Đánh giá một số yếu tố ảnh hưởng đến sai số ước lượng giá trị hệ số hấp thụ riêng của thiết bị vô tuyến nhiều ăng ten phát

Bài viết trình bày việc đánh giá một số yếu tố ảnh hưởng đến sai số ước lượng khi sử dụng kỹ thuật ước lượng để xác định giá trị hệ số hấp thụ riêng SAR của thiết bị vô tuyến nhiều ăng ten phát. Các yếu tố được xem xét phân tích bao gồm: Ảnh hưởng của kích thước phantom và ảnh hưởng của tần số phát.

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SAI SỐ ƯỚC LƯỢNG GIÁ TRỊ HỆ SỐ HẤP THỤ RIÊNG CỦA THIẾT BỊ VÔ TUYẾN NHIỀU ĂNG TEN PHÁT Chu Văn Hải*, Lê Đình Thành, Nguyễn Huy Hồng Tóm tắt: Trong báo này, đánh giá số yếu tố ảnh hưởng đến sai số ước lượng sử dụng kỹ thuật ước lượng để xác định giá trị hệ số hấp thụ riêng SAR thiết bị vô tuyến nhiều ăng ten phát Các yếu tố xem xét phân tích bao gồm: ảnh hưởng kích thước phantom ảnh hưởng tần số phát Mô kiểm chứng với mơ hình kích thước đặc trưng phantom phẳng nguồn xạ tần số vô tuyến thông dụng sai số ước lượng SAR gia tăng kích thước phantom giảm tần số phát giảm Từ khóa: Hệ số hấp thụ riêng SAR, Thiết bị nhiều ăng ten phát, Đầu dò điện trường, Sai pha tương đối ĐẶT VẤN ĐỀ Hệ thống thơng tin vơ tuyến ngày đóng vai trò quan trọng đời sống xã hội phát triển kinh tế Nhằm nâng cao tốc độ chất lượng truyền tin, nhiều công nghệ triển khai nghiên cứu phòng thí nghiệm giới, điển hình hệ thống thông tin vô tuyến nhiều ăng ten phát Với hệ thống thơng tin này, việc nghiên cứu tương thích điện từ trường nhằm đảm bảo thiết bị hệ thống không gây nhiễu tới thiết bị khác an toàn người sử dụng vấn đề thiết thực đặt thực tế Đối với thiết bị xạ sóng điện từ sử dụng gần thể người, ủy ban an toàn sóng điện từ quốc tế [1, 2] quy định sử dụng giá trị hệ số hấp thụ riêng SAR (SAR: Specific Absorption Rate) làm tham số an toàn xạ điện từ trường Hệ số hấp thụ riêng SAR định nghĩa mức lượng điện từ trường hấp thụ đơn vị khối lượng thể sinh học thể sinh học tiếp xúc với trường điện từ Giá trị SAR tỷ lệ với bình phương biên độ cường độ điện trường xạ: SAR   E   W / Kg  (1) Trong đó:   tương ứng độ dẫn điện ( S / m) khối lượng riêng ( Kg / m3) thể sinh học; E cường độ điện trường điểm đo ( V / m ) Đối với thiết bị vơ tuyến thơng thường (có ăng ten phát băng tần hoạt động), giá trị SAR thiết bị phụ thuộc vào cường độ điện trường mà không phụ thuộc vào giá trị pha điện trường điểm đo Kỹ thuật đo trình tự đo xác định giá trị SAR tương đối rõ ràng quy chuẩn chuẩn đo SAR quốc tế [3-5] Tuy nhiên, thiết bị có nhiều ăng ten phát đồng thời tần số (chẳng hạn kỹ thuật MIMO – nhiều đầu vào nhiều đầu kỹ thuật ăng ten mạng pha…), giá trị cường độ điện trường điểm đo phụ thuộc vào giá trị cường độ điện trường xạ ăng ten giá trị pha tương đối chúng Lý cường độ điện trường tổng hợp điểm đo tổng véc tơ cường độ điện trường xạ nguồn riêng lẻ Vì thế, việc đo SAR thiết bị vô tuyến nhiều ăng ten phát trở nên phức tạp tốn thời gian Các tiêu chuẩn quốc tế IEEE 1528 [3], IEC/TR 62630 [4], IEC:62209-2 [5] khuyến cáo số kỹ thuật đo SAR thiết bị vô tuyến nhiều ăng ten phát Các kỹ thuật thực nghiên cứu khác [6-8] Tuy nhiên, kỹ thuật nêu tồn số hạn chế như: 1) số lượng phép đo lớn dẫn đến 44 C V Hải, L Đ Thành, N H Hoàng, “Đánh giá số yếu tố … nhiều ăng ten phát.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ nhiều thời gian đo, chí khơng thể thực số lượng ăng ten phát tăng nhiều [3-5]; 2) giá trị SAR xác định sai lệch nhiều so với SAR thực tế [6-8] Để giải vấn đề trên, nhóm nghiên cứu đề xuất kỹ thuật ước lượng cho phép giảm số lượng phép đo cần thiết mà đảm bảo xác định xác giá trị SAR thiết bị vô tuyến nhiều ăng ten phát [9-11] Trong kỹ thuật ước lượng đề xuất, số phân tích lý thuyết kiểm chứng với mơ hình phantom phẳng thực (xem hình 1) tần số 2.45GHz theo tiêu chuẩn IEEE 1528 [3] Kết kiểm chứng ban đầu khẳng định sai số giá trị SAR ước lượng giá trị đo thực tế nhỏ Hình Mơ hình kích thước phantom phẳng Tuy nhiên, kỹ thuật ước lượng này, số giả thiết đơn giản hóa áp dụng nhằm xây dựng mơ hình tính tốn cường độ điện trường điểm đo.Chẳng hạn, thành phần điện trường phản xạ bên mơ hình đo (phantom) bỏ qua Giả thiết tương đối hợp lý, cường độ điện trường suy hao nhanh bên chất lỏng điện môi, thành phần phản xạ nhỏ Tuy nhiên, số trường hợp, số lượng ăng ten lớn, kích thước phantom nhỏ, tần số thấp (tương ứng suy hao môi trường điện môi hơn), thành phần phản xạ bên bề mặt phantom ảnh hưởng tới sai số ước lượng Thực tế, số kết thực nghiệm sai số kết đo đạc thực nghiệm ước lượng SAR 1% cho trường hợp ăng ten phát; sai số lớn 5.6% cho trường hợp ăng ten phát [12] Rõ ràng số lượng nguồn phát tăng từ lên sai số ước lượng tăng đáng kể Vì vậy, để tiếp tục phát triển hoàn thiện kỹ thuật ước lượng báo này, tập trung nghiên cứu đánh giá sai số ước lượng SAR thiết bị vơ tuyến có nhiều ăng ten phát xét tới yếu tố ảnh hưởng như: kích thước phantom thay đổi; tần số phát thay đổi MƠ HÌNH TÍNH TỐN VÀ THỦ TỤC XÁC ĐỊNH SAR 2.1 Mơ hình tính tốn Chúng tơi khảo sát tính tốn với mơ hình: Thiết bị đo kiểm DUT (DUT: Devices Under Test) ăng ten chấn tử nửa sóng phát tần số 1.9GHz 2.45GHz (đây tần số sử dụng phổ biến cho thiết bị vô tuyến); loại phantom phẳng có kích thước dài, rộng, sâu ( L  W  D ) tương ứng: (180 120 150) mm (90  80  35) mm ; kích thước phù hợp với thể sinh học trưởng thành sơ sinh theo tiêu chuẩn IEEE 1528[3] Từ hình thành mơ hình khảo sát, tính tốn cụ thể là: + Mơ hình 1: f  2.45 GHz kích thước phantom: ( L  W  D )  (180 120 150) mm Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 55, 06 - 2018 45 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử + Mơ hình 2: f  2.45 GHz kích thước phantom: ( L  W  D)  (90  80  35) mm + Mơ hình 3: f  1.9 GHz kích thước phantom: ( L  W  D )  (180 120 150) mm + Mơ hình 4: f  1.9 GHz kích thước phantom: ( L  W  D )  (90  80  35) mm Thông số ăng ten thông số kích thước phantom phẳng, độ dẫn điện, số điện môi, mật độ khối lượng riêng chất lỏng phantom theo tiêu chuẩn IEEE 1528 [3] (xem bảng 1, bảng 2) Mặt phẳng đo nằm mặt phẳng Y1, cách DUT 10mm, điểm đo cách 4mm (xem hình 2) Bảng Thơng số ăng ten Tham số Giá trị Bán kính ăng ten 1.8 mm Chiều dài tổng thể ăng ten /2 Khoảng cách chấn tử liền kề /4 Khoảng cách chất lỏng DUT 10 mm Bảng Thơng số kích thước phantom phẳng Tham số Kích thước phantom phẳng: ( L  W  D ) Vỏ phantom phẳng Hằng số điện môi tương đối chất lỏng (  r ) Độ dẫn điện chất lỏng (  ) Khối lượng riêng chất lỏng phantom (  ) Giá trị Loại 1: (180 120 150) mm Loại 2: (90 80  35) mm mm Phantom loại 1: 39.2 Phantom loại 2: 36 Phantom loại 1: 1.8 S / m Phantom loại 2: 4.66 S / m 1000 Kg / m3 Thực tế giới, phòng đo SAR theo chuẩn quốc tế chưa phổ biến, trang bị số phòng thí nghiệm chun dụng nên việc tiếp cận tiến hành thủ tục đo thực tế phòng đo khó khăn Do vậy, số liệu kiểm chứng tính tốn báo lấy từ chương trình mơ ăng ten chun dụng CST STUDIO SUITE (Computer Simulation Technology) để thay cho liệu đo thực tế [13] 2.2 Thủ tục xác định giá trị SAR 2.2.1 Thủ tục đo SAR Đối với việc đo SAR theo chuẩn quốc tế IEEE1528 [3] hay IEC62209 [4,5], thủ tục đo SAR phải thực qua bước đo bản: i) đo mặt phẳng xác định (gọi area scan), ii) đo khơng gian hình lập phương xung quanh điểm có giá trị SAR lớn mặt phẳng đo bước i (được gọi zoom scan) Giá trị SAR lớn cần xác định giá trị SAR trung bình theo khơng gian (spatial-averaged SAR), tính trung bình SAR điểm đo bước ii (xem hình 2) 46 C V Hải, L Đ Thành, N H Hoàng, “Đánh giá số yếu tố … nhiều ăng ten phát.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Biểu diễn bước đo xác định SAR 2.2.2 Quy trình xác định SAR theo kỹ thuật ước lượng Hình Quy trình đo E (hay SAR) thiết bị vơ tuyến có ăng ten phát sử dụng kỹ thuật ước lượng [9-11] Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 55, 06 - 2018 47 K Kỹỹ thuật điều khiển & Điện tử Trên ssở phân tích lý thuyết đđã đư ợc tr trình ình bày chi ti tiết ết nghi nghiên ứu [9 [9-11], 11], ên ccứu ti tiến ến hành hành bư ớc đo theo quy tr trình ình đo SAR ccủa thiết bị có ăng ten phát (xem bước hình 3) đểể xác địn định h tham ssố ố ước ớc llượng ợng cho kỹ thuật đề xuất Từ giá trị ước ớc lượng ợng SAR lớn nhanh chóng đđư ược ợc xác định ttương ương ứng với sai pha  max ccụụ thể thể Trong quy trình đo ssử dụng loại đầu ddò điện điện trư trường ờng là đầu đầu ddò ò vơ hướng h ớng [14 14] (scalar probes) đđầu ầu d dòò véc ttơ [15 Đầu ầu dò dò vơ hhư ướng ớng cung cấp thơng 15]] (vector probes) Đ tin vvềề biên biên độ độ điện tr trường ờng điểm đo, đầu ddòò véc ttơ cung ccấp ấp thông tin pha biên đđộ ộ điện tr trư ờng ường Dữ ữ liệu đo ccường ờng độ điện tr trư ường ờng (hay SAR) vvàà dữ liệu ước ớc llư ượng ợng SAR lớn ương ttương ứng với sai pha từ 00 đến ến 3600 (trong bư bước ớc pha llàà 150) ssẽẽ đđược ợc sử dụng để so sánh sai sốố ước ớc llư ượng ợng Đểể đánh giá sai số kết ước ớc lư lượng ợng SAR lớn vvàà giá tr trịị đo thực tế cho kỹ ỹ thuật ước ớc lượng l ợng nnêu trên, ký hi hiệu: ệu: SARsim tương ứng với SAR đo thực tế; l ợng lớn theo quy tr trình ình hình Khi đó,, sai ssố ố SARest tương ứng với SAR ước ước lượng ước ớc llư ượng ợng đđược ợc tính theo cơng thức: Sai so  100  ( SARest  SARsim )  0 (2) KẾT KẾT QUẢ V VÀ À THẢO THẢO LUẬN Hình bi biểu ểu diễn giá trị ước ước lư lượng ợng SAR lớn ttương ương ứng sai pha từ 00 đđến ến 0 360 với ới bư bước ớc pha là m ột mặt phẳng đo Y1 (biết rằng, với sai pha ttương ương ứng điểm đo xác định đđư ược ợc giá trị SAR, qua xá xácc đđịnh ịnh đđược ợc SAR lớn m mặt ặt phẳng Y1 cho tr trường ờng hợp sai pha cụ thể vvàà g gọi ọi chung llàà SARmax) Hình Biểu Biểu diễn giá trị SAR lớn nhất: 4a) Mô hình 1; 4b) Mơ hình 2; 4c) Mơ hình 3; 4d) Mơ hình 48 C V Hải, Hải, L Đ Th ành, N H Hoàng, Hoàng, ““Đánh Đánh giá m ột số yếu tố … nhiều nhiều ăng ten phát phát.”” Thành, Nghiên ccứu ứu khoa học công nghệ Từ giá trị SARmax nnày, ày, dễ dễ dàng dàng xác đđịnh ịnh được giá trị SARmax lớn Những điểm ểm đánh dấu chấm đen llàà giá trị trị SARmax tính tốn từ liệu mô sai pha từ 00 đến ến 3600 với ới bước b ớc pha 150 Hình 4a, 4b, 4c, 4d llần ượt ợt tương tương ứng với mơ hhình ình kh khảo ảo sát, quan sát hhình ình 4, nh nhận ận ần llư thấy đđư ường ờng bi biểu ểu diễn giá trị ước ớc llượng ợng SAR lớn cho kỹ thuật ớc lư ợng llàà ước lượng tương đđồng ồng Các điểm đen phân bố tr ên hình vvẽẽ cho mơ hhình ình rất khác Điểm đen sai llệch ệch lớn so với đđường ờng biểu diễn ước ớc lượng l ợng SAR llàà hình 4d, điều ều nnày ày th thểể ện sai ssố ước ước lư lượng ợng llàà llớn ớn Hình Sai ssốố ước ớc lượng l ợng SAR tương tương ứng sai pha kiểm chứng: 5a)Mơ hình 1; 5b) Mơ hình 2; 5c) Mơ hình 3; 5d) Mơ hình Hình thể thể sai số ớc lượng ình tính tốn, ccụ ụ thể: ước l ợng SAR mô hhình Mơ hình (hình 5a), sai ssố ố ước ớc lượng l ợng SAR lớn nhỏ hhơn ơn 0.6% Mơ hình (hình 5b), sai ssố ố ước ớc lượng l ợng SAR lớn khoảng 1.3% Mô hình (hình 5c), sai ssố ố ước ớc lượng l ợng SAR lớn gần 1.5% Mơ hình (hình 5d), sai ssố ố ước ớc lượng l ợng SAR lớn khoảng 2.2% Từ kết tr ên hình 5, nnhận ận thấy sai số ước ớc lượng l ợng thay đổi nh sau: +V Với ới kỹ thuật ước ượng ợng đề xuất, đđư ường ờng biểu diễn sai số ước ớc lượng l ợng là tương ớc llư đồng, ồng, sai lệch lớn kỹ thuật ước ớc llượng ợng chưa chưa đ đến ến 1% + Khi kích thư thước ớc phantom giảm, tần số phát khơng đổi (mơ hhình ình so với với mơ hhình ình 2; mơ hình so vvới ới mơ hhình ình 4) sai ssố ước ớc llư ượng ợng lớn có tăng nh ưng không nhi nhiều ều ddư ưới ới 0.7% (0.6% so vvới ới 1.3%, 1.5% so với 2.2%) Tạp ạp chí Nghi Nghiên ên cứu cứu KH&CN quân uân sự, sự, Sốố 555, 066 - 2018 2018 49 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử + Khi tần số phát giảm, kích thước phantom khơng đổi (mơ hình so với mơ hình 3; mơ hình so với mơ hình 4) sai số ước lượng lớn tăng rõ khoảng 1% (0.6% so với 1.5%, 1.3% so với 2.2%) + Khi tần số phát kích thước phantom giảm (mơ hình so với mơ hình 4) sai số ước lượng lớn tăng cao gần 2% (0.6% so với 2.2%) KẾT LUẬN Trong báo, sử dụng kỹ thuật ước lượng để xác định giá trị SAR lớn thiết bị vơ tuyến có ăng ten phát Với mơ hình kiểm chứng cho thấy, kích thước phantom hay tần số phát thay đổi sai số ước lượng lớn khoảng 2.2% Sai số lớn nằm giới hạn tiêu chuẩn đo lường quốc tế, điều khẳng định tính xác kỹ thuật ước lượng đề xuất Tuy nhiên, kích thước phantom giảm tần số phát giảm sai số ước lượng gia tăng (sai lệch lớn gần 2%) Biết rằng, liệu kiểm chứng lấy từ chương trình mơ phỏng, phép đo thực tế sai số lớn nhiều chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố bên Với kỹ thuật ước lượng đề cập, nghiên cứu phạm vi báo này, ứng dụng đo SAR cho thiết bị vô tuyến nhiều ăng ten phát thực tế cần ý đến mơ hình đo cụ thể Các kỹ thuật ước lượng cho sai số lớn kích thước phantom hay tần số hoạt động thơng số đó, cần phát triển, kiểm chứng nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] ICNIRP, "Guidelines for limiting exposure to time-varying electric, magnetic and electromagnetic fields (up to 300 GHz)," Health Phys., vol 74, pp 494-522, 1998 [2] FCC OET Bulletin 65, "Evaluating Compliance with FCC Guidelines for Human Exposure to Radiofrequency Electromagnetic Fields," Ed 97-01 , [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] IEC/TR 62630, "Guidance for Evaluating Exposure from Multiple Electromagnetic Sources," Ed 1.0, 2010 [5] IEC 62209-2, "Human exposure to radio frequency fields from hand-held and bodymounted wireless communication devices: Human models, instrumentation, and procedures - Part 2: Procedure to determine the specific absorption rate (SAR) for wireless communication devices used ," Ed 1.0, 2010 [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, pp 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., Honolulu, Jun 2007, pp 13731376 [8] T Iyama and T Onishi, "Maximum Average SAR Measurement Procedure for MultiAntenna Transmitters," IEICE Trans Comm., vol E93-B, no 7, pp 1821-1825, Jul 2007 [9] D T Le, L Hamada, and S Watanabe, "Measurement Procedure to Determine SAR of Multiple Antenna Transmitters Using Scalar Electric Field Probes," in Proc IEEE The International Conference on Advanced Technologies for Communications 2014 50 C V Hải, L Đ Thành, N H Hoàng, “Đánh giá số yếu tố … nhiều ăng ten phát.” Nghiên cứu khoa học công nghệ (ATC'14)., Ha Noi, Oct 2014 [10] D T Le, L Hamada, S Watanabe, and T Onishi, "An Estimation Method for Vector Probes Used in Determination SAR of Multiple-Antenna Transmission Systems," in Proc IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility., Tokyo, May 2014 [11] D.T.Le, and V.H.Chu, "An Analysis of Vector Estimation for Uncertainty Reduction in Evaluating the Specific Absorption Rate of Multiple Transmitting Antenna Devices," in Proc IEEE The NAFOSTED Conference on Information and Computer Science, Ho Chi Minh, Viet Nam, Sept 2015 [12] V.H.Chu, H.H.Nguyen and D.T.Le, "Analyzing the Estimation Errors in Evaluating the Specific Absorption Rate of Multiple-Antenna Devices for Different Numbers of Antennas," in Vietnam Japan Microwave 2017 Conference, Ha Noi, June 13-14th, 2017 [13] https://www.cst.com/products/csts2, [14] DASY52 by SPEAG, http://www.speag.com/products/dasy/dasy-systems/, [15] ART-MAN by ART-Fi, http://www.art-fi.eu/art-man, ABSTRACT ESTIMATION OF PARAMETERS CAUSING UNCERTAINTIES IN SAR EVALUATION FOR MULTI-ANTENNA TRANSMITTING DEVICES In this paper, parameters affecting the uncertainty when using evaluation technique for specific absorption rate (SAR) determination of multi-antenna transmitting devices are estimated The main factors which are considered include: phantom size and operating frequency It is pointed out, by simulated validations for featured flat phantom size schemes and exposure source at common operating frequencies that uncertainty of SAR evaluation increases when phantom size or operating frequency decreases Keywords: Specific Absorption Rate - SAR; Multiple Antennas Radio Device; Field Probes; Relative Phase Nhận ngày 11 tháng năm 2018 Hoàn thiện ngày 03 tháng năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 08 tháng năm 2018 Địa chỉ: Học viện Kỹ thuật quân * Email: chuhait1@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 55, 06 - 2018 51 ... tế, số kết thực nghiệm sai số kết đo đạc thực nghiệm ước lượng SAR 1% cho trường hợp ăng ten phát; sai số lớn 5.6% cho trường hợp ăng ten phát [12] Rõ ràng số lượng nguồn phát tăng từ lên sai số. .. sai số ước lượng tăng đáng kể Vì vậy, để tiếp tục phát triển hoàn thiện kỹ thuật ước lượng báo này, tập trung nghiên cứu đánh giá sai số ước lượng SAR thiết bị vơ tuyến có nhiều ăng ten phát xét... thực tế sai số lớn nhiều chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố bên Với kỹ thuật ước lượng đề cập, nghiên cứu phạm vi báo này, ứng dụng đo SAR cho thiết bị vô tuyến nhiều ăng ten phát thực tế cần ý đến mơ