CST自帶案例：均勻頭模型和天線比吸收率（SAR）仿真案例

這一期我們一起看一下CST自帶案例之一，均勻的頭模型和螺旋天線。Component Library 中搜SAR，然后選Head with Helix Antenna模型，或TLM。搜到的其他模型也是不錯的SAR 學習案例，這里重點解釋怎樣設置和計算SAR。

Specific Absorption Rate (SAR) 是比吸收率，生物組織單位時間 (dt) 單位質量 (dm 或ρdV) 所吸收的電磁波能量(dw)。

最新2017的SAR標準IEC/IEEE62704-1目前還是要求六面體網(wǎng)格，也就是用CST時域T-solver計算SAR是FCC認可的軟件結果，CST也是國際SAR標準委員會的成員。

正在起草的IEC/IEEE 62704-4針對的是四面體FEM， 目前（2020.5）還沒正式公布。FCC要求1g為單位均值的max SAR不超過1.6W/kg的，EU的標準則是10g均值的SAR不超過2W/kg。

這兩個案例是用頻域F-solver四面體和TLM solver六面體子網(wǎng)作為比較，展示這些求解器都可以算SAR值，因為都可以計算電場，所以軟件通過以下公式算SAR。

Step 1. 查看模型

頭是均勻材料，名字叫Liquid，介電常數(shù)42，通常人頭內部組織液介電常數(shù)在40-42左右。類似的生物材料不在CST基本材料庫里，需要Bio Model 3.1拓展包。注意，用來算SAR的材料除了介電常數(shù)，一定要定義density，密度ρ。

手機為簡單PEC機殼加PEC螺旋天線，有一個端口：           

接下來看設置，頻率為0-1.2GHz, 邊界為open（addspace），仿天線推薦。

Step 2. 功耗監(jiān)視器

重點來了，仿SAR值，一定要先加一個Power loss density/SAR 的場監(jiān)視器。這里定義了一個900MHz 監(jiān)視器，因為天線工作頻率為900MHz。SAR是人體吸收電磁波能量，power loss density是電磁波功率在介質材料中的損耗密度，正好被用來計算SAR值。

接下來進行仿真，我們用三個不同的求解器T、F和TLM，不同的網(wǎng)格類型，在適當加密網(wǎng)格之后，三個S參數(shù)結果可以達到非常高的吻合度。             

Step 3. 后處理算SAR

方法一，Post-Processing 的SAR選項，這里可以選均值還是不均值的點SAR值。均值的話單位是10克，1克，還是自定義。

然后在Specials 里，可以重新定義端口的激勵功率。如果不勾選Userdefined，計算的SAR值就是使用默認的端口峰值功率為1W（0.5W RMS），這里我們用天線接收功率0.25W為例，accepted power 意思就是不考慮端口反射 (詳見help) 。

均值方法Averaging method就用默認的2017年的IEEE/ICE 62704-1, 舊版本叫IEEE P1528.1。該標準規(guī)定了仿真軟件從一點計算SAR平均值時用的能包括周圍組織的正方體，正方體大小是根據(jù)被均值的質量，比如1g，和周圍組織的密度。其他舊的標準也可以從該菜單中選擇。

這里選了1g均值, 可以估算一下等一下算SAR的體積，因為頭模型材料均勻，密度1000kg/m^3，所以頭內部1g就是對應1cm^3。

Subvolume是用戶可以限制計算區(qū)域，選一部分體積來算SAR值，可以提高后處理速度，尤其對于是更復雜的模型，比如voxel高分辨率的生物模型加上復雜手機。這里我們大概知道頭的坐標區(qū)域，就定義了如下X,Y, Z 坐標區(qū)域：

設置好之后，點Ok關掉Specials，點擊Calculate.

方法二：Template Based Post-Processing, 2D and 3D Field Results, SARResult選項

這里也可以做同樣的設置得到SAR的數(shù)據(jù)和空間分布，我們還是0.25接收功率，采樣點設置為2mm，相對于1cm^3的均值體積已經(jīng)很精確了。

Step 4. SAR 數(shù)據(jù)

兩種方法均可生成一個SAR的2D/3D結果。右鍵點擊，選擇Object information，如下圖：

然后便顯示SAR的數(shù)據(jù)信息：

以T-solver結果為例：

然后我們選幾個參考值，比較一下三個算法，都是加密網(wǎng)格之后：

可見三種算法分別用不同的網(wǎng)格可以達到非常一致的SAR結果，當然只有時域六面體SAR結果目前被標準認可。這里算出來的MaxSAR (1g)  是2.6 W/kg，超過安全標準，原因一是我們的輸入功率不實際，二是天線還沒有被優(yōu)化，比如沒有天線罩。

Step 5. SAR 分布

三維的SAR分布可以直接點擊SAR的2D/3D結果查看。這里可以看到熱點在天線旁邊的耳朵后面。這里面注意的是，這個頭模型三維結構的表面是由三角形棱角的，和網(wǎng)格剖分無關，并不是說我們用的網(wǎng)格是四面體。

還可以利用Macro –> Results –> 2D 3D Results -> Plot AveragingVolume for maximum SAR value, 自動顯示最大均值SAR的計算體積和位置。

最后劃重點：

• 生物材料要有密度。

• 要有power loss density/SAR 監(jiān)視器算三維場。

• SAR計算在后處理，采樣很重要。

• SAR數(shù)據(jù)在objectinformation，新用戶不容易找到。

其他關于SAR更精確的仿真一些建議和技巧：

• 均勻組織液是常用的SAR模型，如本案例中用的CAD模型 ，而很多SAR的計算的組織液模型其實只需要球形或方塊就夠了。

• 如果要比這個頭模型更好的生物模型， CST有業(yè)界領先的體積像素voxel模型和各種組織材料，需要BioModel 3.1 拓展包。

• 天線附近的空氣和靠近的組織推薦加個空氣盒子，不包括在仿真內，但可用來本地加密網(wǎng)格。

• 生物組織材料要輸入密度，金屬結構不需要輸入密度，不然SAR也會算金屬區(qū)域。

• 由于生物組織的材料特點，往往需要的網(wǎng)格數(shù)會很大，大多數(shù)SAR用戶選擇GPU加速。

• 先定義一個局部區(qū)域電場監(jiān)視器E-field，再定義功耗power loss，會節(jié)省場計算時間。

• 人體的血液流動帶走熱量，年齡也影響新陳代謝，這些因素CST都有功能可以考慮進去。

• 計算SAR的根本目的是防止電磁波被人體吸收變成熱量，將電磁功耗的結果轉去CST熱求解器來算溫度升高也是非常好的做法，真正意義上的“燒腦”。