- Khối 2: Khn mẫu và đầu dị điện trường véc-tơ
Nhƣ đã trình bày ở trên, khác với hệ thống đo sử dụng đầu dò điện trƣờng vô hƣớng chỉ dùng 1 đầu dị điện trƣờng vơ hƣớng, hệ thống đo sử
dụng đầu dò điện trƣờng véc-tơ dùng một mạng gồm nhiều đầu dò điện trƣờng véc-tơ. Hệ thống ART-MAN có 2 khn mẫu SAM đặt ở bên trái và bên phải, 1 khuôn mẫu phẳng đặt ở chính giữa (xem hình 1.8). Mạng đầu dị bao gồm: 285 đầu dị đƣợc nhúng trong khn mẫu SAM, 390 đầu dị đƣợc nhúng trong khn mẫu phẳng. Tham số chất lỏng khn mẫu, vỏ khn mẫu, đầu dị tn theo các tiêu chuẩn IEC 62209-2 [10] hoặc FCC [6].
- Khối 3: Bộ đọc và chuyển đổi tín hiệu RF
Bộ đọc tín hiệu RF thực hiện đọc (quét) tín hiệu của tồn bộ mạng đầu dị với tốc độ cao (thời gian nhỏ hơn 30 ms). Thời gian quét phụ thuộc vào việc tích hợp các đầu dò và đƣợc tối ƣu hóa cho từng loại tín hiệu và từng dạng điều chế tín hiệu. Tín hiệu RF ở đầu ra đƣợc kiểm tra để đánh giá pha của điện trƣờng bức xạ và chuyển đổi xuống vùng tần số thấp, phù hợp với bộ biến đổi A/D.
- Khối 4: Bộ biến đổi A/D và xử lý tín hiệu
Tín hiệu chuyển đổi đƣợc lấy mẫu tại 250 MSPS với số hóa 16 bit. Các mạch FPGA thực hiện tính tốn on-the-fly của các FFTs véc-tơ đƣợc sử dụng để đánh giá biên độ và pha của các điện áp đo đƣợc. Các tín hiệu đƣợc xử lý trong một CPU Intel Core I7TM nhúng hoạt động trên một OS thời gian thực. Quy trình xử lý gồm: 1) Khơi phục pha; 2) Sử dụng các hệ số hiệu chuẩn để lấy dữ liệu cƣờng độ điện trƣờng từ điện áp đo đƣợc; 3) Thiết lập lại điện trƣờng dựa trên kỹ thuật giá trị biên nghịch đảo; 4) Tính tốn SAR 1g/10g.
- Khối 5: Máy tính xử lý và hiển thị dữ liệu
Dữ liệu đã xử lý đƣợc truyền qua đƣờng truyền Gigabit Ethernet tới máy tính. SARlab (phần mềm ART-MAN) cung cấp một giao diện đồ họa 3D đầy đủ, với hình ảnh trực quan về SAR trung bình khơng gian.
1.3. Quy trình đo SAR
SAR của thiết bị vô tuyến và đƣợc hầu hết các quốc gia trên thế giới áp dụng. Quy trình chung đƣợc mơ tả gồm các bƣớc cơ bản:
Bước 1: Đo SAR lớn nhất tại một điểm đo bất kỳ trên một mặt phẳng
cách bề mặt phía trong khn mẫu (gần với DUT) trong khoảng 8 mm. Việc thực hiện điểm đo này là để lấy giá trị tham chiếu, so sánh với giá trị SAR tại bƣớc 6 nhằm đảm bảo rằng giá trị đo là tin cậy đƣợc trong quá trình đo.
Bước 2: Đo trên mặt phẳng tham chiếu (area scan)
Các phép đo đƣợc thực hiện tại tất cả các điểm đo trên mặt phẳng tham chiếu. Khoảng cách giữa các điểm đo không quá 8 mm, điểm đo gần nhất với bề mặt bên của khuôn mẫu không nhỏ hơn 20 mm. Khoảng cách tối đa giữa trung tâm hình học của đầu dò điện trƣờng và bề mặt bên trong của khuôn mẫu là 5 mm đối với tần số dƣới 3 GHz. Tại tất cả các điểm đo, góc của đầu dị đối với phƣơng thẳng đứng với bề mặt khuôn mẫu phải nhỏ hơn 50
.
Bước 3: Từ kết quả đo trên mặt phẳng tham chiếu, xác định vị trí điểm
đo có giá trị SARmax (SAR là lớn nhất tại tất cả các điểm đo trên mặt phẳng tham chiếu). Ngoài ra cần xác định các vị trí (điểm đo) khác mà tại đó giá trị SAR lớn nhất tại điểm đó, nằm trong phạm vi 2 dB so với SARmax , các điểm đo này sẽ không nằm trong quá trình đo trong khơng gian phóng to (trong bƣớc 4) của các điểm đo. Khi đo trong khơng gian phóng to tại điểm có SARmax, nếu SAR trung bình không gian nằm trong giới hạn tuân thủ SAR trong khoảng 2 dB (ví dụ: 1 W/kg đối với 1,6 W/kg tính theo giới hạn 1g hoặc 1,26 W/kg đối với 2 W/kg, giới hạn 10g) thì cần phải đo bổ sung bƣớc đo trong khơng gian phóng to tại các điểm đo nêu ở trên.
Bước 4: Đo trong khơng gian phóng to (zoom scan)
Các phép đo trong không gian ba chiều hay khơng gian hình lập phƣơng xung quanh vị trí điểm có giá trị SARmax đƣợc xác định trong bƣớc 3. Bƣớc lƣới ngang phóng to (khoảng cách giữa các điểm đo trên mặt phẳng ngang) là
(24/f [GHz]) mm hoặc nhỏ hơn nhƣng khơng q 8 mm. Kích thƣớc quét phóng to tối thiểu là (30 30 30) mm đối với tần số dƣới 3 GHz. Đối với tần số cao hơn, kích thƣớc qt thu phóng tối thiểu có thể giảm xuống (22 22 22) mm. Bƣớc lƣới theo hƣớng thẳng đứng (khoảng cách giữa 2 mặt phẳng đo liền nhau) phải là (8/f [GHz]) mm hoặc nhỏ hơn nhƣng không quá 5 mm. Nếu khoảng cách thay đổi theo hƣớng thẳng đứng, khoảng cách lớn nhất giữa hai điểm đƣợc đo gần nhất với vỏ khuôn mẫu phải là (12/f [GHz]) mm hoặc nhỏ hơn nhƣng không quá 4 mm và khoảng cách giữa các điểm xa hơn sẽ tăng theo hệ số gia tăng không quá 1,5. Các lƣới riêng biệt sẽ tập trung vào mỗi điểm có SARmax đƣợc tìm thấy trong bƣớc 3. Việc thực hiện đo trong không gian phóng to là nhằm xác định SAR xung quanh điểm SARmax (ở bƣớc 2 và 3), từ đó tính giá trị SAR trung bình khơng gian ở bƣớc 5.
Bước 5: Tính giá trị SAR trung bình khơng gian theo 1g hoặc 10g. Tùy
thuộc vào yêu cầu tính giá trị trung bình khơng gian SAR 1g hay SAR 10g (đƣợc quy định ở mỗi quốc gia khác nhau), giá trị SAR trung bình khơng gian đƣợc tính bằng trung bình cộng của các giá trị SAR đo từ bƣớc 4.
Bước 6: Lặp lại phép đo SAR tại điểm tham chiếu nhƣ ở bƣớc 1. So sánh
giá trị SAR tại bƣớc 6 và bƣớc 1. Nếu sai lệch giữa hai giá trị đo là nhỏ hơn 5% thì kết quả đo là đáng tin cậy. Nếu sai lệch quá 5% thì kiểm tra các thiết bị, thực hiện lại qui trình đo từ đầu.
Hình 1.9 là ví dụ mơ tả các điểm đo trên mặt phẳng tham chiếu và khơng gian đo trong phóng to. Nhƣ vậy, để xác định SAR của thiết bị, quy trình đo cơ bản cần thực hiện các phép đo tại tất cả các điểm đo trên mặt phẳng tham chiếu để xác định điểm có giá trị SARmax. Tiếp đến là đo trong khơng gian phóng to xung quanh vị trí điểm có giá trị SARmax. Tính trung bình giá trị SAR đo đƣợc tại các điểm đo trong phép đo trong khơng gian phóng to, cho kết quả SAR trung bình khơng gian của thiết bị.
Đo trong khơng gian phóng to
5mm
Các mặt phẳng đo tham chiếu Khn mẫu phẳng Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Điểm đo z x y 8mm 8mm
Hình 1.9. Một ví dụ mơ tả đo trên mặt phẳng tham chiếu
và đo trong khơng gian phóng to
1.4. Đánh giá về kỹ thuật đo SAR hiện nay
Trên cơ sở những phân tích tổng quan về các kỹ thuật đo đã trình bày trong phần mở đầu, luận án có những đánh giá về kỹ thuật đo SAR hiện nay nhƣ sau:
Đối với thiết bị vơ tuyến có 1 anten phát, kỹ thuật đo SAR đã đƣợc chỉ ra rất cụ thể và tuân thủ quy trình đo theo tiêu chuẩn đo IEC 62209-2 [10].
Đối với các thiết bị vơ tuyến có nhiều anten phát, với những kỹ thuật đo đã đƣợc công bố, khi tiến hành đo SAR cịn tồn tại 2 vấn đề khó khăn cần phải nghiên cứu giải quyết, đó là thời gian đo [6], [9]-[12] cũng nhƣ sai số khi xác định SAR [2], [13], [32], [45], [47] còn lớn, đặc biệt là khi số lƣợng anten phát lớn.
Để giảm thời gian đo, giải pháp hiệu quả đang đƣợc tập trung nghiên cứu là sử dụng kỹ thuật ƣớc lƣợng. Một số kỹ thuật ƣớc lƣợng tiêu biểu đã đƣợc 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 ƣớc lƣợng này vẫn còn tồn tại một số hạn chế nhƣ:
- Chỉ phân tích, đánh giá giới hạn với thiết bị vơ tuyến có hai anten phát [28], [30], [47] mà chƣa có báo cáo về đo SAR khi số lƣợng anten phát tăng thêm (lớn hơn 2).
- Chỉ phân tích, kiểm tra với một số ít chủng loại anten và đánh giá với các tổ hợp sai pha đặc biệt [28], [47], do đó cịn hạn chế về khả năng ứng dụng khi cần đánh giá SAR cho nhiều chủng loại anten khác nhau.
- Việc tính tốn xác định SAR thông qua các tham số ƣớc lƣợng còn phức tạp, khối lƣợng tính tốn lớn (điều này cũng dẫn đến làm tăng thời gian đo), đặc biệt là khi số lƣợng anten phát lớn [20], [21].
- Việc kiểm chứng bằng thực nghiệm đo đạc trên các hệ thống đo thực tế còn bị hạn chế cả về chủng loại và số lƣợng anten [20], [21], [28], [30], [47] dẫn đến độ tin cậy, tính thuyết phục của các kỹ thuật ƣớc lƣợng đƣợc đề xuất chƣa cao.
Về vấn đề sai số, trong các cơng trình nghiên cứu về kỹ thuật đo SAR đã đƣợc công bố ở cả trong và ngồi nƣớc, chƣa có cơng trình nào đề cập đến việc phân tích và đánh giá các yếu tố ảnh hƣởng có thể gây ra sai số, làm sai lệch kết quả đo so với kỹ thuật ƣớc lƣợng khi xác định SAR của các thiết bị vô tuyến. Các yếu tố ảnh hƣởng chƣa đƣợc đề cập này bao gồm:
- Ảnh hƣởng của việc thiết lập các tham số của hệ thống đo SAR: Thiết lập sai pha chƣa chính xác, việc đặt lại đầu dị điện trƣờng chƣa chính xác.
- Ảnh hƣởng của xác định mặt phẳng đo tham chiếu.
- Ảnh hƣởng của việc đơn giản hoá các giả thiết ƣớc lƣợng khi xây dựng mơ hình thuật toán ƣớc lƣợng SAR đối với: Kích thƣớc khn mẫu, tần số phát, số lƣợng anten phát, và một số yếu tố ảnh hƣởng khác.
1.5. Định hƣớng nghiên cứu của luận án
Từ những vấn đề về lý thuyết và thực tế kỹ thuật đã trình bày ở phần mở đầu, các đánh giá ở mục 1.4 về các kỹ thuật đo SAR, ta thấy rằng việc xác
định SAR của các thiết bị vô tuyến nhiều anten phát thông qua các kỹ thuật ƣớc lƣợng là hƣớng nghiên cứu có tính khả thi trong ứng dụng, tiêu biểu là các kỹ thuật ƣớc lƣợng sử dụng đầu dò điện trƣờng vô hƣớng đƣợc đề xuất trong [20], và kỹ thuật ƣớc lƣợng sử dụng đầu dò điện trƣờng véc-tơ trong [21]. Vì vậy, luận án sẽ tập trung nghiên cứu bổ sung hoàn thiện các kỹ thuật ƣớc lƣợng đã đƣợc đề xuất trong hai cơng trình này, từ đó đề xuất kỹ thuật ƣớc lƣợng mới với mục tiêu giảm tối đa thời gian đo, tính tốn đơn giản hơn và kết quả xác định SAR phải có sai số nằm trong giới hạn tiêu chuẩn đo cho phép, đồng thời kỹ thuật ƣớc lƣợng đƣợc đề xuất phải có tính ứng dụng cao.
Với định hƣớng đó, trong các chƣơng tiếp theo, luận án tập trung nghiên cứu và trình bày các vấn đề nhƣ sau:
Chƣơng 2 gồm các nội dung:
- Nghiên cứu bổ sung và hoàn thiện kỹ thuật ước lượng sử dụng đầu dị điện trường vơ hướng trong [20]:
Phân tích cơ sở lý thuyết và đánh giá kỹ thuật ƣớc lƣợng sử dụng đầu dị điện trƣờng vơ hƣớng trong [20].
Phân tích kết quả kiểm chứng bằng thực nghiệm đo đạc với trƣờng hợp hai anten phát. Bổ sung kiểm chứng kỹ thuật ƣớc lƣợng sử dụng đầu dị điện trƣờng vơ hƣớng trong [20] bằng thực nghiệm đo đạc với một mơ hình thiết bị có ba anten phát. Từ kết quả kiểm chứng, đánh giá sai số ƣớc lƣợng trong trƣờng hợp số lƣợng anten phát tăng.
- Đề xuất một kỹ thuật ước lượng và quy trình đo nhanh SAR của thiết bị vơ tuyến nhiều anten phát sử dụng đầu dò điện trường véc-tơ:
Dựa trên cơ sở lý thuyết ƣớc lƣợng trong cơng trình [21] và kết hợp với ý tƣởng bật/tắt tuần tự các anten trong các cơng trình [13], [45], tiến hành nghiên cứu xây dựng mơ hình tốn học ƣớc lƣợng cƣờng độ điện trƣờng hay SAR, đề xuất kỹ thuật ƣớc lƣợng và qui trình đo nhanh SAR của thiết bị vơ
tuyến nhiều anten phát sử dụng đầu dò điện trƣờng véc-tơ dựa trên việc bật/tắt tuần tự các anten phát.
Kiểm chứng so sánh kết quả ƣớc lƣợng SAR giữa lý thuyết ƣớc lƣợng đề xuất và kết quả từ mô phỏng với một số cấu hình anten điển hình. Kết quả theo kỹ thuật ƣớc lƣợng đề xuất cũng đƣợc so sánh với kết quả ƣớc lƣợng theo kỹ thuật ƣớc lƣợng sử dụng đầu dò điện trƣờg véc-tơ trong [21].
Chƣơng 3 gồm các nội dung:
- Phân tích, đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến việc xác định SAR.
- Xây dựng các mơ hình kiểm chứng và thực hiện mơ phỏng kiểm chứng trên các mơ hình đó với các kỹ thuật ước lượng sử dụng đầu dò điện trường vô hướng trong [20], kỹ thuật ước lượng sử dụng đầu dò điện trường véc-tơ trong [21] và kỹ thuật ước lượng đề xuất để đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến việc xác định SAR.
Các yếu tố ảnh hƣởng đƣợc xem xét, đánh giá bao gồm:
Ảnh hƣởng của việc thiết lập các tham số của hệ thống đo SAR: Thiết lập sai pha khơng chính xác.
Ảnh hƣởng của xác định mặt phẳng đo tham chiếu.
Ảnh hƣởng của việc đơn giản hoá các giả thiết ƣớc lƣợng khi xây dựng mơ hình tốn học ƣớc lƣợng SAR đối với: Kích thƣớc khn mẫu, tần số phát, số lƣợng anten phát.
1.6. Kết luận chƣơng 1
Chƣơng 1 đã trình bày tổng quan những vấn đề về đo SAR của thiết bị vô tuyến, bao gồm: Khái niệm về SAR, các hệ thống đo SAR đang đƣợc sử dụng hiện nay và quy trình đo SAR theo các tiêu chuẩn quốc tế. Chƣơng này cũng trình bày tóm tắt đánh giá ƣu điểm và hạn chế của các kỹ thuật đo SAR hiện có khi dùng cho thiết bị vô tuyến nhiều anten phát, từ đó rút ra những vấn đề tồn tại cần giải quyết và định hƣớng nghiên cứu của luận án.
CHƢƠNG 2:
NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT KỸ THUẬT ƢỚC LƢỢNG SAR CỦA THIẾT BỊ VÔ TUYẾN NHIỀU ANTEN PHÁT
Trong chƣơng này, luận án tập trung trình bày các nghiên cứu bổ sung và hoàn thiện kỹ thuật ƣớc lƣợng sử dụng đầu dị điện trƣờng vơ hƣớng trong [20]; phát triển kỹ thuật ƣớc lƣợng sử dụng đầu dò điện trƣờng véc-tơ trong [21], từ đó đề xuất kỹ thuật ƣớc lƣợng và qui trình đo SAR mới sử dụng đầu dị điện trƣờng véc-tơ dựa trên việc bật/tắt tuần tự các anten phát.
Các mơ hình kiểm chứng bằng mơ phỏng và đo đạc thực nghiệm trong chƣơng này cũng nhƣ trong toàn bộ luận án đƣợc thực hiện trên các mẫu anten chấn tử và anten IFA, đây là các loại anten đƣợc sử dụng trong các phòng đo tiêu chuẩn (anten chấn tử) và là các anten cơ sở để xây dựng các anten thực tế dùng trong các thiết bị cầm tay. Các tần số đƣợc chọn để kiểm chứng là 1,9 GHz; 2,14 GHz đƣợc sử dụng phổ biến cho các thiết bị thông tin di động và 2,45 GHz dùng cho thiết bị thu/phát wifi.
Để đơn giản trong cách viết, từ đây về sau trong luận án sử dụng các cụm từ “kỹ thuật [20]” thay cho cụm từ “kỹ thuật ƣớc lƣợng sử dụng đầu dị điện trƣờng vơ hƣớng [20]” và “kỹ thuật [21]” thay cho “kỹ thuật ƣớc lƣợng sử dụng đầu dò điện trƣờng véc-tơ [21]”.
2.1. Nghiên cứu bổ sung kỹ thuật ƣớc lƣợng SAR sử dụng đầu dị điện trƣờng vơ hƣớng trƣờng vô hƣớng
2.1.1. Cơ sở lý thuyết và quy trình đo SAR sử dụng đầu dị điện trường vơ hướng
2.1.1.1. Mơ hình tốn học ước lượng SAR
Trong cơng trình [20], cơng thức tốn học ƣớc lƣợng đƣợc xây dựng trên cơ sở xét bài toán tổng quát, với thiết bị vơ tuyến có N anten phát gần cơ thể
sinh học và chúng ta cần đo cƣờng độ điện trƣờng hoặc SAR tại một điểm bất kỳ trên cơ thể đó. Có thể giả thiết rằng mỗi anten đƣợc kích thích bởi một nguồn kích thích có cùng tần số, đặt nn1,...,N là các pha của các nguồn