Опыт оценки ЭМ излучения на человека

В этой статье мы бы хотели поделиться с читателями информацией о том, на сколько подробно на сегодняшний день инструменты Ansys позволяют моделировать влияние ЭМ излучения на человека. А именно, в статье мы рассмотрим:

1. опыт компании Continental AG в применении продуктов Ansys для оценки влияния излучения на человека.
2. подведем краткие итоги проведения нашего вебинара на тему анализа ЭМ излучения на человека в Ansys HFSS.

Кейс от компании Continental AG

Continental AG, широко известная как Continental - немецкая многонациональная компания по производству автомобильных запчастей, специализирующаяся на тормозных системах, внутренней электронике, автомобильной безопасности, компонентах трансмиссии и шасси, тахографах, шинах и других деталях для автомобильной отрасли. Continental состоит из шести подразделений: шасси и безопасность, трансмиссия, интерьер, шины, ContiTech, ADAS (передовые системы помощи водителю). Головной офис находится в Ганновере, Нижняя Саксония. Continental - четвертый по величине производитель шин в мире. 

Как прогрессивная и передовая компания, Continental полагает, что автомобиль завтрашнего дня всегда будет подключен к беспроводной экосистеме, удобным, комфортным и интеллектуальным. Поэтому компания разрабатывает беспроводные решения для связи транспортных средств с водителями и пассажирами, а также с окружающей средой - в любом месте и в любое время. Это требует разработки полного набора антенных систем, от полного механического проектирования до изготовления печатных плат, чтобы обеспечить связь между смартфонами, инфраструктурой, другими автомобилями и облачными сервисами.

Основной задачей при создании полного комплекса беспроводных систем, является обеспечение безопасности и здоровья людей при использовании радиоустройств. Любой, кто использовал микроволновую печь, знает, что электромагнитное излучение высокой мощности и высокой частоты может нагревать ткани. Устройства связи работают на гораздо более низких уровнях мощности, но несмотря на этом, разработчики радиоустройств равно должны контролировать допустивые уровни излучения и их соответствие международным стандартам излучения, чтобы гарантировать, что создаваемые антенные системы не окажут негативного воздействия на потребителей.

Уже более пятнадцати лет Ansys HFSS помогает Continental разрабатывать беспроводные устройства, экономя время и деньги на разработку. 

Нормативные стандарты

Ученые установили, что электромагнитные поля могут взаимодействовать с человеческими телами двумя способами: низкочастотное излучение ниже 100 кГц при высоких уровнях поля может вызвать стрессовую нагрузку на нервную систему человека, а высокочастотное излучение свыше 10 МГц может вызвать нагревание тканей человека. В указанных диапазонах электромагнитного излучения могут возникать эффекты нейростимуляции и нагрева.

Отдельные правительства несут ответственность за требования безопасности продукции в своих странах. Такие организации, как FCC, ISED, ETSI и другие, устанавливают нормативные стандарты, которым необходимо следовать при оценке воздействия и сертификации. Большинство этих организаций следуют рекомендациям ICNIRP и IEEE. В России допустимые уровни ЭМ излучения описаны в Санитарных Нормах (СанПиН).

В зависимости от страны эти правила защищают пользователя от воздействия даже небольшого повышения температуры, чтобы предотвратить биологические сбои. Самый известный критерий - это хорошо известный «удельный коэффициент поглощения» (SAR) для сотовых телефонов. SAR показывает скорость поглощенной энергии на единицу массы ткани, подвергнутой воздействию электромагнитного поля, которая связана с повышением температуры и величиной электрического поля. Общепринятым стандартом является то, что воздействие на человека не должно превышать 2 Вт / кг в течение шестиминутного среднего времени SAR, поглощаемого 10 г тканей головы человека.

Эта оценка обычно выполняется с помощью физических измерений в соответствии со стандартами IEEE / IEC 62209, но в последние годы в некоторых странах стало возможным заменить физическое моделирование физическими измерениями в соответствии со стандартами моделирования IEEE / IEC 62704. Правительственные постановления постоянно развиваются из-за появления новых технологий, поэтому следует сверяться с последней версией соответствующего стандарта в вашей стране, чтобы убедиться, что вы его соблюдаете.

Электромагнитное моделирование в Continental

В компании Continental искали программное обеспечение для моделирования, которое было признано государственными органами для расчетов воздействия и которое также соответствовало стандартам. Это привело к выбору полнополевого электромагнитного решателя ANSYS HFSS, доступного в ANSYS Electronic Desktop. Исторически стандартизированы были только решатели конечной разности во временной области (FDTD) для моделирования полей, изменяющихся во времени. Кмпания использовала статический (не меняющийся во времени) метод конечных элементов (FEM) HFSS, который был признан FCC. Когда последний стандарт IEC62704-4, выпущенный в 2020 году, включал алгоритм расчета пикового SAR для решателей FEM, Ansys упорно трудился над разработкой и внедрением этого стандарта в 2020 году. Процесс включает моделирование антенн с соответствующей частью устройства с добавлением фантомной модели головы человека. Затем калькулятор HFSS предлагает алгоритм, который ищет максимальное среднее пиковое значение SAR в фантомном объеме. Это помогло Continental убедить государственные органы в том, что HFSS можно использовать для соответствия требованиям оценки воздействия.

Моделирование также помогает компании создать виртуальный сценарий тестирования, поскольку нельзя протестировать живые ткани человека, чтобы доказать, что условия наихудшего воздействия остаются ниже предела SAR. Кроме того, электромагнитное моделирование помогло безопасно интегрировать разрабатываемые компанией антенны в автомобили, чтобы защитить здоровье потребителей. Поскольку измерение SAR не входит в компетенцию компании, Continental пользуется для этого сертифицированными сторонними лабораториями. Таким образом, сокращение количества внешних измерений является ключом к сокращению времени и стоимости разработки, особенно для технологий Wi-Fi, Bluetooth и т.д., для которых необходимо оценить большое количество каналов, чтобы охватить все каналы GSM, UMTS и LTE. Тестирование только одного окончательного дизайна экономит много времени и денег. 

Примеры моделирования

Производители автомобилей все чаще устанавливают «интеллектуальные антенны» для приложений электронной телефонной связи под крышей в непосредственной близости от головы пассажиров. Воздействие электромагнитного излучения может оказаться значительным и превысить допустимые нормы. Производитель автомобиля определяет интеграцию модуля в крышу автомобиля, указывая минимальное расстояние воздействия между устройством и головой пассажира («защитное» расстояние). Используя имитационные модели и HFSS, мы можем определить, соответствует ли излучаемая мощность ограничениям SAR, и проверить, является ли предлагаемое безопасное расстояние приемлемым или нет.

Еще одно устройство, которое моделируется с использованием HFSS в Continental, - это беспроводное зарядное устройство для приложений для смартфонов, использующее магнитную индукцию. Поскольку это устройство обычно находится на консоли между двумя передними сиденьями или иногда в подлокотнике задних сидений, оно находится близко к пассажирам. Инженеры Continental решили эту проблему, разработав специальный метод моделирования, основанный на «процессе цифровой омологации». Этот процесс включает оценку беспроводного зарядного устройства, работающего на частоте 128 кГц как на низких, так и на высоких частотах, для оценки внутреннего электрического поля и требований SAR. Для проведения этих измерений не было доступных установок для физических испытаний, поэтому их нельзя было сертифицировать без численного моделирования.

Оценка HFSS

Опыт инженеров Continental с HFSS очень положительный для проектирования антенн и оценки воздействия. Использование моделирования значительно сокращает время разработки, что очень важно для Continental. Но то, что часто упускается из виду, - это то, что моделирование помогает инженерам улучшить наше понимание физики, например, путем визуализации распространения электромагнитных полей. Мы не можем количественно оценить это преимущество, но оно оказывает большое влияние на постоянные усилия по расширению знаний и совершенствованию наших продуктов. В заключении ответим, что вы можете посмотреть запись вебинара от 28 октября «ANSYS. Подходы к моделированию влияния электромагнитного излучения на человека в HFSS».
© Материалы сайта plm-ural.ru