- Trang Chủ
- Điện - Điện tử
- Phương pháp ước lượng giá trị hệ số hấp thụ riêng (SAR) của thiết bị di động có đa ăng-ten phát sử dụng gần cơ thể con người
Xem mẫu
- Hội Thảo Quốc
Hội Thảo GiaGia
Quốc 2015 vềvề
2015 Điện
ĐiệnTử,
Tử,Truyền
TruyềnThông
Thôngvà
vàCông NghệThông
Công Nghệ ThôngTin
Tin(ECIT
(ECIT2015)
2015)
Phương Pháp Ước Lượng Giá Trị Hệ Số Hấp Thụ
Riêng (SAR) Của Thiết Bị Di Động Có Đa Ăng-ten
Phát Sử Dụng Gần Cơ Thể Con Người
Chu Văn Hải và Lê Đình Thành
Khoa Vô Tuyến Điện Tử,
Đại Học Kỹ Thuật Lê Quý Đôn
Email: chuhait1@gmail.com, le.dinhthanh.vn@ieee.org
Tóm tắt— Trong bài báo này, chúng tôi trình bày một phương tần số, việc sử dụng các thiết bị đầu dò vô hướng đo SAR trở
pháp ước lượng nhanh dùng trong các hệ thống đo sử dụng đầu lên phức tạp hơn và đòi hỏi những kỹ thuật đo đặc biệt. Lý do
dò điện trường vô hướng để xác định hệ số hấp thụ riêng là vì tổng cường độ điện trường bức xạ (tương ứng là SAR) là
(Specific Adsorption Rate - SAR) của thiết bị di động có 2 ăng-ten tổng véc tơ của các nguồn riêng lẻ, do đó các giá trị SAR tại
phát. Đối với thiết bị di động có 2 ăng-ten, 3 phép đo với góc lệch
mỗi điểm đo không chỉ phụ thuộc vào độ lớn của cường độ
pha xác định trước sẽ được thực hiện. Từ các kết quả đo này,
các hệ số ước lượng sẽ được tính, và sau đó, SAR với góc pha bất điện trường tại điểm đo mà còn phụ thuộc vào góc pha tương
kỳ nào đó có thể được ước lượng bằng máy tính. Phương pháp đối của các ăng-ten.
này cho phép ước lượng chính xác SAR, và có thể xác định được Một phương pháp cơ bản để đo SAR cho thiết bị đa ăng-
giá trị SAR lớn nhất tương ứng với độ lệch pha cụ thể nào đó ten phát, được giới thiệu trong [1]-[3], là thực hiện phép đo
của các ăng-ten. với mỗi góc pha xác định thay đổi từ 0 đến 360 độ với một
bước pha nhất định. Ví dụ, với bước pha bằng 5 độ tương ứng
Từ khóa- Hệ số hấp thụ riêng (SAR), nhiều ăng ten phát, đầu sẽ có 72 phép đo được thực hiện để tìm ra giá trị SAR lớn
dò điện trường vô hướng.
nhất ứng với một góc pha cụ thể nào đó. Tổng quát, nếu có N
I. GIỚI THIỆU ăng-ten phát và bước pha là k độ, thì tương ứng có
Hệ số hấp thụ riêng (SAR) được định nghĩa là năng lượng 36 0 / k N 1 phép đo lặp đi lặp lại. Rõ ràng, phương pháp đo
hấp thụ trên mỗi đơn vị khối lượng của một cơ thể sinh học thông thường này rất tốn thời gian, thậm chí là không khả thi
khi nó tiếp xúc với trường điện từ. SAR được xác định là hệ số khi giá trị bước pha là nhỏ, hoặc số lượng của ăng-ten phát
giới hạn trong tiêu chuẩn an toàn quốc tế RF [1]-[3] và giá trị nhiều lên (bởi vì thực tế mỗi phép đo thông thường hiện nay
của nó tỷ lệ thuận với bình phương cường độ điện trường bức mất khoảng 30 phút). Ngoài ra còn có các nghiên cứu trong
xạ: [6], [7] xét đến trường hợp 2 ăng ten phát, và thực nghiệm đo
SAR với giá trị bước pha bằng 45 độ tương ứng có 8 phép đo
W / Kg
2
SAR E (1) được tiến hành để xác định giá trị cực đại của SAR. Tuy
nhiên, do bước pha là khá lớn nên giá trị SAR cực đại tìm
Trong đó: σ và ρ tương ứng là các đại lượng đặc trưng cho được chưa chính xác, chỉ là gần đúng.
độ dẫn điện (S/m) và mật độ khối lượng riêng (kg/m3) của cơ Để giảm thời gian đo, một phương pháp khác đã được giới
thể sinh học. thiệu cho kiểm tra việc tuân thủ các hướng dẫn an toàn của
Hiện nay có hai loại đầu dò điện trường được sử dụng để các thiết bị không dây [1], [8]. Đây là phương pháp đòi hỏi
đo SAR trong các hệ thống phòng đo SAR [4], [5] gồm đầu dò phải tắt và mở các ăng-ten phát luôn phiên nhau và tiến hành
điện trường vector và đầu dò điện trường vô hướng. Với phạm đo SAR riêng lẻ với ăng-ten đang mở. Sau đó bằng cách kết
vi bài báo chúng tôi tập trung nghiên cứu phương pháp ước hợp các giá trị SAR riêng lẻ với nhau ta thu được giá trị SAR
lượng sử dụng đầu dò điện trường vô hướng. Khi sử dụng đầu tổng. Tuy vậy, hạn chế của phương pháp này là chỉ có thể chỉ
dò vô hướng chỉ có thể cung cấp thông tin về độ lớn của ra giá trị cận trên của SAR, giá trị này quá cao so với SAR
cường độ điện trường, không cho biết thông tin về pha của các thực tế. Không những vậy, phương pháp này cũng đòi hỏi có
ăng-ten. Tuy nhiên do yếu tố kỹ thuật và đầu tư thiết bị ít tốn các chuyển mạch để bật hoặc tắt các ăng-ten, vì vậy làm cho
kém nên đầu dò điện trường vô hướng hiện được sử dụng rộng hệ thống đo phức tạp hơn.
rãi hơn trong các phòng thí nghiệm. Trong bài báo này, chúng tôi sẽ đề xuất một phương pháp
Trong phép đo SAR hiện nay, với thiết bị đa ăng-ten phát, đơn giản để ước lượng giá trị SAR cho thiết bị đa ăng-ten
mỗi ăng-ten sử dụng một tần số khác nhau thì đầu dò vô phát. Phương pháp này sẽ giảm thiểu số lần đo cho một góc
hướng thực hiện các phép đo SAR theo phương pháp thông pha tương ứng, và ước lượng giá trị SAR cho các góc pha
thường trên mỗi tần số tương ứng với mỗi ăng-ten riêng lẻ. khác nhau. Cụ thể, với một thiết bị có 2 ăng-ten phát chỉ cần 3
Tuy nhiên, đối với thiết bị đa ăng-ten làm việc trên cùng một phép đo là xác định được SAR cho một góc pha bất kỳ.
165
ISBN: 978-604-67-0635-9 165
- Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
II. PHÂN TÍCH LÝ THUYẾT tiêu chuẩn quốc tế về đo đạc bức xạ sóng điện từ [2], [3]. Hai
Với thiết bị có 2 ăng-ten phát, tổng cường độ điện trường chấn tử được đặt song song, cách nhau một khoảng một phần
bức xạ bởi 2 ăng-ten đo được tại điểm bất kỳ bằng tổng vector tư bước sóng, và cách mô hình SAM Phantom một khoảng 10
cường độ điện trường bức xạ từ từng ăng-ten riêng lẻ. Cường mm như mô tả trong hình 1.
độ điện trường tổng được tính như sau: Cấu hình ăng-ten và các thông số kích thước ăng-ten; kích
i
thước SAM Phantom, độ dày vỏ, các thông số chất lỏng SAM
E E1 E 2 e (2) Phantom (hằng số điện môi, độ dẫn điện và mật độ khối
trong đó: β là góc pha tương đối của 2 ăng-ten, E1 và E2 là lượng riêng) được quy định trong các tiêu chuẩn quốc tế về
các giá trị phức tương ứng của cường độ điện trường bức xạ đo SAR [1]-[3] thể hiện trong Bảng 1.
từ ăng-ten 1 và ăng-ten 2.
Từ (1) và (2), thông qua một số phép biến đổi toán học, ta BẢNG 1. THÔNG SỐ CỦA SAM PHANTOM
có thể biểu diển phép tính SAR như sau: VÀ ĂNG-TEN.
SA R A B c o s C s in (3) Tham số Giá trị
trong đó: A, B, C là các giá trị thực được biểu diễn thông qua Tần số 2.4 GHz
các thành phần thực và ảo của E1, E2; σ và ρ. Các tham số này Bán kính lưỡng cực 1.8mm
không phụ thuộc vào β. Chiều dài tổng thể λ/2
Để ước lượng SAR cho một β tùy ý, chúng tôi tiến hành
Khoảng cách giữa 2 ăng-ten λ/4
xác định các giá trị của A, B, C (gọi là các tham số ước
SAM (Specific
lượng) bằng cách thực hiện ba phép đo SAR với 3 góc pha
Kích thước SAM Phantom Anthropomorphic
khác nhau. Để đơn giản phép tính ta có thể lựa chọn β với các
Mannequin) [3]
giá trị: 0, 90 và 180 độ. Từ (3), qua một vài bước biến đổi các
tham số A, B, và C được xác định: Khoảng cách giữa SAM Phantom và
10mm
DUT
A SAR0 SAR180 / 2 Hằng số điện môi của chất lỏng bên
42
B SAR SAR / 2
0 180
(4) trong SAM Phantom (εr)
Độ dẫn điện chất lỏng (σ) 0.99 S/m
C 2 SAR SAR SAR / 2
90 0 180
Khối lượng riêng chất lỏng (ρ) 1000 Kg/m3
trong đó: SAR0 , SAR90 và SAR180 được xác định từ phép đo
SAR sử dụng đầu dò vô hướng cho góc pha tương ứng với 0, B. Kết quả
90 và 180 độ. Sau khi xác định được giá trị của các tham số Để kiểm tra tính chính xác và hiệu quả của phương pháp
ước lượng A, B, C thay vào (3) và với góc pha bất kỳ ta có thể ước lượng, chúng tôi tiến hành chạy mô phỏng từ mô hình
ước lượng được SAR tương ứng. trên với các góc pha: 0; 45; 90; 135; 180; 233; 270 độ. Kết
quả thu được thông qua các bước xử lý sẽ cho ra giá trị đo
III. MÔ HÌNH KIỂM CHỨNG VÀ KẾT QUẢ
SAR chuẩn hóa và giá trị ước lượng SAR.
A. Mô hình
Để đơn giản, hai ăng-ten chấn tử hoạt động ở tần số 2.4 G
được sử dụng như là ăng-ten của thiết bị đo kiểm (devices
under test-DUT). Để tính toán SAR bên trong phần đầu cơ
thể con người, mô hình SAM Phantom (Specific
Anthropomorphic Mannequin) được sử dụng trong chương
trình mô phỏng.
(a) (b)
Hình 1. Mô hình SAM Phantom và 2 ăng-ten phát:
(a) góc nhìn tổng quát; (b) Mặt phẳng quan sát SAR .
Mô hình đầu người SAM Phantom là kích thước trung Hình 2. Các phân bố SAR tương ứng với giá trị β khác nhau
bình của đầu người. Kích thước của nó được chỉ rõ trong các của hai ăng-ten: (a) β =0 độ; (b) β =90 độ; (c) β =180 độ.
166
166
- HộiHội
Thảo Quốc
Thảo QuốcGia
Gia2015
2015về
vềĐiện
Điện Tử,
Tử,Truyền
Truyền Thông vàCông
Thông và CôngNghệ
Nghệ Thông
Thông TinTin (ECIT
(ECIT 2015)
2015)
Hình 2 thể hiện phân bố SAR với các góc pha tương đối 0 đến 360 độ. Từ kết quả tính toán này, giá trị SAR lớn nhất
khác nhau: 0; 90; và 180 độ trong một mặt phẳng ngang mô được tìm thấy là 1.12 tương ứng với góc pha 233 độ.
hình SAM Phantom (xem hình 1.b). Các giá trị SAR được
chuẩn hóa bằng một giá trị chuẩn hóa (normalization factor)
là giá trị lớn nhất trong mặt phẳng quan sát khi góc pha tương
đối của 2 chấn tử là 90 độ. Từ các giá trị này, chúng ta sẽ tính
được các hệ số ước lượng theo phương trình (4) và ước lượng
được SAR đối với giá trị pha bất kỳ theo phương trình (3).
Hình 3; 4; 5 và 6 trình bày kết quả so sánh giá trị SAR
tính toán và giá trị SAR ước lượng với góc pha bằng 45; 135;
233 và 270 độ tương ứng. Từ các hình này, ta thấy rằng kết
quả ước lượng giá trị SAR và tính toán SAR tại mặt phẳng
quan sát bên trong SAM Phantom là khá đồng nhất. Giá trị
sai số lớn nhất giữa chúng chỉ khoảng dưới 0,01%. Hình 6. So sánh kết quả với β = 233 độ:
(a) chuẩn hóa đo SAR; (b) ước lượng SAR.
1.2
1
M axim um norm alized local S A R
0.8
0.6
Hình 3. So sánh kết quả với β = 45 độ: Peak maximum point SAR
0.4
(a) chuẩn hóa đo SAR; (b) ước lượng SAR.
0.2
0
0 50 100 150 200 250 300 350
Relative phase of the two antennas (deg.)
Hình 7. Maximum normalized point SAR
IV. KẾT LUẬN
Bài báo đã trình bày một phương pháp ước lượng đơn
giản để xác định SAR lớn nhất của các thiết bị có 2 ăng-ten
Hình 4. So sánh kết quả với β = 135 độ: phát. Phân tích lý thuyết và kiểm chứng bằng chương trình
(a) chuẩn hóa đo SAR; (b) ước lượng SAR. mô phỏng đã xác minh tính đúng đắn của kỹ thuật ước lượng.
Kết quả mô phỏng (tính toán) và ước lượng khẳng định
phương pháp ước lượng hoạt động tốt trong hầu hết các
trường hợp kiểm tra, và độ lệch giữa kết quả đo và ước lượng
SAR là rất nhỏ, chủ yếu là dưới 0.01%. Nhờ giảm số lượng
của các phép đo, phương pháp ước lượng được đề xuất sẽ
giảm đáng kể tổng thời gian kiểm định cho một thiết bị có đa
ăng-ten phát. Trong các nghiên cứu tiếp theo, chúng tôi sẽ tập
trung xem xét mô hình và kiểm chứng với nhiều ăng-ten hơn,
và tính toán với mô hình cơ thể con người phức tạp hơn.
LỜI CẢM ƠN
Hình 5. So sánh kết quả với β = 270 độ: Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa học và
(a) chuẩn hóa đo SAR; (b) ước lượng SAR. công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số
102.04-2014.16.
Bằng cách áp dụng phương pháp ước lượng cho các giá trị
khác nhau của β, thay đổi từ 0 đến 360 độ, chúng ta có thể tìm TÀI LIỆU THAM KHẢO
thấy giá trị của β tương ứng với SAR lớn nhất. Hình 7 cho [1] IEC/TR 62630, “Guidance for Evaluating Exposure from
thấy giá trị lớn nhất SAR khi thay đổi β trong một khoảng từ Multiple Electromagnetic Sources,” Ed. 1.0, 2010.
167
167
- Hội
HộiThảo
ThảoQuốc
Quốc Gia 2015 vềĐiện
2015 về ĐiệnTử,
Tử,Truyền
TruyềnThông
Thôngvàvà Công
Công Nghệ
Nghệ Thông
Thông Tin (ECIT
Tin (ECIT 2015)
2015)
[2] IEC:62209-2, “Human exposure to radio frequency fields from [6] K.-C. Chim, K. C. L. Chan, and R. D. Murch,
hand-held and body-mounted wireless communication devices “Investigating The Impact of Smart Antennas on SAR”,
- Human models, instrumentation, and procedures - Part 2: IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 52, no. 5, 1370-1374,
Procedure to determine the specific absorption rate (SAR) for May 2004.
wireless communication devices used in close proximity to the [7] J.-O. Mattsson, and L.P. De Leon, "SAR Evaluation of A
human body (frequency range of 30 MHz to 6 GHz)”, Mar. Multi-Antenna System", in Proc. IEEE Antennas and
2010. Propagation Int. Symp., pp. 1373- 1376, Honolulu, Jun.
[3] IEEE 1528, “IEEE Recommended Practice for 2007.
Determining the Peak Spatial-Average Specific [8] D. T. Le, T. Iyama, L. Hamada, S. Watanabe, and T.
Absorption Rate (SAR) in the Human Head from Wireless Onishi, “Electric Field Measurements for MIMO Wireless
Communications Devices: Measurement Techniques”, Ed. Communication Transmitters in Electromagnetic
2013. Exposure Evaluation” in Proc. Of Pan-Pacific EMC Joint
[4] DASY52 by SPEAG,http://www.speag.com/products/das Meeting (PPEMC’12), Tokyo, Japan, Nov. 2012.
-y /dasy-systems/
[5] ART-MAN by ART-Fi, http://www.art-fi.eu/art-man
168
168
nguon tai.lieu . vn
