ANSYS HFSS 提供了一种建模 SAR 分布的方法！

2020 年对我们所有人来说都是充满挑战的一年，由于 COVID 19 限制和居家隔离，许多工程师不得不推迟开发时间表。ANSYS HFSS 为所有工程师提供了一种在家安全工作的好方法。隔离期间，您可以使用仿真工具在室内进行所有测量和测试。实验室测试不再是您唯一的选择。

本文介绍如何使用 ANSYS HFSS 模拟手机天线，提取人体头部的特定吸收率 (SAR) 分布。工程师可以估算 SAR 值并预测其是否符合 FCC 标准。包括的手机天线包括 GPS 天线、蓝牙/WIFI 天线和蜂窝天线。

概述

根据美国联邦通信委员会 (FCC) 的规定，特定吸收率 (SAR) 是人体吸收射频能量时产生的热效应的量度。其定义为每单位组织质量吸收的功率，单位为瓦特每千克 (W/kg)。如今，许多物联网设备和消费电子产品都使用射频 (RF) 信号进行无线通信。射频信号的高电磁辐射会导致组织发热，从而造成潜在的健康和安全隐患。FCC 制定了法规和规则来控制人体暴露于射频辐射能量。

当工程师设计便携式电子产品、可穿戴电子产品或其他无线设备时，他们常常会遇到以下挑战：

• 天线设计和性能独立

• 天线与人体的相互作用

• 与其他设备的天线通信

• 人体头部/身体内的 SAR 分布

过去，去测试机构进行 SAR 测试是唯一的方法。但如今，ANSYS 为所有工程师提供了一种在内部进行 SAR 建模的方法。ANSYS HFSS（高频结构模拟器）是一款 3D 电磁 (EM) 仿真软件，用于设计和模拟高频电子产品，如天线、RF 或微波元件。此外，HFSS 还提供独特的积分求解器 (HFSS-IE)，使用户能够解决复杂的人体结构。

 

例子

带有 GPS、蜂窝和蓝牙/WIFI 天线的手机模型。

 

人体头部和手部模型，创建 SAM 幻影 IEEE 模型来模拟真实的 SAR 测量。手机放置在头部和手部之间，两者之间相距 2 毫米。

 

ANSYS HFSS 允许工程师为不同的天线设置多个激励，并同时在单个、多个或宽带频率下运行。仿真将一次性解决所有问题，然后工程师可以使用激励和解决方案频率来查看后处理中的不同结果。

 

 

在 HFSS 中，绘制几何体上的 SAR 分布时，如果材料属性中定义了每种材料的质量密度，则使用每种材料的质量密度。否则（即，如果该库材料的质量密度为 0），将使用 SAR 设置对话框中的密度。

在组织质量框中，输入每个网格点周围材料的质量（以克为单位）。标准值为 1 和 10，对应于美国或欧洲标准；但是，出于研究目的，您可以输入此范围以外的值。

• 对于美国和加拿大：根据 FCC 的规定，SAR 限值是 1 克组织体积的平均值 1.6W/kg（FCC 射频安全）。

• 对于欧洲标准：根据欧盟议会的规定，SAR 限值是 1 克组织体积的平均值 2W/kg（欧盟有害手机辐射）。

 

这里，我们将展示几个不同天线在人体头部和手部的平均 SAR 分布图。这些图显示了 1 克组织上的 SAR 效应，读数包括 1 克和 10 克组织。

示例包括：蜂窝 1.94GHz、BLE 2.45GHz、WIFI 5GHz、GPS 2.45GHz

 

蜂窝 1.94GHz

使用人体模型测试时，1.94GHz 蜂窝天线的最高平均 SAR 值为：

1g 的 SAR(W/kg) 10g 的 SAR(W/kg)

人手 0.0724 0.0404

人体头部 0.0754 0.0535

 

蓝牙/WIFI 2.45GHz

用人体模型测试2.45GHz的BLE/WIFI天线的最高平均SAR值为：

1g 的 SAR(W/kg) 10g 的 SAR(W/kg)

人手 0.0855 0.565

人体头部 0.8038 0.0664

 

 

无线网络 5GHz

WIFI天线在5GHz下用人体模型测试的最高平均SAR值为：

1g 的 SAR(W/kg) 10g 的 SAR(W/kg)

人手 0.0298 0.0168

人体头部 0.0911 0.0088

 

 

GPS 2.45GHz

用人体模型测试GPS天线在2.45GHz时的最高平均SAR值为：

1g 的 SAR(W/kg) 10g 的 SAR(W/kg)

人手 0.0007 0.00059

人体头部 0.00119 0.00054

 

 

不同天线的 SAR 分布读数符合美国和加拿大 FCC 的 SAR 限制，即头部和手部 1 克组织体积的平均值 1.6W/kg。它们还符合欧盟标准的 SAR 限制，即 10 克组织体积的平均值 2W/kg。

 

概括

ANSYS 提供了一种简单的方法来模拟暴露于电子设备发射的电磁场的人体中的 SAR 分布。该解决方案结合了 ANSYS HFSS FEM 求解器、ANSYS Optimetics 优化功能和 HPC。使用幻影人体模型的 SAR 建模可以轻松解决并准确分析。与物理测量测试相比，使用 ANSYS 工具进行 SAR 建模更加灵活，因为用户可以虚拟分析模型上的任何点。可以使用参数化功能进行进一步的工作，以提取手机在头部和身体不同位置的多种不同放置位置。