAR）。FR2的范围则是从24250MHz到52600MHz，也就是通常所说的5G毫米波频段。由于高频时超过90%的功率会被皮肤的表皮层或者真皮层吸收，因此各标准中通常使用吸收功率密度作为评估毫米波频段的电磁暴露强度的参数。


二、电磁辐射标准的进展
1、 限值
ICNIRP 导则根据不同的频率范围制定了不同的基本照射限值。最新修订的2020版中针对普通公众且当暴露大于6分钟时功率密度限值的规定如下:


局部暴露的基本限值
频率＞6 - 300GHz：吸收功率密度（Sab）在任意4cm2正方形表面上的平均值不得超过20W/m2；


频率＞30GHz：需增加额外的约束条件，即在平均区域为1cm2 时，Sab   同时还不应超过40 W/m2。


局部暴露的导出限值



美国联邦通信委员会（FCC）对于电磁辐射的评估采用的标准则是IEEE C95.1。最新的C95.1-2019除了将旧版中基本限值的叫法改为了dosimetric reference limit（DRL）、用exposure reference level（ERL）替代了最大容许暴露（MPE）以外还对限值做了调整。在电磁辐射的暴露场景为非受控环境时局部暴露限值如下：


DRLs
频率>6 - 300GHz：上皮功率密度在任意4cm2的平均值不得超过20 W/m2；


频率>30 - 300GHz：如身体表面的暴露区域小于1cm2，上皮功率密度在任意1cm2的平均值不得超过40W/m2。


ERLs



但是目前FCC并没有明确表示会采用C95.1-2019，所以在毫米波移动终端电磁辐射的符合性测试中功率密度的限值仍继续使用C95.1-1992中的10W/m2。


作为中国通信标准化协会电磁环境与安全防护委员会电磁辐射与安全工作组的组长单位，泰尔终端实验室已对GB 21288《移动电话电磁辐射暴露限值》进行了一系列修订，如增加了毫米波频段的电磁辐射限值。目前更新版已报批并计划在今年正式发布。


2、测试标准
由于现行的移动终端的电磁辐射评估规程都是围绕着SAR来制定的，其适用的频率范围为6GHz以下，所以目前的电磁辐射测试方案并不可用于毫米波频段。同时，受限于毫米波自身的辐射特性，毫米波终端通常采用大规模MIMO天线技术，这也表示使用传统的电磁辐射评估方案将会耗费巨量的测试时间。为了提高评估效率，国内外都计划在5G毫米波电磁辐射评估中增加数据仿真这一手段，即在测量功率密度之前先采用电磁辐射数值计算平台对人体关键组织或部位的电磁辐射剂量进行量化，从而达到减少实际测试量的目的。


目前IEC TC106的 JW11和JW12两个联合工作组正在分别进行“靠近头部和身体使用的无线通信设备对人体的电磁照射功率密度的评估：测量流程（6GHz - 300 GHz）”和 “靠近头部和身体使用的无线通信设备对人体的电磁照射功率密度的评估：仿真技术（6 GHz - 300 GHz）“两个标准的制定工作。泰尔终端实验室也正在积极参与两个工作组的相关工作，并计划在国内开展同类标准的制定工作。


三、实验室目前对于5G FR2频段的测试能力


仿真
已建成适用于毫米波终端和基站MIMO天线辐射性能的数值评估平台，可用于移动终端及基站MIMO天线辐射安全性评估和空中性能优化等；


构建了可融合多种通信场景的无线信道传播模型仿真平台，可用于车联网通信仿真、5G基站布局优化等。


测量
实验室测量系统适用于工作在750 MHz - 110 GHz的毫米波终端产品；


与各厂商联合开展了研究项目，完成超过350小时的测试。


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射频技术