Антенно-фидерные устройства АФУ / Лабы по CST / 16_20140818__CST-_
.pdfВведение комплексной диэлектрической проницаемости отражает тот факт, что в проводящем теле имеются т.н. сторонние токи, которые появляются за счет возбуждения их внешними источниками (в противоположность поляризационным токам, которые объясняются только движением зарядов диэлектрика).
Значение вещественной части говорит об интенсивности процесса поляризации, в то время как мнимая часть характеризует плотность токов проводимости.
Изображая число |
~ |
на комплексной плоскости, можно характеризовать |
|
соотношение между вещественной и мнимой частью при помощи угла диэлектрических потерь . Чем больше этот угол, тем относительно большая часть электромагнитной энергии рассеивается в виде тепла при протекании токов проводимости. На практике чаще всего пользуются тангенсом этого угла:
tg |
|
. |
(8.3) |
|
|||
|
|
|
|
|
a |
|
|
Рассчитанный по формуле (8.3) тангенс угла диэлектрических потерь используется в программе CST MWS при описании материала.
8.2. Анализ антенной структуры сотового телефона
Ближнее поле антенной системы чаще всего носит реактивный характер, т.е. перемещение мощности (вектор Пойнтинга) вблизи излучаемого объекта не обязательно направлено по радиальной линии от точки излучения. Границей ближнего и дальнего полей условно считается плоскость, начиная с которой считается, что плоская волна распространяется строго от антенны.
Для получения информации о ближнем поле необходимо вывести картину поля в сечении заданной плоскостью. В этом случае программа рассчитывает максимальное поле в какой-то точке на этой плоскости.
Модель головы создана объединением сфер и цилиндров трех разных диаметров, а затем вычитания один из другого. В результате получены 3 объекта: покрытие толщиной 1 мм со свойствами кожи, следующий слой толщиной 3 мм с параметрами кости, и далее в глубину – материал с параметрами мозга (рис. 8.2).
Такая модель головы в программе SCT MWS совместно с сотовым телефоном имеет следующие параметры расчета:
-количество элементов порядка 15000…20000;
-количество неизвестных порядка 100000…120000;
-требуемая память RAM до 450…650 MБ;
-время счета 30 мин. (на PC с 1 ГГц и RAM 1 ГБ).
211
Рис. 8.2. Расположение модели головы и вертикально стоящий сотовый телефон
Большую ценность несет информация о распределении поля в сечении заданной плоскостью (рис. 8.3). Такие плоскости можно задать вдоль всей модели головы, но наиболее информативная часть – сечения, ближайшие к корпусу телефона.
Рис. 8.3. Распределение ближнего поля в сечении модели головы и телефонной трубки, от самого большого уровня (красный)
до самого маленького (голубой)
Однако для точного расчета SAR необходимо знать количественное распределение поля в точках пространства. Для этого используется вывод характеристик поля вдоль заранее определенной линии, перпендикулярной корпусу телефона и идущей сквозь слои модели головы.
На рис. 8.4 координата X=82 мм соответствует точке корпуса телефона, ближайшей к модели головы; двигаясь влево от точки с координатой X=82 до точки с координатой X=72, видим отрезок, где напряженность поля особенно высока. Это пространство от корпуса телефона до головы.
212
Чтобы получить более подробную картину распределения напряженности поля в пределах модели головы, просто вводим другой масштаб (рис. 8.5).
Рис. 8.4. Напряженность поля |
Рис. 8.5. Напряженность поля |
вдоль оси X по мере удаления |
вдоль оси X при другой амплитуде |
от модели головы |
источника возбуждения |
Напряженность поля в сложной среде будет изменяться в каждой точке пространства. Такой характер распределения объясняется сложной картиной суперпозиции волн высших типов в ближнем поле антенной системы, падением электромагнитных волн под разными углами к границе раздела и другими причинами.
Результаты, показанные на рис. 8.6, можно использовать для расчета значений SAR.
Рис. 8.6. Картина напряженности поля в первом и втором слое модели головы (увеличенный масштаб в первых слоях головы, наиболее близких к корпусу телефона)
213
Расчет по формуле (8.1) дает в точке 1:
|
2 |
1.3 |
|
|
SAR |
31 |
1.14 |
||
1100 |
||||
|
|
|||
Вт/кг.
В точке 2:
|
2 |
0.06 |
|
|
SAR |
55 |
0.18 |
||
1030 |
||||
|
|
|||
Вт/кг.
В точке 3:
|
46 |
2 |
1.1 |
|
|
SAR |
|
2.26 |
|||
1030 |
|||||
|
|
||||
Вт/кг.
Аналогично можно просчитать данные рис. 8.4, 8.5. Из рис. 8.5 можно видеть, что внутри головы человека существуют точки, в которых наблюдается концентрация энергии и повышение напряженности электрического поля. Из-за особенностей корпуса и всей антенной системы происходит фокусировка ближнего поля в голове, из-за чего исчезает характер монотонного спада поля с удалением от корпуса телефона с антенной.
Из анализа распределения поля вдоль задаваемых опорных линий следует, что корпус телефона может концентрировать поле в отдельных точках, работая как зеркальный отражатель. Более подробное разбиение на ячейки при использовании больших ресурсов компьютера в адаптивном режиме показывает, что эти точки с максимальным полем появились не из-за погрешности решения, а из-за принципиальной возможности такой концентрации поля.
8.3. Расчет SAR в простейшем БО
Расчет мощности поглощения в голове пользователя сотового телефона выполним, используя модель биологического объекта БО (рис. 8.7), состоящую из трех слоев: кожа, кость, мозги.
Для возбуждения структуры используется простая модель сотового телефона.
214
Рис. 8.7. Модель головы пользователя сотового телефона и сотовый телефон
Выберем шаблон для решения этой задачи (mm, GHz, vacuum, all open).
Начертим командой Draw Sphere верхнюю сферу радиусом
Rad1=115 мм (рис. 8.8).
Рис. 8.8. Диалог с параметрами внешней сферы модели головы
Радиус следующей, внутренней сферы зададим с разницей на толщину верхнего слоя Tol1. Для этого начертим вторую сферу sfera11 (рис. 8.9) и зададим ее радиус Rad1-Tol1. Толщина второго слоя Tol2, поэтому радиус третьей сферы будет Rad1-Tol1-Tol2 (рис. 8.10).
215
Рис. 8.9. Черчение второй сферы |
Рис. 8.10. Черчение сферы |
|
с радиусом Rad1-Tol1-Tol2 |
Толщина третьего слоя пусть будет равна Tol3, и тогда радиус сферы с минимальным радиусом будет равен Rad1-Tol1-Tol2 (рис. 8.11).
Рис. 8.11. Слои модели головы |
Рис. 8.12. Задание диэлектрической |
|
проницаемости слоя |
Для создания слоев можно использовать команду Insert для вставления одну начерченную сферу в другую, а можно использовать Булеву команду вычитания объемов. После создания слоев, их нужно заполнить, в соответствии с табл. 8.1, задавая для каждого материала как электродинамические, так и тепловые свойства. Три слоя – это кожа, кость, мозг. Диэлектрическая проницаемость устанавливается в закладке General
диалога Material Parameters (рис. 8.12).
216
Рис. 8.13. Задание плотности слоя Brain (мозги)
В разделе Density (рис. 8.13) вводится плотность материала Rho, от которого зависит удельная мощность поглощения на единицу веса SAR, Вт/кг.
8.3.1. Черчение сотового телефона
Телефон, который расположен вблизи модели головы, находится от неё на определенном расстоянии. Поэтому выберем рабочую систему координат, которая будет смещена относительно головы по координате Z. Начертим в этой смещенной системе координат бокс телефона командой Draw Brick с параметрами, показанными в диалоге рис. 8.14.
Рис. 8.14. Диалог черчение бокса – корпуса сотового телефона
Выделим верхние и боковые ребра этого бокса и зададим команду Blend Edges. По этой команде появляется диалог рис. 8.15, в котором нужно ввести радиус сглаживания ребер.
217
Рис. 8.15. Задание радиуса |
Рис. 8.16. Диалог создания спирали |
сглаживания ребер |
из 12 витков высотой 28 мм |
Далее создадим спиральную антенну сотового телефона командой Rotate. Чтобы начертить спиральную часть антенны, нужно задать сечение, а также направление Angle вращения спирали (рис. 8.16).
В этом диалоге установим угол, равный 12*360 , а также высоту 28 мм спиральной антенны. Фаску выделим после создания Г-образного скоса линии, показанной на рис. 8.17.
Рис. 8.17. Фрагмент спиральной антенны
Г-образный скос антенны состоит из вертикальной и горизонтальный части. Эту вертикальную и горизонтальную части Г-образного скоса, после
218
их черчения как цилиндры, свяжем операцией Loft, для чего сначала нужно выделить фаски обоих частей провода.
Возбуждение модели удобно задать с помощью дискретного порта между антенной и корпусом. Для создания дискретного порта не нужно заранее чертить провод, на котором этот порт создается. Зададим команду создания дискретного порта Port Discrete Port, и в появившемся диалоге (рис. 8.18) введем координаты точек порта.
Рис. 8.18. Параметры дискретного порта сотового телефона
Такой дискретный порт включается в виде дискретного источника напряжения между спиральной антенной и корпусом.
8.3.2. Установки на расчет электромагнитного поля
Перед запуском расчета переходного процесса, нужно задать диапазон частот командой Solve Frequency 
.
В диалог рис. 8.19 введем максимальную частоту 1.6 ГГц. Временной сигнал в виде импульса Гаусса получается обратным преобразованием Фурье от равномерного спектра в диапазоне частот 0-1.6 ГГц. Для расчета SAR необходимо задать монитор расчета плотности мощности потерь. Кроме того, зададим еще два монитора расчета поля E и поля H. Они будут нужны для просмотра полей, проходящих через биологическое тело.
Рис. 8.19. Параметры сигнала возбуждения спирали
219
Для расчета поля, а также мощности, теряемой в биологическом объекте, зададим монитор Power loss density/(SAR) (рис. 8.20).
Рис. 8.20. Установка монитора расчета плотности мощности потерь и расчета SAR
Нажмем на иконку «T», запустив, таким образом, расчет переходного процесса. Параметры расчета устанавливаются в диалоге рис. 8.21.
Рис. 8.21. Диалог задания параметров переходного процесса
220