Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu kỹ thuật ước lượng và phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến việc xác định SAR của thiết bị vô tuyến nhiều anten phát

Mục tiêu nghiên cứu của luận án: Nghiên cứu đề xuất kỹ thuật ước lượng và qui trình đo mới để đo SAR của thiết bị vô tuyến nhiều anten phát. Phân tích, đánh giá và kiểm chứng ảnh hưởng của các yếu tố đến sai số xác định SAR.

BỘ QUỐC PHỊNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QN SỰ CHU VĂN HẢI NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ƯỚC LƯỢNG  VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG  ĐẾN VIỆC XÁC ĐỊNH SAR CỦA THIẾT BỊ  VƠ TUYẾN NHIỀU ANTEN PHÁT Ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 9.52.02.03 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – NĂM 2019 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI  HỌC VIỆN KỸ THUẬT QN SỰ ­ BỘ QUỐC PHỊNG    Người hướng dẫn khoa học:  1. TS Nguyễn Huy Hồng                      2. TS Lê Đình Thành Phản biện 1:    Phản biện 2:  Phản biện 3:       Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận   án   cấp   Học   viện   theo     định   số     /……,  ngày … tháng … năm …… của Giám đốc Học  viện   Kỹ   thuật   quân   sự,   họp     Học   viện   Kỹ  thuật quân sự  vào hồi   giờ    ngày   tháng ….  năm … Có thể tìm hiểu luận án tại:     ­ Thư viện Học viện Kỹ thuật qn sự    ­ Thư viện Quốc gia MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây với sự phát triển của các thiết bị  vơ tuyến nhiều anten phát, các dịch vụ được cung cấp rất đa dạng,  kết nối thường xun và có xu hướng sử  dụng gần cơ  thể  người  dùng nhiều hơn.  Các công nghệ  tiêu biểu được sử  dụng như  kỹ  thuật nhiều đầu vào, nhiều đầu ra MIMO (MIMO: Multi Input and   Multi Output) hay kỹ  thuật anten mạng pha được kỳ  vọng sẽ  là   đặc trưng cơ bản của truyền thơng khơng dây trong giai đoạn tiếp  theo. Một số kỹ  thuật anten mới đã được  ứng dụng trong thực tế  như: Hệ thống thơng tin di động LTE (LTE: Long Term Evolution)  và phiên bản tiên tiến (LTE­Advanced) hay các hệ thống radar dẫn  đường cho máy bay, tàu, các xe tự hành. Ngồi ra, thế hệ thơng tin   di động 5G đã được nghiên cứu ở nhiều phịng thí nghiệm trên thế  giới,       có   thể   kể   đến     hệ   thống   M­MIMO   (Massive   MIMO), vơ tuyến nhận thức và thơng tin sóng milimet (mm­wave) Tuy nhiên, để  đưa các thiết bị vơ tuyến vào ứng dụng trong  thực  tế   cần  xem   xét   giải     tính  tương  thích  điện  từ   EMC  (EMC:  Electro  Magnetic  Compatibility)  để  đảm bảo các thiết bị  cung cấp dịch vụ  an tồn và tin cậy, khơng gây nhiễu lẫn nhau và  khơng   gây   nhiễu   đến   thiết   bị   khác     hệ   thống,   không   ảnh   hưởng đến sức khoẻ  người dùng. Thực tế, khi một thiết bị   vơ  tuyến được sử dụng gần với cơ thể người như điện thoại di động   hay máy tính xách tay, máy tính bảng có thu/phát wifi,… thì các   phép đo hệ số hấp thụ riêng SAR (SAR: Specific Absorption Rate)  thường được u cầu, tham số  này phải nhỏ  hơn các giới hạn an  tồn cho phép được chỉ  ra trong các chuẩn quốc tế  về  an tồn vơ  tuyến [6], [9] Đối với các thiết bị vơ tuyến có nhiều anten phát, với những   kỹ thuật đo đã được cơng bố, khi tiến hành đo SAR cịn tồn tại hai   vấn đề  khó khăn cần phải nghiên cứu giải quyết, đó là thời gian  đo [6], [9]­[12] cũng như sai số khi xác định SAR cịn lớn [2], [13],  [32], [45], [47], đặc biệt là khi số lượng anten phát lớn Để  giảm thời gian đo, giải pháp hiệu quả  đang được tập  trung nghiên cứu là sử dụng kỹ thuật ước lượng. Một số kỹ thuật  ước lượng tiêu biểu được trình bày trong [20], [21], [28], [30], [47],  đặc biệt là [20], [21] đã giải quyết tốt vấn đề  này. Tuy nhiên các  kỹ  thuật  ước lượng này chủ  yếu phân tích, đánh giá, kiểm chứng   với các mơ hình cụ  thể, số lượng anten hạn chế, số ít chủng loại   anten dẫn đến độ  tin cậy, tính thuyết phục của các kỹ  thuật  ước   lượng chưa cao Như vậy, các kỹ thuật đo SAR hiện có vẫn tồn tại rất nhiều  hạn  chế  cần phải  nghiên  cứu khắc  phục.  Các  hạn chế   đó  bao  gồm: Thời gian đo, khối lượng tính tốn và sai số đo cịn lớn, đặc  biệt là khi số lượng anten phát tăng lên; việc kiểm chứng bằng đo   đạc thực tế cịn giới hạn về số lượng cũng như chủng loại anten, … Ngồi ra, trong các cơng trình nghiên cứu về kỹ thuật đo SAR đã  được cơng bố, chưa có cơng trình nào đề cập đến việc phân tích và  đánh giá các yếu tố  ảnh hưởng có thể  gây ra sai số,  làm sai lệch  kết quả  đo so với kỹ  thuật  ước lượng khi xác định SAR của các  thiết bị vơ tuyến Những vấn đề  về  lý thuyết và thực tế kỹ thuật đã trình bày    trên là cơ  sở  chủ  yếu để  hình thành nội dung luận án: “Nghiên  cứu kỹ  thuật  ước lượng và phân tích các yếu tố   ảnh hưởng đến   việc xác định SAR của thiết bị vơ tuyến nhiều anten phát”.  Mục tiêu nghiên cứu của luận án: Nghiên cứu đề xuất kỹ thuật ước lượng và qui trình đo mới   để đo SAR của thiết bị vơ tuyến nhiều anten phát.  Phân tích, đánh giá và kiểm chứng  ảnh hưởng của các yếu  tố đến sai số xác định SAR Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Đối tượng là các thiết bị vô tuyến nhiều anten phát sử dụng  gần cơ thể con người và các hệ thống đo SAR Phạm vi  là các kỹ  thuật  ước lượng SAR của thiết  bị  vô  tuyến nhiều anten phát sử dụng gần cơ thể con người.  Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết; xây dựng mơ hình tốn học và mơ hình  hệ  thống  đo để  tính tốn, xác định SAR, kiểm chứng bằng mơ  phỏng và thực nghiệm đo đạc trong các phịng đo chun dụng Cấu trúc của luận án:   Luận án bao gồm: Phần mở  đầu; các chương 1, 2, 3; phần   kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo của luận án. Cuối cùng là  các cơng trình khoa học  đã cơng bố  và  danh mục  tài liệu tham  khảo. Luận  án được trình bày trong 112 trang giấy khổ  A4, 20   bảng biểu, 75 hình vẽ Những đóng góp của luận án:            1) Đề xuất một kỹ thuật ước lượng và qui trình đo SAR với  thời gian đo ngắn của thiết bị  vơ tuyến nhiều anten phát sử  dụng  đầu dị điện trường véc­tơ dựa trên việc bật/tắt tuần tự các anten   phát 2) Phân tích, xây dựng mơ hình kiểm chứng, thực hiện mơ  phỏng kiểm chứng để  đánh giá  ảnh hưởng của các yếu tố  dẫn  đến sai số  và làm sai lệch kết quả  đo so với các kỹ  thuật  ước  lượng SAR CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐO SAR CỦA THIẾT BỊ VƠ TUYẾN 1.1. Khái niệm SAR Hệ số hấp thụ riêng SAR là cơng suất hấp thụ trên mỗi đơn  vị khối lượng của một cơ thể sinh học khi nó tiếp xúc với trường  điện từ. Giá trị SAR của các thiết bị vơ tuyến phải nằm trong giới   hạn cho phép, qui định trong các tiêu chuẩn quốc tế  về  an tồn   sóng   vơ   tuyến   FCC   [6],   ICRINP   [9],   IEC/TR   62630   [11],   IEC   62209­2 [10], IEEE 1528 [12]. Giá trị  SAR tỷ  lệ  thuận với bình   phương cường độ điện trường bức xạ tại điểm đo: SAR = σ E ρ          [ W / Kg ]   (1.1) Trong đó:  σ  và  ρ  tương ứng là độ dẫn điện ( S / m ) và mật  độ khối lượng riêng ( Kg / m ) của cơ thể sinh học; E là cường độ  điện trường tại điểm đo ( V / m ) 1.2. Các hệ thống đo SAR 1.2.1. Hệ thống đo sử dụng đầu dị điện trường vơ hướng Hệ  thống đo SAR cơ  bản, sử  dụng đầu dị điện trường vơ  hướng có sơ đồ khối như hình 1.1.  Hình 1.1: Sơ đồ khối của hệ thống đo SAR sử dụng đầu dị điện trường vơ hướng 1.2.2. Hệ thống đo sử dụng đầu dị điện trường véc­tơ Hệ thống đo SAR cơ bản, sử dụng đầu dị điện trường véc­ tơ có sơ đồ khối như hình 1.7.  Hình 1.7: Sơ đồ khối của hệ thống đo sử dụng đầu dị điện trường véc­tơ 1.3. Quy trình đo SAR Tiêu chuẩn quốc tế  IEC 62 209­2 [10] đã trình bày quy trình  đo SAR của thiết bị vơ tuyến gồm các bước cơ bản: Bước 1: Đo SAR lớn nhất tại một điểm đo bất kỳ Bước 2: Đo trên mặt phẳng tham chiếu (area scan) Bước 3: Xác định vị trí điểm đo có giá trị SARmax  Bước 4: Đo trong khơng gian phóng to (zoom scan) Bước 5: Tính giá trị SAR trung bình khơng gian 1g hoặc 10g Bước 6: Lặp lại phép đo SAR   bước 1  để  kiểm tra hệ  thống 1.4. Đánh giá về kỹ thuật đo SAR hiện nay Các kỹ  thuật đo hiện nay cịn tồn tại những hạn chế  như:   Thời gian đo, khối lượng tính tốn và sai số đo cịn lớn, đặc biệt là  khi số  lượng anten phát tăng lên; việc kiểm chứng bằng đo đạc  thực tế cịn giới hạn về số lượng cũng như chủng loại anten Ngồi ra, việc xác định chính xác SAR chịu  ảnh hưởng của   rất nhiều yếu tố  như  hệ  thống đo, các yếu tố  về  mơi trường…   Tuy nhiên, chưa có cơng trình nào phân tích, đánh giá các yếu tố  ảnh hưởng đến việc xác định SAR 1.5. Định hướng nghiên cứu của luận án Luận án sẽ tập trung nghiên cứu bổ sung hồn thiện các kỹ  thuật ước lượng đã được đề xuất trong hai cơng trình [20], [21], từ  đó đề xuất kỹ thuật ước lượng mới với mục tiêu giảm tối đa thời   gian đo, tính tốn đơn giản hơn nhưng vẫn đảm bảo kết quả xác  định SAR phải có sai số  nằm trong giới hạn tiêu chuẩn đo cho  phép Đồng thời, luận án cũng phân tích đánh giá các yếu tố   ảnh   hưởng đến việc xác định SAR của thiết bị  vơ tuyến nhiều anten  phát sử dụng gần cơ thể con người 1.6. Kết luận chương 1 Chương 1 đã trình bày tổng quan những vấn đề  về  đo SAR   của thiết bị vơ tuyến, bao gồm: Khái niệm về  SAR, các hệ  thống   đo SAR  và quy trình đo SAR hiện nay. Chương này đánh giá  ưu  điểm và hạn chế  của các kỹ  thuật đo SAR hiện có, từ  đó rút ra  những vấn đề  tồn tại cần giải quyết và định hướng nghiên cứu  của luận án.  CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT KỸ THUẬT ƯỚC LƯỢNG SAR  CỦA THIẾT BỊ VƠ TUYẾN NHIỀU ANTEN PHÁT 2.1. Nghiên cứu bổ  sung kỹ  thuật  ước lượng SAR sử  dụng   đầu dị điện trường vơ hướng 2.1.1. Cơ sở lý thuyết và quy trình đo SAR sử dụng đầu dị điện   trường vơ hướng Trong cơng trình  [20], cơng thức tốn học  ước lượng được  xây dựng trên cơ sở xét bài tốn tổng qt, với thiết bị vơ tuyến có  N anten phát gần cơ thể sinh học. Giá trị SAR tại một điểm bất kỳ  trên cơ thể đó được xác định theo cơng thức: N −1     SAR = A + � N �B n =1 m = 2; m > n nm N −1 cos ( β n − β m ) + � N �C n =1 m = 2; m > n nm sin ( β n − βm )  (2.11)  Trong đó A, Bnm, Cnm là những tham số được biểu diễn thơng  qua anR, amR, anI, amI, bnR, bmR, bnI, bmI, cnR, cmR, cnI, cmI  và  σ , ρ Trường hợp thiết bị có hai anten phát:                      SAR = A + Bcos β + Csin β                                (2.14) Trường hợp thiết bị có 3 anten phát: SAR = A + B12 cos β + B13 cos β + B23cos ( β − β )              + C12 sinβ + C13 sinβ + C23 sin ( β − β )               (2.16) Từ  đó, quy trình đo SAR của thiết bị  vơ tuyến có hai và ba  anten phát được xây dựng và kiểm chứng bằng mơ phỏng CST [4],  kết quả kiểm chứng cho thấy: * Ưu điểm của kỹ thuật: ­ Quy trình đã giảm rất nhiều số phép đo, từ  đó giảm đáng   kể thời gian đo để xác định SAR lớn nhất tại mỗi điểm đo 13 * Mơ hình 1: Khn mẫu phẳng và cấu hình hai anten chấn   tử như trên hình 2.10, tham số kích thước anten theo bảng 2.4 (lưu   ý, tần số phát 2,45 GHz, khoảng cách giữa hai anten là  0,5 λ ) Hình 2.10: Khn mẫu phẳng và vị trí hai anten chấn tử (CT_2) * Mơ hình 2:  Khn mẫu phẳng và cấu  hình hai anten IFA   trên hình 2.11, tham số  kích thước anten như  trên hình 2.12   (tần số phát 2,45 GHz) Hình 2.11: Khn mẫu phẳng và vị trí anten IFA (CT_3) 14 * Mơ hình 3:  Khn mẫu phẳng và cấu  hình ba anten IFA  như hình 2.11, tham số kích thước anten như trên hình 2.12 (tần số  phát 2,45 GHz) Hình 2.12: Tham số kích thước hai và ba anten IFA (mm) (CT_3) Bảng 2.4: Tham số, kích thước của anten chấn tử (CT_3) Tham số Giá trị Bán kính của anten 1,8 mm Chiều dài tổng thể 0,5 λ Khoảng cách giữa 2 chấn tử liền kề 0, 25 λ * Mơ hình 4: : Khn mẫu ELI4 và cấu hình ba anten chấn tử  như trên hình 2.13, Tham số kích thước anten theo bảng 2.4 (tần số  phát 2,14 GHz) 15 Hình 2.13: Khn mẫu ELI4 và vị trí ba anten chấn tử (CT_3) Kết quả  kiểm chứng:  Giá trị  SARmax  nhanh chóng được  xác định và sai số lớn nhất giữa kỹ thuật ước lượng đề xuất  với mơ phỏng hay với kỹ  thuật [21] cũng được chỉ  ra   xem  bảng dưới: Mơ  hình Sai pha tương ứng với  SARmax theo kỹ thuật  ước lượng đề xuất Sai số lớn nhất giữa kỹ thuật ước lượng đề xuất  với Mô phỏng Kỹ thuật [21] β max = 1660 Khoảng 0,7%