空间解析度对于SAR测试的影响

2019-01-02

信息通信技术与政策 2018年12期

林晓军中国信息通信研究研究泰尔终端实验室工程师

陈迎建中国信息通信研究研究泰尔终端实验室工程师

1 引言

随着移动通信设备在生活中的应用越来越多，人们对于移动设备对人体健康的影响也越来越关注，各国对于移动产品电磁辐射SAR测试的规定也越来越完善和严格。由于目前的通信频段的频率范围很广，无法使用一种人体组织模拟液对电介质参数进行约束，因此国际上的相关组织都对SAR测试制定了相应的检测标准，特别是对于不同的频段制订了不同的空间分辨率以便对SAR值进行约束。

随着通信技术的发展，特别是4G技术以及802.11ac等技术的应用，使得通信产品所拥有的制式也越来越多，通信产品的传导功率随着使用模式改变而变化的情况越来越普遍，这些都造成了通信产品在SAR测试中花费的测试时间大大增加。为了应对这种情况减少测试的时间，通过快速扫描从而减少测试时间的方法得到了认证组织的认可。

在本文中将对国际标准中对于SAR测试的空间分辨率信息进行分析，设计一个比对试验，对使用不同空间分辨率的情况下对于SAR测试值的影响进行分析。

2 标准对于SAR测试空间分辨率的介绍

2.1 标准对空间分辨率的步长的描述

目前，国际上对于SAR测试空间分辨率的设置主要遵从以下标准：IEC62209、KDB865664D01。

在KDB865664D01中，是通过图表的方式给出了SAR测试的空间分辨率的设置要求：对于最大区域扫描空间分辨率ΔxArea和ΔyArea：在≤2GHz的情况，分辨率使用要≤15mm；在2～4GHz的情况，分辨率使用要≤12mm；在4～6GHz的情况，分辨率使用要≤10mm。

对于最大局部扫描空间分辨率ΔxZoom和ΔyZoom:在≤2GHz的情况，分辨率使用要≤8mm；在2～4GHz的情况，分辨率使用要≤5mm；在4～6GHz的情况，分辨率使用要≤4mm。

在IEC62209的6.3章节的b)和d)中对于SAR测试的空间分辨率的设置给出了要求：在模型内部测试二维SAR分布（区域扫描空间分辨率），对于频率在3GHz以下的情况，推荐的最大网格间距为20mm；对于频率在3GHz或3GHz以上的情况，推荐的最大网格间距为（60/f[GHz]）mm。

当在确定的局部最大值位置上测试三维SAR分布（局部扫描空间分辨率）。水平网格步长应该为（24/f[GHz]）mm或更小，但不应超过8mm。

通过上面的标准叙述可以看出，目前这两个标准对于空间分辨率的要求还是有些分歧的，特别是在2GHz～3GHz这个区间内，KDB的标准对于步长的设置更加细化。

但是，目前暂无法得知IEC和FCC对于SAR测试按照频率划分网格大小的依据，特别是最新KDB的设置。同时，不同的步长设置对于SAR测试数据的具体影响暂时也没有在相关文献中有说明。因此，本文打算使用固定信号源分析不同的空间分辨率对于SAR测试值的实际影响。

由于目前通信产品使用的技术越来越多，应用的频段也相应增多。这对于目前应用的电子照射测量系统而言将越来越多的时间。因此，为了缩短测试的时间，目前国际上的相关标准IEC 62209-2和KDB 447498 D01都对快速扫描进行了描述。其中KDB 447498D01中特别对快速扫描的测试适用范围进行了明确。

在KDB 447498中规定快速扫描只能对于3GHz以下的频率进行测试，在正式测试前对测试系统进行系统检查，当系统检查的区域扫描和局部扫描的1g的SAR值偏差在3%以内，则可以通过只使用区域扫描的方式来快速测试SAR，减少测试的时间。而对于IEC62209-2而言，虽然在附录中对快速扫描进行了说明，但是并没有像KDB447498一样对于测试方案提出建议。

在本文中，将通过固定信号源的方式，对目前常用的通信频段进行区域扫描和局部扫描，分析不同的频段对于扫描结果的影响。

3 试验方案设计

3.1 试验设备介绍

3.1.1 电磁辐射测量系统

本次试验使用的电磁辐射测量系统为SPEAG公司的DASY5系统，该系统主要由人体模型、电场探头、扫描定位系统和被测设备夹具等组成，可在空间内进行灵活的扫描和评估，能够搭配不同的测试模型，可以预定义扫描参数，具有自动化测试程序，完全符合目前对通信产品电磁辐射相关标准的要求。为了保证试验的数据准确，本次试验使用的DASY52软件为最新的52.8.8.1222版本。

3.1.2 被测设备（DUT）规格

为了更加准确地验证空间分辨率与SAR测试值之间的关系，同时为了保证试验数据的准确，选择的偶极子天线都是在校准周期内的设备。

3.1.3 组织模拟液特性

由于SAR测试需要将液体探头插入组织模拟液中进行电场测量计算，因此在相关的IEC及OET标准中对各个频段头部及身体的组织模拟液参数进行了规定。为了使测试的数据多样性，本次测试使用了835MHz、2000MHz的头部组织模拟液，1750MHz、2600MHz和5GHz的身体组织模拟液。为了使测试的数据尽可能准确同时降低试验过程中的不确定度，本次试验中所有试验的组织模拟液导电率和介电常数与标准的基准值偏差在3%以内。

3.2 试验设计

为了使发射信号功率稳定，本次试验使用偶极子天线作为固定信号发射源，按照国际标准的要求进行配置。偶极子馈入点在3G以下频段的输入功率为250mW，在5G频段的输入功率为100mW。

完成上述的试验准备后，开始进行本次试验。本次试验遵循以下的步骤进行：

将偶极子放置在盛满组织模拟液的模型底部中心位置，其间隔大小要满足标准的要求。按照DASY5系统检查的要求，向被测偶极子提供稳定的入射功率。

在DASY5的软件平台分别创建3个测试文件，每个测试文件中首先设置区域扫描（AreaScan），要求扫描的区域完全覆盖偶极子天线，3个测试文件的区域扫描的空间分辨率按照标准定义，分别设置为10×10mm、12×12mm和15×15mm。

3个测试文件的区域扫描设置完成后，进行局部扫描的空间分辨率设置8×8×5mm和5×5×5mm，在进行5800MHz偶极子的局部扫描时还包含了4×4×1.4mm的步长设置。

按照SAR测试的要求，每个测试文件在测试开始和结束添加场强漂移值的测量，以保证整个试验的过程中输入功率的稳定。按照IEC6209及KDB447498的要求，试验过程中的漂移值不能超过±0.2dB。

4 试验结果分析

4.1 试验数据归一化

在SPEAG提供的偶极子校准证书中，偶极子的基准SAR值是通过组织模拟液的试验测量值归一化到标准基准值得到的，因此本次试验得到的数据为了精确，也将进行归一化处理。

根据标准，对于1g的平均SAR值，Cε和Cσ根据公式（1）、（2）可得：

对于10g的平均SAR值，Cε和Cσ根据公式（3）、（4）可得：

归一化的SAR值则根据公式（5）得到：

其中：Cε为组织模拟液介电常数的系数表示，Δε为介电常数的变化百分比，Cσ为组织模拟液的导电率系数表示，Δσ为导电率的变化百分比，f为以GHz表示的频率。

根据上面的公式，可以得到本次试验的归一化后的SAR值（表1～表4），这些表格体现了对于不同空间解析度的步长与偶极子基准SAR值之间的关系。

4.2 区域扫描空间分辨率对于SAR值的影响

通过分析上面的数据表格，在835MHz、1750MHz、2000MHz和2000MHz的试验数据中，区域扫描扩展归一化后得到的1g和10g的SAR值同基准偶极子的SAR值偏差都在3%以内，同时区域扫描的1g和10g的SAR值同其后面的各个不同空间分辨率的局部扫描的1g和10g的SAR值也都在3%以内，这些数据满足标准KDB447498的4.3.4章节对于使用快速扫描的依据。

不过通过上面的数据可以看出，除了5800MHz的情况，其他情况有明显的规律可以证明随着空间分辨率的步长缩小，所得到的SAR值与基准或者区域扫描得到的SAR值越接近的趋势。特别是在FCC的KDB特别划出的2G到3G的区间内，区域扫描在12×12mm的步长数据无法看出明显的差异。

表1 区域扫描数据汇总表

表2 15×15mm区域扫描后各个状态局部扫描的数据汇总表

表3 12×12mm区域扫描后各个状态局部扫描的数据汇总表

表4 10×10mm区域扫描后各个状态局部扫描的数据汇总表

但是对于5800MHz的试验数据，区域扫描扩展归一化后得到的SAR值同基准偶极子的SAR值偏差在6%～20%之间，已经不符合KDB447498对于快速扫描的要求。特别是在15×15mm的步长中，其测得的数据与另外2种步长模式相比，偏差明显。说明在较高的频率区间，随着空间分辨率的步长越小，得到的SAR值数据偏差也越来越小。

4.3 局部扫描空间分辨率对于SAR值的影响

通过上述的数据表格，在各个偶极子完成了区域扫描确定最大SAR区域后进行了不同空间分辨率的局部扫描，所有的1g和10g的SAR值同基准偶极子的SAR值偏差都在5%以内，满足了相关标准对于系统检查的要求。对于除5800MHz的试验的局部扫描8×8×5mm的试验数据与基准数据偏差较大外（不过也没有超过标准对于系统检查5%的偏差上限），其他的测试数据结果也都未发现不同的空间分辨率步长同SAR值之间的明确比例趋势。

从上述的试验结果可知：

对于区域扫描的空间分辨率步长的设置，在3GHz以下的时候，各种步长对SAR值的影响符合相关标准的限值要求，但是有一定的随着频率增大而误差变大的趋势，可以按照KDB的要求使用快速扫描进行测试，以减少测试时间。对于3GHz，特别是5GHz以上的频段，可以很明显地看出步长对SAR测试数据准确性的影响，因此在3GHz以上频段时不能使用快速扫描。

对于局部扫描的空间分辨率步长的设置，步长的大小在本次的几个试验中并没有对SAR值产生明显影响，甚至出现了步长的减小反而偏差有所增大的情况。