Пользователи мобильных электронных устройств (телефонов и прочих беспроводных устройств) подвергаются в той или иной мере воздействию СВЧ-излучения. В качестве меры поглощенного тканями человеческого чела электромагнитного излучения используется т.н. удельный коэффициент поглощения (specific absorption rate — SAR) . Для разработки более безопасных устройств инженеры могут рассчитать локальные значения SAR для модели головы человека, облучаемой СВЧ-антенной, с помощью инструментов программного пакета COMSOL Multiphysics®.
Использование коэффициента SAR для характеризации поглощения СВЧ-излучения
При использовании беспроводных устройств, наше тело подвержено воздействию СВЧ-энергии от антенн, входящей в их состав. Следовательно, необходимо понимать, каковы последствия воздействия электромагнитного излучения на здоровье человека. СВЧ-энергия, проникая в живые ткани, рассеивается в виде тепла, которое наше тело способно поглотить. Количество поглощенной энергии зависит от частоты этого сигнала.
При создании прототипов СВЧ-излучаталей их разработчики должны закладывать параметры, соответствующие требованиям безопасности. Это гарантирует, что уровень воздействия излучения от таких устройств не превысит максимально допустимого значения. Для оценки степени безопасности использования таких устройств, можно измерить уровень воздействия СВЧ-излучения, создаваемого ими, посредством SAR-тестирования. Изменение SAR позволяет получить объективные показатели для определения максимальной величины электромагнитного воздействия различных устройств. Коэффициент SAR вычисляется следующим образом:
где σ — электрическая проводимость материала, |E| — норма электрического поля (среднеквадратическая), а ρ — плотность живых тканей. Единицы измерения — ватт на килограмм (Вт/кг).
С помощью инструментов модуля Радиочастоты пакета COMSOL Multiphysics можно вычислить и проанализировать локальные значения коэффициента SAR в упрощенной модели головы и мозга человека, находящихся рядом с прямоугольной микрополосковой антенной, работающей в частотном диапазоне беспроводных сетей Wi-Fi. Такая модель позволит численно продемонстрировать процесс поглощения головой человека СВЧ-излучения, исходящего от антенны.
Моделирование облучения фантома человеческой головы СВЧ-излучением
В этой учебной модели используется CAD-геометрия человеческой головы, идентичная специальной антропометрической модели (specific anthropomorphic mannequin — SAM) головы человека, в соответствии со стандартной спецификацией IEEE, IEC и CENELEC по измерению удельного коэффициента поглощения электромагнитной энергии. Исходная геометрия была конвертирована во внутренний формат COMSOL Multiphysics с незначительными упрощениями, и для сокращения вычислительной сложности данной задачи она была уменьшена на 60%. За счет отрисовки эллипсоида была создана упрощенная форма мозга, а остальные части человеческой головы были определены как кортикальная костная ткань.
Антенна рядом с человеческой головой состоит из тонкого стоя металла, нанесенного на прямоугольную диэлектрическую подложку из FR4. На дне подложке также сделана металлизация для заземления. В интерфейсе Electromagnetic Waves, Frequency Domain (Электромагнитные волны, Частотная область) можно упрощенно представить металлические части антенны (микрополосковая линия питания, излучатель и заземление) как поверхности, задав ГУ Perfect Electric Conductor (Идеальный электрический проводник) в предположении незначительных потерь. Возбуждение задается посредством граничного условия Lumped Port, являющегося упрощенной версией ГУ Port (для возбуждения TEM-мод). В данном случае питание антенны осуществляется при помощи сосредоточенного порта с сопротивлением 50 Ом.
Для имитации испытания антенны в бесконечном свободном пространстве, фантом человеческой головы и антенна окружаются сферической воздушной областью с дополнительным слоем вдоль внешней границы, в котором используется условие Perfectly Matched Layer (PML). PML выступает в качестве "виртуальной" безэховой камеры, поглощая всю энергию волнового излучения и предотвращая ее нежелательное отражение.
И наконец, для расчета коэффициента SAR на область головы добавляется условие Specific Absorption Rate (которое доступно, начиная с релиза COMSOL 5.5). Количество поглощенной СВЧ-энергии представляется величиной коэффициента SAR (который при добавлении указанного условия становится доступен в качестве переменной постобработки) вычисляется на основе расчетного распределения электрического поля и заданной плотности и проводимости человеческой головы.
Обратите внимание на то, что в этой модели применяется допущение об однородности всех материалов. Более реалистично вещество головного мозга описано в модели Specific Absorption Rate (SAR) in the Human Brain model, в которой свойства разных типов живых тканей головы характеризуются интерполяционными функциями, основанными на импортированных данных МРТ-исследований.
Анализ воздействия СВЧ-излучения и расчет коэффициента SAR в области головы человека
Ниже приведены графики распределения коэффициента SAR в голове человека, расположенной рядом с Wi-Fi антенной. Наибольшее значение коэффициента SAR наблюдается на поверхности, обращенной к полю падающего СВЧ-излучения. Как правило, коэффициент SAR зависит от положения антенны и диэлектрических свойств. Человеческое тело имеет разные значения диэлектрических свойств (проницаемость и проводимость), которые к тому же являются частотнозависимыми и неоднородными в пространстве. И проводимость, и диэлектрическая проницаемость тканей человеческого тела влияют на количество поглощенного излучения. Значение коэффициента SAR возрастает при увеличении резистивных потерь.
В контексте данной модели также интересно оценить диаграмму направленности системы. Для многих привычно, что такая диаграмма для стандартной микрополосковой антенны должна показывать основное направление излучения сигнала — по нормали к поверхности подложки. Но ниже показаны результаты для излучаемого прямоугольной микрополосковой антенной поля (в дальней зоне), которое в данной системе искажено в силу отражения сигнала от человеческой головы.
Таким образом, значение коэффициента SAR, которое представляет особый интерес для проектировщиков беспроводных устройств, легко получить с помощью COMSOL Multiphysics. После проведения моделирования коэффициент SAR можно также рассчитать для произвольного объема в любой части расчетной области. При создании электронных мобильных устройств, важно определить количество излучения, которое будет поглощаться человеческим телом. Пользователи программного пакета COMSOL Multiphysics и модуля Радиочастоты получают быстрый и наименее затратный метод разработки устройств в соответствии с требованиями безопасности.
Дальнейшие шаги
Для ознакомления с рассмотренной моделью по расчету SAR в человеческой голове, расположенной рядом с Wi-Fi антенной, нажмите кнопку ниже. При этом вы откроете страницу примера в Галерее моделей и приложений, в которой вы найдете подробную документацию с пошаговыми инструкциями по сборке и MPH-файл, который можно скачать при наличии действительной лицензии на программный пакет.
#наука #физика #технологии #программы #численные методы #fem #comsol
