電磁波能量比吸收率SAR評(píng)估的歷史與發(fā)展

新穎創(chuàng)新的SAR（電磁波能量比吸收率）快速測(cè)量系統(tǒng)于近期進(jìn)入了市場(chǎng)。SAR測(cè)量系統(tǒng)被用來確認(rèn)無線設(shè)備，如移動(dòng)電話使用者的電磁波輻射狀態(tài)。測(cè)量所得的SAR值則與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，使受測(cè)的無線設(shè)備可以被批準(zhǔn)于一般公眾使用。

SAR測(cè)量新技術(shù)大大地減少了監(jiān)管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)無線設(shè)備所需要進(jìn)行的完整測(cè)試時(shí)間。這些技術(shù)正在推動(dòng)IEC和其他組織更新其SAR測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)正在持續(xù)的進(jìn)行中，用以實(shí)現(xiàn)更快的進(jìn)行系統(tǒng)量測(cè)，但同時(shí)更要確保結(jié)果的一致性及測(cè)量時(shí)較低的不確定度，以及具備足夠的可信性且對(duì)廣大用戶測(cè)得SAR值是保守估計(jì)的輻射值。這項(xiàng)工作將使無線設(shè)備制造商、測(cè)試實(shí)驗(yàn)室、監(jiān)管機(jī)構(gòu)和公眾大大受益。

本文介紹快速SAR測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和功能，并就SPEAG公司的兩個(gè)主要系統(tǒng)提出具體說明。本文也描述了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范采用這些設(shè)備的情形，并介紹了可加強(qiáng)對(duì)于新快速SAR值測(cè)試系統(tǒng)的新驗(yàn)證（系統(tǒng)確認(rèn)）方法。

無線技術(shù)的快速進(jìn)步

由于無線設(shè)備技術(shù)的快速發(fā)展，要求SAR測(cè)試及SAR監(jiān)管部門批準(zhǔn)的申請(qǐng)數(shù)量在近幾年大幅增長(zhǎng)?，F(xiàn)今的無線設(shè)備可能有2G、3G和4G通信系統(tǒng)的整合于數(shù)個(gè)頻帶同時(shí)運(yùn)作的組合?？梢园ǘ?a target="_blank">天線與多重輸入/多重輸出(MIMO)或切換分集。它們可能還包括接近傳感器，以降低某些使用條件下的射頻輻射。法規(guī)將不斷增長(zhǎng)的設(shè)備復(fù)雜性納入測(cè)試要求，并造成了取得SAR測(cè)試監(jiān)管機(jī)構(gòu)的批復(fù)可能需要數(shù)周的結(jié)果。

新的SAR測(cè)試系統(tǒng)使用了幾種不同的技術(shù)，以大幅降低評(píng)估SAR所需的時(shí)間。我們的目標(biāo)不僅是要減少掃描時(shí)間，同時(shí)也減少測(cè)試工程師的操作時(shí)間。新系統(tǒng)采用了智能掃描方案和數(shù)組探針以最大程度地縮短掃描時(shí)間。新系統(tǒng)也具備兼容舊系統(tǒng)、加入寬頻組織液用以減少測(cè)試方案來縮短處理操作的時(shí)間。

快速SAR測(cè)量系統(tǒng)

瑞士SPEAG公司針對(duì)新的SAR的量測(cè)系統(tǒng)有兩款:DASY6和cSAR3D。SPEAG與ITIS基金會(huì)和其他領(lǐng)先的科研機(jī)構(gòu)共同提供其儀表和算法的科學(xué)依據(jù)。

DASY6

DASY6(圖1)是最新的SAR量測(cè)系統(tǒng)，它是建立在業(yè)界領(lǐng)先的DASY產(chǎn)品系列搭配許多優(yōu)化，與DASY5相比，SAR的量測(cè)時(shí)間明顯減少。DASY6完全符合IEC62209-1, IEC62209-2, IEEE 1528的標(biāo)準(zhǔn)及所有國(guó)際規(guī)范(包含了中國(guó)，澳洲，印度，歐洲與美國(guó))。它運(yùn)用小型化的3D電場(chǎng)探頭去掃描模型中的場(chǎng)型，使得DASY6可以廣泛適用于不同的模型?？紤]已知的測(cè)量不確定性，此系統(tǒng)在組織模型中的任何位置都非常的精準(zhǔn)，使用者可以獨(dú)立的進(jìn)行驗(yàn)證。各種模型可供選擇，包含了標(biāo)準(zhǔn)的SAM TWIN Phantom(測(cè)試用于耳邊的裝置)，ELI Phantom(測(cè)試配戴于身體的裝置)，基地臺(tái)(評(píng)估大型基地臺(tái)天線)。最近，其他的模型已經(jīng)被引進(jìn)以精確的評(píng)估新技術(shù)。這些都是根據(jù)SAM的頭模型或CTIA手部模型以及Face Down, Head Stand, 手腕及Torso模型?？椭苹哪Ｐ鸵部梢钥焖俚匕l(fā)展去滿足變化的需求。透過保持探棒在掃描中與模型表面垂直，來降低探棒的同向性錯(cuò)誤。

圖1：DASY6設(shè)備

DASY6整合了新的快速測(cè)SAR量測(cè)功能，包含了智能化的掃描協(xié)議以及用于頻帶30MHz到6 GHz的速度最大化探棒移動(dòng)。目前正在進(jìn)行帶寬拓寬從5MHz到80GHz以上。在信心區(qū)間中智能化掃描協(xié)議減少了量測(cè)點(diǎn)來測(cè)定空間平均化的SAR峰值。傳統(tǒng)的體積掃描也可以應(yīng)用。DASY6避免了組織液的交換麻煩，因?yàn)樗昧艘环N新型寬帶組織仿真液，頻率范圍從600 MHz至6GHz。一個(gè)整合的專業(yè)系統(tǒng)符合基于現(xiàn)有通信系統(tǒng)和無線設(shè)備使用條件的最優(yōu)化評(píng)估測(cè)試方法。這符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)適用的測(cè)試減少協(xié)議?；嘏_(tái)仿真軟件可以控制在測(cè)試期間的撥號(hào)自動(dòng)化。與前版的機(jī)器掃描手臂系統(tǒng)比較起來，新版設(shè)備為全球市場(chǎng)上復(fù)雜的無線產(chǎn)品驗(yàn)證只需不到五分之一的時(shí)間。DASY系統(tǒng)是大家公認(rèn)為最佳的SAR評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)并由全球的監(jiān)管機(jī)構(gòu)和政府單位使用。

cSAR3D

cSAR3D(圖2)最新的數(shù)組系統(tǒng)用于最新標(biāo)準(zhǔn)IEC62209-3，此標(biāo)準(zhǔn)目前正在發(fā)展當(dāng)中。此系統(tǒng)運(yùn)用向量數(shù)組用不到一秒的時(shí)間去獲取完全SAR的分布。電場(chǎng)的傳感器被放置在身體和頭部模型中的固定位置以進(jìn)行非?？焖俚牧繙y(cè)。cSAR3D的傳感器數(shù)組通過設(shè)計(jì)對(duì)無線設(shè)備場(chǎng)的干擾達(dá)到最小化。這使得傳感器可以被放置在非?？拷Ｐ偷谋砻孢M(jìn)行測(cè)試，以實(shí)現(xiàn)在有電感耦合和電容耦合情況下的高精度。高精度傳感器的分辨率減少抽樣誤差。最先進(jìn)的3D場(chǎng)重建算法被用來測(cè)定模型上的SAR分布。

圖2: cSAR3D 設(shè)備

cSAR3D包含了四種人體模型。Flat模型有超過1000個(gè)的傳感器組成，適用于測(cè)試配戴于身體的裝置。頭部的模型(左頭與右頭)使用了特定的擬人形狀(SAM)，是經(jīng)由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定且適用于使用在頭部的裝置。Quad用于測(cè)量高分辨率的大型設(shè)備，例如平板和筆電。寬帶組織液密封于每個(gè)模型中，以實(shí)現(xiàn)從300MHz到6GHz的SAR測(cè)量。

圖3: cSAR3D 軟件接口

cSAR3D所使用的軟件接口是特別為無線裝置符合性測(cè)試所設(shè)計(jì)的。這讓使用者可以創(chuàng)造出多個(gè)測(cè)試環(huán)境，包含了調(diào)變、頻帶、頻道、模型和裝置位置。用戶接口允許所有測(cè)試環(huán)境可以在屏幕上顯示。使用者可以通過新增或移除測(cè)試（例如調(diào)制）或測(cè)試類別（例如設(shè)備位置）來動(dòng)態(tài)調(diào)整測(cè)試方案。透過上面的相機(jī)紀(jì)錄測(cè)試期間的裝置影像和它的位置，SAR的峰值可以被精準(zhǔn)的定位在裝置的對(duì)應(yīng)位置。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)和國(guó)際監(jiān)管組織已經(jīng)接納了快速測(cè)SAR技術(shù)的使用。接受快速測(cè)SAR方法的詳細(xì)過程首次被引入IEEE1528在2013和IEC62209-1，預(yù)計(jì)在2016公布協(xié)調(diào)過程。IEC機(jī)構(gòu)已經(jīng)開始在發(fā)展法規(guī)62209-3的向量基礎(chǔ)的量測(cè)系統(tǒng)，新的發(fā)布預(yù)期會(huì)在2017年之。SAR的量測(cè)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)建構(gòu)在四個(gè)原則下：

·? 為大多數(shù)用戶提供輻射值的保守評(píng)估
·? 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)優(yōu)越的可再現(xiàn)重復(fù)性
·? 驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)使用獨(dú)立能量來源的絕對(duì)精度
·? 測(cè)量不確定性的穩(wěn)定廣泛的量化

監(jiān)管機(jī)構(gòu)在追求進(jìn)步的同時(shí)，亦采取措施確認(rèn)新的快速測(cè)SAR技術(shù)與現(xiàn)有方式具備相同的準(zhǔn)確性、可靠性和保守性。在IEC的指導(dǎo)下，不同法規(guī)單位、實(shí)驗(yàn)室、無線裝置制造商及SAR量測(cè)系統(tǒng)制造商已展開了一個(gè)跨實(shí)驗(yàn)室比較研究。

快速量測(cè)SAR的系統(tǒng)驗(yàn)證

根據(jù)IEEE1528-2013、IEC62209-1 和IEC62209-2法規(guī)要求，單一探棒SAR測(cè)試系統(tǒng)例如DASY6是由單一能量來驗(yàn)證的。這些系統(tǒng)的探棒必須要遵從法規(guī)上的描述并且藉由目前已知的場(chǎng)型分布來做校準(zhǔn)。同時(shí)，探棒的移動(dòng)允許在任何位置的測(cè)量以及精確性的自檢。

像cSAR3D一般的矩陣系統(tǒng)在進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)則需要投入更多資源。矩陣系統(tǒng)的探棒通常都是被密封在人體模型內(nèi)。目前的單一探棒校正無法用在這種設(shè)備，取而代之為轉(zhuǎn)換校正。探棒間的相互耦合、采樣空間的不足、反向散射及矩陣內(nèi)散射皆會(huì)增加量測(cè)的不確定性。由于部分不確定性因素是相互關(guān)聯(lián)的，因此不能獨(dú)立分開處理。然而IEC62209-3目前是要允許不同的裝置進(jìn)行測(cè)試，為確保一致、準(zhǔn)確、可靠的測(cè)試結(jié)果，更嚴(yán)格的驗(yàn)證乃為當(dāng)務(wù)之急。

本文作者建議在IEC62209-3規(guī)范下的驗(yàn)證來源滿足峰值空間平均SAR，其中包括以下最低要求：

1.）在模型測(cè)量面積的峰值位置;

2.）具有單次/多次峰值分布;

3.）具有尖銳和廣泛的空間梯度分布;

4.）功率強(qiáng)度覆蓋系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍;

5.）覆蓋系統(tǒng)頻率范圍內(nèi)的頻帶。

此外，我們亦提出驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，其中95％的結(jié)果滿足測(cè)量系統(tǒng)和驗(yàn)證源組合擴(kuò)展的不確定度（兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差），并且沒有任何測(cè)試結(jié)果大于99.7％的信心區(qū)間（三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差）。為確保與既有的SAR測(cè)量程序之一致性，整體不確定性標(biāo)準(zhǔn)必須相同：數(shù)組和基于向量的SAR測(cè)量系統(tǒng)的擴(kuò)展不確定度若小于±30％，則適用于全SAR測(cè)試。

cSAR3D和DASY6用flat 的模型來做的校正結(jié)果比對(duì)如下圖四，使用了超過490種頻率組合來測(cè)量(從750到2450 MHz)，并且用了兩種不同能量源。和各式各樣的模塊(CW, WiFi, Bluetooth, LTE-FDD and LTE-TDD)，天線擺放位置、旋轉(zhuǎn)天線角度（0°，25°，45°，67.5°和90°）來和不同的量測(cè)距離來進(jìn)行比對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)。在每個(gè)頻率下計(jì)算對(duì)比結(jié)果的平均誤差和標(biāo)準(zhǔn)偏差。

從下圖四的比對(duì)結(jié)果，呈現(xiàn)出相當(dāng)驚人的高度吻合(包括高梯度磁場(chǎng)訊號(hào))。藉由這個(gè)比對(duì)測(cè)試出來的數(shù)據(jù)結(jié)果，可以為測(cè)試實(shí)驗(yàn)室、無線產(chǎn)品通訊制造商和政府機(jī)構(gòu)單位建立對(duì)于快速測(cè)SAR系統(tǒng)信準(zhǔn)確度的信心。

圖4：cSAR3D Flat (軟件版本v2.4)? 和DASY6 (上方圖為1g, 在下面為10g) 在超過490次以不同的天線在不同頻率、電源功率、頻帶、位置和定向的測(cè)試都顯示分布在95th區(qū)間的精確性. i.e.，所有數(shù)值都在±12% 內(nèi)，750MHz 頻段除外。

結(jié)論

快速測(cè)SAR系統(tǒng)已經(jīng)被研發(fā)用來滿足目前無線設(shè)備快速RF輻射值評(píng)估的要求。DASY6和cSAR3D的特征已經(jīng)在上文中進(jìn)行描述。這兩種系統(tǒng)的產(chǎn)生主要是為了減少量測(cè)SAR的時(shí)間，優(yōu)化硬件結(jié)構(gòu)和自動(dòng)化的測(cè)試。本文提出以嚴(yán)格評(píng)估數(shù)組系統(tǒng)準(zhǔn)確性為目的的驗(yàn)證協(xié)議和信息。藉由此確保新數(shù)組系統(tǒng)與現(xiàn)有系統(tǒng)具備同樣保守可靠的量測(cè)結(jié)果，可建立對(duì)于新數(shù)組系統(tǒng)的信心，并進(jìn)而加速通過監(jiān)管機(jī)構(gòu)正式認(rèn)證。
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