CST自带案例：均匀头模型和天线比吸收率（SAR）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1cm^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1cm^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：
是否根据用户定义的功率进行缩放 | Power Scaling [W] | 0.25 Accepted |
激励功率 | Stimulated Power [W] | 0.252477 |
天线接收功率 （激励功率减去反射损耗） | Accepted Power [W] | 0.25 |
平均网格质量 （所有包含有密度材料的网格） | Average cell mass [g] | 0.008 |
均值方法（不是算点SAR的话） | Averaging method | IEEE/IEC 62704-1 |
均值质量 | Averaging mass [g] | 1 |
在选择的区域内：Selected Volume: | ||
计算区域最小坐标 | Min (x,y,z) [mm] | -90, -140, -240 |
计算区域最大坐标 | Max (x,y,z) [mm] | 90, 100, 10 |
计算区域体积 | Volume [mm^3] | 1.08e+07 |
所有介质吸收功率 | Absorbed power [W] | 0.139361 |
生物组织体积 | Tissue volume [mm^3] | 4.39679e+06 |
生物组织质量 | Tissue mass [kg] | 4.39679 |
生物组织吸收功率 | Tissue power [W] | 0.139361 |
生物组织平均功率 | Average power [W/mm^3] | 3.16961e-08 |
生物组织总SAR （全体均值SAR） | Total SAR [W/kg] | 0.0316961 |
最大的点SAR | Max. point SAR [W/kg] | 9.24563 |
最大的1g 均值SAR | Max SAR (1g) [W/kg] | 2.63443 |
最大的1g 均值SAR坐标 | Maximum at (x,y,z) [mm] | 75, -25, -151 |
均值最小体积坐标 | Avg.vol.min (x,y,z) [mm] | 69.855, -30.145, -156.145 |
均值最大体积坐标 | Avg.vol.max (x,y,z) [mm] | 80.145, -19.855, -145.855 |
最大的均值体积边长 | Largest valid cube [mm] | 10.3573 |
最小的均值体积边长 | Smallest valid cube [mm]: | 10 |
均值体积计算精度 | Avg.Vol.Accuracy [%] | 0.0001 |
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：
T-solver | TLM-solver | F-solver | |
Absorbed power [W] | 0.139361 | 0.139815 | 0.140349 |
Total SAR [W/kg] | 0.0316961 | 0.0317891 | 0.0319208 |
Max SAR (1g) [W/kg] | 2.63443 | 2.64823 | 2.64651 |
Maximum at (x,y,z) [mm] | 75, -25, -151 | 75, -23, -151 | 75, -23, -151 |
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”。
