В наше время, практический каждый городской житель окружен различными устройствами и гаджетами, излучающие высокочастотное электромагнитное излучение. Кроме того, нахождение рядом с источниками ВЧ-излучения длительное время вызывает у некоторых людей беспокойство о влияние такого излучения на их организм. Наиболее вредным фактором влияния ВЧ- излучения на человеческий организм безусловно является относительно высокая степень поглощения такого излучения биологическими тканями и сопутствующий локальный нагрев. При этом, излучение от некоторых источников может поглощаться не только поверхностными тканями, но и внутренними органами. Для количественной оценки такого поглощения ученые и инженеры часто используют удельный коэффициент поглощения (SAR) который определяется по формуле:
Где SAR — удельный коэффициент поглощения ЭМ излучения, |E| — среднеквадратическая норма электрического поля, σ – электропроводность биологической ткани, ρ – плотность биологической ткани.
Именно данная характеристика учитывается разработчиками устройств для соблюдения требований по безопасности. Однако, реализация экспериментальных техник для проведения количественных тестов оказывается не простой и дорогостоящей операцией. Данную проблему практически полностью позволяют решить численные методы моделирования, реализованные в Ansys HFSS. Используя инструменты HFSS вы можете без труда рассчитать источник ВЧ-излучения а также автоматически получить SAR для помещенного в модель биологического объекта. Добавление в модель температурной связки с модулем Icepak позволяет также смоделировать нагрев таких биологических тканей при поглощении излучения.
С целью демонстрации возможности реализации подобной мультифизической задачи была подготовлена некоторая учебная модель реалистичной головы человека и плоской Wi-Fi антенны находящейся в непосредственной близости.
На рисунке 1 представлен внешний вид модели такой головы, состоящей из различных частей таких как глаза, серое вещество, артерии, череп и т.д. Для всех данных элементов заданы уникальные электромагнитные и термические свойства, позволяющих достаточно точно рассчитать SAR.
На первом этапе в модель добавлялась плоская патч-антенна в близи головы с левой стороны, состоящая из идеального электрического проводника (PEC) и питаемая с сосредоточенного порта (Lumped port) c сопротивлением 50 Ом. Данная антенна работает на частоте 2.4 ГГц. Для HFSS модели на внешнюю границу также накладывается условие Absorption boundary condition – для поглощения всего излучения на внешних границах модели с целью исключения внутренних отражений сигнала. Результаты HFSS расчета представлены на рисунке 2. Данный рисунок иллюстрирует достаточно сильное поглощение ЭМ-излучения тканями головы, однако не стоит обращать внимание на количественные характеристики, так как это учебная модель и питание антенны было специально усилено для более яркой картины. Подобное построение можно легко получить, определив характеристики расчета SAR и затем построив его через узел «Field overlays» в окне Project Manager.
На первом этапе в модель добавлялась плоская патч-антенна в близи головы с левой стороны, состоящая из идеального электрического проводника (PEC) и питаемая с сосредоточенного порта (Lumped port) c сопротивлением 50 Ом. Данная антенна работает на частоте 2.4 ГГц. Для HFSS модели на внешнюю границу также накладывается условие Absorption boundary condition – для поглощения всего излучения на внешних границах модели с целью исключения внутренних отражений сигнала. Результаты HFSS расчета представлены на рисунке 2. Данный рисунок иллюстрирует достаточно сильное поглощение ЭМ-излучения тканями головы, однако не стоит обращать внимание на количественные характеристики, так как это учебная модель и питание антенны было специально усилено для более яркой картины. Подобное построение можно легко получить, определив характеристики расчета SAR и затем построив его через узел «Field overlays» в окне Project Manager.
Осталось учесть результирующий разогрев тканей в следствии данного поглощения. Для этого использовался модуль Icepak и динамическая ссылка электромагнитных потерь из HFSS. Кроме того, для учета течения крови внутри головы и внутреннего метаболизма использовался инструмент Bio_heat source позволяющий учесть данные особенности. Настройки данного инструмента показаны на рисунке 3.
На рисунке 4 приведен пример распределения температуры внутри модели головы при использовании данного инструмента, но, пока без учета влияния ЭМ-нагрева.
Как можно видеть, использование инструмента Bio_heat source дает вполне правдоподобную картину. Наконец учитывая электромагнитный нагрев через динамическую ссылку можно наглядно наблюдать локальный разогрев учитывая SAR. Стоит еще раз напомнить, что данная модель является учебной и не рассматривает реальный параметры Wi-Fi антенны в мобильном телефоне. Значения мощности антенны выбирались для наглядной демонстрации возможности учета SAR в мультифизической задаче. Как можно видеть из рисунка 5 в течение получаса происходит достаточно сильный разогрев в районе левого уха, что коррелирует с распределением SAR.
Подводя итоги, можно сказать что в Ansys присутствует широкий ряд инструментов для точного и качественного моделирования задач разогрева биологических тканей в следствии поглощения ЭМ-излучения. Конечно, зачастую для наиболее точного моделирования необходимы широкие базы данных материальных свойств и непосредственно сами геометрические модели. В Ansys Store например продается огромное количество таких моделей и компонент, которые могут быть весьма полезны под ваши задачи. Также источником актуальной и точной информации по материальным свойствам могут являться научные статьи в рецензируемых журналах. Рассмотренный функционал Ansys полезен как для разработчиков при разработке безопасных технических устройств, так и просто для удовлетворения вашего любопытства как окружающие нас ВЧ-девайсы могут влиять на наше здоровье.