RF辐射与吸收

Wi-Fi 天线附近人体头部的比吸收率测量

2020年 4月 16日

如今,人们经常暴露在手机(或其他无线设备)等移动电子设备的射频(RF)辐射中。人体吸收的射频暴露量用比吸收率(SAR)来衡量,比吸收率代表射频能率。为了帮助设计更安全的设备,工程师使用 COMSOL Multiphysics® 软件计算了吸收天线电磁波的人体头部模型的局部比吸收率值。

通过比吸收率测量射频吸收率

当使用无线设备时,我们的身体会受到设备天线辐射的射频能量的影响。因此,了解电磁辐射对人体健康的影响非常重要。天线发射出的射频能量通过人体组织传播,并最终转化为热能被身体吸收。射频能量的吸收量随射频信号的频率而变化。

 

为了确保发射的射频能量不超过最大暴露水平,工程师对发射射频能量的设备进行原型设计时,会使其特性符合安全准则。

为了查看这些设备是否可以安全使用,我们通过比吸收率测试来测量设备发射的射频能量。比吸收率测试结果用于确定各种设备中的最大电磁露量。比吸收率可以通过下式计算:

SAR=\sigma\frac{\mathbf{|E|} ^2}{\rho}

其中,σ是材料的电导率,|E| 是电场(RMS)的范数,ρ是质量密度。比吸收率的单位是瓦特每千克(W/kg)。

当人的头部位于一个微带贴片天线的 Wi-Fi 工作频率范围内时,通过使用 COMSOL Multiphysics 软件及其附加的射频模块,我们可以计算和分析穿过一个简化的人体头部和大脑模型(下图)的局部比吸收率值。该仿真模型显示了人体头部如何吸收天线发射的电磁波。

该图显示了人体头部和微带贴片天线的建模域
包含脑组织的人体头部模型的比吸收率图以及一个贴片天线的电场范数。

人体头部模型的建模与仿真

本文使用的案例模型是一个从外部导入 COMSOL 软件中的人体头部几何模型,该几何模型与 IEEE、IEC 和 CENELEC 标准规范中根据比吸收率值测量的特定拟人人体模型(SAM)相同。将几何模型导入 COMSOL Multiphysics 后,需要将原始几何形状缩小 60%,并进行一些细微的调整,以减少计算量。我们使用了一个椭圆形几何,来简化大脑的形状,部分人体头部特征用骨皮质组织来表征。

靠近人体头部的天线由一层金属薄膜、矩形FR4介电板和接地层组成。在损耗忽略不计的情况下,在“电磁波,频域”接口中,我们可以将天线(微带馈线、天线辐射器和接地层)的金属部分表征为“理想导体”(PEC)。添加集总端口边界条件(一个简化的端口边界条件)表示来自电源的馈电。本案例中的天线由 50Ω 集总端口供电。

为了模拟在无限自由空间中的天线测试,我们使用完美匹配层(PML)将人体模型和天线封装在一个球形的空气域中。完美匹配层就像一个消声室一样,可以吸收所有传出的电磁波能量和阻止不需要的反射。

模型域的图像,其中完美匹配层突出显示,并且移除了一半视图以显示内部结构。
An image showing the model domain with the PML highlighted and half removed to show the interior.

人体头部模型和微带贴片天线在 Wi-Fi 工作频率范围内的谐振响应。图中高亮的半球体为完美匹配层,移除了一半视图以显示其内部结构。

最后,为了计算比吸收率值,将比吸收率 域条件添加到头部几何模型中。人体组织吸收的射频能量吸收率用比吸收率(从 5.5 版本开始可直接用作预定义的后处理变量)表示,并由电磁耗散密度和人体头部的密度计算。

请注意,此模型假设所有材料都是均质的。有关真实大脑的材料属性,请参见模型案例人脑模型的比吸收率(SAR),其中,使用导入的具有体积函数的 MRI 图像数据的材料参数来表征头内部组织类型的变化。

带有为特定吸收率功能选择的域的模型构建器的屏幕快照
比吸收率功能的选定域。

人体头部的射频效应和比吸收率分析

下图仿真结果显示了 Wi-Fi 天线旁边人体头部的比吸收率值。模型中最大的比吸收率值位于正面入射电场的表面区域。通常,天线的位置和介电特性是影响比吸收率的两个因素。人体具有不同的介电特性值(介电常数和电导率),它们是频率和几何形状等变量的函数,也是影响射频通讯和吸收辐射的因素。当电阻损耗增加时,比吸收率值增加。

频率为2.45 GHz时头部模型的SAR图
频率为 2.45 GHz 时人体头部的比吸收率。

我们经常将电信号视为一种单向传播,即信号从一个源传播到另一个源。但是在射频中,电信号会由于反射而在两个方向上传播(类似于镜面反射光的方式)。下图仿真结果显示了微带贴片天线的辐射场,该辐射场由于人头部的反射而发生扭曲,远场结果也受其影响。

微带贴片天线在2.45 GHz处的2D远场辐射图(左)。
仿真结果显示了3D微带贴片天线的远场辐射方向图(右)。

x y平面上发生扭曲的 2D 远场辐射方向图(左)和频率为2.45 GHz时,微带贴片天线的3D远场辐射方向图(右)。为了显示头部和天线几何形状的辐射方向图,图中修改了可视化比例尺和位置。

对于工程设计人员而言,比吸收率值是一个重要参数。我们可以使用 COMSOL Multiphysics 轻松获得比吸收率值。通过仿真模拟结果,我们还可以评估用户定义的任意形状的比吸收率值。在设计电子移动设备时,量化人体可以吸收的辐射量是关键。在设计符合安全标准的设备时,使用COMSOL Multiphysics及其附加的RF 模块进行模拟是一种更加快速、经济且高效的方法。

下一步

单击下面的按钮,进入 COMSOL “案例下载”页面,尝试自己模拟Wi-Fi 天线附近人体头部模型的比吸收率。案例模型教程包括详细的说明文档和MPH文件,您可以使用有效的软件许可证下载该文件。

博客分类


评论 (0)

正在加载...
浏览 COMSOL 博客