[论文解读] Human Electromagnetic Field Exposure in Wearable Communications: A Review

Seungmo Kim, Yakub Ahmed Sharif+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2019

Electromagnetic Fields and Biological Effects参考文献 64被引用 13

一句话总结

本文综述了商用可穿戴设备对人体电磁场（EMF）暴露的影响，重点关注2.4 GHz和60 GHz频段的比吸收率（SAR）。分析了市售产品中的SAR水平，评估了测量标准，发现60 GHz可穿戴设备的SAR可能超过ICNIRP和FCC的SAR指导限值，需保持最小12 mm（ICNIRP）和15 mm（FCC）的分离距离以确保安全。

ABSTRACT

The concern on human health is often overseen while wearable technologies attract exploding interests. Mainly due to the extreme proximity or a direct physical contact to the human skin, wearable communications devices are acknowledged to cause higher levels of specific absorption rate (SAR) at the skin surface. Unfortunately, so far, we have found no study encompassing all the aspects that the general public needs to understand about wearable technologies--i.e., the analytical and experimental backgrounds, and report of SAR levels generated from commercial wearable devices. In this context, this paper provides an extensive review on SAR from various commercial wearable devices that are currently sold in the market, as well as the analytical framework and the current measurement methodologies for standard compliance tests. Moreover, considering the present interest in millimeter wave (mmW), this paper sheds light on the SAR evaluated at 60 GHz and also compares the SAR to that measured at 2.4 GHz. We expect that this paper will be of value in informing the general public of the safety in using the currently sold wearable devices, and in igniting further study of the exact biological consequences from electromagnetic field (EMF) exposure due to wearable devices.

研究动机与目标

• 解决目前关于市售可穿戴设备真实世界SAR水平的综合性研究不足的问题。
• 分析毫米波（mmW）频段，特别是60 GHz频段，与传统2.4 GHz频段相比，对人类EMF暴露的影响。
• 对可穿戴技术的SAR测量方法和合规标准进行详细综述。
• 向公众提供信息，并指导制造商基于当前安全指南进行安全设计。
• 评估长时间或高强度EMF暴露与体表可穿戴设备，尤其是高频段，相关的潜在健康风险。

提出的方法

• 对SAR、EMF暴露及可穿戴设备标准的相关文献进行了综述。
• 从产品数据表和外部来源收集了包括Apple AirPod、Fitbit、Snap可穿戴摄像头和Apple Watch在内的市售可穿戴设备的SAR数据。
• 基于IEEE和ICNIRP指南的标准SAR计算框架，对未公开披露的SAR值进行了估算。
• 使用微带贴片和八木-宇田（Yagi-Uda）天线模型，模拟并比较了2.4 GHz和60 GHz频段的SAR分布，其具有定向辐射特性。
• 评估了SAR随与人体距离的变化，重点关注皮肤表面的暴露情况。
• 采用时间平均SAR公式，评估了符合ICNIRP和FCC安全限值的情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 目前市场上销售的可穿戴设备（如Apple AirPod、Fitbit、Snap可穿戴摄像头和Apple Watch）实际发射的SAR水平是多少？
• RQ2 在可穿戴通信系统中，60 GHz频段的SAR与2.4 GHz频段相比如何？
• RQ3 为符合ICNIRP和FCC的SAR指导限值，可穿戴设备与人体之间的最小安全距离是多少？
• RQ4 2.4 GHz和60 GHz频段的辐射方向图（全向与定向）如何影响皮肤表面的局部SAR暴露？
• RQ5 在60 GHz频段，更高的发射功率和更多的天线导引元件在多大程度上增加了人体EMF暴露？

主要发现

• 通过产品数据表和标准SAR计算模型，研究了Apple AirPod、Fitbit和Apple Watch等商用可穿戴设备的SAR水平。
• 在2.4 GHz频段，所有测试距离下SAR值均远低于ICNIRP和FCC的安全限值。
• 在60 GHz频段，当设备紧贴皮肤时，SAR水平超过ICNIRP和FCC指导限值。
• 为符合ICNIRP指南，60 GHz可穿戴设备需保持最小12 mm的分离距离。
• 为符合FCC指南，60 GHz可穿戴设备需保持最小15 mm的分离距离。
• 在60 GHz频段使用高度定向的辐射方向图（如八木-宇田天线）会因能量聚焦而增加皮肤表面的局部SAR。