Xem mẫu
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(126).2018, Quyển 1
35
QUY TRÌNH XÁC ĐỊNH GIÁ TRỊ SAR LỚN NHẤT CỦA THIẾT BỊ VÔ TUYẾN
NHIỀU ĂNG TEN SỬ DỤNG KỸ THUẬT BẬT/TẮT NGUỒN BỨC XẠ
A MEASUREMENT PROCEDURE FOR DETERMINING THE MAXIMUM SAR VALUE OF
MULTIPLE ANTENNA RADIO DEVICES USING THE ON/OFF TECHNIQUE
Chu Văn Hải, Nguyễn Huy Hoàng, Lê Đình Thành
Học viện Kỹ thuật Quân sự; chuhait1@gmail.com, hoangnh@mta.edu.vn, le.dinhthanh.vn@ieee.org
Tóm tắt - Trong bài báo này, nhóm tác giả đề xuất một quy trình
đo mới nhằm xác định SAR cực đại của thiết bị nhiều ăng ten phát.
Quy trình đo kiểm này dựa trên kỹ thuật bật/tắt lần lượt các ăng
ten trong mỗi phép đo để xác định các tham số ước lượng, từ đó,
ước lượng cường độ điện trường tại điểm đo đối với các tổ hợp
sai pha bất kỳ giữa các ăng ten. Trên cơ sở đó, chúng ta có thể chỉ
ra tổ hợp sai pha cụ thể ứng với SAR cực đại trong mặt phẳng đo.
Sau khi biết tổ hợp sai pha này, phép đo xác định SAR trung bình
không gian cực đại của thiết bị nhiều ăng ten có thể tiến hành
tương tự như đối với thiết bị đơn ăng ten. Nhóm tác giả phân tích
các vấn đề cơ bản, mô phỏng và kiểm chứng kỹ thuật ước lượng
mới đối với một số cấu hình ăng ten điển hình. Kết quả kiểm chứng
cho thấy kỹ thuật ước lượng và quy trình đo mới đơn giản, chính
xác và tiết kiệm thời gian.
Abstract - In this paper, theauthors propose a new measurement
procedure for determining the maximum SAR value of multi-antenna
devices. The proposed procedure is based on a new technique which
requires antennas turning ON/OFF alternatively in each
measurement to determine the estimated factors. Then, the E-field
at measured points can be estimated for any combination of relative
phases of the antennas. Thanks to the estimation, we can find out
the combination of relative phases corresponding to the maximum
E-field in the measured plane. By setting the combination to the
antennas, the maximum spatial-averaged SAR of a multiple-antenna
device can be measured similarly to that of a single antenna device.
The authors have analyzed the fundamentals of the new technique,
conducted simulations and validations for some typical antenna
configurations. As a result, it is confirmed that the proposed
technique and procedure is simple, accurate, and time saving.
Từ khóa - hệ số hấp thụ riêng; thiết bị vô tuyến nhiều ăng ten phát;
đầu dò điện trường véc-tơ; sai pha tương đối; cường độ điện
trường.
Key words - specific absorption rate - SAR; multiple antenna radio
device; vector field probes; relative phase; E-Field.
1. Đặt vấn đề
Thiết bị vô tuyến nhiều ăng ten phát được kỳ vọng sẽ
đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống thông tin vô
tuyến thế hệ tiếp theo. Hiện nay, các thiết bị vô tuyến nhiều
ăng ten, bao gồm kỹ thuật MIMO (Multi-Input MultiOutput), và ăng ten mạng pha, nhận được nhiều quan tâm
về nghiên cứu và phát triển. Tuy nhiên, để đưa các thiết bị
này vào hoạt động trong thực tế, có nhiều vấn đề cần nghiên
cứu, giải quyết như tốc độ truyền dữ liệu, chất lượng tin,
kích thước, cường độ điện trường bức xạ… Trong đó, vấn
đề về tương thích điện từ trường là yêu cầu quan trọng để
đảm bảo các thiết bị cung cấp dịch vụ an toàn và tin cậy,
không gây nhiễu đến thiết bị khác trong hệ thống.
Một tham số đặc trưng để kiểm tra tính tương thích điện
từ trường đó là hệ số hấp thụ riêng SAR (Specific
Absorption Rate) được chỉ ra trong các chuẩn quốc tế về an
toàn bức xạ vô tuyến [1], [2], [3]. Hệ số hấp thụ riêng SAR
được định nghĩa là giá trị đặc trưng cho công suất hấp thụ
trên mỗi đơn vị khối lượng của một cơ thể sinh học khi cơ
thể đó tiếp xúc với trường điện từ. Giá trị SAR tỷ lệ với
bình phương biên độ cường độ điện trường bức xạ, và được
tính theo công thức:
điện từ trường tương đương với cơ thể con người; (3) đầu
dò điện trường để đo cường độ điện trường bên trong
phantom; và (4) thiết bị cần đo. Tùy thuộc vào các hệ thống
đo khác nhau, có thể có thêm cánh tay robot để điều khiển
đầu dò điện trường đo các điểm khác nhau trong phantom.
Phantom có 2 loại cơ bản là phantom phẳng - dùng để đo
SAR của các thiết bị vô tuyến nói chung và phantom có
dạng đầu người (head phantom) - dùng để đo SAR của điện
thoại di động. Chất lỏng bên trong phantom (liquid) là môi
trường hấp thụ sóng điện từ mạnh. Đầu dò điện trường có
hai loại: đầu dò vô hướng [4] (scalar probes) và đầu dò véctơ [5] (vector probes). Đầu dò vô hướng chỉ có thể cung
cấp thông tin về biên độ điện trường tại điểm đo, trong khi
đó đầu dò véc-tơ cung cấp thông tin cả về pha và biên độ
của điện trường.
Đối với các thiết bị vô tuyến có 1 ăng ten phát (trên một
đường thông tin), các kỹ thuật đo SAR và quy trình tìm giá
trị SAR lớn nhất đã được chỉ rõ trong các chuẩn đo quốc tế
[1], [2]. Tuy nhiên, đối với thiết bị có nhiều ăng ten phát
hoạt động trong cùng một tần số, các kỹ thuật đo và quy
trình xác định SAR hiện nay vẫn chưa rõ ràng, tốn thời gian
và phức tạp. Chẳng hạn, các chuẩn IEEE 1528 [1] và
IEC/TR 62630 [2] hiện tại khuyến nghị thực hiện các phép
đo SAR với các giá trị sai pha của nguồn bức xạ (ăng ten)
thay đổi từ 0 độ đến 360 độ (với một giá trị bước pha xác
định). Theo đó, nếu thiết bị có N ăng ten phát hoạt động
trong cùng một tần số, và bước pha là k độ, thì cần thực
hiện (360 / k ) N −1 phép đo SAR lặp đi lặp lại, và tìm giá trị
SAR lớn nhất trong số kết quả đo. Rõ ràng, đây là một quy
trình tốn nhiều thời gian, thậm chí không khả thi trong thực
tế khi giá trị bước pha nhỏ, hoặc số lượng ăng ten lớn, biết
SAR = E
2
W / Kg
(1)
trong đó, và tương ứng là độ dẫn điện ( S / m ) và
3
mật độ khối lượng riêng ( Kg / m ) của cơ thể sinh học; E
là cường độ điện trường tại điểm đo ( V / m ).
Hệ thống đo SAR thông thường có các thành phần
chính gồm: (1) một phantom được cấu tạo từ chất điện môi
ít tổn hao; (2) chất lỏng bên trong phantom có tính chất
36
rằng mỗi phép đo SAR thường mất khoảng 30 phút.
Một số nghiên cứu trong [6], [7], với trường hợp 2 ăng
ten phát và giá trị bước pha bằng 45 độ, thực hiện 8 phép đo
để xác định giá trị SAR lớn nhất. Tuy nhiên, do bước pha là
khá lớn nên giá trị SAR lớn nhất tìm được có thể nhỏ hơn rất
nhiều giá trị SAR thực tế (ứng với giá trị sai pha không phải
là bội của bước pha 45 độ). Các nghiên cứu này chỉ dừng lại
với các trường hợp 2 ăng ten phát. Khi số lượng các ăng ten
phát tăng lên, kỹ thuật đo này trở nên khó khả thi vì yêu cầu
số lượng lớn các phép đo SAR trong thực tế.
Để giảm thời gian đo, một kỹ thuật khác đã được giới
thiệu trong [8]. Theo đó, giá trị SAR của thiết bị nhiều ăng
ten phát được xác định bằng cách kết hợp các giá trị SAR
riêng lẻ của từng ăng ten. Tuy vậy, kỹ thuật này chỉ có thể
chỉ ra giá trị cận trên của SAR, và giá trị này thường quá
cao so với SAR thực tế (overestimating).
Ngoài ra, trong [9], đánh giá SAR trên 4 mẫu điện thoại
di động điển hình có 2 ăng ten phát cùng một tần số hoạt
động ở băng tần LTE. Giá trị SAR được tính theo công thức
của FCC [3] và không xem xét đến sự thay đổi sai pha giữa
2 ăng ten. Vì vậy giá trị SAR thu được có thể thay đổi khi
sai pha thay đổi. Một kỹ thuật ước lượng được giới thiệu
trong [10], phân tích vị trí đặt các ăng ten trong thiết bị di
động với 6 mẫu được khảo sát. Kết quả cho thấy SAR lớn
nhất tại hình a và hình c có thể dự đoán được tương ứng
với sai pha cụ thể là 0° và 180° giúp giảm rất nhiều thời
gian đo. Nghiên cứu cũng đưa ra hướng dẫn thiết kế thiết
bị cầm tay đa ăng ten với SAR thấp. Tuy nhiên, kỹ thuật
ước lượng này có thể không chính xác khi số lượng ăng ten
tăng, vị trí đặt khác và với chủng loại ăng ten khác.
Như vậy, các kỹ thuật đo SAR hiện nay đang gặp thách
thức rất lớn về thời gian đo và tính chính xác trong xác định
SAR của thiết bị. Để giải quyết bài toán này, nhóm nghiên
cứu đã giới thiệu một vài kỹ thuật để ước lượng nhanh SAR
[11], [12]. Các kỹ thuật này được phát triển trên cơ sở phân
tích lý thuyết điện trường tổng tại điểm đo, tính toán các
tham số ước lượng và thực hiện ước lượng SAR với các tổ
hợp sai pha bất kỳ của nguồn bức xạ. Các kiểm chứng cho
một vài mô hình cụ thể đã được tiến hành nhằm minh chứng
cho tính chính xác của kỹ thuật ước lượng.
Trong bài báo này, nhóm tác giả trình bày chi tiết một
kỹ thuật mới để xác định các tham số ước lượng, từ đó đề
xuất quy trình đo đơn giản và hiệu quả nhằm xác định giá
trị SAR cực đại của thiết bị vô tuyến nhiều ăng ten phát.
Kỹ thuật mới được phát triển trên cơ sở ứng dụng hệ thống
đo điện trường sử dụng đầu dò điện trường véc-tơ.
2. Phân tích điện trường tại điểm đo
Để đơn giản, trước hết ta khảo sát điện trường tại một
điểm đo bên trong chất lỏng của hệ thống đo SAR. Về cơ
bản, môi trường chất lỏng bên trong phantom là môi trường
hấp thụ sóng điện trường mạnh. Vì vậy, điện trường tại điểm
đo bên trong phantom của thiết bị có N ăng ten phát có thể
được biểu diễn là tổng véc-tơ các thành phần điện trường
gây ra bởi mỗi nguồn bức xạ riêng lẻ theo phương các trục
x, y, z. Để đánh giá SAR, ba thành phần điện trường theo
phương các trục x, y, z cần được đo kiểm. Tuy nhiên, dưới
đây, nhóm tác giả chỉ trình bày giải pháp ước lượng cho
thành phần điện trường theo trục x (trường hợp theo
Chu Văn Hải, Nguyễn Huy Hoàng, Lê Đình Thành
phương trục y, z ước lượng tương tự). Xét theo phương trục
x, giá trị cường độ điện trường tại điểm đo được tính theo
công thức:
Etot = a1 + a2ei2 + ... + aN eiN
(2)
trong đó an n = 1...N là các giá trị phức, đặc trưng cho
điện trường tại điểm đo gây ra bởi ăng ten thứ n; và
n ( n = 2...N ) là sai pha tương ứng giữa ăng ten thứ n và
ăng ten 1.
Chúng ta nhận thấy rằng, nếu có thể xác định được các
giá trị an n = 1...N thông qua một số hữu hạn các phép đo
cho trước, thì cường độ điện trường ứng với tổ hợp sai pha
bất kỳ có thể được ước lượng thông qua công thức (2). Vì
thế, các giá trị an n = 1...N được gọi là các tham số ước
lượng. Trong các nghiên cứu ước lượng trước đây [11],
[12], các tham số ước lượng an n = 1...N được xác định
dựa trên dữ liệu đo từ các phép đo đối với các tổ hợp sai
pha biết trước. Tuy nhiên, việc thiết lập các giá trị sai pha
chính xác ở một giá trị nào đó trong quá trình đo là rất khó
khăn và thường gây ra sai số. Nếu việc thiết lập các tổ hợp
sai pha có sai số lớn, thì giá trị SAR ước lượng có thể khác
nhiều so với giá trị SAR thực tế.
Để giải quyết vấn đề này, nhóm tác giả đề xuất trong
bài báo kỹ thuật xác định các tham số ước lượng
an n = 1...N một cách đơn giản mà không cần thiết phải
thiết lập giá trị sai pha trong các phép đo. Từ công thức (2),
chúng ta thấy rằng các tham số ước lượng an n = 1...N
đặc trưng cho cường độ điện trường tại điểm đo gây ra bởi
từng nguồn bức xạ. Vì thế, bằng cách bật/tắt tuần tự từng
ăng ten và đo cường độ điện trường bức xạ từ ăng ten đang
bật, các tham số này có thể được xác định thông qua các
phép đo sử dụng đầu dò điện trường véc-tơ.
Quy trình cơ bản được thực hiện như sau:
a1 = E tot (1) Khi ¨ng ten 1 bËt, c¸c ¨ng ten kh¸c t¾t
a = E (2)
Khi ¨ng ten 2 bËt, c¸c ¨ng ten kh¸c t¾t
2
tot
(3)
a N = E tot (N) Khi ¨ng ten N bËt, c¸c ¨ng ten kh¸c t¾t
Như vậy, đối với thiết bị có N ăng ten phát, cần thực hiện
N phép đo để xác định các tham số ước lượng an n = 1...N .
So với kỹ thuật ước lượng trong [12] (cùng sử dụng loại đầu
dò điện trường véc-tơ), số lượng phép đo được yêu cầu là
không đổi, song hệ thống đo sẽ phức tạp hơn do phải bật/tắt
nguồn kích thích và khó thực hiện với hệ thống ăng ten được
kích thích đồng thời, ví dụ như ăng ten mảng pha. Tuy nhiên,
kỹ thuật bật/tắt tuần tự từng ăng ten sẽ loại bỏ được sai số
gây ra do việc đặt sai tổ hợp sai pha của các nguồn bức xạ.
Sau khi các tham số ước lượng được xác định, thì cường độ
điện trường tại điểm đo ứng với tổ hợp sai pha bất kỳ đều có
thể được ước lượng dựa vào công thức (2).
3. Quy trình đo SAR mới
Đối với việc đo SAR theo các chuẩn quốc tế IEEE1528
[1] hay IEC/TR 62630 [2], quy trình đo SAR phải thực hiện
qua 2 bước đo cơ bản: i) đo trong một mặt phẳng xác định
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(126).2018, Quyển 1
(gọi là area scan), và ii) đo trong một không gian hình lập
phương xung quanh điểm có giá trị SAR lớn nhất trong mặt
phẳng đo ở bước i (được gọi là zoom scan). Giá trị SAR
lớn nhất cần được xác định là giá trị SAR trung bình theo
không gian (spatial-averaged SAR), được tính là trung bình
SAR của các điểm đo trong bước ii.
Cần chú ý rằng, việc ước lượng giá trị cường độ điện
trường ở đây là ước lượng theo từng điểm. Nghĩa là, các
tham số ước lượng ở các điểm đo khác nhau sẽ khác nhau.
Vì thế, việc đo các điểm trong bước đo “area scan” cần
được thực hiện lần lượt trong mỗi lần bật/tắt các ăng ten.
Sau khi thực hiện ước lượng và xác định tổ hợp sai pha của
các nguồn ứng với giá trị cường độ điện trường (hay SAR)
lớn nhất trong mặt phẳng đo, chúng ta có thể thực hiện
bước đo “zoom scan” đối với tổ hợp sai pha đó và xác định
giá trị SAR trung bình không gian lớn nhất.
Trên cơ sở kỹ thuật ước lượng trên, nhóm tác giả đưa
ra quy trình đo mới nhằm xác định giá trị SAR trung bình
không gian cực đại cho các thiết bị vô tuyến có nhiều ăng
ten phát như chỉ ra trên Hình 1. Các phép đo “area scan”
và “zoom scan” được thực hiện tuân thủ theo tiêu chuẩn
quốc tế về đo SAR.
Bắt đầu
37
10 mm. Kích thước phantom phẳng, vỏ phantom, các thông
số chất lỏng theo các tiêu chuẩn quốc tế được thể hiện ở
Bảng 1. Hình 3 là ví dụ biểu diễn mô hình phantom phẳng
và DUT là ăng ten chữ F ngược. Mặt phẳng đo “area scan”
nhóm tác giả lựa chọn là mặt phẳng XZ phía trong phantom
và cách DUT là 11 mm.
Mô hình phantom phẳng, cấu hình DUT được mô
phỏng bằng phần mềm CST STUDIO SUITE [13]
(Computer Simulation Technology) ... Dữ liệu cường độ
điện trường khi bật/tắt từng ăng ten có được từ mô phỏng
tính toán sẽ được sử dụng thay thế cho dữ liệu đo thực tế.
Để đánh giá sai số ước lượng, nhóm tác giả cũng lấy dữ
liệu mô phỏng tính toán SAR tương ứng với các sai pha từ
0 độ đến 360 độ (với bước pha là 15 độ) cho trường hợp 2
ăng ten; đối với trường hợp 3 ăng ten, dữ liệu SAR tính
toán tương ứng với 64 tổ hợp sai pha 2 , 3 giữa các nguồn
bức xạ, trong đó 2 , 3 lần lượt nhận các giá trị 0 độ đến
360 độ (với bước pha là 45 độ). Các dữ liệu mô phỏng này
sẽ được dùng để so sánh với dữ liệu ước lượng SAR theo
quy trình được đề xuất như Hình 1. Tất cả các dữ liệu SAR
được chuẩn hóa theo giá trị SAR lớn nhất trong mặt phẳng
đo “area scan”. Ngoài ra, kỹ thuật ước lượng trong [12]
cũng được sử dụng để so sánh kết quả ước lượng SAR với
kỹ thuật bật/tắt nguồn bức xạ mà nhóm tác giả đề xuất.
29
29
5
5
Thiết lập công suất ở mức lớn nhất cho mỗi ăng ten phát
50
50
29
Lựa chọn hệ thống đo sử dụng đầu dò véc tơ
Inverted F
antennas
Inverted F
antennas
Thực hiện N phép đo “area scan” để xác định:
Etot (1) cho ăng ten thứ 1 bật, (N-1) ăng ten còn lại tắt.
Etot (2) cho ăng ten thứ 2 bật, (N-1) ăng ten còn lại tắt.
…
Etot (N) cho ăng ten thứ N bật, (N-1) ăng ten còn lại tắt.
Tính toán các tham số ước lượng a1 …aN theo (3)
Ước lượng Etot cho (β2 ,β3 ,…,βN) bất kỳ theo công thức (2)
GND
GND
3
3
100
100
(b)
(a)
Hình 2. Mô hình và kích thước (mm) ăng ten chữ F ngược:
(a) trường hợp 2 ăng ten; (b) trường hợp 3 ăng ten.
Ăng ten chữ F ngược
Chất lỏng trong phantom
Xác định bộ giá trị (β2 ,β3 ,…,βN)max tương ứng với (Etot)max
Mặt phẳng quan sát
Đo Etot tương ứng với giá trị (β2 ,β3 ,…,βN)max trong “zoom scan”
Vỏ phantom
Vỏ phantom
Xác định SAR theo công thức (1) trong “zoom scan”
10 mm
DUT
Tính toán giá trị SAR trung bình không gian theo chuẩn IEEE1528/IEC62209
Kết thúc
Hình 1. Quy trình đo SAR của thiết bị có N ăng ten
4. Mô hình và kết quả kiểm chứng
4.1. Mô hình
Để kiểm chứng việc xác định hệ số ước lượng dựa trên
việc bật/tắt tuần tự các ăng ten, nhóm tác giả xây dựng một
số mô hình với 3 trường hợp thiết bị đo kiểm DUT (Device
Under Test) như sau: 2 ăng ten chữ F ngược (IFA: InvertedF Antenna); 3 ăng ten chữ F ngược và 3 ăng ten chấn tử
nửa sóng. Cấu hình ăng ten và các thông số kích thước
được thể hiện trong Hình 2 và Bảng 1. DUT được đặt phía
dưới phantom phẳng và cách chất lỏng trong phantom là
Hình 3. Mô hình phantom và ăng ten chữ F ngược
Bảng 1. Các thông số của phantom và ăng ten chấn tử nửa sóng
TT
1
Tham số
Kích thước phantom
2
10mm
4
Độ dày vỏ phantom
Khoảng cách giữa chất lỏng
phantom và DUT
Hằng số điện môi của chất lỏng
5
Độ dẫn điện chất lỏng (σ)
1,8 S / m
6
Khối lượng riêng chất lỏng (ρ)
1000 Kg / m3
7
Tần số
2, 45GHz
8
9
10
Bán kính lưỡng cực
Chiều dài tổng thể
Khoảng cách giữa 2 ăng ten
1,8mm
3
Giá trị
(180 120 150) mm
2mm
39,2
/2
/4
Chu Văn Hải, Nguyễn Huy Hoàng, Lê Đình Thành
38
4.2. Kết quả kiểm chứng
4.2.1. Trường hợp 2 ăng ten
Hình 4. Phân bố SAR trên mặt phẳng đo “area scan”:
(a) Ăng ten 1 bật, ăng ten 2 tắt; (b) Ăng ten 2 bật, ăng ten 1 tắt
Với mô Hình 2 ăng ten chữ F ngược, Hình 4 thể hiện
phân bố SAR khi bặt/tắt ăng ten trên mặt phẳng đo “area
scan”. Dữ liệu SAR này dùng để tính toán các tham số ước
lượng theo (3).
Từ các tham số ước lượng nhanh chóng xác định được
SAR với sai pha bất kỳ thay đổi từ 0 độ đến 360 (với bước
pha là 1 độ). Hình 5 biểu diễn SAR lớn nhất cho tương ứng
với các sai pha khác nhau. Từ Hình 5, nhận thấy đường
biểu diễn SAR lớn nhất cho cả 2 kỹ thuật ước lượng là
tương đối trùng khớp và tại sai pha bằng 175 độ, cả 2 kỹ
thuật SAR ước lượng đều cho kết quả SAR lớn nhất trên
mặt phẳng đo “area scan”, giá trị SAR sai lệch khoảng
0,28%. Phân bố SAR lớn nhất tại sai pha bằng 175 độ trên
mặt phẳng đo “area scan” được thể hiện trong Hình 6, dễ
thấy các phân bố SAR là khá tương đồng.
4.2.2. Trường hợp 3 ăng ten chữ F ngược
Hình 8. Phân bố SAR cho 3 ăng ten chữ F ngược trên mặt
phẳng đo “area scan”: (a) Ăng ten 1 bật, 2, 3 tắt;
(b) Ăng ten 2 bật, 1, 3 tắt; (c) Ăng ten 3 bật, 1, 2 tắt
Hình 8 biểu diễn phân bố SAR trên mặt phẳng đo “area
scan” cho trường hợp 3 ăng ten chữ F ngược khi bật/tắt
tuần tự từng ăng ten. Tương tự như trường hợp 2 ăng ten,
nhóm tác giả cũng nhanh chóng xác định được SAR lớn
nhất trên mặt phẳng đo “area scan”. Hình 9a cho biết SAR
lớn nhất xác định tại tổ hợp sai pha (92 độ và 67 độ) theo
kỹ thuật đề xuất và Hình 9b biểu diễn SAR lớn nhất tương
ứng tại tổ hợp sai pha (90 độ và 65 độ) khi sử dụng kỹ thuật
trong [12].
Hình 5. Giá trị SAR lớn nhất tương ứng với các sai pha
Hình 9. Giá trị SAR lớn nhất tương ứng với các tổ hợp sai pha
cho trường hợp 3 ăng ten chữ F ngược:
(a) Kỹ thuật bật/tắt nguồn bức xạ; (b) Kỹ thuật trong [12]
Hình 6. Phân bố SAR trên mặt phẳng đo “area scan” tại sai
pha bằng 175 độ: (a) Kỹ thuật bật/tắt nguồn bức xạ;
(b) Kỹ thuật trong [12]; (c) Dữ liệu tính toán mô phỏng
Hình 7. Sai số giữa ước lượng và tính toán SAR
Hình 7 thể hiện sai số giữa SAR tính toán mô phỏng và
SAR ước lượng cho tất cả các trường hợp kiểm tra, sai số
ước lượng giữa kỹ thuật đề xuất và kỹ thuật trong [12] đều
rất nhỏ (dưới 0,5%).
Hình 10. Sai số giữa tính toán và ước lượng SAR cho trường
hợp 3 ăng ten chữ F ngược:
(a) Kỹ thuật bật/tắt nguồn bức xạ; (b) Kỹ thuật trong [12]
Hình 10 thể hiện sai số giữa SAR tính toán mô phỏng
và SAR ước lượng cho tổ hợp 64 bộ sai pha kiểm tra. Với
cả 2 kỹ thuật, ước lượng sai số đều rất nhỏ (dưới 1,6% cho
kỹ thuật đề xuất và dưới 0,8% cho kỹ thuật trong [12]).
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(126).2018, Quyển 1
4.2.3. Trường hợp 3 ăng ten chấn tử nửa sóng
Hình 11. Phân bố SAR cho 3 ăng ten chấn tử nửa sóng trên
mặt phẳng đo “area scan”: (a) Ăng ten 1 bật, 2, 3 tắt;
(b) Ăng ten 2 bật, 1, 3 tắt; (c) Ăng ten 3 bật, 1, 2 tắt
Tiến hành các bước tính toán tương tự như trường hợp
3 ăng ten chữ F ngược. Kết quả phân bố SAR tương ứng
với các tham số ước lượng thể hiện trên Hình 11; phân bố
SAR lớn nhất trên mặt phẳng đo “area scan” (Hình 12) và
sai số kiểm tra thể hiện trên Hình 13 cho cả 2 kỹ thuật ước
lượng. Các kết quả đều cho thấy kỹ thuật ước lượng bật/tắt
nguồn bức xạ xác định nhanh chóng SAR lớn nhất và sai
số ước lượng dưới 0,5%. SAR lớn nhất ước lượng theo kỹ
thuật đề xuất tương ứng với tổ hợp sai pha (225 độ và 12
độ) (Hình 12a) và theo kỹ thuật [12] tương ứng với tổ hợp
sai pha (212 độ và 347 độ) (Hình 12b).
39
5. Kết luận
Trong bài báo này, nhóm tác giả đã phân tích, đề xuất
kỹ thuật ước lượng và quy trình đo mới, cho phép xác định
giá trị SAR lớn nhất của thiết bị vô tuyến có nhiều ăng ten
phát một cách nhanh chóng và chính xác. Kỹ thuật được đề
xuất trong bài báo này cho phép xác định các giá trị ước
lượng thông qua việc đo điện trường tại điểm đo sử dụng
các đầu dò véc-tơ khi các nguồn bức xạ (ăng ten) lần lượt
được bật/tắt. Ưu điểm của kỹ thuật này là tránh được sai số
đo gây ra do việc đặt sai giá trị sai pha của nguồn trong quá
trình đo.
Nhóm tác giả thực hiện một số kiểm chứng trong các
mô hình khác nhau để xác định tính chính xác của kỹ thuật
đề xuất. Kết quả là, giá trị ước lượng SAR và giá trị tính
toán SAR khá phù hợp với nhau. Sai số giữa giá trị ước
lượng và giá trị mô phỏng chỉ nhỏ hơn 1,6% trong hầu hết
các trường hợp.
Với quy trình mới này, việc đo SAR của các thiết bị vô
tuyến nhiều ăng ten trở nên đơn giản hơn, nhanh hơn và
chính xác hơn so với các kỹ thuật hiện tại, góp phần giảm
thời gian và chi phí trong đo kiểm của nhà sản xuất.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Hình 12. Giá trị SAR lớn nhất tương ứng với các tổ hợp sai pha
cho trường hợp 3 ăng ten chấn tử nửa sóng:
(a) Kỹ thuật bật/tắt nguồn bức xạ; (b) Kỹ thuật trong [12]
Hình 13. Sai số giữa tính toán và ước lượng SAR cho trường
hợp 3 ăng ten chấn tử nửa sóng:
(a) Kỹ thuật bật/tắt nguồn bức xạ; (b) Kỹ thuật trong [12]
[1] IEEE 1528, IEEE Recommended Practice for Determining the Peak
Spatial-Average Specific Absorption Rate (SAR) in the Human Head from
Wireless Communications Devices: Measurement Techniques, Ed.2013.
[2] IEC/TR 62630, Guidance for Evaluating Exposure from Multiple
Electromagnetic Sources, Ed. 1.0, 2010.
[3] FCC OET Bulletin 65, Evaluating Compliance with FCC Guidelines for
Human Exposure to Radiofrequency Electromagnetic Fields, Ed. 97-01.
[4] DASY52 by SPEAG, http://www.speag.com/products/dasy/dasysystems/.
[5] ART-MAN by ART-Fi, http://www.art-fi.eu/art-man.
[6] K.-C. Chim, K. C. L. Chan, and R. D. Murch, “Investigating The
Impact of Smart Antennas on SAR”, IEEE Trans. Antennas Propag.,
Vol. 52, No. 5, May 2004, pp. 1370-1374.
[7] J. O. Mattsson, and L. P. De Leon, “SAR Evaluation of A MultiAntenna System”, Proc. IEEE Antennas and Propagation Int.
Symp., Honolulu, Jun. 2007, pp. 1373-1376.
[8] T. Iyama and T. Onishi, “Maximum Average SAR Measurement
Procedure for Multi-Antenna Transmitters”, IEICE Trans. Comm.,
Vol. E93-B, No. 7, Jul 2010, pp. 1821-1825.
[9] K. Zhao, S. Zhang, Z. Ying, T. Bolin, S. He, “SAR Study of
Different MIMO Antenna Designs for LTE Application in Smart
Mobile Handsets”, IEEE Trans. Antennas Propag., Vol. 61, No. 6,
Jun. 2013, pp.3270-3279.
[10] H. Li, A. Tsiaras, B. Lau, “Analysis and Estimation of MIMO-SAR
for Multi-antenna Mobile Handsets”, IEEE Trans. Antennas
Propag., 2017, pp. 1522-1527.
[11] D. T. Le, L. Hamada, and S. Watanabe, “Measurement Procedure to
Determine SAR of Multiple Antenna Transmitters Using Scalar
Electric Field Probes”, Proc. IEEE The International Conference on
Advanced Technologies for Communications 2014 (ATC'14)., Ha
Noi, Oct 2014.
[12] D. T. Le, L. Hamada, S. Watanabe, and T. Onishi, “An Estimation
Method for Vector Probes Used in Determination SAR of MultipleAntenna Transmission Systems”, Proc. IEEE International
Symposium on Electromagnetic Compatibility., Tokyo, May 2014.
[13] https://www.cst.com/products/csts2.
(BBT nhận bài: 23/01/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 28/05/2018)
nguon tai.lieu . vn
35
QUY TRÌNH XÁC ĐỊNH GIÁ TRỊ SAR LỚN NHẤT CỦA THIẾT BỊ VÔ TUYẾN
NHIỀU ĂNG TEN SỬ DỤNG KỸ THUẬT BẬT/TẮT NGUỒN BỨC XẠ
A MEASUREMENT PROCEDURE FOR DETERMINING THE MAXIMUM SAR VALUE OF
MULTIPLE ANTENNA RADIO DEVICES USING THE ON/OFF TECHNIQUE
Chu Văn Hải, Nguyễn Huy Hoàng, Lê Đình Thành
Học viện Kỹ thuật Quân sự; chuhait1@gmail.com, hoangnh@mta.edu.vn, le.dinhthanh.vn@ieee.org
Tóm tắt - Trong bài báo này, nhóm tác giả đề xuất một quy trình
đo mới nhằm xác định SAR cực đại của thiết bị nhiều ăng ten phát.
Quy trình đo kiểm này dựa trên kỹ thuật bật/tắt lần lượt các ăng
ten trong mỗi phép đo để xác định các tham số ước lượng, từ đó,
ước lượng cường độ điện trường tại điểm đo đối với các tổ hợp
sai pha bất kỳ giữa các ăng ten. Trên cơ sở đó, chúng ta có thể chỉ
ra tổ hợp sai pha cụ thể ứng với SAR cực đại trong mặt phẳng đo.
Sau khi biết tổ hợp sai pha này, phép đo xác định SAR trung bình
không gian cực đại của thiết bị nhiều ăng ten có thể tiến hành
tương tự như đối với thiết bị đơn ăng ten. Nhóm tác giả phân tích
các vấn đề cơ bản, mô phỏng và kiểm chứng kỹ thuật ước lượng
mới đối với một số cấu hình ăng ten điển hình. Kết quả kiểm chứng
cho thấy kỹ thuật ước lượng và quy trình đo mới đơn giản, chính
xác và tiết kiệm thời gian.
Abstract - In this paper, theauthors propose a new measurement
procedure for determining the maximum SAR value of multi-antenna
devices. The proposed procedure is based on a new technique which
requires antennas turning ON/OFF alternatively in each
measurement to determine the estimated factors. Then, the E-field
at measured points can be estimated for any combination of relative
phases of the antennas. Thanks to the estimation, we can find out
the combination of relative phases corresponding to the maximum
E-field in the measured plane. By setting the combination to the
antennas, the maximum spatial-averaged SAR of a multiple-antenna
device can be measured similarly to that of a single antenna device.
The authors have analyzed the fundamentals of the new technique,
conducted simulations and validations for some typical antenna
configurations. As a result, it is confirmed that the proposed
technique and procedure is simple, accurate, and time saving.
Từ khóa - hệ số hấp thụ riêng; thiết bị vô tuyến nhiều ăng ten phát;
đầu dò điện trường véc-tơ; sai pha tương đối; cường độ điện
trường.
Key words - specific absorption rate - SAR; multiple antenna radio
device; vector field probes; relative phase; E-Field.
1. Đặt vấn đề
Thiết bị vô tuyến nhiều ăng ten phát được kỳ vọng sẽ
đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống thông tin vô
tuyến thế hệ tiếp theo. Hiện nay, các thiết bị vô tuyến nhiều
ăng ten, bao gồm kỹ thuật MIMO (Multi-Input MultiOutput), và ăng ten mạng pha, nhận được nhiều quan tâm
về nghiên cứu và phát triển. Tuy nhiên, để đưa các thiết bị
này vào hoạt động trong thực tế, có nhiều vấn đề cần nghiên
cứu, giải quyết như tốc độ truyền dữ liệu, chất lượng tin,
kích thước, cường độ điện trường bức xạ… Trong đó, vấn
đề về tương thích điện từ trường là yêu cầu quan trọng để
đảm bảo các thiết bị cung cấp dịch vụ an toàn và tin cậy,
không gây nhiễu đến thiết bị khác trong hệ thống.
Một tham số đặc trưng để kiểm tra tính tương thích điện
từ trường đó là hệ số hấp thụ riêng SAR (Specific
Absorption Rate) được chỉ ra trong các chuẩn quốc tế về an
toàn bức xạ vô tuyến [1], [2], [3]. Hệ số hấp thụ riêng SAR
được định nghĩa là giá trị đặc trưng cho công suất hấp thụ
trên mỗi đơn vị khối lượng của một cơ thể sinh học khi cơ
thể đó tiếp xúc với trường điện từ. Giá trị SAR tỷ lệ với
bình phương biên độ cường độ điện trường bức xạ, và được
tính theo công thức:
điện từ trường tương đương với cơ thể con người; (3) đầu
dò điện trường để đo cường độ điện trường bên trong
phantom; và (4) thiết bị cần đo. Tùy thuộc vào các hệ thống
đo khác nhau, có thể có thêm cánh tay robot để điều khiển
đầu dò điện trường đo các điểm khác nhau trong phantom.
Phantom có 2 loại cơ bản là phantom phẳng - dùng để đo
SAR của các thiết bị vô tuyến nói chung và phantom có
dạng đầu người (head phantom) - dùng để đo SAR của điện
thoại di động. Chất lỏng bên trong phantom (liquid) là môi
trường hấp thụ sóng điện từ mạnh. Đầu dò điện trường có
hai loại: đầu dò vô hướng [4] (scalar probes) và đầu dò véctơ [5] (vector probes). Đầu dò vô hướng chỉ có thể cung
cấp thông tin về biên độ điện trường tại điểm đo, trong khi
đó đầu dò véc-tơ cung cấp thông tin cả về pha và biên độ
của điện trường.
Đối với các thiết bị vô tuyến có 1 ăng ten phát (trên một
đường thông tin), các kỹ thuật đo SAR và quy trình tìm giá
trị SAR lớn nhất đã được chỉ rõ trong các chuẩn đo quốc tế
[1], [2]. Tuy nhiên, đối với thiết bị có nhiều ăng ten phát
hoạt động trong cùng một tần số, các kỹ thuật đo và quy
trình xác định SAR hiện nay vẫn chưa rõ ràng, tốn thời gian
và phức tạp. Chẳng hạn, các chuẩn IEEE 1528 [1] và
IEC/TR 62630 [2] hiện tại khuyến nghị thực hiện các phép
đo SAR với các giá trị sai pha của nguồn bức xạ (ăng ten)
thay đổi từ 0 độ đến 360 độ (với một giá trị bước pha xác
định). Theo đó, nếu thiết bị có N ăng ten phát hoạt động
trong cùng một tần số, và bước pha là k độ, thì cần thực
hiện (360 / k ) N −1 phép đo SAR lặp đi lặp lại, và tìm giá trị
SAR lớn nhất trong số kết quả đo. Rõ ràng, đây là một quy
trình tốn nhiều thời gian, thậm chí không khả thi trong thực
tế khi giá trị bước pha nhỏ, hoặc số lượng ăng ten lớn, biết
SAR = E
2
W / Kg
(1)
trong đó, và tương ứng là độ dẫn điện ( S / m ) và
3
mật độ khối lượng riêng ( Kg / m ) của cơ thể sinh học; E
là cường độ điện trường tại điểm đo ( V / m ).
Hệ thống đo SAR thông thường có các thành phần
chính gồm: (1) một phantom được cấu tạo từ chất điện môi
ít tổn hao; (2) chất lỏng bên trong phantom có tính chất
36
rằng mỗi phép đo SAR thường mất khoảng 30 phút.
Một số nghiên cứu trong [6], [7], với trường hợp 2 ăng
ten phát và giá trị bước pha bằng 45 độ, thực hiện 8 phép đo
để xác định giá trị SAR lớn nhất. Tuy nhiên, do bước pha là
khá lớn nên giá trị SAR lớn nhất tìm được có thể nhỏ hơn rất
nhiều giá trị SAR thực tế (ứng với giá trị sai pha không phải
là bội của bước pha 45 độ). Các nghiên cứu này chỉ dừng lại
với các trường hợp 2 ăng ten phát. Khi số lượng các ăng ten
phát tăng lên, kỹ thuật đo này trở nên khó khả thi vì yêu cầu
số lượng lớn các phép đo SAR trong thực tế.
Để giảm thời gian đo, một kỹ thuật khác đã được giới
thiệu trong [8]. Theo đó, giá trị SAR của thiết bị nhiều ăng
ten phát được xác định bằng cách kết hợp các giá trị SAR
riêng lẻ của từng ăng ten. Tuy vậy, kỹ thuật này chỉ có thể
chỉ ra giá trị cận trên của SAR, và giá trị này thường quá
cao so với SAR thực tế (overestimating).
Ngoài ra, trong [9], đánh giá SAR trên 4 mẫu điện thoại
di động điển hình có 2 ăng ten phát cùng một tần số hoạt
động ở băng tần LTE. Giá trị SAR được tính theo công thức
của FCC [3] và không xem xét đến sự thay đổi sai pha giữa
2 ăng ten. Vì vậy giá trị SAR thu được có thể thay đổi khi
sai pha thay đổi. Một kỹ thuật ước lượng được giới thiệu
trong [10], phân tích vị trí đặt các ăng ten trong thiết bị di
động với 6 mẫu được khảo sát. Kết quả cho thấy SAR lớn
nhất tại hình a và hình c có thể dự đoán được tương ứng
với sai pha cụ thể là 0° và 180° giúp giảm rất nhiều thời
gian đo. Nghiên cứu cũng đưa ra hướng dẫn thiết kế thiết
bị cầm tay đa ăng ten với SAR thấp. Tuy nhiên, kỹ thuật
ước lượng này có thể không chính xác khi số lượng ăng ten
tăng, vị trí đặt khác và với chủng loại ăng ten khác.
Như vậy, các kỹ thuật đo SAR hiện nay đang gặp thách
thức rất lớn về thời gian đo và tính chính xác trong xác định
SAR của thiết bị. Để giải quyết bài toán này, nhóm nghiên
cứu đã giới thiệu một vài kỹ thuật để ước lượng nhanh SAR
[11], [12]. Các kỹ thuật này được phát triển trên cơ sở phân
tích lý thuyết điện trường tổng tại điểm đo, tính toán các
tham số ước lượng và thực hiện ước lượng SAR với các tổ
hợp sai pha bất kỳ của nguồn bức xạ. Các kiểm chứng cho
một vài mô hình cụ thể đã được tiến hành nhằm minh chứng
cho tính chính xác của kỹ thuật ước lượng.
Trong bài báo này, nhóm tác giả trình bày chi tiết một
kỹ thuật mới để xác định các tham số ước lượng, từ đó đề
xuất quy trình đo đơn giản và hiệu quả nhằm xác định giá
trị SAR cực đại của thiết bị vô tuyến nhiều ăng ten phát.
Kỹ thuật mới được phát triển trên cơ sở ứng dụng hệ thống
đo điện trường sử dụng đầu dò điện trường véc-tơ.
2. Phân tích điện trường tại điểm đo
Để đơn giản, trước hết ta khảo sát điện trường tại một
điểm đo bên trong chất lỏng của hệ thống đo SAR. Về cơ
bản, môi trường chất lỏng bên trong phantom là môi trường
hấp thụ sóng điện trường mạnh. Vì vậy, điện trường tại điểm
đo bên trong phantom của thiết bị có N ăng ten phát có thể
được biểu diễn là tổng véc-tơ các thành phần điện trường
gây ra bởi mỗi nguồn bức xạ riêng lẻ theo phương các trục
x, y, z. Để đánh giá SAR, ba thành phần điện trường theo
phương các trục x, y, z cần được đo kiểm. Tuy nhiên, dưới
đây, nhóm tác giả chỉ trình bày giải pháp ước lượng cho
thành phần điện trường theo trục x (trường hợp theo
Chu Văn Hải, Nguyễn Huy Hoàng, Lê Đình Thành
phương trục y, z ước lượng tương tự). Xét theo phương trục
x, giá trị cường độ điện trường tại điểm đo được tính theo
công thức:
Etot = a1 + a2ei2 + ... + aN eiN
(2)
trong đó an n = 1...N là các giá trị phức, đặc trưng cho
điện trường tại điểm đo gây ra bởi ăng ten thứ n; và
n ( n = 2...N ) là sai pha tương ứng giữa ăng ten thứ n và
ăng ten 1.
Chúng ta nhận thấy rằng, nếu có thể xác định được các
giá trị an n = 1...N thông qua một số hữu hạn các phép đo
cho trước, thì cường độ điện trường ứng với tổ hợp sai pha
bất kỳ có thể được ước lượng thông qua công thức (2). Vì
thế, các giá trị an n = 1...N được gọi là các tham số ước
lượng. Trong các nghiên cứu ước lượng trước đây [11],
[12], các tham số ước lượng an n = 1...N được xác định
dựa trên dữ liệu đo từ các phép đo đối với các tổ hợp sai
pha biết trước. Tuy nhiên, việc thiết lập các giá trị sai pha
chính xác ở một giá trị nào đó trong quá trình đo là rất khó
khăn và thường gây ra sai số. Nếu việc thiết lập các tổ hợp
sai pha có sai số lớn, thì giá trị SAR ước lượng có thể khác
nhiều so với giá trị SAR thực tế.
Để giải quyết vấn đề này, nhóm tác giả đề xuất trong
bài báo kỹ thuật xác định các tham số ước lượng
an n = 1...N một cách đơn giản mà không cần thiết phải
thiết lập giá trị sai pha trong các phép đo. Từ công thức (2),
chúng ta thấy rằng các tham số ước lượng an n = 1...N
đặc trưng cho cường độ điện trường tại điểm đo gây ra bởi
từng nguồn bức xạ. Vì thế, bằng cách bật/tắt tuần tự từng
ăng ten và đo cường độ điện trường bức xạ từ ăng ten đang
bật, các tham số này có thể được xác định thông qua các
phép đo sử dụng đầu dò điện trường véc-tơ.
Quy trình cơ bản được thực hiện như sau:
a1 = E tot (1) Khi ¨ng ten 1 bËt, c¸c ¨ng ten kh¸c t¾t
a = E (2)
Khi ¨ng ten 2 bËt, c¸c ¨ng ten kh¸c t¾t
2
tot
(3)
a N = E tot (N) Khi ¨ng ten N bËt, c¸c ¨ng ten kh¸c t¾t
Như vậy, đối với thiết bị có N ăng ten phát, cần thực hiện
N phép đo để xác định các tham số ước lượng an n = 1...N .
So với kỹ thuật ước lượng trong [12] (cùng sử dụng loại đầu
dò điện trường véc-tơ), số lượng phép đo được yêu cầu là
không đổi, song hệ thống đo sẽ phức tạp hơn do phải bật/tắt
nguồn kích thích và khó thực hiện với hệ thống ăng ten được
kích thích đồng thời, ví dụ như ăng ten mảng pha. Tuy nhiên,
kỹ thuật bật/tắt tuần tự từng ăng ten sẽ loại bỏ được sai số
gây ra do việc đặt sai tổ hợp sai pha của các nguồn bức xạ.
Sau khi các tham số ước lượng được xác định, thì cường độ
điện trường tại điểm đo ứng với tổ hợp sai pha bất kỳ đều có
thể được ước lượng dựa vào công thức (2).
3. Quy trình đo SAR mới
Đối với việc đo SAR theo các chuẩn quốc tế IEEE1528
[1] hay IEC/TR 62630 [2], quy trình đo SAR phải thực hiện
qua 2 bước đo cơ bản: i) đo trong một mặt phẳng xác định
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(126).2018, Quyển 1
(gọi là area scan), và ii) đo trong một không gian hình lập
phương xung quanh điểm có giá trị SAR lớn nhất trong mặt
phẳng đo ở bước i (được gọi là zoom scan). Giá trị SAR
lớn nhất cần được xác định là giá trị SAR trung bình theo
không gian (spatial-averaged SAR), được tính là trung bình
SAR của các điểm đo trong bước ii.
Cần chú ý rằng, việc ước lượng giá trị cường độ điện
trường ở đây là ước lượng theo từng điểm. Nghĩa là, các
tham số ước lượng ở các điểm đo khác nhau sẽ khác nhau.
Vì thế, việc đo các điểm trong bước đo “area scan” cần
được thực hiện lần lượt trong mỗi lần bật/tắt các ăng ten.
Sau khi thực hiện ước lượng và xác định tổ hợp sai pha của
các nguồn ứng với giá trị cường độ điện trường (hay SAR)
lớn nhất trong mặt phẳng đo, chúng ta có thể thực hiện
bước đo “zoom scan” đối với tổ hợp sai pha đó và xác định
giá trị SAR trung bình không gian lớn nhất.
Trên cơ sở kỹ thuật ước lượng trên, nhóm tác giả đưa
ra quy trình đo mới nhằm xác định giá trị SAR trung bình
không gian cực đại cho các thiết bị vô tuyến có nhiều ăng
ten phát như chỉ ra trên Hình 1. Các phép đo “area scan”
và “zoom scan” được thực hiện tuân thủ theo tiêu chuẩn
quốc tế về đo SAR.
Bắt đầu
37
10 mm. Kích thước phantom phẳng, vỏ phantom, các thông
số chất lỏng theo các tiêu chuẩn quốc tế được thể hiện ở
Bảng 1. Hình 3 là ví dụ biểu diễn mô hình phantom phẳng
và DUT là ăng ten chữ F ngược. Mặt phẳng đo “area scan”
nhóm tác giả lựa chọn là mặt phẳng XZ phía trong phantom
và cách DUT là 11 mm.
Mô hình phantom phẳng, cấu hình DUT được mô
phỏng bằng phần mềm CST STUDIO SUITE [13]
(Computer Simulation Technology) ... Dữ liệu cường độ
điện trường khi bật/tắt từng ăng ten có được từ mô phỏng
tính toán sẽ được sử dụng thay thế cho dữ liệu đo thực tế.
Để đánh giá sai số ước lượng, nhóm tác giả cũng lấy dữ
liệu mô phỏng tính toán SAR tương ứng với các sai pha từ
0 độ đến 360 độ (với bước pha là 15 độ) cho trường hợp 2
ăng ten; đối với trường hợp 3 ăng ten, dữ liệu SAR tính
toán tương ứng với 64 tổ hợp sai pha 2 , 3 giữa các nguồn
bức xạ, trong đó 2 , 3 lần lượt nhận các giá trị 0 độ đến
360 độ (với bước pha là 45 độ). Các dữ liệu mô phỏng này
sẽ được dùng để so sánh với dữ liệu ước lượng SAR theo
quy trình được đề xuất như Hình 1. Tất cả các dữ liệu SAR
được chuẩn hóa theo giá trị SAR lớn nhất trong mặt phẳng
đo “area scan”. Ngoài ra, kỹ thuật ước lượng trong [12]
cũng được sử dụng để so sánh kết quả ước lượng SAR với
kỹ thuật bật/tắt nguồn bức xạ mà nhóm tác giả đề xuất.
29
29
5
5
Thiết lập công suất ở mức lớn nhất cho mỗi ăng ten phát
50
50
29
Lựa chọn hệ thống đo sử dụng đầu dò véc tơ
Inverted F
antennas
Inverted F
antennas
Thực hiện N phép đo “area scan” để xác định:
Etot (1) cho ăng ten thứ 1 bật, (N-1) ăng ten còn lại tắt.
Etot (2) cho ăng ten thứ 2 bật, (N-1) ăng ten còn lại tắt.
…
Etot (N) cho ăng ten thứ N bật, (N-1) ăng ten còn lại tắt.
Tính toán các tham số ước lượng a1 …aN theo (3)
Ước lượng Etot cho (β2 ,β3 ,…,βN) bất kỳ theo công thức (2)
GND
GND
3
3
100
100
(b)
(a)
Hình 2. Mô hình và kích thước (mm) ăng ten chữ F ngược:
(a) trường hợp 2 ăng ten; (b) trường hợp 3 ăng ten.
Ăng ten chữ F ngược
Chất lỏng trong phantom
Xác định bộ giá trị (β2 ,β3 ,…,βN)max tương ứng với (Etot)max
Mặt phẳng quan sát
Đo Etot tương ứng với giá trị (β2 ,β3 ,…,βN)max trong “zoom scan”
Vỏ phantom
Vỏ phantom
Xác định SAR theo công thức (1) trong “zoom scan”
10 mm
DUT
Tính toán giá trị SAR trung bình không gian theo chuẩn IEEE1528/IEC62209
Kết thúc
Hình 1. Quy trình đo SAR của thiết bị có N ăng ten
4. Mô hình và kết quả kiểm chứng
4.1. Mô hình
Để kiểm chứng việc xác định hệ số ước lượng dựa trên
việc bật/tắt tuần tự các ăng ten, nhóm tác giả xây dựng một
số mô hình với 3 trường hợp thiết bị đo kiểm DUT (Device
Under Test) như sau: 2 ăng ten chữ F ngược (IFA: InvertedF Antenna); 3 ăng ten chữ F ngược và 3 ăng ten chấn tử
nửa sóng. Cấu hình ăng ten và các thông số kích thước
được thể hiện trong Hình 2 và Bảng 1. DUT được đặt phía
dưới phantom phẳng và cách chất lỏng trong phantom là
Hình 3. Mô hình phantom và ăng ten chữ F ngược
Bảng 1. Các thông số của phantom và ăng ten chấn tử nửa sóng
TT
1
Tham số
Kích thước phantom
2
10mm
4
Độ dày vỏ phantom
Khoảng cách giữa chất lỏng
phantom và DUT
Hằng số điện môi của chất lỏng
5
Độ dẫn điện chất lỏng (σ)
1,8 S / m
6
Khối lượng riêng chất lỏng (ρ)
1000 Kg / m3
7
Tần số
2, 45GHz
8
9
10
Bán kính lưỡng cực
Chiều dài tổng thể
Khoảng cách giữa 2 ăng ten
1,8mm
3
Giá trị
(180 120 150) mm
2mm
39,2
/2
/4
Chu Văn Hải, Nguyễn Huy Hoàng, Lê Đình Thành
38
4.2. Kết quả kiểm chứng
4.2.1. Trường hợp 2 ăng ten
Hình 4. Phân bố SAR trên mặt phẳng đo “area scan”:
(a) Ăng ten 1 bật, ăng ten 2 tắt; (b) Ăng ten 2 bật, ăng ten 1 tắt
Với mô Hình 2 ăng ten chữ F ngược, Hình 4 thể hiện
phân bố SAR khi bặt/tắt ăng ten trên mặt phẳng đo “area
scan”. Dữ liệu SAR này dùng để tính toán các tham số ước
lượng theo (3).
Từ các tham số ước lượng nhanh chóng xác định được
SAR với sai pha bất kỳ thay đổi từ 0 độ đến 360 (với bước
pha là 1 độ). Hình 5 biểu diễn SAR lớn nhất cho tương ứng
với các sai pha khác nhau. Từ Hình 5, nhận thấy đường
biểu diễn SAR lớn nhất cho cả 2 kỹ thuật ước lượng là
tương đối trùng khớp và tại sai pha bằng 175 độ, cả 2 kỹ
thuật SAR ước lượng đều cho kết quả SAR lớn nhất trên
mặt phẳng đo “area scan”, giá trị SAR sai lệch khoảng
0,28%. Phân bố SAR lớn nhất tại sai pha bằng 175 độ trên
mặt phẳng đo “area scan” được thể hiện trong Hình 6, dễ
thấy các phân bố SAR là khá tương đồng.
4.2.2. Trường hợp 3 ăng ten chữ F ngược
Hình 8. Phân bố SAR cho 3 ăng ten chữ F ngược trên mặt
phẳng đo “area scan”: (a) Ăng ten 1 bật, 2, 3 tắt;
(b) Ăng ten 2 bật, 1, 3 tắt; (c) Ăng ten 3 bật, 1, 2 tắt
Hình 8 biểu diễn phân bố SAR trên mặt phẳng đo “area
scan” cho trường hợp 3 ăng ten chữ F ngược khi bật/tắt
tuần tự từng ăng ten. Tương tự như trường hợp 2 ăng ten,
nhóm tác giả cũng nhanh chóng xác định được SAR lớn
nhất trên mặt phẳng đo “area scan”. Hình 9a cho biết SAR
lớn nhất xác định tại tổ hợp sai pha (92 độ và 67 độ) theo
kỹ thuật đề xuất và Hình 9b biểu diễn SAR lớn nhất tương
ứng tại tổ hợp sai pha (90 độ và 65 độ) khi sử dụng kỹ thuật
trong [12].
Hình 5. Giá trị SAR lớn nhất tương ứng với các sai pha
Hình 9. Giá trị SAR lớn nhất tương ứng với các tổ hợp sai pha
cho trường hợp 3 ăng ten chữ F ngược:
(a) Kỹ thuật bật/tắt nguồn bức xạ; (b) Kỹ thuật trong [12]
Hình 6. Phân bố SAR trên mặt phẳng đo “area scan” tại sai
pha bằng 175 độ: (a) Kỹ thuật bật/tắt nguồn bức xạ;
(b) Kỹ thuật trong [12]; (c) Dữ liệu tính toán mô phỏng
Hình 7. Sai số giữa ước lượng và tính toán SAR
Hình 7 thể hiện sai số giữa SAR tính toán mô phỏng và
SAR ước lượng cho tất cả các trường hợp kiểm tra, sai số
ước lượng giữa kỹ thuật đề xuất và kỹ thuật trong [12] đều
rất nhỏ (dưới 0,5%).
Hình 10. Sai số giữa tính toán và ước lượng SAR cho trường
hợp 3 ăng ten chữ F ngược:
(a) Kỹ thuật bật/tắt nguồn bức xạ; (b) Kỹ thuật trong [12]
Hình 10 thể hiện sai số giữa SAR tính toán mô phỏng
và SAR ước lượng cho tổ hợp 64 bộ sai pha kiểm tra. Với
cả 2 kỹ thuật, ước lượng sai số đều rất nhỏ (dưới 1,6% cho
kỹ thuật đề xuất và dưới 0,8% cho kỹ thuật trong [12]).
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(126).2018, Quyển 1
4.2.3. Trường hợp 3 ăng ten chấn tử nửa sóng
Hình 11. Phân bố SAR cho 3 ăng ten chấn tử nửa sóng trên
mặt phẳng đo “area scan”: (a) Ăng ten 1 bật, 2, 3 tắt;
(b) Ăng ten 2 bật, 1, 3 tắt; (c) Ăng ten 3 bật, 1, 2 tắt
Tiến hành các bước tính toán tương tự như trường hợp
3 ăng ten chữ F ngược. Kết quả phân bố SAR tương ứng
với các tham số ước lượng thể hiện trên Hình 11; phân bố
SAR lớn nhất trên mặt phẳng đo “area scan” (Hình 12) và
sai số kiểm tra thể hiện trên Hình 13 cho cả 2 kỹ thuật ước
lượng. Các kết quả đều cho thấy kỹ thuật ước lượng bật/tắt
nguồn bức xạ xác định nhanh chóng SAR lớn nhất và sai
số ước lượng dưới 0,5%. SAR lớn nhất ước lượng theo kỹ
thuật đề xuất tương ứng với tổ hợp sai pha (225 độ và 12
độ) (Hình 12a) và theo kỹ thuật [12] tương ứng với tổ hợp
sai pha (212 độ và 347 độ) (Hình 12b).
39
5. Kết luận
Trong bài báo này, nhóm tác giả đã phân tích, đề xuất
kỹ thuật ước lượng và quy trình đo mới, cho phép xác định
giá trị SAR lớn nhất của thiết bị vô tuyến có nhiều ăng ten
phát một cách nhanh chóng và chính xác. Kỹ thuật được đề
xuất trong bài báo này cho phép xác định các giá trị ước
lượng thông qua việc đo điện trường tại điểm đo sử dụng
các đầu dò véc-tơ khi các nguồn bức xạ (ăng ten) lần lượt
được bật/tắt. Ưu điểm của kỹ thuật này là tránh được sai số
đo gây ra do việc đặt sai giá trị sai pha của nguồn trong quá
trình đo.
Nhóm tác giả thực hiện một số kiểm chứng trong các
mô hình khác nhau để xác định tính chính xác của kỹ thuật
đề xuất. Kết quả là, giá trị ước lượng SAR và giá trị tính
toán SAR khá phù hợp với nhau. Sai số giữa giá trị ước
lượng và giá trị mô phỏng chỉ nhỏ hơn 1,6% trong hầu hết
các trường hợp.
Với quy trình mới này, việc đo SAR của các thiết bị vô
tuyến nhiều ăng ten trở nên đơn giản hơn, nhanh hơn và
chính xác hơn so với các kỹ thuật hiện tại, góp phần giảm
thời gian và chi phí trong đo kiểm của nhà sản xuất.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Hình 12. Giá trị SAR lớn nhất tương ứng với các tổ hợp sai pha
cho trường hợp 3 ăng ten chấn tử nửa sóng:
(a) Kỹ thuật bật/tắt nguồn bức xạ; (b) Kỹ thuật trong [12]
Hình 13. Sai số giữa tính toán và ước lượng SAR cho trường
hợp 3 ăng ten chấn tử nửa sóng:
(a) Kỹ thuật bật/tắt nguồn bức xạ; (b) Kỹ thuật trong [12]
[1] IEEE 1528, IEEE Recommended Practice for Determining the Peak
Spatial-Average Specific Absorption Rate (SAR) in the Human Head from
Wireless Communications Devices: Measurement Techniques, Ed.2013.
[2] IEC/TR 62630, Guidance for Evaluating Exposure from Multiple
Electromagnetic Sources, Ed. 1.0, 2010.
[3] FCC OET Bulletin 65, Evaluating Compliance with FCC Guidelines for
Human Exposure to Radiofrequency Electromagnetic Fields, Ed. 97-01.
[4] DASY52 by SPEAG, http://www.speag.com/products/dasy/dasysystems/.
[5] ART-MAN by ART-Fi, http://www.art-fi.eu/art-man.
[6] K.-C. Chim, K. C. L. Chan, and R. D. Murch, “Investigating The
Impact of Smart Antennas on SAR”, IEEE Trans. Antennas Propag.,
Vol. 52, No. 5, May 2004, pp. 1370-1374.
[7] J. O. Mattsson, and L. P. De Leon, “SAR Evaluation of A MultiAntenna System”, Proc. IEEE Antennas and Propagation Int.
Symp., Honolulu, Jun. 2007, pp. 1373-1376.
[8] T. Iyama and T. Onishi, “Maximum Average SAR Measurement
Procedure for Multi-Antenna Transmitters”, IEICE Trans. Comm.,
Vol. E93-B, No. 7, Jul 2010, pp. 1821-1825.
[9] K. Zhao, S. Zhang, Z. Ying, T. Bolin, S. He, “SAR Study of
Different MIMO Antenna Designs for LTE Application in Smart
Mobile Handsets”, IEEE Trans. Antennas Propag., Vol. 61, No. 6,
Jun. 2013, pp.3270-3279.
[10] H. Li, A. Tsiaras, B. Lau, “Analysis and Estimation of MIMO-SAR
for Multi-antenna Mobile Handsets”, IEEE Trans. Antennas
Propag., 2017, pp. 1522-1527.
[11] D. T. Le, L. Hamada, and S. Watanabe, “Measurement Procedure to
Determine SAR of Multiple Antenna Transmitters Using Scalar
Electric Field Probes”, Proc. IEEE The International Conference on
Advanced Technologies for Communications 2014 (ATC'14)., Ha
Noi, Oct 2014.
[12] D. T. Le, L. Hamada, S. Watanabe, and T. Onishi, “An Estimation
Method for Vector Probes Used in Determination SAR of MultipleAntenna Transmission Systems”, Proc. IEEE International
Symposium on Electromagnetic Compatibility., Tokyo, May 2014.
[13] https://www.cst.com/products/csts2.
(BBT nhận bài: 23/01/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 28/05/2018)