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

Bài viết trình bày một phương pháp ước lượng nhanh dùng trong các hệ thống đo sử dụng đầu dò điện trường vô hướng để xác định hệ số hấp thụ riêng (Specific Adsorption Rate - SAR) của thiết bị di động có 2 ăng-ten phát. Đối với thiết bị di động có 2 ăng-ten, 3 phép đo với góc lệch 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 kỳ nào đó có thể được ước lượng bằng máy tính. Mời các bạn cùng tham khảo!

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

pháp ước lượng nhanh dùng trong các hệ thống đo sử dụng đầu

dò điện trường vô hướng để xác định hệ số hấp thụ riêng

(Specific Adsorption Rate - SAR) của thiết bị di động có 2 ăng-ten

phát Đối với thiết bị di động có 2 ăng-ten, 3 phép đo với góc lệch

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

kỳ nào đó có thể được ước lượng bằng máy tính Phương pháp

này cho phép ước lượng chính xác SAR, và có thể xác định được

giá trị SAR lớn nhất tương ứng với độ lệch pha cụ thể nào đó

của các ăng-ten

Từ khóa- Hệ số hấp thụ riêng (SAR), nhiều ăng ten phát, đầu

dò điện trường vô hướng.

I GIỚI THIỆU

Hệ số hấp thụ riêng (SAR) được định nghĩa là năng lượng

hấp thụ trên mỗi đơn vị khối lượng của một cơ thể sinh học

khi nó tiếp xúc với trường điện từ SAR được xác định là hệ số

giới hạn trong tiêu chuẩn an toàn quốc tế RF [1]-[3] và giá trị

của nó tỷ lệ thuận với bình phương cường độ điện trường bức

xạ:

SAR E2  W / Kg (1)

Trong đó: σ và ρ tương ứng là các đại lượng đặc trưng cho

độ dẫn điện (S/m) và mật độ khối lượng riêng (kg/m3) của cơ

thể sinh học

Hiện nay có hai loại đầu dò điện trường được sử dụng để

đo SAR trong các hệ thống phòng đo SAR [4], [5] gồm đầu dò

điện trường vector và đầu dò điện trường vô hướng Với phạm

vi bài báo chúng tôi tập trung nghiên cứu phương pháp ước

lượng sử dụng đầu dò điện trường vô hướng Khi sử dụng đầu

dò vô hướng chỉ có thể cung cấp thông tin về độ lớn của

cường độ điện trường, không cho biết thông tin về pha của các

ăng-ten Tuy nhiên do yếu tố kỹ thuật và đầu tư thiết bị ít tốn

kém nên đầu dò điện trường vô hướng hiện được sử dụng rộng

rãi hơn trong các phòng thí nghiệm

Trong phép đo SAR hiện nay, với thiết bị đa ăng-ten phát,

mỗi ăng-ten sử dụng một tần số khác nhau thì đầu dò vô

hướng thực hiện các phép đo SAR theo phương pháp thông

thường trên mỗi tần số tương ứng với mỗi ăng-ten riêng lẻ

Tuy nhiên, đối với thiết bị đa ăng-ten làm việc trên cùng một

tần số, việc sử dụng các thiết bị đầu dò vô hướng đo SAR trở lên phức tạp hơn và đòi hỏi những kỹ thuật đo đặc biệt Lý do

là vì tổng cường độ điện trường bức xạ (tương ứng là SAR) là tổng véc tơ của các nguồn riêng lẻ, do đó các giá trị SAR tại mỗi điểm đo không chỉ phụ thuộc vào độ lớn của cường độ điện trường tại điểm đo mà còn phụ thuộc vào góc pha tương đối của các ăng-ten

Một phương pháp cơ bản để đo SAR cho thiết bị đa ăng-ten phát, được giới thiệu trong [1]-[3], là thực hiện phép đo 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

sẽ có 72 phép đo được thực hiện để tìm ra giá trị SAR lớn nhất ứng với một góc pha cụ thể nào đó Tổng quát, nếu có N ăng-ten phát và bước pha là k độ, thì tương ứng có

360 /k N phép đo lặp đi lặp lại Rõ ràng, phương pháp đo thông thường này rất tốn thời gian, thậm chí là không khả thi khi giá trị bước pha là nhỏ, hoặc số lượng của ăng-ten phát nhiều lên (bởi vì thực tế mỗi phép đo thông thường hiện nay mất khoảng 30 phút) Ngoài ra còn có các nghiên cứu trong [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 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 được chưa chính xác, chỉ là gần đúng

Để giảm thời gian đo, một phương pháp khác đã được giới thiệu cho kiểm tra việc tuân thủ các hướng dẫn an toàn của các thiết bị không dây [1], [8] Đây là phương pháp đòi hỏi phải tắt và mở các ăng-ten phát luôn phiên nhau và tiến hành

đo SAR riêng lẻ với ăng-ten đang mở Sau đó bằng cách kết hợp các giá trị SAR riêng lẻ với nhau ta thu được giá trị SAR tổng Tuy vậy, hạn chế của phương pháp này là chỉ có thể chỉ

ra giá trị cận trên của SAR, giá trị này quá cao so với SAR thực tế Không những vậy, phương pháp này cũng đòi hỏi có các chuyển mạch để bật hoặc tắt các ăng-ten, vì vậy làm cho

hệ thống đo phức tạp hơn

Trong bài báo này, chúng tôi sẽ đề xuất một phương pháp đơn giản để ước lượng giá trị SAR cho thiết bị đa ăng-ten phát Phương pháp này sẽ giảm thiểu số lần đo cho một góc pha tương ứng, và ước lượng giá trị SAR cho các góc pha khác nhau Cụ thể, với một thiết bị có 2 ăng-ten phát chỉ cần 3 phép đo là xác định được SAR cho một góc pha bất kỳ

II PHÂN TÍCH LÝ THUYẾT

Với thiết bị có 2 ăng-ten phát, tổng cường độ điện trường

bức xạ bởi 2 ăng-ten đo được tại điểm bất kỳ bằng tổng vector

cường độ điện trường bức xạ từ từng ăng-ten riêng lẻ Cường

độ điện trường tổng được tính như sau:

E E E e 1 2 i  (2)

trong đó: β là góc pha tương đối của 2 ăng-ten, E 1 và E 2 là

các giá trị phức tương ứng của cường độ điện trường bức xạ

từ ăng-ten 1 và ăng-ten 2

Từ (1) và (2), thông qua một số phép biến đổi toán học, ta

có thể biểu diển phép tính SAR như sau:

S A R  A Bc o s C sin (3)

trong đó: A, B, C là các giá trị thực được biểu diễn thông qua

các thành phần thực và ảo của E 1 , E 2 ; σ và ρ Các tham số này

không phụ thuộc vào β

Để ước lượng SAR cho một β tùy ý, chúng tôi tiến hành

xác định các giá trị của A, B, C (gọi là các tham số ước

lượng) bằng cách thực hiện ba phép đo SAR với 3 góc pha

khác nhau Để đơn giản phép tính ta có thể lựa chọn β với các

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:

 0 180/ 2

A SAR SAR

 0 180/ 2

B SAR SAR (4)

C2SAR90SAR0SAR180/ 2

trong đó: SAR , 0 SAR và 90 SAR được xác định từ phép đo 180

SAR sử dụng đầu dò vô hướng cho góc pha tương ứng với 0,

90 và 180 độ Sau khi xác định được giá trị của các tham số

ước lượng A, B, C thay vào (3) và với góc pha bất kỳ ta có thể

ước lượng được SAR tương ứng

III MÔ HÌNH KIỂM CHỨNG VÀ KẾT QUẢ

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

bình của đầu người Kích thước của nó được chỉ rõ trong các

tiêu chuẩn quốc tế về đo đạc bức xạ sóng điện từ [2], [3] Hai chấn tử được đặt song song, cách nhau một khoảng một phần

tư bước sóng, và cách mô hình SAM Phantom một khoảng 10

mm như mô tả trong hình 1

Cấu hình ăng-ten và các thông số kích thước ăng-ten; kích thước SAM Phantom, độ dày vỏ, các thông số chất lỏng SAM Phantom (hằng số điện môi, độ dẫn điện và mật độ khối lượng riêng) được quy định trong các tiêu chuẩn quốc tế về

đo SAR [1]-[3] thể hiện trong Bảng 1

BẢNG 1 THÔNG SỐ CỦA SAM PHANTOM

VÀ ĂNG-TEN

Khoảng cách giữa 2 ăng-ten λ/4 Kích thước SAM Phantom Anthropomorphic SAM (Specific

Mannequin) [3] Khoảng cách giữa SAM Phantom và

Hằng số điện môi của chất lỏng bên

trong SAM Phantom (ε r) 42

Độ dẫn điện chất lỏng (σ) 0.99 S/m

Khối lượng riêng chất lỏng (ρ) 1000 Kg/m3

B Kết quả

Để kiểm tra tính chính xác và hiệu quả của phương pháp ước lượng, chúng tôi tiến hành chạy mô phỏng từ mô hình 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 SAR chuẩn hóa và giá trị ước lượng SAR

Hình 2 Các phân bố SAR tương ứng với giá trị β khác nhau của hai ăng-ten: (a) β =0 độ; (b) β =90 độ; (c) β =180 độ

Hình 2 thể hiện phân bố SAR với các góc pha tương đối

khác nhau: 0; 90; và 180 độ trong một mặt phẳng ngang mô

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 3 So sánh kết quả với β = 45 độ:

(a) chuẩn hóa đo SAR; (b) ước lượng SAR

Hình 4 So sánh kết quả với β = 135 độ:

(a) chuẩn hóa đo SAR; (b) ước lượng SAR

Hình 5 So sánh kết quả với β = 270 độ:

(a) chuẩn hóa đo SAR; (b) ước lượng SAR

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

thấy giá trị của β tương ứng với SAR lớn nhất Hình 7 cho

thấy giá trị lớn nhất SAR khi thay đổi β trong một khoảng từ

0 đến 360 độ Từ kết quả tính toán này, giá trị SAR lớn nhất được tìm thấy là 1.12 tương ứng với góc pha 233 độ

Hình 6 So sánh kết quả với β = 233 độ:

(a) chuẩn hóa đo SAR; (b) ước lượng SAR

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Relative phase of the two antennas (deg.)

Peak maximum point SAR

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 phát Phân tích lý thuyết và kiểm chứng bằng chương trình

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 Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số 102.04-2014.16

TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] IEC/TR 62630, “Guidance for Evaluating Exposure from Multiple Electromagnetic Sources,” Ed 1.0, 2010

[2] IEC:62209-2, “Human exposure to radio frequency fields from

hand-held and body-mounted wireless communication devices

- Human models, instrumentation, and procedures - Part 2:

Procedure to determine the specific absorption rate (SAR) for

wireless communication devices used in close proximity to the

human body (frequency range of 30 MHz to 6 GHz)”, Mar

2010

[3] 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

[4] DASY52 by SPEAG,http://www.speag.com/products/das

-y /dasy-systems/

[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, 1370-1374,

May 2004

[7] J.-O Mattsson, and L.P De Leon, "SAR Evaluation of A

Multi-Antenna System", in Proc IEEE Antennas and Propagation Int Symp., pp 1373- 1376, Honolulu, Jun

2007

[8] D T Le, T Iyama, L Hamada, S Watanabe, and T Onishi, “Electric Field Measurements for MIMO Wireless Communication Transmitters in Electromagnetic

Exposure Evaluation” in Proc Of Pan-Pacific EMC Joint Meeting (PPEMC’12), Tokyo, Japan, Nov 2012