Αλληλεπίδραση μεταξύ της κεραίας ασύρματου τερματικού και του σώματος του χρήστη: Διαδικασίες μετρήσεων και μελέτη κρίσιμων παραμέτρων

Transcript

1 Αλληλεπίδραση μεταξύ της κεραίας ασύρματου τερματικού και του σώματος του χρήστη: Διαδικασίες μετρήσεων και μελέτη κρίσιμων παραμέτρων ΖΕΡΒΟΣ ΘΕΟΔΩΡΟΣ Εργαστήριο Ασύρματων Επικοινωνιών ΕΚΕΦΕ «ΔΗΜΟΚΡΙΤΟΣ» Ινστιτούτο Πληροφορικής & Τηλεπικοινωνιών 1

2 Περιεχόμενα Εισαγωγή Απορρόφηση ισχύος Μετρήσεις SAR Μετρήσεις διαγραμμάτων ακτινοβολίας Μελέτη παραμέτρων Σχέση απορρόφησης και απόστασης Μορφοποίηση διαγραμμάτων ακτινοβολίας Σύνοψη 2

3 Εισαγωγή (1/2) Μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον Πλήθος δημοσιεύσεων και εργασιών σχετικά με την αλληλεπίδραση κεραίας ασύρματου τερματικού και ανθρώπινου σώματος Οι μελέτες εστιάζονται κυρίως σε δύο θέματα: Την απορρόφηση ηλεκτρομαγνητικής (ΗΜ) ακτινοβολίας απότοανθρώπινοσώμα Την επίδραση του ανθρώπινου σώματος στις ιδιότητες (χαρακτηριστικά) της κεραίας του ασύρματου τερματικού 3

4 Εισαγωγή (2/2) Στόχος Η συμβολή στην ανάπτυξη ασύρματων τερματικών που θα είναι περισσότερο ασφαλή για το χρήστη και παράλληλα πιο αποδοτικά στη λειτουργία τους Στη βιβλιογραφία υπάρχουν μελέτες για τερματικά με διάφορους τύπους κεραιών, καθώς και προσομοιώσεις με ποικιλία αριθμητικών μεθόδων 4

5 Μετρήσεις SAR Μετρήσεις στο εγγύς πεδίο (near field) Πλήρως αυτοματοποιημένη διαδικασία Χρήση ομοιωμάτων (phantoms) ανθρώπινου σώματος (κεφαλιού) με βάση συγκεκριμένες προδιαγραφές 5

6 Ορισμός Ειδικός ρυθμός απορρόφησης (SAR) [W/Kg]: SAR = d dt dw dm = d dt dw ρdv Υπολογίζεται από: SAR = σe 2 ρ ή SAR = c i dt dt t=0 6

7 Γενικές απαιτήσεις μετρήσεων Θερμοκρασία περιβάλλοντος μεταξύ 15 o C και 30 o C Καμία αλληλεπίδραση του ασύρματου τερματικού με τα δίκτυα Αποφυγή επίδρασης στις μετρήσεις από εξωτερικές ΗΜ πηγές και ανακλάσεις του χώρου 7

8 Ομοίωμα κεφαλιού Ανθρωπομορφικό μοντέλο (SAM) γεμάτο με υγρό Κέλυφος: υλικό χαμηλών απωλειών και χαμηλής διαπερατότητας Υγρό: συγκεκριμένες διηλεκτρικές ιδιότητες για κάθε συχνότητα 8

9 Θέσεις τερματικού Πρόσοψη Κάτοψη 9

10 Διαδικασία μέτρησης SAR Κεντρική Επεξεργασία Λήψη Δεδομένων Αποθήκευση Αισθητήρας Ρομπότ Ομοίωμα Κεφαλιού 10

11 Συστήματα μέτρησης SAR (1/2) 11

12 Συστήματα μέτρησης SAR (2/2) 12

13 Παράγοντες που επηρεάζουν το SAR Ασύρματο τερματικό Κατανομή ρευμάτων στο τερματικό Κεραία Κάλυμμα Εσωτερική σχεδίαση Προσαρμογή κεραίας Μέγεθος / Σχήμα Ύπαρξη εξωτερικών αντικειμένων (γυαλιά, ακουστικό) Χέρι Κλίση συσκευής Σύζευξη μαγνητικού πεδίου SAR Πάχος κελύφους κεφαλιού Διηλεκτρικές παράμετροι Θέση Ομοίωμα κεφαλιού Θέση του τερματικού 13

14 Τυπικές απαιτήσεις για μέτρηση SAR (1/2) Calibration των οργάνων Τυπική διάρκεια μέτρησης < 30 λεπτά Εξαιρετικά ακριβής τοποθέτηση του Ε-field probe (<0.1mm) Μετρήσεις αριστερό και δεξί αυτί Θέση επαφής και θέση με 15 ο κλίση, με δυνατότητα επαναληψιμότητας Μετρήσεις με μαζεμένη και σε έκταση κεραία 14

15 Τυπικές απαιτήσεις για μέτρηση SAR (2/2) Μέγιστη ισχύς εκπομπής τερματικού Χρήση προσομοιωτή σταθμού βάσης Ακριβής μέτρηση διηλεκτρικών ιδιοτήτων για κάθε συχνότητα Ακριβής αποτίμηση της αβεβαιότητας Μεγάλη υπολογιστική ισχύ για επεξεργασία των δεδομένων 15

16 Όρια SAR Γενικός πληθυσμός (περιοχή συχνοτήτων:100khz-10ghz) Αυστραλία ΗΠΑ Ευρώπη Ιαπωνία Ν. Ζηλανδία ACA ANSIC95.1 ENV50166 TTC/MPT NZS2772 Ολόκληρο σώμα (W/Kg) Μέγιστη τοπική τιμή (W/Kg) Χρόνος μέσης τιμής (min) Μάζα κύβου μέσης τιμής (gr)

17 Όρια SAR Εργαζόμενοι (5 φορές υψηλότερα) Αυστραλία ΗΠΑ Ευρώπη Ιαπωνία Ν. Ζηλανδία ACA ANSIC95.1 ENV50166 TTC/MPT NZS2772 Ολόκληρο σώμα (W/Kg) Μέγιστη τοπική τιμή (W/Kg) Χρόνος μέσης τιμής (min) Μάζα κύβου μέσης τιμής (gr)

18 Επεξεργασία δεδομένων Επιλογή κύβου για μέση τιμή Μέθοδος τριών σημείων Μέθοδος εφαπτομενικής έδρας 18

19 Μετρήσεις διαγραμμάτων ακτινοβολίας Χρήση μοντέλου ασύρματου τερματικού και ομοιώματος κεφαλιού Μετρήσεις στον ανηχωικό θάλαμο στο μακρινό πεδίο (far field) ΥπολογισμόςποσοστούαπορρόφησηςΗΜ ακτινοβολίας 19

20 Είδη μετρήσεων Μετρήσεις SAR - Near field Σκοπός Έγκριση προδιαγραφών ασφαλείας τερματικού Σχεδιασμός λιγότερο επικίνδυνων συσκευών Εξοπλισμός Εξειδικευμένος Μετρήσεις διαγραμμάτων ακτινοβολίας - Far field Σχεδιασμός περισσότερο αποδοτικών τερματικών Σχεδιασμός λιγότερο επικίνδυνων συσκευών Τυπικός εξοπλισμός μετρήσεων χαρακτηρισμού κεραιών 20

21 Τυπική διάταξη μετρήσεων Θ Τερματικό & Κεφάλι Φ Κεραία αναφοράς ΑΝΗΧΩΙΚΟΣ ΘΑΛΑΜΟΣ TURNTABLE PC NETWORK ANALYZER POSITIONING CONTROLLER IEEE BUS 21

22 Το ασύρματο τερματικό Υλικό: Χαλκός Ύψος της κεραίας: 41mm(~λ/4 στα 1800 MHz) 22

23 Το ομοίωμα κεφαλιού Υλικό: Γυαλί (2mm πάχος) Γεμάτο με υγρό με παρόμοιες διηλεκτρικές παραμέτρους με το ανθρώπινο κεφάλι στα 1800 ΜΗz (σ = 1.40 S/m, ε r = 40) σύμφωνα με το πρότυπο CENELEC ES mm 150 mm 23

24 Τερματικό δίπλα στο ομοίωμα κεφαλιού 24

25 Διάταξη μέσα στο ανηχωικό θάλαμο φ: -90 o έως 90 o θ: 0 o έως 360 o 25

26 Μεθοδολογία μετρήσεων Μετρήσεις στο far field Μετρήσεις και με τις δύο πολώσεις Δύο σειρές μετρήσεων Τερματικό που εκπέμπει μόνο του Τερματικό που εκπέμπει δίπλα από το ομοίωμα κεφαλιού 26

27 Διαγράμματα ακτινοβολίας τερματικό ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ 27

28 Διαγράμματα ακτινοβολίας τερματικό με κεφάλι ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ Απόσταση: 10mm 28

29 Υπολογισμός απορροφώμενης ισχύος (1/2) Η σχετική απορροφώμενη ισχύς εκφράζεται ως: P g P abs η ισχύς στην είσοδο της κεραίας του τερματικού η απορροφώμενη ισχύς στο κεφάλι Η ακτινοβολούμενη ισχύς υπολογίζεται από το συνολικό gain: P rad Pg = GdΩ Pg π 4 4π H ακτινοβολούμενη ισχύς για το τερματικό παρουσία του κεφαλιού είναι: P = P P radph n = P P abs g g abs N G 29

30 Υπολογισμός απορροφώμενης ισχύος (2/2) Η σχετική απορροφώμενη ισχύς υπολογίζεται ως εξής: η = 1 G N PH όπου G PH είναι οι τιμές των gain που μετρήθηκαν 30

31 Απορροφώμενη ισχύς συναρτήσει της απόστασης η [%] Θεωρητικό Μετρήσεις Απόσταση [mm] 31

32 SAR συναρτήσει της απόστασης SAR [W/kg] 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Max SAR Aver 1gr Απόσταση [mm] 32

33 Μορφοποίηση διαγραμμάτων ακτινοβολίας Δύο κεραίες ανάστροφου F (IFA) Ίδιουμεγέθουςτερματικό

34 Διαγράμματα ακτινοβολίας τερματικό Κεραία 1 Κεραία 2 Κεραία 1 & 2 συμφασικά 34

35 Διαγράμματα ακτινοβολίας τερματικό με κεφάλι Κεραία 1 Κεραία 2 Κεραία 1 & 2 συμφασικά 35

36 Μορφοποίηση διαγραμμάτων ακτινοβολίας: SAR SAR [W/Kg] 0,14 0,12 0,1 Max SAR Aver 1gr 0,08 0,06 0,04 0,02 0 Μονόπολο IFA 1 & 2 IFA 1 IFA 2 36

37 Μορφοποίηση διαγραμμάτων ακτινοβολίας: Απορροφώμενη ισχύς η [%] Μονόπολο IFA 1 & 2 IFA 1 IFA 2 37

38 Σύνοψη Αποτελέσματα Ανάπτυξη μεθοδολογίας μετρήσεων απορροφώμενης ισχύος Μεταβολή με την απόσταση Μείωση της ακτινοβολίας προς το κεφάλι μέσω beamforming Μελλοντική εργασία Επίδραση της παρουσίας σώματος του χρήστη στην απόδοση MIMO συστημάτων Βελτίωσητηςαπόδοσηςτουσυστήματος Επίδραση στη χωρητικότητα καναλιού (capacity) 38

39 39