电磁波应用的不断拓展给人们生产、生活带来便利的同时也存在影响环境乃至生物的隐患。而工作在微波频段的移动通信的广泛应用更使人们对微波生物效应的关注提高到一个新的高度。微波生物效应可以分为微波热效应和非热效应。鉴于微波辐射达到一定的辐射剂量会产生明显的热效应,业界提出了微波辐射比吸收率(SAR)标准,用以确保微波使用的安全性。而长期低SAR微波辐射是否会产生微波生物非热效应(如影响睡眠、破坏生物节律)等问题,目前也得到学术界的广泛关注,但现有的研究结果并未得到一致结论。究其原因,主要是感兴趣区域微波辐射缺乏均匀性和辐射剂量评价和控制系统缺乏科学性。针对上述情况,本文主要进行了低SAR微波辐射理论研究与系统设计工作,提高感兴趣区域微波辐射的均匀性及辐射剂量评价和控制系统的科学性。主要开展了感兴趣区域电场均匀性分析和微波辐射动物SAR分析等研究,导出了感兴趣区域场均匀性约束条件和临界条件,建立了高分辨率三维动物模型SAR分析数据库,导出了低SAR微波辐射剂量控制算法,设计了可以自动控制微波辐射时间段和光照时间的微波辐射系统。利用设计的微波辐射系统开展了1800MHz低SAR微波辐射动物实验,通过自行设计的基于余弦分析法和显著性检验的余弦分析软件处理实验数据,发现1800MHz低SAR微波辐射影响了生物的昼夜节律。本研究导出了感兴趣区域场均匀性临界条件和低SAR剂量控制算法,为微波辐射生物非热效应研究构建低SAR条件提供了一套可行的技术理论。本文的主要研究工作与贡献主要体现在以下几个方面:1.为提高实验中感兴趣区域场均匀性,本文基于IEC61000-4-20标准和口径场法开展了微波辐射远场中感兴趣区域(ROI)场均匀性理论研究,并导出了ROI场均匀性临界条件。(1)引入IEC61000-4-20:2010均匀性测试方法导出ROI场均匀性约束条件,并利用AFM研究矩形口径天线、角锥喇叭天线和圆极化喇叭天线等远场中ROI的场分布,实现了基于IEC61000-4-20:2010标准评估ROI场均匀性的数值算法,从而将场均匀性评估从测试阶段提前到设计阶段,提高实验系统设计的质量和效率。(2)基于IEC61000-4-20标准的感兴趣区域微波辐射场均匀性理论,导出了ROI场均匀性临界条件,为微波辐射实验系统设计提供了参考标准。经实测,参考ROI场均匀性临界条件设置的ROI电场均匀性达到IEC61000-4-20:2010标准要求。2.为提高微波辐射剂量分析和控制系统的科学性,在微波辐射均匀性理论的基础上提出了基于高分辨率三维动物模型的SAR分析方法并导出了低SAR微波辐射剂量控制算法,构建了“动物模型-辐射频率-SAR”映射关系的SAR分析数据库,设计并实现了低SAR微波辐射系统。(1)引入高分辨率三维动物模型,建立一定频率范围内单频1V/m微波辐射动物模型全身及其组织器官的SAR分析数据库。(2)利用高分辨率三维动物模型SAR分析数据库分析微波辐射实验动物的SAR值,并导出低SAR剂量控制算法。(3)根据感兴趣区域场均匀性理论,利用高分辨率三维动物模型SAR分析方法和低SAR剂量控制算法设计了一种可以自动控制微波信号输出时间段和光照条件的低SAR微波辐射系统,可用于开展低SAR微波辐射生物对其昼夜节律效应方面的微波非热效应研究。3.为探究上述设计的微波辐射系统在低SAR微波非热效应研究中的可行性,开展了1800MHz低SAR微波辐射对生物抗氧化标志物昼夜节律影响的实验研究,采用高分辨率三维动物模型进行SAR分析和低SAR剂量控制算法控制实验中的辐射剂量使之满足低SAR条件。利用自行设计WEB共享型昼夜节律分析软件对采集的实验数据进行昼夜节律分析和显著性检验后,发现了1800MHz低SAR微波辐射对动物昼夜节律的副效应。