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

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử C. V. Hải, L. Đ. Thành, N. H. Hoàng, “Đánh giá một số yếu tố nhiều ăng ten phát.” 44 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 Hoàng Tóm tắt: Trong bài báo này, chúng tôi 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. Mô phỏng kiểm chứng với các mô hình kích thước đặc trưng của phantom phẳng và nguồn bức xạ tại các tần số vô tuyến thông dụng chỉ ra rằng sai số ước lượng SAR gia tăng khi kích thước phantom giảm hoặc 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. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hệ thống thông tin vô tuyến ngày nay đóng vai trò quan trọng trong đời sống xã hội và phát triển kinh tế. Nhằm nâng cao tốc độ và chất lượng truyền tin, nhiều công nghệ mới đã và đang được triển khai nghiên cứu ở các phòng thí nghiệm trên thế giới, trong đó điển hình là các hệ thống thông tin vô tuyến nhiều ăng ten phát. Với các hệ thống thông tin này, việc nghiên cứu tương thích điện từ trường nhằm đảm bảo các thiết bị trong hệ thống không gây nhiễu tới các thiết bị khác và an toàn đối với người sử dụng là một vấn đề thiết thực đặt ra trong thực tế. Đối với các thiết bị bức xạ sóng điện từ sử dụng gần cơ thể con người, ủy ban an toàn về sóng điện từ quốc tế [1, 2] đã quy định sử dụng giá trị hệ số hấp thụ riêng SAR (SAR: Specific Absorption Rate) làm tham số trong an toàn bức xạ điện từ trường. Hệ số hấp thụ riêng SAR được định nghĩa là mức năng lượng điện từ trường được hấp thụ trên mỗi đơn vị khối lượng của một cơ thể sinh học khi cơ thể sinh học đó tiếp xúc với trường điện từ. Giá trị SAR tỷ lệ với bình phương biên độ cường độ điện trường bức xạ:   2 W / KgSAR E  (1) Trong đó:  và  tương ứng là độ dẫn điện ( / )S m và khối lượng riêng ( / 3)Kg m của cơ thể sinh học; E là cường độ điện trường tại điểm đo ( /V m ). Đối với thiết bị vô tuyến thông thường (có 1 ăng ten phát trên mỗi băng tần hoạt động), giá trị SAR của một thiết bị chỉ phụ thuộc vào cường độ điện trường mà không phụ thuộc vào giá trị pha của điện trường tại điểm đo. Kỹ thuật đo và trình tự đo xác định giá trị SAR được chỉ ra tương đối rõ ràng và được quy chuẩn trong các chuẩn đo SAR quốc tế [3-5]. Tuy nhiên, đối với thiết bị có nhiều ăng ten phát đồng thời trên cùng một tần số (chẳng hạn như trong kỹ thuật MIMO – nhiều đầu vào nhiều đầu ra hoặc kỹ thuật ăng ten mạng pha), giá trị cường độ điện trường tại điểm đo phụ thuộc vào giá trị cường độ điện trường bức xạ bởi từng ăng ten và giá trị pha tương đối của chúng. Lý do là vì cường độ điện trường tổng hợp tại điểm đo là tổng véc tơ các cường độ điện trường bức xạ của mỗi nguồn riêng lẻ. Vì thế, việc đo SAR của thiết bị vô tuyến nhiều ăng ten phát trở nên phức tạp và tốn thời gian hơn. Các tiêu chuẩn quốc tế IEEE 1528 [3], IEC/TR 62630 [4], IEC:62209-2 [5] hiện nay khuyến cáo một số kỹ thuật đo SAR cơ bản đối với các thiết bị vô tuyến nhiều ăng ten phát. Các kỹ thuật này cũng được thực hiện trong các nghiên cứu khác [6-8]. Tuy nhiên, các kỹ thuật hiện tại nêu trên tồn tại một số hạn chế như: 1) số lượng phép đo lớn dẫn đến Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 55, 06 - 2018 45 mất nhiều thời gian đo, thậm chí không thể thực hiện khi số lượng ăng ten phát tăng nhiều [3-5]; 2) giá trị SAR xác định có thể sai lệch rất nhiều so với SAR thực tế [6-8]. Để giải quyết vấn đề trên, nhóm nghiên cứu đã đề xuất 3 kỹ thuật ước lượng cho phép giảm số lượng phép đo cần thiết mà vẫn đảm bảo xác định chính xác giá trị SAR của thiết bị vô tuyến nhiều ăng ten phát [9-11]. Trong cả 3 kỹ thuật ước lượng được đề xuất, một số phân tích lý thuyết và kiểm chứng cơ bản với mô hình phantom phẳng đã được thực hiện (xem hình 1) tại tần số 2.45GHz theo tiêu chuẩn IEEE 1528 [3]. Kết quả kiểm chứng ban đầu khẳng định rằng sai số giữa giá trị SAR ước lượng và giá trị đo thực tế là khá nhỏ. Hình 1. Mô hình kích thước phantom phẳng. Tuy nhiên, trong cả 3 kỹ thuật ước lượng này, một số giả thiết đơn giản hóa đã được áp dụng nhằm xây dựng mô hình tính toán cường độ điện trường tại điểm đo.Chẳng hạn, thành phần điện trường phản xạ bên trong mô hình đo (phantom) đã được bỏ qua. Giả thiết này tương đối hợp lý, vì cường độ điện trường suy hao rất nhanh bên trong chất lỏng điện môi, và thành phần phản xạ là khá nhỏ. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, khi số lượng ăng ten là lớn, hoặc khi kích thước phantom nhỏ, hoặc ở tần số thấp (tương ứng suy hao trong môi trường điện môi sẽ ít hơn), các thành phần phản xạ bên trong bề mặt phantom có thể ảnh hưởng tới sai số ước lượng. Thực tế, trong một số kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng sai số giữa kết quả đo đạc thực nghiệm và ước lượng SAR là dưới 1% cho trường hợp 2 ăng ten phát; và sai số lớn nhất là 5.6% cho trường hợp 3 ăng ten phát [12]. Rõ ràng khi số lượng nguồn phát tăng từ 2 lên 3 thì sai số ước lượng tăng đáng kể. Vì vậy, để tiếp tục phát triển và hoàn thiện các kỹ thuật ước lượng trong bài báo này, chúng tôi tập trung nghiên cứu đánh giá sai số ước lượng SAR của thiết bị vô tuyến có nhiều ăng ten phát khi xét tới các yếu tố ảnh hưởng như: kích thước phantom thay đổi; tần số phát thay đổi. 2. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN VÀ THỦ TỤC XÁC ĐỊNH SAR 2.1. Mô hình tính toán Chúng tôi khảo sát tính toán với mô hình: Thiết bị đo kiểm DUT (DUT: Devices Under Test) là 2 ăng ten chấn tử nửa sóng phát tại tần số 1.9GHz và 2.45GHz (đây là các tần số sử dụng phổ biến cho các thiết bị vô tuyến); 2 loại phantom phẳng có kích thước dài, rộng, sâu ( W )L D  tương ứng: (180 120 150) mm  và (90 80 35) mm  ; các kích thước này phù hợp với cơ thể sinh học trưởng thành và sơ sinh theo tiêu chuẩn IEEE 1528[3]. Từ đó hình thành 4 mô hình khảo sát, tính toán cụ thể là: + Mô hình 1: 2.45f GHz và kích thước phantom: ( W ) (180 120 150)L D mm     Kỹ thuật điều khiển & Điện tử C. V. Hải, L. Đ. Thành, N. H. Hoàng, “Đánh giá một số yếu tố nhiều ăng ten phát.” 46 + Mô hình 2: 2.45f GHz và kích thước phantom: ( W ) (90 80 35)L D mm     + Mô hình 3: 1.9f GHz và kích thước phantom: ( W ) (180 120 150)L D mm     + Mô hình 4: 1.9f GHz và kích thước phantom: ( W ) (90 80 35)L D mm     Thông số của ăng ten và các thông số kích thước phantom phẳng, độ dẫn điện, hằng số điện môi, mật độ khối lượng riêng của chất lỏng phantom theo tiêu chuẩn IEEE 1528 [3] (xem trong bảng 1, bảng 2). Mặt phẳng đo nằm trên mặt phẳng Y1, cách DUT là 10mm, các điểm đo cách đều nhau 4mm (xem hình 2). Bảng 1. Thông số của ăng ten. Tham số Giá trị Bán kính của ăng ten 1.8 mm Chiều dài tổng thể ăng ten / 2 Khoảng cách giữa 2 chấn tử liền kề / 4 Khoảng cách giữa chất lỏng và DUT 10 mm Bảng 2. Thông số kích thước của phantom phẳng. Tham số Giá trị Kích thước phantom phẳng: ( WL D  ) Loại 1: (180 120 150)mm  Loại 2: (90 80 35)mm  Vỏ phantom phẳng 2 mm Hằng số điện môi tương đối của chất lỏng ( r ) Phantom loại 1: 39.2 Phantom loại 2: 36 Độ dẫn điện chất lỏng ( ) Phantom loại 1: 1.8 /S m Phantom loại 2: 4.66 /S m Khối lượng riêng chất lỏng phantom (  ) 31000 /Kg m Thực tế hiện nay trên thế giới, các phòng đo SAR theo chuẩn quốc tế là chưa phổ biến, chỉ được trang bị tại một số phòng thí nghiệm chuyên dụng nên việc tiếp cận và tiến hành các thủ tục đo thực tế trong phòng đo là rất khó khăn. Do vậy, số liệu kiểm chứng và tính toán trong bài báo này được lấy từ chương trình mô phỏng ăng ten chuyên dụng CST STUDIO SUITE (Computer Simulation Technology) để thay thế cho dữ liệu đo thực tế [13]. 2.2. Thủ tục xác định giá trị SAR 2.2.1. Thủ tục đo SAR cơ bản Đối với việc đo SAR theo các chuẩn quốc tế IEEE1528 [3] hay IEC62209 [4,5], thủ tục đo SAR phải thực hiện qua 2 bước đo cơ bản: i) đo trong một mặt phẳng xác định (gọi là area scan), và ii) đo trong một không gian hình lập phương xung quanh điểm có giá trị SAR lớn nhất trong mặt phẳng đo ở bước i (được gọi là zoom scan). Giá trị SAR lớn nhất cần được xác định là giá trị SAR trung bình theo không gian (spatial-averaged SAR), được tính là trung bình SAR của các điểm đo trong bước ii (xem hình 2). Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 55, 06 - 2018 47 Hình 2. Biểu diễn 2 bước đo xác định SAR. 2.2.2. Quy trình xác định SAR theo kỹ thuật ước lượng Hình 3. Quy trình đo E (hay SAR) của thiết bị vô tuyến có 2 ăng ten phát sử dụng 3 kỹ thuật ước lượng [9-11]. 48 chúng tôi ti hình 3) lượng SAR lớn nhất nhanh chóng đ Trong quy trình probes) và đ tin v pha và biên đ ứng với sai pha từ 0 số kỹ thuật SAR ước l 360 ứng tại mỗi điểm đo sẽ xác định đ trên m Trên cơ s ề bi Dữ liệu đo c ước l Để đánh giá sai số giữa kết quả est ư Hình 4 bi 0 ư tương ợng đ với b ặt phẳng Y1 cho từng tr C. V. H để xác địn ên đ ợng. ước l ư ở phân tích lý thuyết đ ến h ầu d ộ điện tr ộ của điện tr ược tính theo công thức: ểu diễn các giá trị ớc pha l ải, L. Đ. Th ành các bư đo trên s ò véc t ường độ điện tr ượng n ứng với SAR 4a) Mô hình 1; 4b) Mô hình 2; 4c) Mô hình 3; 4d) Mô hình 4. h các tham s à 1 ường tại điểm đo, trong khi đó đầu d 0 đến 360 êu trên, chúng tôi ký hi 0 ử dụng 2 loại đầu d ơ [15 ư Sai so trên cùng m Hình 4. ành, N. H. Hoàng ớc đo theo quy tr ] ờng. ư 3. ố (vector probes). Đ ư 0 (trong đó bư ớc l K ư ường hợp sai pha cụ thể v ước l ờng (hay SAR) v ượng lớn nhất theo quy tr   ẾT QUẢ V ớc l ư Bi ã đư ư ước l 100 ( ) ư ột mặt phẳng đo Y1 (biết rằng, với mỗi sai pha t ợc 1 giá trị SAR, qua đó xá ểu diễn giá trị SAR lớn nhất: ợc tr ượng cho từng kỹ thuật đề xuất. Từ đó giá trị ợc xác định t ư ợng SAR lớn nhất t , “ ình ớc pha l ợng SAR lớn nhất v SAR SAR Đánh giá m ình bày chi ti đo SAR c ò đi ệu: est sim À TH ện tr ầu d à d SAR  ương ư ò vô h ữ liệu à 15 ẢO LUẬN ờng l sim à g ột số yếu tố ết trong các nghi ủa thiết bị có 2 ăng ten phát (xem ứng với sai pha à đ ư ò véc t ư 0) s tương ương ọi chung l K ầu d ớng chỉ có thể cung cấp thông ớc l ẽ đ à giá tr ình trên hình 3. Khi ỹ thuật điều khiển & Điện tử ơ cung c ư ược sử dụng để so sánh sai ứng với SAR đo thực tế;  0 ứng tại sai pha từ 0 c đ ò vô h ợng SAR lớn 0 ịnh đ à SAR nhi ị đo thực tế cho cả 3 ều ăng ten phát ướng ấp thông tin cả về ược SAR lớn nhất ên c  max). ứu [9 max [14 nh c ] (scalar ất t đó, -11], ư ụ thể ương sai s 0 đ ương .” ớc . ố (2) ến Nghiên c Tạp chí Nghi điểm đánh dấu chấm đen l đến 360 thấy các đ khá tương đ đen sai l hiện sai s đồng, sai lệch lớn nhất giữa các kỹ thuật mô hình 3 so v 0.7% (0.6% so v Từ các giá trị SARmax n Hình 4a, 4b, 4c, 4d l Hình 5 th Mô hình 1 (hình 5a), sai s Mô hình 2 (hình 5b), sai s Mô hình 3 (hình 5c), sai s Mô hình 4 (hình 5d), sai s Từ kết quả tr + V + Khi kích thư 0 ới cả 3 kỹ thuật ứu khoa học công nghệ với b ư ệch lớn nhất so với đ ố ư ên c ờng bi ồng. Các điểm đen phân bố tr ớc l Hình 5. ể hiện sai số ứu KH&CN ước pha 15 ư 5a)Mô hình 1; 5b) Mô hình 2; 5c) Mô hình 3; 5d) Mô hình 4. ên hình 5, n ới mô h ới 1.3%, 1.5% so với 2.2%). ểu diễn giá trị ợng l ớc phantom giảm, tần số phát không đổi (mô h à khá l Sai s ư ình 4) thì sai s 0. ần l ố ư ớc l quân s ày, d à giá tr ư ớn. ước l ớc l ố ố ố ố hận thấy sai số ư ợt t ường biểu diễn ượng SAR của 4 mô h ước l ước l ước l ước l ợng đề xuất, đ ự, ễ d ị SARmax tính toán từ dữ liệu mô phỏng tại sai pha từ 0 ương ước l ượng SAR t Số àng xác đ ượng SAR lớn nhất nhỏ h ượng SAR lớn nhất khoảng 1.3%. ượng SAR lớn nhất gần bằng 1.5%. ượng SAR lớn nhất khoảng 2.2%. ố ư 55 ứng với 4 mô h ượng SAR lớn nhất cho cả 3 kỹ thuật ư ớc l , 06 ên hình v ương ước l ư ớc l ư - 20 ịnh ước l ờng biểu diễn sai số ượng ch ợng lớn nhất có tăng nh 18 ứng tại sai pha kiểm chứng: ượng thay đổi nh đư ẽ cho 4 mô h ượng SAR l ình tính toán, c ợc giá trị SARmax lớn nhất. Những ình kh ưa đến 1%. ảo sát, quan sát h ơn 0.6%. ình là r à trên hình 4d, ư sau: ư ình ụ thể: ớc l 1 so v ưng không nhi ất khác nhau. Điểm ượng l ới mô h ư à khá tương ình 4, nh ớc l điều n ư ình 2; ều d ợng l ày th ư 49 0 ận à ể ới Kỹ thuật điều khiển & Điện tử C. V. Hải, L. Đ. Thành, N. H. Hoàng, “Đánh giá một số yếu tố nhiều ăng ten phát.” 50 + Khi tần số phát giảm, kích thước phantom không đổi (mô hình 1 so với mô hình 3; mô hình 2 so với mô hình 4) thì sai số ước lượng lớn nhất tăng khá rõ khoảng 1% (0.6% so với 1.5%, 1.3% so với 2.2%). + Khi cả tần số phát và kích thước phantom giảm (mô hình 1 so với mô hình 4) thì sai số ước lượng lớn nhất tăng cao gần 2% (0.6% so với 2.2%). 4. KẾT LUẬN Trong bài báo, chúng tôi đã sử dụng 3 kỹ thuật ước lượng để xác định giá trị SAR lớn nhất của thiết bị vô tuyến có 2 ăng ten phát. Với 4 mô hình kiểm chứng cho thấy, khi kích thước phantom hay tần số phát thay đổi thì sai số ước lượng lớn nhất chỉ khoảng 2.2%. Sai số lớn nhất này nằm trong giới hạn tiêu chuẩn đo lường quốc tế, điều này khẳng định tính chính xác của các kỹ thuật ước lượng đề xuất. Tuy nhiên, khi kích thước phantom giảm hoặc tần số phát giảm thì sai số ước lượng đều gia tăng (sai lệch lớn nhất gần 2%). Biết rằng, các dữ liệu kiểm chứng được lấy từ chương trình mô phỏng, trong các phép đo thực tế sai số có thể lớn hơn nhiều vì chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố bên ngoài. Với 3 kỹ thuật ước lượng được đề cập, nghiên cứu trong phạm vi bài báo này, khi ứng dụng đo SAR cho thiết bị vô tuyến nhiều ăng ten phát trong thực tế cần chú ý đến từng mô hình đo cụ thể. Các kỹ thuật ước lượng trên có thể cho sai số rất lớn khi kích thước phantom hay tần số hoạt động tại thông số nào đó, vì vậy cần được phát triển, kiểm chứng ở các nghiên cứu tiếp theo. 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 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 ," 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. 1373- 1376. [8]. T. Iyama and T. Onishi, "Maximum Average SAR Measurement Procedure for Multi- Antenna 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 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 55, 06 - 2018 51 (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, [15]. ART-MAN by ART-Fi, 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 bài ngày 11 tháng 3 năm 2018 Hoàn thiện ngày 03 tháng 4 năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 08 tháng 6 năm 2018 Địa chỉ: Học viện Kỹ thuật quân sự. * Email: chuhait1@gmail.com.