CST计算智能家居中的电磁辐射应用案例
思科Cisco用CST计算智能家居物联网的电磁辐射案例。
Covid-19后许多小伙伴从以前的现场办公永久转变成了远程居家工作，更多时间在家工作或学习。智能家居办公设备随之也火了。现在很多新酒店已经全面采用智能建筑设计：强力穿墙wifi、联网的音响、小度、空气净化器、空调、马桶、灯光控制等等。这就引发了很多健康、安全方面的问题。小伙伴们可要注意了，这些无线设备的辐射可能会对人类健康有害，特别是对那些健康状况较差的人。
无线辐射的一些负面影响有细胞损伤、癌症、肿瘤、激素水平的变化和神经损伤。这里咱就可以用CST仿真来确定有线、混合和全无线智能家居内部的辐射水平。对于智能家居设计工程师们能将辐射以及无线覆盖量化，从而设计出对居住者造成低辐射而且可以有效工作的智能家居建筑。
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通常，住宅或商业建筑等室内环境受到两种类型的电磁辐射污染，一种来自极低频，另一种来自微波和无线电频率。前者的电磁辐射来源于如吹风机、电视等家用电器，后者来自无线设备，如路由器、手机、蓝牙设备等等无线设备。在智能家居中，电磁辐射的暴露量将更高，原因有俩：一是将连接大量智能或物联网设备，使室内空间充满辐射，二是由于越来越高的电磁波频率如5G使用以及毫米波设备（这里也可以自行脑补推广到当下的移动智能家居-新能源汽车）。WTO世卫组织宣布，射频源产生的电磁辐射会增加发生胶质瘤(一种脑瘤)的风险，并将其列为2B类致癌物。但是，制造商、科学界、研究界对辐射的健康问题尚未达成共识，也并无特别严格的安全标准。
电磁辐射涉及的生理影响问题非常的复杂，人类也有自己的生物能量场。应用最广的就是影像学利用生物电磁频率处理宏观和微观生物状态。我们熟悉的如：
脑电信号δ(0.5～4 Hz)，θ(4～8 Hz)，α(8～12 Hz)，β(13～30 Hz)，γ(31～60 Hz)。
皮肤电(galvanic skin response, GSR)信号的频域特征主要是其信号频率范围内(0～2.4 Hz)的谱功率，皮肤导电慢反应(0～0.2 Hz)和极慢反应0～0.08 Hz)的过零率。
心电(electrocardiograph, ECG)的频域分析是将连续正常的R-R间期进行时-频转化，从而获得各频率段的功率谱密度，如低频段(0～0.04 Hz)、中频段（0.04～0.15 Hz)、高频段（0.15～0.4 Hz)等，用以定量描述心率变异性的能量分布情况。
呼吸(respiration, RSP)信号的频域特征主要是其频率范围内(0～2.4 Hz)的谱功率及不同频率段之间能量差值和比率。
皮肤温度(skin temperature, SKT)的频率特征主要是其频率范围(0～0.2 Hz)内的谱功率。
肌电（electromyogram, EMG）和眼电(electrooculo-gram, EOG)的频域特征与脑电特征相似，将原始的信号映射到频域范围内再提取能量、功率、PSD等特征指标。
这一量子生物学的进步从本质上来说，是人类使用了自然频率0-30 Hz窗口。人体自身的细胞功能和组织愈合的脑功能就是使用的这个频率范围。那么无线信号对这些生物频率脑电波多少是存在影响的。已有确凿的实验证明，人造电磁场能引起嗜睡和头晕。大自然自有电磁频率对人类健康和福祉至关重要，而人造的电磁辐射无论是50 Hz还是50 GHz，都是有害的。
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很少有人研究建筑物内的电磁辐射污染，大多数研究都只关注无线设备之间的信号传输。一般通过在CST中使用平面波激励来研究建筑物空间内电磁辐射，而不使用真正的天线源激励，也不考虑室内陈设来真正展现空间内的电磁辐射。使用5G的智能建筑中的辐射水平可能会非常高，所以有些策略是用有线方式搭建智能家居。目前，无线设备主要使用2.45 GHz，这是4G LTE覆盖的频率之一，但无线互联网连接只能连接几米的设备。因此，对于一个大型建筑来说，要获得完全的信号覆盖，就需要用到WiFi中继器。
在楼宇设计的较早阶段，采取适当的预防措施，可以减少整体辐射。接下来的案例就是使用CST探索在2.45 GHz的有线、混合和无线三种不同场景下，智能家居室内环境中总辐射水平的差异。
这个来自于思科Cisco路由器作为核心控制中心的仿真案例，软件过程大致是将天线场源导入CST，创建无线和混合设计场景。以有线设计为基准，对有线和混合的测量进行了评估。会用到Antenna Magus。
木材作为室内环境的建筑材料(墙壁、地板和天花板)。仿真的频率为2.45 GHz，目前物联网设备使用的是该频段。
使用CST直接计算了全无线、混合的场景。有线和混合的电磁辐射使用7类和8类屏蔽双绞线，认为有线模式下使用RJ-45电缆产生的电磁辐射为0。
为了区分智能设备在无线和有线模式下运行时整体电磁辐射的变化，当所有设备同时给予激励时，仿真产生的电磁辐射作为全无线场景。
仿真的场景房间及室内设备设备示意图，无线设备有恒温器、咖啡机、智能手机、打印机、笔记本电脑、智能电视、烟雾报警器、消防洒水装置、智能窗帘、智能门、摄像头、路由控制中心等等。在CST中建出房间场景。
混合模式的电场分布(5个无线和7个有线设备)。
无线模式的电场分布(12个无线设备)：
在antenna magnus中设计生成矩形馈电贴片天线，在CST中计算天线，提取场源作为物联网设备的激励源。下图为从天线辐射出去的功率曲线。
取2个点测量电场P1和P2，一个在办公室，另一个在卧室，
计算出各种混合模式和全无线模式下的E、H、远场方向性数据：
随着模拟中一个接一个地添加无线设备，E值随之上升。当设备数量从1个(109.12 V/m)增加到12个(138.101 V/m)时，最大电场增加了26.5%。但是，在不同的混合设置下，E值在P1和P2保持不变;例如，对于使用6-10个设备的混合场景，P1处的E场相同。同样，P2处的E也很低，直到无线打印机的加入，所有设备无线运行计算，达到最大值9.725 V/m。虽然测量点只记录了9.725 V/m的最大值，如果人非常接近手机和笔记本电脑位置的电场强度达到26V/m。
E随着无线设备的增加而稳定增加，但到第七个设备之后，会慢慢减少。这是因为第7个(门)和第8个(摄像头)无线设备的位置更靠近墙壁，从而通过墙壁耗散了辐射能量。随着第10个设备(恒温器)的引入，最大值再次增加，最终达到最大值138.164 V/m。由此可见，室内环境中的电磁辐射和室内建筑材料的电磁特性、无线设备的位置、设备与居住者的距离、设备的数量以及频率等因素相关。除有线场景外，所有场景得到的最大H场值几乎恒定。
远场方向性趋势类似于最大电场，最初上升，然后缓慢下降，最后随着最后一个无线设备的加入而达到峰值。原因也相似。靠近壁面时，壁面发生背向散射，使方向性下降。
下图为2个无线设备和12个无线设备的的远场方向图。显然无线全开的方式辐射强度更大。
2无线设备远场方向图：
12个无线设备远场方向图：
所有的仿真是在2.45 GHz下进行的，比起高频率场景产生的电磁辐射很小。尽管如此，暴露在2.45 GHz也对健康有影响。现在设备都在向着更高的频率发展，提高到28和58 GHz，电磁辐射将显著增加。
即使频率相对较低2.45 GHz，辐射区主要是离无线设备很近的地方，根据远场天线辐射的平方反比定律，随着距离的增加，辐射将显著下降。使用屏蔽电缆和早期设计干预来降低建筑空间中的电磁辐射，适当选择能够有效减少辐射传输的建筑材料都是降低电磁辐射的方法。即使是屏蔽的以太网线也可以设计成放置在墙内而不是外面，进一步降低电磁辐射。
