基于FDTD法CST的方向图可重构天线及SAR值分析
- 作者优秀
- 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
- 平台推荐
- 内容稀缺
导读：近年来，以人体为中心的无线通信有很多潜在的应用，如医疗传感器系统、可穿戴电子设备、军事通信等。可重构天线作为一种新型的天线被广泛应用在各种设备中。本文利用CST仿真了一款方向图可重构天线。使用时域有限积分法FDTD对天线进行计算，得到天线的S参数、增益、方向图等。人体通信链路中，人体也是一个强大的磁场，对天线的性能会产生一定的影响。在CST中添加人体结构，通过SAR值结果分析人体对天线磁场的影响。将仿真结果与实测结果进行比较，确保仿真的合理性。更多内容推荐大家关注我的仿真秀专栏——希格斯波色子（点击文尾阅读原文查看）一、天线设计与建模
天线实物如图1，该天线可实现不同频段(2.45GHz和403MHz)的不同工作模式。在CST微波工作室中建立天线模型，如图2。
在没有添加人体组织时的天线仿真与实测的S参数结果如图3所示，其中(a)为2.45GHz体外通信状态的S11，(b)为2.45GHz体表通信状态的S11，(c)为403MHz体内通信状态的S11。
图3天线S参数 (a) 2.45GHz体外通信模式 (b) 2.45GHz体表通信模式(c) 403MHz体内通信模式图4给出了可重构天线在2.45GHz和403MHz频率下的三维方向图的仿真结果。其中(a)为天线在体外通信模式下的三维方向图，(b)为天线在体表通信模式下的三维方向图，(c)为天线在体内通信模式下的三维方向图。
图4天线三维方向图的仿真结果(a)体外模式(b)体表模式(c)体内模式天线在体外通信模式下归一化方向图的仿真与实测结果如图5，图6给出了天线在体表通信模式下的归一化方向图的仿真与实测结果，图7展示了天线在体内通信模式下的仿真结果。图5天线在体外通信模式下归一化方向图的仿真与实测结果 (a) E面(xoz面) (b) H面(yoz面)图6天线在体表通信模式下归一化方向图的仿真与实测结果 (a) E面(xoy面) (b) H面(yoz面)图7天线在体内通信模式下方向图的仿真结果(a) E面(xoy面) (b) H面(yoz面)以上所示的仿真与实测对比表示，CST仿真可以很好的得到天线的谐振及辐射方向图，谐振点处的回波损耗均在-10dB以下，表明该天线的辐射损耗较小。二、SAR值分析
CST对人体SAR仿真有着非常完备的解决方案，其独特的生物模型库中的人体模型可以满足不同的应用场景，通过在微波工作室中导入可视化人体模型数据集，对SAR值进行分析。仿真时将天线放置在身体胸腔附近或体内，其中人体组织利用皮肤，脂肪，肌肉来模拟，如图8。
与其他仿真不同，SAR值仿真需要先加一个Power loss density/SAR的场监视器，如图9，这里的Power loss density被用来计算SAR值，同时，CST后处理中的SAR选项可以快速、精确的计算SAR，如图10所示。
图9 Power loss density/SAR场监视器由于人体组织很大，为提高后处理速度，限制计算区域在人体胸腔附近。图11为SAR仿真结果，可以看出，天线在人体附近的SAR为8.74e-8W/Kg，在人体内部的SAR为1.23e-7W/Kg，两者均比较低。不同领域的SAR标准不同，该值越低，则人体组织吸收或消耗的电磁波功率越少。
图11 SAR值分布(a)胸腔附近(b)胸腔内部
三、本文总结
本文利用达索三维电磁仿真工具CST对天线建模分析，并计算天线位于人体不同位置的SAR值。通过添加三个开关二极管来控制工作模式，实现人体体外、体表以及体内三种通信模式的切换，即单天线实现多功能。目前达索三维电磁仿真工具CST中的FDTD法，具有建模容易、计算时间短、对电磁特性模拟精确等优点, 因此在可重构天线的设计中有很大的应用价值。并且，CST中的人体模型库，拥有多种不同类型的人体模型，可以满足不同场景的人体SAR值分析。由于条件有限，对于SAR值的分析暂时只有仿真结果。欢迎广大仿真优质内容创作者来仿真秀平台，加入仿真知识服务生态圈，向关注工业软件行业的网友、企业、科研单位和理工科学子，提供个人原创的视频课程、培训服务和项目咨询等服务，为企业和科研机构产品技术创新，攻坚克难，一起服务国家重大技术需求做出自己贡献。仿真秀读者福利
仿真秀，致力于为每一位学习者提供优质的仿真资源与技术服务支持，让您的仿真学习之旅更加顺畅，欢迎在公 众号对话框与我互动交流！以下资料供用户永久免费下载哦（见下图）。
下载地址在仿真秀APP公 众号菜单-资料库-资料下载-进入百度云盘群下载，不会失效，且永久免费更新。
获赞 10237粉丝 21752文章 3594课程 222
