CST均匀头模型和天线SAR比吸收率仿真案例

合集 - CST软件(42)

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这一期我们一起看一下CST自带案例之一，均匀的头模型和螺旋天线。Component Library 中搜SAR，然后选Head with Helix Antenna模型，或TLM。搜到的其他模型也是不错的SAR 学习案例，这里重点解释怎样设置和计算SAR。

 Specific Absorption Rate (SAR) 是比吸收率，生物组织单位时间 (dt) 单位质量 (dm 或ρdV) 所吸收的电磁波能量(dw)。

最新2017的SAR标准IEC/IEEE62704-1目前还是要求六面体网格，也就是用CST时域T-solver计算SAR是FCC认可的软件结果，CST也是国际SAR标准委员会的成员。正在起草的IEC/IEEE 62704-4针对的是四面体FEM， 目前（2020.5）还没正式公布。FCC要求1g为单位均值的max SAR不超过1.6W/kg的，EU的标准则是10g均值的SAR不超过2W/kg。这两个案例是用频域F-solver四面体和TLM solver六面体子网作为比较，展示这些求解器都可以算SAR值，因为都可以计算电场，所以软件通过以下公式算SAR。

 

 Step 1. 查看模型

头是均匀材料，名字叫Liquid，介电常数42，通常人头内部组织液介电常数在40-42左右。类似的生物材料不在CST基本材料库里，需要Bio Model 3.1拓展包。注意，用来算SAR的材料除了介电常数，一定要定义density，密度ρ。

 

 

 手机为简单PEC机壳加PEC螺旋天线，有一个端口：

 

 

接下来看设置，频率为0-1.2GHz, 边界为open（addspace），仿天线推荐。

Step 2. 功耗监视器

重点来了，仿SAR值，一定要先加一个Power loss density/SAR 的场监视器。这里定义了一个900MHz 监视器，因为天线工作频率为900MHz。SAR是人体吸收电磁波能量，power loss density是电磁波功率在介质材料中的损耗密度，正好被用来计算SAR值。

 

 

接下来进行仿真，我们用三个不同的求解器T、F和TLM，不同的网格类型，在适当加密网格之后，三个S参数结果可以达到非常高的吻合度。

Step 3. 后处理算SAR

方法一，Post-Processing 的SAR选项，这里可以选均值还是不均值的点SAR值。均值的话单位是10克，1克，还是自定义。

 

 

 

然后在Specials 里，可以重新定义端口的激励功率。如果不勾选Userdefined，计算的SAR值就是使用默认的端口峰值功率为1W（0.5W RMS），这里我们用天线接收功率0.25W为例，accepted power 意思就是不考虑端口反射 (详见help) 。均值方法Averaging method就用默认的2017年的IEEE/ICE 62704-1, 旧版本叫IEEE P1528.1。该标准规定了仿真软件从一点计算SAR平均值时用的能包括周围组织的正方体，正方体大小是根据被均值的质量，比如1g，和周围组织的密度。其他旧的标准也可以从该菜单中选择。这里选了1g均值, 可以估算一下等一下算SAR的体积，因为头模型材料均匀，密度1000kg/m^3，所以头内部1g就是对应25px^3。Subvolume是用户可以限制计算区域，选一部分体积来算SAR值，可以提高后处理速度，尤其对于是更复杂的模型，比如voxel高分辨率的生物模型加上复杂手机。这里我们大概知道头的坐标区域，就定义了如下X,Y, Z 坐标区域：

 

 

设置好之后，点Ok关掉Specials，点击Calculate.方法二：Template Based Post-Processing, 2D and 3D Field Results, SARResult选项

 

 这里也可以做同样的设置得到SAR的数据和空间分布，我们还是0.25接收功率，采样点设置为2mm，相对于25px^3的均值体积已经很精确了。

 

Step 4. SAR 数据

两种方法均可生成一个SAR的2D/3D结果。右键点击，选择Object information，如下图：

 

然后便显示SAR的数据信息：

 以T-solver结果为例：

是否根据用户定义的功率进行缩放	Power Scaling [W]	0.25 Accepted
激励功率	Stimulated Power [W]	0.252477
天线接收功率 （激励功率减去反射损耗）	Accepted Power [W]	0.25
平均网格质量 （所有包含有密度材料的网格）	Average cell mass [g]	0.008
均值方法（不是算点SAR的话）	Averaging method	IEEE/IEC 62704-1
均值质量	Averaging mass [g]	1
在选择的区域内：Selected Volume:
计算区域最小坐标	Min (x,y,z) [mm]	-90, -140, -240
计算区域最大坐标	Max (x,y,z) [mm]	90, 100, 10
计算区域体积	Volume [mm^3]	1.08e+07
所有介质吸收功率	Absorbed power [W]	0.139361
生物组织体积	Tissue volume [mm^3]	4.39679e+06
生物组织质量	Tissue mass [kg]	4.39679
生物组织吸收功率	Tissue power [W]	0.139361
生物组织平均功率	Average power [W/mm^3]	3.16961e-08
生物组织总SAR （全体均值SAR）	Total SAR [W/kg]	0.0316961
最大的点SAR	Max. point SAR [W/kg]	9.24563
最大的1g 均值SAR	Max SAR (1g) [W/kg]	2.63443
最大的1g 均值SAR坐标	Maximum at (x,y,z) [mm]	75, -25, -151
均值最小体积坐标	Avg.vol.min (x,y,z) [mm]	69.855, -30.145, -156.145
均值最大体积坐标	Avg.vol.max (x,y,z) [mm]	80.145, -19.855, -145.855
最大的均值体积边长	Largest valid cube  [mm]	10.3573
最小的均值体积边长	Smallest valid cube [mm]:	10
均值体积计算精度	Avg.Vol.Accuracy     [%]	0.0001

然后我们选几个参考值，比较一下三个算法，都是加密网格之后：

	T-solver	TLM-solver	F-solver
Absorbed power [W]	0.139361	0.139815	0.140349
Total SAR [W/kg]	0.0316961	0.0317891	0.0319208
Max SAR (1g) [W/kg]	2.63443	2.64823	2.64651
Maximum at (x,y,z) [mm]	75, -25, -151	75, -23, -151	75, -23, -151

 

可见三种算法分别用不同的网格可以达到非常一致的SAR结果，当然只有时域六面体SAR结果目前被标准认可。这里算出来的MaxSAR (1g)  是2.6 W/kg，超过安全标准，原因一是我们的输入功率不实际，二是天线还没有被优化，比如没有天线罩。

 

Step 5. SAR 分布

三维的SAR分布可以直接点击SAR的2D/3D结果查看。这里可以看到热点在天线旁边的耳朵后面。这里面注意的是，这个头模型三维结构的表面是由三角形棱角的，和网格剖分无关，并不是说我们用的网格是四面体。

 

 

 

 

还可以利用Macro –> Results –> 2D 3D Results -> Plot AveragingVolume for maximum SAR value, 自动显示最大均值SAR的计算体积和位置。

 

 

 

最后划重点：

生物材料要有密度。

要有power loss density/SAR 监视器算三维场。

SAR计算在后处理，采样很重要。

SAR数据在objectinformation，新用户不容易找到。

 

其他关于SAR更精确的仿真一些建议和技巧：

均匀组织液是常用的SAR模型，如本案例中用的CAD模型 ，而很多SAR的计算的组织液模型其实只需要球形或方块就够了。

 

如果要比这个头模型更好的生物模型， CST有业界领先的体积像素voxel模型和各种组织材料，需要BioModel 3.1 拓展包。

 

天线附近的空气和靠近的组织推荐加个空气盒子，不包括在仿真内，但可用来本地加密网格。

生物组织材料要输入密度，金属结构不需要输入密度，不然SAR也会算金属区域。

 

由于生物组织的材料特点，往往需要的网格数会很大，大多数SAR用户选择GPU加速。

先定义一个局部区域电场监视器E-field，再定义功耗power loss，会节省场计算时间。

人体的血液流动带走热量，年龄也影响新陈代谢，这些因素CST都有功能可以考虑进去。

 

计算SAR的根本目的是防止电磁波被人体吸收变成热量，将电磁功耗的结果转去CST热求解器来算温度升高也是非常好的做法，真正意义上的“烧脑”。

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