1.2.1.1. Khuôn mẫu trong hệ thống đo sử dụng đầu dị điện trường vơ hướng
Khn mẫu đóng vai trị nhƣ đối tƣợng mẫu với các tham số tƣơng đƣơng các tham số da và mô của cơ thể ngƣời. Khuôn mẫu đƣợc tạo ra bởi 2 thành phần: Vỏ khuôn mẫu (phantom shell) và chất lỏng trong khuôn mẫu (phantom liquid).
Vỏ khuôn mẫu: Đƣợc đổ khn tạo hình ngƣời bằng vật liệu sợi thủy tinh composit, chất liệu chế tạo đảm bảo có hệ số hấp thụ điện từ thấp.
Chất lỏng trong khuôn mẫu: Đƣợc sử dụng là chất điện môi với các tham
số đặc trƣng nhƣ độ điện thẩm tƣơng đối, độ dẫn điện, khối lƣợng riêng đã đƣợc tính tốn, có tính đến các tính chất của mơ não ngƣời và những tác động phù hợp với các lớp mơ ngồi (ví dụ nhƣ da, xƣơng sọ và các bộ phận khác của cơ thể) để cung cấp một giá trị điện môi ƣớc lƣợng tƣơng đƣơng nhƣ trên cơ thể ngƣời thật. Chất lỏng này là hỗn hợp nƣớc, đƣờng, muối gốc chloride, chất điện giải (sodium chloride, de-ionized water, hydroxyethyl cellulose, bactericide, diethylene glycol butyl ether, triton x-100, diacetin, 1,2- propanediol,…). Do vậy, chất lỏng bên trong khuôn mẫu là môi trƣờng hấp
thụ sóng điện từ mạnh. Tham số của chất lỏng phụ thuộc vào tần số phát và đƣợc xác định theo quy chuẩn đo quốc tế IEEE 1528 [12] nhƣ trong bảng 1.2.
Bảng 1.2: Thông số điện môi của chất lỏng tương đương mô đầu người
trong dải tần từ 300 MHz đến 6000 MHz [12, tr.39]
Tần số (MHz) Hằng số điện môi tƣơng đối (ε) Độ dẫn điện σ (S/m)
300 45,3 0,87 450 43,5 0,87 750 41,9 0,89 835 41,5 0,90 900 41,5 0,97 1450 40,5 1,20 1500 40,4 1,23 1640 40,2 1,31 1750 40,1 1,37 1800 40,0 1,40 1900 40,0 1,40 2000 40.0 1.40 2100 39,8 1,49 2300 39,5 1,67 2450 39,2 1,80 2600 39,0 1,96 3000 38,5 2,40 3500 37,9 2,91 4000 37,4 3,43 4500 36,8 3,94 5000 36,2 4,45 5200 36,0 4,66 5400 35,8 4,86
5600 35,5 5,07
5800 35,3 5,27
6000 35,1 5,48
Tùy theo cấu trúc bài đo hoặc phƣơng pháp đo của robot mà trong thực tế ngƣời ta sử dụng hai dạng mơ hình khn mẫu khác nhau là khuôn mẫu SAM và khuôn mẫu phẳng.
Khuôn mẫu cơ thể đặc trưng (khn mẫu SAM): Đây là mơ hình khn
mẫu chun dụng đƣợc tạo hình giống cơ thể ngƣời có kích thƣớc 1:1 so với thực tế (lấy kích thƣớc trung bình của ngƣời trƣởng thành, lấy mẫu trung bình từ kích thƣớc mũ bảo vệ của lực lƣợng bộ binh trong quân đội Mỹ). Một dạng của khuôn mẫu SAM là khuôn mẫu đầu ngƣời (head phantom) thƣờng đƣợc sử dụng để đo SAR của điện thoại di động (trong thực tế, điện thoại di động thƣờng đƣợc đặt gần đầu ngƣời khi đàm thoại). Kích thƣớc của khn mẫu đầu ngƣời đƣợc lấy từ kích thƣớc đầu của 1000 quân nhân quân đội Mỹ, sau đó ngƣời ta tính tốn đƣợc kích thƣớc chuẩn về hình dạng, khoảng cách giữa các bộ phận nhƣ tai, mũi, mắt… để đƣa ra mơ hình tiêu chuẩn của khn mẫu. Mặt phẳng để đo SAR cho khuôn mẫu đầu ngƣời đƣợc quy định là mặt phẳng chứa 3 điểm: Điểm chính giữa tai trái, điểm chính giữa tai phải và điểm chính giữa của miệng nhƣ trên hình 1.3.
Khn mẫu phẳng: Mơ hình này thƣờng đƣợc sử dụng cho các phép đo
SAR của các thiết bị vơ tuyến nhƣ máy tính xách tay, máy tính bảng, bộ định tuyến wifi,… Các tham số cơ bản của khuôn mẫu phẳng gồm: Kích thƣớc (chiều dài, rộng, sâu, vỏ khuôn mẫu) và thông số chất lỏng trong khuôn mẫu. Ngoài ra, tùy thuộc vào tần số làm việc của thiết bị cần đo kiểm mà các tham số của khuôn mẫu phẳng đƣợc đề xuất cụ thể trong tiêu chuẩn quốc tế IEEE 1528 [12] ở bảng 1.3. Mơ hình khn mẫu phẳng với kích thƣớc theo các chiều: Dài rộng sâu (L W D) nhƣ hình 1.4.
Vỏ khuôn mẫu phẳng Chất lỏng trong khuôn mẫu phẳng z y x Chiều dài C hi ều s âu Chiều rộng Hình 1.4: Mơ hình khn mẫu phẳng
Bảng 1.3: Tham số của khuôn mẫu phẳng theo tần số [12, tr.126]
Tần số (MHz) Độ dày vỏ khuôn mẫu (mm) Từ thẩm vỏ khn mẫu Kích thƣớc khn mẫu L, W, D (mm) 300 6,3 3,7 1000, 800, 170 300 2,0 3,7 1000, 800, 170 450 6,3 3,7 700, 600, 170 450 2,0 3,7 700, 600, 170
750 2,0 3,7 700, 600, 170 835 2,0 3,7 360, 300, 150 900 2,0 3,7 360, 300, 150 1450 2,0 3,7 240, 200, 150 1500 2,0 3,7 220, 160, 150 1640 2,0 3,7 220, 160, 150 1750 2,0 3,7 220, 160, 150 1800 2,0 3,7 220, 160, 150 1900 2,0 3,7 220, 160, 150 1950 2,0 3,7 220, 160, 150 2000 2,0 3,7 160, 140, 150 2100 2,0 3,7 160, 140, 150 2300 2,0 3,7 160, 140, 150 2450 2,0 3,7 180, 120, 150
Hình 1.5 là một ví dụ về mơ hình khn mẫu phẳng trong hệ thống đo Dasy 6 [41], gồm có ba khn mẫu phẳng giống nhau với kích thƣớc và tham số chất lỏng xem trong [10].
1.2.1.2. Thiết bị đo
Thiết bị đo gồm ba thành phần cơ bản: Đầu dị điện trƣờng vơ hƣớng, robot điều khiển và máy tính xử lý và hiển thị dữ liệu.
Đầu dị điện trường vơ hướng: Đƣợc tạo bởi lớp vỏ plastic, ống dẫn điện
môi và cảm biến điện trƣờng, trong đó bộ phận quan trọng nhất là cảm biến điện trƣờng. Cảm biến điện trƣờng thực chất là một bộ cảm biến tạo thành từ ba anten lƣỡng cực đƣợc bố trí cận trực giao với nhau trong không gian của đầu dị. Cấu tạo đầu dị điện trƣờng vơ hƣớng nhƣ hình 1.6. Dữ liệu đo từ cảm biến điện trƣờng của đầu dò cho biết biên độ điện trƣờng và hiển thị ở máy tính xử lý dữ liệu.
Hình 1.6: Đầu dị điện trường vơ hướng [12, tr.22]
Robot điều khiển: Là cơ cấu cơ khí bảo đảm sự ổn định và chính xác cực
cao khi hiệu chỉnh vị trí đầu dị điện trƣờng vơ hƣớng trong không gian ba chiều. Robot này đƣợc điều khiển để tạo đƣợc sơ đồ đo đạc trong khuôn mẫu theo yêu cầu.
Máy tính xử lý và hiển thị dữ liệu: Dùng để điều khiển robot di chuyển
đến các vị trí (điểm đo) khác nhau và tính tốn, xử lý dữ liệu đƣợc gửi về từ đầu dị điện trƣờng vơ hƣớng, hiển thị dữ liệu.
Ống dẫn điện mơi Điot tách sóng Trục đầu dị Đƣờng dây trở kháng cao Lớp vỏ plastic Lƣỡng cực Độ lệch cảm biến Đỉnh đầu dò
1.2.1.3. Thiết bị đo kiểm DUT
DUT: Thiết bị đo kiểm là các thiết bị vô tuyến cần đo SAR nhƣ điện thoại, máy tính, máy tính bảng hoặc các thiết bị cầm tay khác. Để đảm bảo các thiết bị này hoạt động ở trạng thái bình thƣờng trong q trình đo (có kết nối thông tin), hệ thống đo sẽ bao gồm thêm các thiết bị khác nhƣ máy tạo giả tín hiệu (để kết nối với thiết bị đo trong quá trình đo), các hệ thống gá đỡ và chân đế để cố định thiết bị cần đo trong thời gian đo kiểm. Trong một số phép đo hiệu chuẩn, anten chấn tử nửa sóng tiêu chuẩn thƣờng đƣợc sử dụng để thay thế thiết bị đo. Khi đó, hệ thống đo có thêm máy phát tín hiệu, bộ khuếch đại cơng suất, bộ ghép định hƣớng,… nhằm đảm bảo đo kiểm và hiệu chỉnh ở các chế độ khác nhau.
1.2.1.4. Hệ thống gá đỡ và chân đế giữ thiết bị
Đây là hệ thống bảo đảm cố định vị trí DUT với khn mẫu, nhằm đảm bảo tác động điện từ bởi thiết bị lên khuôn mẫu là đồng nhất, khơng có sự thay đổi trong suốt tiến trình đo đạc. Ngồi ra hệ thống cố định này còn cho phép điều chỉnh thay đổi linh hoạt vị trí tƣơng đối của thiết bị kiểm thử so với khn mẫu nhằm mơ phỏng các thói quen khai thác thiết bị ở các vị trí khác nhau, cách cầm nắm thiết bị khác nhau.
1.2.1.5. Hoạt động của hệ thống đo
Thiết lập một bài đo theo các dữ liệu cho trƣớc: Công suất phát; số lƣợng anten phát (số nguồn phát), cấu hình và tham số của anten; dạng tín hiệu đo; khn mẫu; lựa chọn mặt phẳng đo; cài đặt vị trí và số lƣợng các điểm đo.
Hoạt động của hệ thống đo đối với một bài đo hiệu chỉnh thông thƣờng nhƣ sau:
Máy phát tín hiệu tạo ra các tín hiệu theo u cầu đo (ví dụ tín hiệu hình sin không điều chế, hoặc các dạng điều chế khác nhau), chúng đƣợc đƣa đến các anten thông qua bộ ghép định hƣớng bằng các cáp đồng trục. Thông qua
bộ ghép định hƣớng, một phần tín hiệu đƣợc đƣa tới máy đo công suất để kiểm tra sự ổn định của cơng suất phát trong suốt q trình đo. Cơng suất phát của tín hiệu là tùy chọn nhƣng phải phù hợp với đặc tính của các anten.
Từ máy tính, ngƣời đo thực hiện các thiết lập nhƣ xác định mặt phẳng đo, vị trí và số lƣợng các điểm đo,… Phần mềm điều khiển sẽ điều khiển cánh tay robot di chuyển đầu dị điện trƣờng vơ hƣớng đến các điểm đo đã đƣợc thiết lập cho mỗi phép đo.
Thông tin về biên độ điện trƣờng tại các điểm đo sẽ đƣợc truyền từ đầu dị điện trƣờng về máy tính để xử lý dữ liệu, tính tốn giá trị SAR và lƣu lại.
Thời gian thực hiện một phép đo khoảng 30 phút.
1.2.2. Hệ thống đo sử dụng đầu dò điện trường véc-tơ
Hệ thống đo SAR cơ bản, sử dụng đầu dị điện trƣờng véc-tơ có sơ đồ khối nhƣ hình 1.7. Một hệ thống đo thực tế có sơ đồ khối nhƣ vậy đƣợc mơ tả trên hình 1.8, hệ thống ART-MAN [5]. Máy hiện sóng Nguồn bức xạ (anten) Bộ ghép định hƣớng Máy tạo tín hiệu Watt kế
Khn mẫu
Khối 2
Mạng đầu dị điện trƣờng véc-tơ
Khối 1
Khối 3
Bộ chuyển đổi tín hiệu RF
Robot điều khiển
Khối 4
Bộ biến đổi A/D và xử lý tín hiệu
Khối 5
Máy tính xử lý và hiển thị dữ liệu
Khoảng cách (mm)
Về cơ bản, hoạt động của hệ thống đo sử dụng đầu dò điện trƣờng véc-tơ cũng giống nhƣ hệ thống đo sử dụng đầu dị điện trƣờng vơ hƣớng. Trong hình 1.8 thì đƣờng màu cam trong hình thể hiện tín hiệu đo, cịn đƣờng màu xanh là tín hiệu điều khiển. Chức năng các khối trong hệ thống ART-MAN (tƣơng ứng với các khối trong hình 1.7) đƣợc mô tả nhƣ sau:
- Khối 1: Thiết bị đo kiểm DUT và robot điều khiển
Các hệ thống đo SAR thông thƣờng thực hiện đo SAR của thiết bị đo kiểm trong dải tần từ 690 MHz đến 6000 MHz (theo tiêu chuẩn IEC 62209-2 [10]). Robot điều khiển sẽ điều khiển di chuyển DUT tới khuôn mẫu SAM và khuôn mẫu phẳng tại các vị trí đo đã đƣợc cài đặt. DUT cũng đƣợc nối với máy phát tín hiệu qua cáp đồng trục và đƣợc kiểm tra, thiết lập sai pha.
Thực tế thì robot điều khiển trong hệ thống đo ART-MAN có thể có hoặc khơng, nếu khơng có thì sử dụng tay để đặt DUT tới các vị trí xác định.
Hình 1.8: Hệ thống đo ART-MAN [5]
- 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 dị điện trƣờng vơ 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 khuôn mẫu, vỏ khuôn mẫu, đầu dò tuân 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 (qt) 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 dị 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 dị 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 khơng 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 không quá 8 mm. Kích thƣớc qt phóng to tối thiểu là (30 30 30) mm đối với tần số dƣới 3 GHz. Đối với tần số cao hơn, kích thƣớc quét 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