電磁波能量比吸收率SAR評估的歷史與發展

電磁波能量比吸收率SAR評估的歷史與發展

電子發燒友 發表於 2018-04-13 09:22:00

新穎創新的SAR（電磁波能量比吸收率）快速測量系統於近期進入了市場。SAR測量系統被用來確認無線設備，如行動電話使用者的電磁波輻射狀態。測量所得的SAR值則與國際標準或行業標準進行比較，使受測的無線設備可以被批准於一般公眾使用。

SAR測量新技術大大地減少了監管機構批准無線設備所需要進行的完整測試時間。這些技術正在推動IEC和其他組織更新其SAR測量標準。這些標準的改進正在持續的進行中，用以實現更快的進行系統量測，但同時更要確保結果的一致性及測量時較低的不確定度，以及具備足夠的可信性且對廣大用戶測得SAR值是保守估計的輻射值。這項工作將使無線設備製造商、測試實驗室、監管機構和公眾大大受益。

本文介紹快速SAR測量系統的優勢和功能，並就SPEAG公司的兩個主要系統提出具體說明。本文也描述了相關標準和規範採用這些設備的情形，並介紹了可加強對於新快速SAR值測試系統的新驗證（系統確認）方法。

無線技術的快速進步

由於無線設備技術的快速發展，要求SAR測試及SAR監管部門批准的申請數量在近幾年大幅增長。現今的無線設備可能有2G、3G和4G通信系統的整合於數個頻帶同時運作的組合。可以包括多天線與多重輸入/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。法規將不斷增長的設備複雜性納入測試要求，並造成了取得SAR測試監管機構的批覆可能需要數周的結果。

新的SAR測試系統使用了幾種不同的技術，以大幅降低評估SAR所需的時間。我們的目標不僅是要減少掃描時間，同時也減少測試工程師的操作時間。新系統採用了智能掃描方案和數組探針以最大程度地縮短掃描時間。新系統也具備兼容舊系統、加入寬頻組織液用以減少測試方案來縮短處理操作的時間。

快速SAR測量系統

瑞士SPEAG公司針對新的SAR的量測系統有兩款:DASY6和cSAR3D。SPEAG與ITIS基金會和其他領先的科研機構共同提供其儀表和算法的科學依據。

DASY6

DASY6(圖1)是最新的SAR量測系統，它是建立在業界領先的DASY產品系列搭配許多優化，與DASY5相比，SAR的量測時間明顯減少。DASY6完全符合IEC62209-1, IEC62209-2, IEEE 1528的標準及所有國際規範(包含了中國，澳洲，印度，歐洲與美國)。它運用小型化的3D電場探頭去掃描模型中的場型，使得DASY6可以廣泛適用於不同的模型。考慮已知的測量不確定性，此系統在組織模型中的任何位置都非常的精準，使用者可以獨立的進行驗證。各種模型可供選擇，包含了標準的SAM TWIN Phantom(測試用於耳邊的裝置)，ELI Phantom(測試配戴於身體的裝置)，基地臺(評估大型基地臺天線)。最近，其他的模型已經被引進以精確的評估新技術。這些都是根據SAM的頭模型或CTIA手部模型以及Face Down, Head Stand, 手腕及Torso模型。客制化的模型也可以快速地發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誤。

圖1：DASY6設備

DASY6整合了新的快速測SAR量測功能，包含了智能化的掃描協議以及用於頻帶30MHz到6 GHz的速度最大化探棒移動。目前正在進行帶寬拓寬從5MHz到80GHz以上。在信心區間中智能化掃描協議減少了量測點來測定空間平均化的SAR峰值。傳統的體積掃描也可以應用。DASY6避免了組織液的交換麻煩，因為它利用了一種新型寬帶組織仿真液，頻率範圍從600 MHz至6GHz。一個整合的專業系統符合基於現有通信系統和無線設備使用條件的最優化評估測試方法。這符合國際標準適用的測試減少協議。基地臺仿真軟體可以控制在測試期間的撥號自動化。與前版的機器掃描手臂系統比較起來，新版設備為全球市場上複雜的無線產品驗證只需不到五分之一的時間。DASY系統是大家公認為最佳的SAR評估的標準並由全球的監管機構和政府單位使用。

cSAR3D

cSAR3D(圖2)最新的數組系統用於最新標準IEC62209-3，此標準目前正在發展當中。此系統運用向量數組用不到一秒的時間去獲取完全SAR的分布。電場的傳感器被放置在身體和頭部模型中的固定位置以進行非常快速的量測。cSAR3D的傳感器數組通過設計對無線設備場的幹擾達到最小化。這使得傳感器可以被放置在非常靠近模型的表面進行測試，以實現在有電感耦合和電容耦合情況下的高精度。高精度傳感器的解析度減少抽樣誤差。最先進的3D場重建算法被用來測定模型上的SAR分布。

圖2: cSAR3D 設備

cSAR3D包含了四種人體模型。Flat模型有超過1000個的傳感器組成，適用於測試配戴於身體的裝置。頭部的模型(左頭與右頭)使用了特定的擬人形狀(SAM)，是經由國際標準制定且適用於使用在頭部的裝置。Quad用於測量高解析度的大型設備，例如平板和筆電。寬帶組織液密封於每個模型中，以實現從300MHz到6GHz的SAR測量。

圖3: cSAR3D 軟體接口

cSAR3D所使用的軟體接口是特別為無線裝置符合性測試所設計的。這讓使用者可以創造出多個測試環境，包含了調變、頻帶、頻道、模型和裝置位置。用戶接口允許所有測試環境可以在屏幕上顯示。使用者可以通過新增或移除測試（例如調製）或測試類別（例如設備位置）來動態調整測試方案。透過上面的相機紀錄測試期間的裝置影像和它的位置，SAR的峰值可以被精準的定位在裝置的對應位置。

國際標準

國際標準機構和國際監管組織已經接納了快速測SAR技術的使用。接受快速測SAR方法的詳細過程首次被引入IEEE1528在2013和IEC62209-1，預計在2016公布協調過程。IEC機構已經開始在發展法規62209-3的向量基礎的量測系統，新的發布預期會在2017年之。SAR的量測標準基礎建構在四個原則下：

·  為大多數用戶提供輻射值的保守評估
·  實驗室內優越的可再現重複性
·  驗證測試系統使用獨立能量來源的絕對精度
·  測量不確定性的穩定廣泛的量化

監管機構在追求進步的同時，亦採取措施確認新的快速測SAR技術與現有方式具備相同的準確性、可靠性和保守性。在IEC的指導下，不同法規單位、實驗室、無線裝置製造商及SAR量測系統製造商已展開了一個跨實驗室比較研究。

快速量測SAR的系統驗證

根據IEEE1528-2013、IEC62209-1 和IEC62209-2法規要求，單一探棒SAR測試系統例如DASY6是由單一能量來驗證的。這些系統的探棒必須要遵從法規上的描述並且藉由目前已知的場型分布來做校準。同時，探棒的移動允許在任何位置的測量以及精確性的自檢。

像cSAR3D一般的矩陣系統在進行校準時則需要投入更多資源。矩陣系統的探棒通常都是被密封在人體模型內。目前的單一探棒校正無法用在這種設備，取而代之為轉換校正。探棒間的相互耦合、採樣空間的不足、反向散射及矩陣內散射皆會增加量測的不確定性。由於部分不確定性因素是相互關聯的，因此不能獨立分開處理。然而IEC62209-3目前是要允許不同的裝置進行測試，為確保一致、準確、可靠的測試結果，更嚴格的驗證乃為當務之急。

本文作者建議在IEC62209-3規範下的驗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.）功率強度覆蓋系統的動態範圍;

5.）覆蓋系統頻率範圍內的頻帶。

此外，我們亦提出驗證標準，其中95％的結果滿足測量系統和驗證源組合擴展的不確定度（兩個標準偏差），並且沒有任何測試結果大於99.7％的信心區間（三個標準偏差）。為確保與既有的SAR測量程序之一致性，整體不確定性標準必須相同：數組和基於向量的SAR測量系統的擴展不確定度若小於±30％，則適用於全SAR測試。

cSAR3D和DASY6用flat 的模型來做的校正結果比對如下圖四，使用了超過490種頻率組合來測量(從750到2450 MHz)，並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、旋轉天線角度（0°，25°，45°，67.5°和90°）來和不同的量測距離來進行比對測試數據。在每個頻率下計算對比結果的平均誤差和標準偏差。

從下圖四的比對結果，呈現出相當驚人的高度吻合(包括高梯度磁場訊號)。藉由這個比對測試出來的數據結果，可以為測試實驗室、無線產品通訊製造商和政府機構單位建立對於快速測SAR系統信準確度的信心。

圖4：cSAR3D Flat (軟體版本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、位置和定向的測試都顯示分布在95th區間的精確性. i.e.，所有數值都在±12% 內，750MHz 頻段除外。

結論

快速測SAR系統已經被研發用來滿足目前無線設備快速RF輻射值評估的要求。DASY6和cSAR3D的特徵已經在上文中進行描述。這兩種系統的產生主要是為了減少量測SAR的時間，優化硬體結構和自動化的測試。本文提出以嚴格評估數組系統準確性為目的的驗證協議和信息。藉由此確保新數組系統與現有系統具備同樣保守可靠的量測結果，可建立對於新數組系統的信心，並進而加速通過監管機構正式認證。
 

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