CST 均匀头模型和天线 SAR 比吸收率仿真案例
这一期我们一起看一下 CST 自带案例之一，均匀的头模型和螺旋天线。Component Library 中搜 SAR，然后选 Head with Helix Antenna 模型，或 TLM。搜到的其他模型也是不错的 SAR 学习案例，这里重点解释怎样设置和计算 SAR。
Specific Absorption Rate (SAR) 是比吸收率，生物组织单位时间 (dt) 单位质量 (dm 或ρdV) 所吸收的电磁波能量(dw)。
最新 2017 的 SAR 标准 IEC/IEEE62704-1 目前还是要求六面体网格，也就是用 CST 时域 T-solver 计算 SAR 是 FCC 认可的软件结果，CST 也是国际 SAR 标准委员会的成员。正在起草的 IEC/IEEE 62704-4 针对的是四面体 FEM， 目前（2020.5）还没正式公布。FCC 要求 1g 为单位均值的 max SAR 不超过 1.6W/kg 的，EU 的标准则是 10g 均值的 SAR 不超过 2W/kg。这两个案例是用频域 F-solver 四面体和 TLM solver 六面体子网作为比较，展示这些求解器都可以算 SAR 值，因为都可以计算电场，所以软件通过以下公式算 SAR。
Step 1. 查看模型
头是均匀材料，名字叫 Liquid，介电常数 42，通常人头内部组织液介电常数在 40-42 左右。类似的生物材料不在 CST 基本材料库里，需要 Bio Model 3.1 拓展包。注意，用来算 SAR 的材料除了介电常数，一定要定义 density，密度ρ。
手机为简单 PEC 机壳加 PEC 螺旋天线，有一个端口：
接下来看设置，频率为 0-1.2GHz, 边界为 open（addspace），仿天线推荐。
Step 2. 功耗监视器
重点来了，仿 SAR 值，一定要先加一个 Power loss density/SAR 的场监视器。这里定义了一个 900MHz 监视器，因为天线工作频率为 900MHz。SAR 是人体吸收电磁波能量，power loss density 是电磁波功率在介质材料中的损耗密度，正好被用来计算 SAR 值。
接下来进行仿真，我们用三个不同的求解器 T、F 和 TLM，不同的网格类型，在适当加密网格之后，三个 S 参数结果可以达到非常高的吻合度。
Step 3. 后处理算 SAR
方法一，Post-Processing 的 SAR 选项，这里可以选均值还是不均值的点 SAR 值。均值的话单位是 10 克，1 克，还是自定义。
然后在 Specials 里，可以重新定义端口的激励功率。如果不勾选 Userdefined，计算的 SAR 值就是使用默认的端口峰值功率为 1W（0.5W RMS），这里我们用天线接收功率 0.25W 为例，accepted power 意思就是不考虑端口反射 (详见 help) 。均值方法 Averaging method 就用默认的 2017 年的 IEEE/ICE 62704-1, 旧版本叫 IEEE P1528.1。该标准规定了仿真软件从一点计算 SAR 平均值时用的能包括周围组织的正方体，正方体大小是根据被均值的质量，比如 1g，和周围组织的密度。其他旧的标准也可以从该菜单中选择。这里选了 1g 均值, 可以估算一下等一下算 SAR 的体积，因为头模型材料均匀，密度 1000kg/m^3，所以头内部 1g 就是对应 25px^3。Subvolume 是用户可以限制计算区域，选一部分体积来算 SAR 值，可以提高后处理速度，尤其对于是更复杂的模型，比如 voxel 高分辨率的生物模型加上复杂手机。这里我们大概知道头的坐标区域，就定义了如下 X,Y, Z 坐标区域：
设置好之后，点 Ok 关掉 Specials，点击 Calculate.方法二：Template Based Post-Processing, 2D and 3D Field Results, SARResult 选项
这里也可以做同样的设置得到 SAR 的数据和空间分布，我们还是 0.25 接收功率，采样点设置为 2mm，相对于 25px^3 的均值体积已经很精确了。
Step 4. SAR 数据
两种方法均可生成一个 SAR 的 2D/3D 结果。右键点击，选择 Object information，如下图：
然后便显示 SAR 的数据信息：
以 T-solver 结果为例：
然后我们选几个参考值，比较一下三个算法，都是加密网格之后：
可见三种算法分别用不同的网格可以达到非常一致的 SAR 结果，当然只有时域六面体 SAR 结果目前被标准认可。这里算出来的 MaxSAR (1g) 是 2.6 W/kg，超过安全标准，原因一是我们的输入功率不实际，二是天线还没有被优化，比如没有天线罩。
Step 5. SAR 分布
三维的 SAR 分布可以直接点击 SAR 的 2D/3D 结果查看。这里可以看到热点在天线旁边的耳朵后面。这里面注意的是，这个头模型三维结构的表面是由三角形棱角的，和网格剖分无关，并不是说我们用的网格是四面体。
还可以利用 Macro –> Results –> 2D 3D Results -> Plot AveragingVolume for maximum SAR value, 自动显示最大均值 SAR 的计算体积和位置。
最后划重点：
生物材料要有密度。
要有 power loss density/SAR 监视器算三维场。
SAR 计算在后处理，采样很重要。
SAR 数据在 objectinformation，新用户不容易找到。
其他关于 SAR 更精确的仿真一些建议和技巧：
均匀组织液是常用的 SAR 模型，如本案例中用的 CAD 模型 ，而很多 SAR 的计算的组织液模型其实只需要球形或方块就够了。
如果要比这个头模型更好的生物模型， CST 有业界领先的体积像素 voxel 模型和各种组织材料，需要 BioModel 3.1 拓展包。
天线附近的空气和靠近的组织推荐加个空气盒子，不包括在仿真内，但可用来本地加密网格。
生物组织材料要输入密度，金属结构不需要输入密度，不然 SAR 也会算金属区域。
由于生物组织的材料特点，往往需要的网格数会很大，大多数 SAR 用户选择 GPU 加速。
先定义一个局部区域电场监视器 E-field，再定义功耗 power loss，会节省场计算时间。
人体的血液流动带走热量，年龄也影响新陈代谢，这些因素 CST 都有功能可以考虑进去。
计算 SAR 的根本目的是防止电磁波被人体吸收变成热量，将电磁功耗的结果转去 CST 热求解器来算温度升高也是非常好的做法，真正意义上的“烧脑”。
分享实用的仿真技巧~ 2023-05-11 加入
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