Hội Thảo
Quốc
GiaGia
2015
vềvề
Điện
Truyền
NghệThông
ThôngTin
Tin(ECIT
(ECIT2015)
2015)
Hội Thảo
Quốc
2015
ĐiệnTử,
Tử,
TruyềnThông
Thôngvà
vàCông
Công Nghệ

Phương Pháp Ước Lượng Giá Trị Hệ Số Hấp Thụ
Riêng (SAR) Của Thiết Bị Di Động Có Đa Ăng-ten
Phát Sử Dụng Gần Cơ Thể Con Người
Chu Văn Hải và Lê Đình Thành

Khoa Vơ Tuyến Điện Tử,
Đại Học Kỹ Thuật Lê Q Đơn
Email: ,
Tóm tắt— Trong bài báo này, chúng tơi trình bày một phương

pháp ước lượng nhanh dùng trong các hệ thống đo sử dụng đầu
dò điện trường vô hướng để xác định hệ số hấp thụ riêng
(Specific Adsorption Rate - SAR) của thiết bị di động có 2 ăng-ten
phát. Đối với thiết bị di động có 2 ăng-ten, 3 phép đo với góc lệch
pha xác định trước sẽ được thực hiện. Từ các kết quả đo này,
các hệ số ước lượng sẽ được tính, và sau đó, SAR với góc pha bất
kỳ nào đó có thể được ước lượng bằng máy tính. Phương pháp
này cho phép ước lượng chính xác SAR, và có thể xác định được
giá trị SAR lớn nhất tương ứng với độ lệch pha cụ thể nào đó
của các ăng-ten.

tần số, việc sử dụng các thiết bị đầu dị vơ hướng đo SAR trở
lên phức tạp hơn và đòi hỏi những kỹ thuật đo đặc biệt. Lý do
là vì tổng cường độ điện trường bức xạ (tương ứng là SAR) là
tổng véc tơ của các nguồn riêng lẻ, do đó các giá trị SAR tại
mỗi điểm đo không chỉ phụ thuộc vào độ lớn của cường độ
điện trường tại điểm đo mà cịn phụ thuộc vào góc pha tương
đối của các ăng-ten.
Một phương pháp cơ bản để đo SAR cho thiết bị đa ăngten phát, được giới thiệu trong [1]-[3], là thực hiện phép đo
với mỗi góc pha xác định thay đổi từ 0 đến 360 độ với một
bước pha nhất định. Ví dụ, với bước pha bằng 5 độ tương ứng
sẽ có 72 phép đo được thực hiện để tìm ra giá trị SAR lớn
nhất ứng với một góc pha cụ thể nào đó. Tổng quát, nếu có N
ăng-ten phát và bước pha là k độ, thì tương ứng có
 36 0 / k  N  1 phép đo lặp đi lặp lại. Rõ ràng, phương pháp đo
thông thường này rất tốn thời gian, thậm chí là khơng khả thi
khi giá trị bước pha là nhỏ, hoặc số lượng của ăng-ten phát
nhiều lên (bởi vì thực tế mỗi phép đo thơng thường hiện nay
mất khoảng 30 phút). Ngồi ra cịn có các nghiên cứu trong
[6], [7] xét đến trường hợp 2 ăng ten phát, và thực nghiệm đo

SAR với giá trị bước pha bằng 45 độ tương ứng có 8 phép đo
được tiến hành để xác định giá trị cực đại của SAR. Tuy
nhiên, do bước pha là khá lớn nên giá trị SAR cực đại tìm
được chưa chính xác, chỉ là gần đúng.
Để giảm thời gian đo, một phương pháp khác đã được giới
thiệu cho kiểm tra việc tuân thủ các hướng dẫn an tồn của
các thiết bị khơng dây [1], [8]. Đây là phương pháp đòi hỏi
phải tắt và mở các ăng-ten phát luôn phiên nhau và tiến hành
đo SAR riêng lẻ với ăng-ten đang mở. Sau đó bằng cách kết
hợp các giá trị SAR riêng lẻ với nhau ta thu được giá trị SAR
tổng. Tuy vậy, hạn chế của phương pháp này là chỉ có thể chỉ
ra giá trị cận trên của SAR, giá trị này quá cao so với SAR
thực tế. Không những vậy, phương pháp này cũng địi hỏi có
các chuyển mạch để bật hoặc tắt các ăng-ten, vì vậy làm cho
hệ thống đo phức tạp hơn.
Trong bài báo này, chúng tôi sẽ đề xuất một phương pháp
đơn giản để ước lượng giá trị SAR cho thiết bị đa ăng-ten
phát. Phương pháp này sẽ giảm thiểu số lần đo cho một góc
pha tương ứng, và ước lượng giá trị SAR cho các góc pha
khác nhau. Cụ thể, với một thiết bị có 2 ăng-ten phát chỉ cần 3
phép đo là xác định được SAR cho một góc pha bất kỳ.

Từ khóa- Hệ số hấp thụ riêng (SAR), nhiều ăng ten phát, đầu
dị điện trường vơ hướng.

I.

GIỚI THIỆU

Hệ số hấp thụ riêng (SAR) được định nghĩa là năng lượng

hấp thụ trên mỗi đơn vị khối lượng của một cơ thể sinh học
khi nó tiếp xúc với trường điện từ. SAR được xác định là hệ số
giới hạn trong tiêu chuẩn an toàn quốc tế RF [1]-[3] và giá trị
của nó tỷ lệ thuận với bình phương cường độ điện trường bức
xạ:

SAR   E

2



 W / Kg 

(1)

Trong đó: σ và ρ tương ứng là các đại lượng đặc trưng cho
độ dẫn điện (S/m) và mật độ khối lượng riêng (kg/m3) của cơ
thể sinh học.
Hiện nay có hai loại đầu dị điện trường được sử dụng để
đo SAR trong các hệ thống phòng đo SAR [4], [5] gồm đầu dò
điện trường vector và đầu dò điện trường vô hướng. Với phạm
vi bài báo chúng tôi tập trung nghiên cứu phương pháp ước
lượng sử dụng đầu dò điện trường vơ hướng. Khi sử dụng đầu
dị vơ hướng chỉ có thể cung cấp thơng tin về độ lớn của
cường độ điện trường, không cho biết thông tin về pha của các
ăng-ten. Tuy nhiên do yếu tố kỹ thuật và đầu tư thiết bị ít tốn
kém nên đầu dị điện trường vô hướng hiện được sử dụng rộng
rãi hơn trong các phịng thí nghiệm.
Trong phép đo SAR hiện nay, với thiết bị đa ăng-ten phát,

mỗi ăng-ten sử dụng một tần số khác nhau thì đầu dị vơ
hướng thực hiện các phép đo SAR theo phương pháp thông
thường trên mỗi tần số tương ứng với mỗi ăng-ten riêng lẻ.
Tuy nhiên, đối với thiết bị đa ăng-ten làm việc trên cùng một

165

ISBN: 978-604-67-0635-9

165


Hội
Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
II.

PHÂN TÍCH LÝ THUYẾT

Với thiết bị có 2 ăng-ten phát, tổng cường độ điện trường
bức xạ bởi 2 ăng-ten đo được tại điểm bất kỳ bằng tổng vector
cường độ điện trường bức xạ từ từng ăng-ten riêng lẻ. Cường
độ điện trường tổng được tính như sau:
i

(2)
E
 E1  E 2 e
trong đó: β là góc pha tương đối của 2 ăng-ten, E1 và E2 là
các giá trị phức tương ứng của cường độ điện trường bức xạ

từ ăng-ten 1 và ăng-ten 2.
Từ (1) và (2), thông qua một số phép biến đổi tốn học, ta
có thể biểu diển phép tính SAR như sau:
(3)
SA R 
A  B c o s   C s in 
trong đó: A, B, C là các giá trị thực được biểu diễn thông qua
các thành phần thực và ảo của E1, E2; σ và ρ. Các tham số này
không phụ thuộc vào β.
Để ước lượng SAR cho một β tùy ý, chúng tôi tiến hành
xác định các giá trị của A, B, C (gọi là các tham số ước
lượng) bằng cách thực hiện ba phép đo SAR với 3 góc pha
khác nhau. Để đơn giản phép tính ta có thể lựa chọn β với các
giá trị: 0, 90 và 180 độ. Từ (3), qua một vài bước biến đổi các
tham số A, B, và C được xác định:

A  SAR0  SAR180  / 2

 SAR  SAR  / 2
C   2 SAR  SAR  SAR  / 2


B

0

180

90


0

180

MƠ HÌNH KIỂM CHỨNG VÀ KẾT QUẢ

A. Mơ hình
Để đơn giản, hai ăng-ten chấn tử hoạt động ở tần số 2.4 G
được sử dụng như là ăng-ten của thiết bị đo kiểm (devices
under test-DUT). Để tính tốn SAR bên trong phần đầu cơ
thể con người, mơ hình SAM Phantom (Specific
Anthropomorphic Mannequin) được sử dụng trong chương
trình mơ phỏng.

(a)

BẢNG 1. THƠNG SỐ CỦA SAM PHANTOM
VÀ ĂNG-TEN.
Tham số
Giá trị
Tần số
2.4 GHz
Bán kính lưỡng cực
1.8mm
Chiều dài tổng thể
λ/2
Khoảng cách giữa 2 ăng-ten
λ/4
SAM (Specific
Kích thước SAM Phantom

Anthropomorphic
Mannequin) [3]
Khoảng cách giữa SAM Phantom và
10mm
DUT
Hằng số điện môi của chất lỏng bên
42
trong SAM Phantom (εr)
Độ dẫn điện chất lỏng (σ)
0.99 S/m
Khối lượng riêng chất lỏng (ρ)
1000 Kg/m3

(4)

trong đó: SAR0 , SAR90 và SAR180 được xác định từ phép đo
SAR sử dụng đầu dị vơ hướng cho góc pha tương ứng với 0,
90 và 180 độ. Sau khi xác định được giá trị của các tham số
ước lượng A, B, C thay vào (3) và với góc pha bất kỳ ta có thể
ước lượng được SAR tương ứng.
III.

tiêu chuẩn quốc tế về đo đạc bức xạ sóng điện từ [2], [3]. Hai
chấn tử được đặt song song, cách nhau một khoảng một phần
tư bước sóng, và cách mơ hình SAM Phantom một khoảng 10
mm như mơ tả trong hình 1.
Cấu hình ăng-ten và các thơng số kích thước ăng-ten; kích
thước SAM Phantom, độ dày vỏ, các thơng số chất lỏng SAM
Phantom (hằng số điện môi, độ dẫn điện và mật độ khối
lượng riêng) được quy định trong các tiêu chuẩn quốc tế về

đo SAR [1]-[3] thể hiện trong Bảng 1.

B. Kết quả
Để kiểm tra tính chính xác và hiệu quả của phương pháp
ước lượng, chúng tôi tiến hành chạy mơ phỏng từ mơ hình
trên với các góc pha: 0; 45; 90; 135; 180; 233; 270 độ. Kết
quả thu được thông qua các bước xử lý sẽ cho ra giá trị đo
SAR chuẩn hóa và giá trị ước lượng SAR.

(b)

Hình 1. Mơ hình SAM Phantom và 2 ăng-ten phát:
(a) góc nhìn tổng qt; (b) Mặt phẳng quan sát SAR .
Mơ hình đầu người SAM Phantom là kích thước trung
bình của đầu người. Kích thước của nó được chỉ rõ trong các

Hình 2. Các phân bố SAR tương ứng với giá trị β khác nhau
của hai ăng-ten: (a) β =0 độ; (b) β =90 độ; (c) β =180 độ.

166
166


HộiHội
Thảo
Quốc
vàCơng
CơngNghệ
Nghệ
Thơng

(ECIT
2015)
Thảo
QuốcGia
Gia2015
2015về
vềĐiện
Điện Tử,
Tử,Truyền
Truyền Thơng
Thơng và
Thơng
TinTin
(ECIT
2015)
Hình 2 thể hiện phân bố SAR với các góc pha tương đối
khác nhau: 0; 90; và 180 độ trong một mặt phẳng ngang mơ
hình SAM Phantom (xem hình 1.b). Các giá trị SAR được
chuẩn hóa bằng một giá trị chuẩn hóa (normalization factor)
là giá trị lớn nhất trong mặt phẳng quan sát khi góc pha tương
đối của 2 chấn tử là 90 độ. Từ các giá trị này, chúng ta sẽ tính
được các hệ số ước lượng theo phương trình (4) và ước lượng
được SAR đối với giá trị pha bất kỳ theo phương trình (3).
Hình 3; 4; 5 và 6 trình bày kết quả so sánh giá trị SAR
tính tốn và giá trị SAR ước lượng với góc pha bằng 45; 135;
233 và 270 độ tương ứng. Từ các hình này, ta thấy rằng kết
quả ước lượng giá trị SAR và tính tốn SAR tại mặt phẳng
quan sát bên trong SAM Phantom là khá đồng nhất. Giá trị
sai số lớn nhất giữa chúng chỉ khoảng dưới 0,01%.


0 đến 360 độ. Từ kết quả tính tốn này, giá trị SAR lớn nhất
được tìm thấy là 1.12 tương ứng với góc pha 233 độ.

Hình 6. So sánh kết quả với β = 233 độ:
(a) chuẩn hóa đo SAR; (b) ước lượng SAR.

M axim um norm alized local S A R

1.2

Hình 3. So sánh kết quả với β = 45 độ:
(a) chuẩn hóa đo SAR; (b) ước lượng SAR.

1

0.8

0.6
Peak maximum point SAR
0.4

0.2

0

0

50

100

150
200
250
Relative phase of the two antennas (deg.)

300

350

Hình 7. Maximum normalized point SAR
IV.

Hình 4. So sánh kết quả với β = 135 độ:
(a) chuẩn hóa đo SAR; (b) ước lượng SAR.

KẾT LUẬN

Bài báo đã trình bày một phương pháp ước lượng đơn
giản để xác định SAR lớn nhất của các thiết bị có 2 ăng-ten
phát. Phân tích lý thuyết và kiểm chứng bằng chương trình
mơ phỏng đã xác minh tính đúng đắn của kỹ thuật ước lượng.
Kết quả mơ phỏng (tính tốn) và ước lượng khẳng định
phương pháp ước lượng hoạt động tốt trong hầu hết các
trường hợp kiểm tra, và độ lệch giữa kết quả đo và ước lượng
SAR là rất nhỏ, chủ yếu là dưới 0.01%. Nhờ giảm số lượng
của các phép đo, phương pháp ước lượng được đề xuất sẽ
giảm đáng kể tổng thời gian kiểm định cho một thiết bị có đa
ăng-ten phát. Trong các nghiên cứu tiếp theo, chúng tôi sẽ tập
trung xem xét mơ hình và kiểm chứng với nhiều ăng-ten hơn,
và tính tốn với mơ hình cơ thể con người phức tạp hơn.

LỜI CẢM ƠN

Hình 5. So sánh kết quả với β = 270 độ:
(a) chuẩn hóa đo SAR; (b) ước lượng SAR.
Bằng cách áp dụng phương pháp ước lượng cho các giá trị
khác nhau của β, thay đổi từ 0 đến 360 độ, chúng ta có thể tìm
thấy giá trị của β tương ứng với SAR lớn nhất. Hình 7 cho
thấy giá trị lớn nhất SAR khi thay đổi β trong một khoảng từ

Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa học và
công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số
102.04-2014.16.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] IEC/TR 62630, “Guidance for Evaluating Exposure from
Multiple Electromagnetic Sources,” Ed. 1.0, 2010.

167

167


Hội
vềĐiện
ĐiệnTử,
Tử,Truyền
TruyềnThông
Thông
Công
Nghệ
Thông

Tin (ECIT
2015)
HộiThảo
ThảoQuốc
Quốc Gia 2015
2015 về
vàvà
Công
Nghệ
Thông
Tin (ECIT
2015)
[2] 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 in close proximity to the
human body (frequency range of 30 MHz to 6 GHz)”, Mar.
2010.
[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] DASY52 by SPEAG, />-y /dasy-systems/
[5] ART-MAN by ART-Fi, />
[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, 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., pp. 1373- 1376, Honolulu, Jun.
2007.
[8] D. T. Le, T. Iyama, L. Hamada, S. Watanabe, and T.
Onishi, “Electric Field Measurements for MIMO Wireless
Communication
Transmitters
in
Electromagnetic
Exposure Evaluation” in Proc. Of Pan-Pacific EMC Joint
Meeting (PPEMC’12), Tokyo, Japan, Nov. 2012.

168

168