0

SAR یک سر انسان در کنار آنتن Wi-Fi

View Categories

SAR یک سر انسان در کنار آنتن Wi-Fi

12 min read

PDF
SAR یک سر انسان در کنار آنتن Wi-Fi
معرفی
کاربران لوازم الکترونیکی مصرفی با دستگاه های تابشی در معرض انتشار فرکانس رادیویی (RF) هستند. مقدار قرار گرفتن در معرض به عنوان نرخ جذب خاص (SAR) تعریف می شود. یعنی مقدار SAR نشان دهنده نرخ انرژی فرکانس رادیویی (RF) جذب شده توسط بدن است. این مدل مقادیر SAR محلی را بر روی یک ماکت ساده شده سر و مغز انسان محاسبه می کند، زمانی که یک آنتن پچ میکرواستریپ که در محدوده فرکانس Wi-Fi کار می کند نزدیک به سر قرار می گیرد.
شکل 1: فانتوم سر انسان در کنار یک آنتن پچ میکرواستریپ که در محدوده فرکانس Wi-Fi تشدید می شود. حوزه هوای اطراف و لایه کاملاً منطبق برای اهداف تجسم از شکل حذف می شوند.
تعریف مدل
هندسه سر انسان همانند فانتوم مانکن انسانی خاص (SAM) است که توسط IEEE، IEC، و CENELEC از مشخصات استاندارد آنها برای اندازه گیری مقدار SAR ارائه شده است. هندسه پس از تنظیمات جزئی و کاهش مقیاس به 60 درصد هندسه اصلی به COMSOL Multiphysics وارد می شود تا اندازه مشکل کاهش یابد. شکل مغز با استفاده از هندسه بیضی ساده شده است. این مدل خواص مواد را برای مغز انسان از ارائه Ref. 1 . جدول زیر برخی از ویژگی های مهم این نشریه را در 2.45 گیگاهرتز نشان می دهد.
 
پارامتر
ارزش
شرح
 پ
2.09 S/m
رسانایی
 ε r
54.7
مجوز نسبی
سایر قسمت‌های سر انسان با استفاده از ویژگی‌های بافت استخوانی قشر مغز مشخص می‌شود ( مرجع 2 )، همانطور که در زیر نشان داده شده است.
 
پارامتر
ارزش
شرح
 پ
0.4 S/m
رسانایی
 ε r
11.35
مجوز نسبی
این مثال یک مدل مقدماتی است که نحوه تجزیه و تحلیل SAR را نشان می دهد. در اینجا فرض می شود که همه مواد همگن هستند، که یک ساده سازی بیش از حد است. برای توصیف واقعی‌تر مواد مغز، به مثال کتابخانه کاربردی دیگری، نرخ جذب خاص (SAR) در مغز انسان مراجعه کنید که در آن پارامترهای مواد بر اساس داده‌های تصویر MRI وارد شده با یک تابع درونیابی حجمی، تنوع نوع بافت در داخل سر را مشخص می‌کند.
آنتن پچ میکرواستریپ در کنار سر انسان از یک لایه نازک فلز، یک بلوک دی الکتریک مستطیلی FR4 و یک صفحه زمین تشکیل شده است. خط تغذیه میکرواستریپ، رادیاتور آنتن و صفحه زمین به عنوان سطوح رسانای الکتریکی کامل (PEC) مدل‌سازی می‌شوند. آنتن توسط یک پورت توده ای 50  Ω تغذیه می شود که نشان دهنده تغذیه از منبع تغذیه است.
فانتوم سر انسان و آنتن توسط یک حوزه هوای کروی محصور شده اند که توسط لایه های کاملاً منطبق بریده شده است. این آزمایش آنتن را در فضای آزاد بی نهایت تقلید می کند. لایه‌های کاملاً منطبق مانند یک اتاقک ناخوشایند عمل می‌کنند و از انعکاس ناخواسته از دیواره‌های بیرونی جلوگیری می‌کنند.
نتایج و بحث
این مدل مقادیر SAR محلی را در سر تحت تأثیر انتشار RF ناشی از تشدید آنتن پچ میکرواستریپ در محدوده فرکانس Wi-Fi شبیه‌سازی می‌کند. بالاترین مقدار SAR در ناحیه مغزی شبیه سازی شده نزدیک به سطح سر رو به میدان الکتریکی فرودی مشاهده می شود.
شکل 2: مقادیر SAR محلی محاسبه شده برای بخشی از هد با استفاده از یک ویژگی فرعی فیلتر مشاهده می شود. نزدیکترین قسمت مغز به آنتن تابشی دارای بالاترین مقادیر SAR است.
منابع
1. G. Schmid، G. Neubauer و PR Mazal، “خواص دی الکتریک بافت مغز انسان کمتر از 10 ساعت پس از مرگ در فرکانس های 800 تا 2450 مگاهرتز اندازه گیری شد.” Bioelectromagnetics ، جلد. 24، صفحات 423-430، 2003.
2. M. Vallejo و دیگران، “ویژگی دقیق بافت انسانی برای ارتباطات روی بدن بی‌سیم کارآمد انرژی،” Sensors , vol. 13. صفحات 7546-7569، 2013.
مسیر کتابخانه برنامه: RF_Module/EMI_EMC_Applications/sar_wifi_antenna
دستورالعمل های مدل سازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی  Model  Wizard کلیک کنید .
مدل جادوگر
1
در پنجره Model  Wizard ، روی  3D کلیک کنید .
2
در درخت انتخاب  فیزیک ، فرکانس رادیویی  >  امواج الکترومغناطیسی،  دامنه فرکانس  (emw) را انتخاب کنید .
3
روی افزودن کلیک کنید .
4
 روی مطالعه کلیک کنید .
5
در درخت انتخاب  مطالعه ، General  Studies>Frequency  Domain را انتخاب کنید .
6
 روی Done کلیک کنید .
مطالعه 1
مرحله 1: دامنه فرکانس
1
در پنجره Model  Builder ، در بخش مطالعه  1 ، روی مرحله  1:  دامنه فرکانس  کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات دامنه فرکانس  ، بخش تنظیمات مطالعه را پیدا کنید .
3
در قسمت متن فرکانس ، 2.45[GHz] را تایپ کنید .
هندسه 1
هندسه سر خارج از COMSOL Multiphysics ایجاد شده است، بنابراین شما آن را از یک فایل MPHBIN وارد می‌کنید. سپس دامنه های PML، هوا، مغز ساده شده و آنتن را به صورت دستی ایجاد کنید.
واردات 1 (imp1)
1
در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  واردات کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای واردات ، بخش واردات را پیدا کنید .
3
 روی Browse کلیک کنید .
4
به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل sar_wifi_antenna.mphbin دوبار کلیک کنید .
5
 روی Import کلیک کنید .
6
 روی دکمه Wireframe  Rendering در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .
با استفاده از یک بیضی یک دامنه مغزی ساده شده اضافه کنید.
بیضی 1 (elp1)
1
در نوار ابزار Geometry ، روی  More  Primitives کلیک کنید و Ellipsoid را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Ellipsoid ، بخش Size  and  Shape را پیدا کنید .
3
در قسمت متن a-semiaxis 0.035 را تایپ کنید .
4
در قسمت متن b-semiaxis ، 0.045 را تایپ کنید .
5
در قسمت متنی c-semiaxis 0.025 را تایپ کنید .
6
قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت متن y ، -0.005 را تایپ کنید .
7
در قسمت متن z ، 0.04 را تایپ کنید .
یک هندسه برای یک آنتن پچ میکرواستریپ که در محدوده فرکانس Wi-Fi کار می کند بسازید.
بلوک 1 (blk1)
1
در نوار ابزار Geometry ، روی  Block کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Block ، قسمت Size  and  Shape را پیدا کنید .
3
در قسمت متن Width ، 0.004 را تایپ کنید .
4
در قسمت متن عمق ، 0.05 را تایپ کنید .
5
در قسمت متن ارتفاع ، 0.05 را تایپ کنید .
6
قسمت Position را پیدا کنید . از لیست پایه ، مرکز را انتخاب کنید .
7
در قسمت متن x ، 0.10 را تایپ کنید .
صفحه کار 1 (wp1)
1
در نوار ابزار هندسه ، روی صفحه  کار  کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای صفحه کار  ، قسمت تعریف هواپیما را پیدا کنید .
3
از لیست نوع هواپیما  ، Face parallel را انتخاب کنید .
4
در شیء blk1 ، فقط مرز 2 را انتخاب کنید.
صفحه کار 1 (wp1)> هندسه صفحه
در پنجره Model  Builder ، روی صفحه  هندسه کلیک کنید .
صفحه کار 1 (wp1)> مربع 1 (sq1)
1
در نوار ابزار Work Plane ، روی  مربع کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات مربع ، بخش Size را پیدا کنید .
3
در قسمت متن Side  length 0.0275 را تایپ کنید .
4
قسمت Position را پیدا کنید . از لیست پایه ، مرکز را انتخاب کنید .
صفحه کار 1 (wp1)> مستطیل 1 (r1)
1
در نوار ابزار Work Plane ، روی  Rectangle کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Rectangle ، بخش Size  and  Shape را پیدا کنید .
3
در قسمت متن Width ، 0.0039 را تایپ کنید .
4
در قسمت متن ارتفاع ، 0.01125 را تایپ کنید .
5
قسمت Position را پیدا کنید . از لیست پایه ، مرکز را انتخاب کنید .
6
در قسمت متن yw ، 0.019375 را تایپ کنید .
صفحه کار 1 (wp1)> اتحادیه 1 (uni1)
1
در نوار ابزار Work Plane ، روی  Booleans  and  Partitions کلیک کنید و Union را انتخاب کنید .
2
در پنجره Graphics کلیک کنید و سپس Ctrl+A را فشار دهید تا هر دو شی انتخاب شوند.
3
در پنجره تنظیمات برای Union ، بخش Union را پیدا کنید .
4
کادر تیک Keep  interior  borders را پاک کنید .
صفحه کار 1 (wp1)> مستطیل 2 (r2)
1
در نوار ابزار Work Plane ، روی  Rectangle کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Rectangle ، بخش Size  and  Shape را پیدا کنید .
3
در قسمت متن Width ، 0.006 را تایپ کنید .
4
در قسمت متن ارتفاع ، 0.00925 را تایپ کنید .
5
قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت نوشتار xw ، 0.00195 را تایپ کنید .
6
در قسمت متن yw ، 0.0045 را تایپ کنید .
صفحه کار 1 (wp1)> آینه 1 (mir1)
1
در نوار ابزار Work Plane ، روی  Transforms کلیک کنید و Mirror را انتخاب کنید .
2
فقط شی r2 را انتخاب کنید.
3
در پنجره تنظیمات برای Mirror ، بخش ورودی را پیدا کنید .
4
چک باکس Keep  input  objects را انتخاب کنید .
صفحه کار 1 (wp1)> تفاوت 1 (dif1)
1
در نوار ابزار Work Plane ، روی  Booleans  and  Partitions کلیک کنید و Difference را انتخاب کنید .
2
فقط شی uni1 را انتخاب کنید.
3
در پنجره تنظیمات برای تفاوت ، بخش تفاوت را پیدا کنید .
4
زیربخش اشیاء را  برای  تفریق پیدا کنید . برای انتخاب دکمه ضامن  فعال کردن  انتخاب کلیک کنید .
5
فقط اشیاء mir1 و r2 را انتخاب کنید.
6
 روی Build  Selected کلیک کنید .
صفحه کار 2 (wp2)
1
در پنجره Model  Builder ، روی Geometry  1 کلیک راست کرده و Work  Plane را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای صفحه کار  ، قسمت تعریف هواپیما را پیدا کنید .
3
از لیست نوع هواپیما  ، Face parallel را انتخاب کنید .
4
در شیء blk1 ، فقط مرز 1 را انتخاب کنید.
صفحه کار 2 (wp2)> هندسه صفحه
در پنجره Model  Builder ، روی صفحه  هندسه کلیک کنید .
صفحه کار 2 (wp2)> مستطیل 1 (r1)
1
در نوار ابزار Work Plane ، روی  Rectangle کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Rectangle ، بخش Size  and  Shape را پیدا کنید .
3
در قسمت متن Width ، 0.004 را تایپ کنید .
4
در قسمت متن ارتفاع ، 0.0039 را تایپ کنید .
5
قسمت Position را پیدا کنید . از لیست پایه ، مرکز را انتخاب کنید .
6
 روی Build  Selected کلیک کنید .
یک پورت یکپارچه روی این مرز تنظیم خواهد شد.
7
 روی دکمه Zoom  Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .
کره 1 (sph1)
1
در نوار ابزار Geometry ، روی  Sphere کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Sphere ، بخش Size را پیدا کنید .
3
در قسمت متن Radius 0.18 را تایپ کنید .
4
برای گسترش بخش لایه ها کلیک کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
نام لایه
ضخامت (متر)
لایه 1
0.05
در این لایه، یک لایه کاملا منطبق تخصیص داده می شود.
5
در نوار ابزار Geometry ، روی  ساختن  همه کلیک کنید .
تعاریف
کاملاً منطبق بر لایه 1 (pml1)
1
در نوار ابزار تعاریف ، روی لایه  کاملاً  منطبق  کلیک کنید .
2
فقط دامنه های 1-4 و 8-11 را انتخاب کنید.
3
در پنجره تنظیمات برای لایه کاملاً  منطبق  ، قسمت هندسه را پیدا کنید .
4
از لیست Type ، Spherical را انتخاب کنید .
امواج الکترومغناطیسی، دامنه فرکانس (EMW)
هادی الکتریکی کامل 2
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component  1  (comp1) روی امواج الکترومغناطیسی ،  دامنه فرکانس (emw) کلیک راست کرده و شرایط مرزی Perfect Electric Conductor را انتخاب کنید .
2
فقط مرزهای 62 و 66 را انتخاب کنید.
قطعات فلزی زیرلایه آنتن به عنوان رسانای الکتریکی کامل تعریف می شوند، با این فرض که رسانایی مس به اندازه ای بالا است که تلفات ناچیز داشته باشد.
پورت انجماد 1
1
در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Lumped  Port را انتخاب کنید .
2
فقط مرز 63 را انتخاب کنید.
دامنه میدان دور 1
1
در نوار ابزار Physics ، روی  Domains کلیک کنید و دامنه Far-Field  Domain را انتخاب کنید .
2
فقط دامنه 5 را انتخاب کنید.
ویژگی Far-Field Domain یک عدد موج را برای استفاده توسط ویژگی فرعی خود تعریف می کند – ویژگی محاسبه میدان دور .
نرخ جذب خاص 1
1
در نوار ابزار Physics ، روی  Domains کلیک کنید و Specific  Absorption  Rate را انتخاب کنید .
2
فقط دامنه های 6 و 7 را انتخاب کنید.
ویژگی نرخ جذب خاص متغیر پس پردازش SAR را تعریف می کند. از چگالی اتلاف الکترومغناطیسی و چگالی مشخص شده برای سر انسان محاسبه می شود.
مواد را اضافه کنید
1
در نوار ابزار Home ، روی  Add  Material کلیک کنید تا پنجره Add  Material باز شود .
2
به پنجره Add  Material بروید .
3
در درخت، Built-in>Air را انتخاب کنید .
4
روی Add  to  Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید .
5
در درخت، Built-in>FR4  (Circuit  Board) را انتخاب کنید .
6
روی Add  to  Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید .
7
در نوار ابزار Home ، روی  Add  Material کلیک کنید تا پنجره Add  Material بسته شود .
مواد
FR4 (برد مدار) (mat2)
فقط دامنه 12 را انتخاب کنید.
مغز
1
در پنجره Model  Builder ، روی Materials کلیک راست کرده و Blank  Material را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای مواد ، در قسمت نوشتار Label Brain را تایپ کنید .
3
فقط دامنه 7 را انتخاب کنید.
4
قسمت محتوای مواد  را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
ویژگی
متغیر
ارزش
واحد
گروه اموال
مجوز نسبی
epsilonr_iso ; epsilonrii = epsilonr_iso، epsilonrij = 0
54.7
1
پایه ای
نفوذپذیری نسبی
mur_eye ; murii = mur_iso، murij = 0
1
1
پایه ای
رسانایی الکتریکی
sigma_iso ; sigmaii = sigma_iso، sigmaij = 0
2.09
S/m
پایه ای
تراکم
rho
1000
کیلوگرم بر متر مکعب
پایه ای
سر
1
روی Materials کلیک راست کرده و Blank  Material را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات مواد ، Head را در قسمت متن برچسب تایپ کنید .
3
فقط دامنه 6 را انتخاب کنید.
4
قسمت محتوای مواد  را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
ویژگی
متغیر
ارزش
واحد
گروه اموال
مجوز نسبی
epsilonr_iso ; epsilonrii = epsilonr_iso، epsilonrij = 0
11.35
1
پایه ای
نفوذپذیری نسبی
mur_eye ; murii = mur_iso، murij = 0
1
1
پایه ای
رسانایی الکتریکی
sigma_iso ; sigmaii = sigma_iso، sigmaij = 0
0.4
S/m
پایه ای
تراکم
rho
2000
کیلوگرم بر متر مکعب
پایه ای
تعاریف
مشاهده 1
برخی از دامنه ها و مرزها را می توان از نما حذف کرد. این ممکن است هنگام بازرسی کیفیت مش کمک کند.
پنهان کردن برای فیزیک 1
1
در پنجره Model  Builder ، روی View  1 کلیک راست کرده و Hide  for  Physics را انتخاب کنید .
2
فقط دامنه های 1، 2، 8 و 9 را انتخاب کنید.
پنهان کردن برای فیزیک 2
1
روی View  1 کلیک راست کرده و Hide  for  Physics را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای پنهان کردن  فیزیک  ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی  را پیدا کنید .
3
از لیست سطح نهاد هندسی  ، Boundary را انتخاب کنید .
4
 روی Paste  Selection کلیک کنید .
5
در کادر محاوره ای Paste  Selection ، 9، 10، 13-16، 39، 40 را در قسمت متن انتخاب تایپ کنید.
6
روی OK کلیک کنید .
مش 1
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component  1  (comp1) روی Mesh  1 کلیک راست کرده و Build  All را انتخاب کنید .
2
در نوار ابزار صفحه اصلی ،  روی محاسبه کلیک کنید .
نتایج
چند برش
1
در پنجره Model  Builder ، گره Results>Electric  Field  (emw) را گسترش دهید ، سپس روی Multislice کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Multislice ، بخش Multiplane  Data را پیدا کنید .
3
زیربخش Y-planes را پیدا کنید . در قسمت متن Planes عدد 0 را تایپ کنید .
4
زیربخش Z-planes را پیدا کنید . در قسمت متن Planes عدد 0 را تایپ کنید .
5
قسمت Coloring  and  Style را پیدا کنید .  روی تغییر  جدول رنگ  کلیک کنید .
6
در کادر محاوره ای Color  Table ، Thermal>HeatCamera را در درخت انتخاب کنید.
7
روی OK کلیک کنید .
8
در پنجره تنظیمات برای Multislice ، بخش Coloring  and  Style را پیدا کنید .
9
از لیست تبدیل جدول رنگ  ، Reverse را انتخاب کنید . 
میدان دور دو بعدی (EMW)
نمودار قطبی پیش فرض هنجار میدان دور را در صفحه xy نشان می دهد .
الگوی تشعشع 1
1
در پنجره Model  Builder ، گره Results>3D  Far  Field،  Gain  (emw) را گسترش دهید ، سپس روی Radiation  Pattern  1 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای الگوی تشعشع  ، بخش ارزیابی را پیدا کنید .
3
زیربخش Angles را پیدا کنید . در قسمت متنی Number  of  elevation  angles عدد 90 را تایپ کنید .
4
در قسمت متنی Number  of  azimuth  angles عدد 90 را تایپ کنید .
5
قسمت Coloring  and  Style را پیدا کنید .  روی تغییر  جدول رنگ  کلیک کنید .
6
در کادر محاوره ای Color  Table ، Aurora>Twilight را در درخت انتخاب کنید.
7
روی OK کلیک کنید .
8
در پنجره تنظیمات برای الگوی تشعشع  ، قسمت Coloring and Style را پیدا کنید .
9
از لیست تبدیل جدول رنگ  ، Reverse را انتخاب کنید . 
الگوی تابش میدان دور آنتن پچ میکرواستریپ به دلیل انعکاس از سر انسان تحریف شده است.
فیلتر 1
1
در پنجره Model  Builder ، گره Results>Specific  Absorption  Rate  (sar1) را گسترش دهید .
2
روی جلد  1 کلیک راست کرده و Filter را انتخاب کنید .
3
در پنجره تنظیمات برای فیلتر ، قسمت انتخاب عنصر  را پیدا کنید .
4
در قسمت عبارت Logical  for inclusion متن، z<0.04 && x>0 را تایپ کنید .
مقادیر SAR محاسبه شده در کل دامنه SAR رسم می شود. با افزودن یک ویژگی فرعی فیلتر، می توان مقادیر داخل دامنه را تجسم کرد.
نرخ جذب ویژه (sar1)
1
در پنجره Model  Builder ، در بخش Results روی نرخ جذب خاص  (sar1) کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای گروه طرح سه بعدی  ، برای گسترش بخش انتخاب کلیک کنید .
3
قسمت Plot  Settings را پیدا کنید . کادر بررسی لبه های مجموعه داده Plot را  پاک کنید .
4
در نوار ابزار Specific Absorption Rate (sar1) ، روی  Plot کلیک کنید .
5
 روی دکمه Zoom  Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .
نمودار SAR را با شکل 2 مقایسه کرد .
What are your Feelings