$SAR=\sigma \frac{\left|\mathrm{lEl}\right|²}{\rho }$

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.

Сообщение Использование Ansys HFSS для определения удельного коэффициента поглощения появились сначала на ТОО «КазахИнжиниринг».

Программа обучения была разделена на блоки, каждый из которых длился от одного до трех дней. Специалисты университета изучили введение в ANSYS HFSS, а затем углубили свои знания на специализированных курсах по работе в ANSYS HFSS, ANSYS HFSS 3D-Layout и ANSYS SIwave.

Обучение у группы проводил кандидат физико-математических наук Егор Кудюков. Лектор также является научным сотрудником Отдела магнетизма твердых тел, НИИ ФПМ, ИЕНиМ УрФУ и автором более 30 научных работ, опубликованных в международных журналах.

Знание программ по моделированию мультифизичных процессов стало необходимостью во многих сферах производства. Благодаря освоению программного комплекса ANSYS HFSS сотрудники и выпускники ВУЗа смогут моделировать и анализировать явления, включающие несколько физических процессов одновременно.

Понимание того, как поведет себя сложный продукт во время использования в условиях, близких к реальным, дает преимущество для совершенствования его производительности, безопасности и качества. Знания в данной области моделирования позволяют быть востребованным специалистом на рынке труда.

Ознакомиться с курсами ANSYS

Сообщение Компания «КазахИнжиниринг» провела обучение по ANSYS HFSS для сотрудников Energo University появились сначала на ТОО «КазахИнжиниринг».

Сообщение Каталог курсов ANSYS появились сначала на ТОО «КазахИнжиниринг».

Сообщение Запись вебинара ANSYS Academic появились сначала на ТОО «КазахИнжиниринг».

Сообщение Каталог продуктов ANSYS появились сначала на ТОО «КазахИнжиниринг».

Сообщение Релиз ANSYS 2022 R2 появились сначала на ТОО «КазахИнжиниринг».