电磁波能量比吸收率SAR评估的过去、现在和未来

本文刊登于《微波射频技术》杂志 2015无线射频专刊

简介

新颖创新的SAR（电磁波能量比吸收率）快速测量系统于近期进入了市场。SAR测量系统被用来确认无线设备，如移动电话使用者的电磁波辐射状态。测量所得的SAR值则与国际标准或行业标准进行比较，使受测的无线设备可以被批准于一般公众使用。

SAR测量新技术大大地减少了监管机构批准无线设备所需要进行的完整测试时间。这些技术正在推动IEC和其他组织更新其SAR测量标准。这些标准的改进正在持续的进行中，用以实现更快的进行系统量测，但同时更要确保结果的一致性及测量时较低的不确定度，以及具备足够的可信性且对广大用户测得SAR值是保守估计的辐射值。这项工作将使无线设备制造商、测试实验室、监管机构和公众大大受益。

本文介绍快速SAR测量系统的优势和功能，并就SPEAG公司的两个主要系统提出具体说明。本文也描述了相关标准和规范采用这些设备的情形，并介绍了可加强对于新快速SAR值测试系统的新验证（系统确认）方法。

无线技术的快速进步

由于无线设备技术的快速发展，要求SAR测试及SAR监管部门批准的申请数量在近几年大幅增长。现今的无线设备可能有2G、3G和4G通信系统的整合于数个频带同时运作的组合。可以包括多天线与多重输入/多重输出(MIMO)或切换分集。它们可能还包括接近传感器，以降低某些使用条件下的射频辐射。法规将不断增长的设备复杂性纳入测试要求，并造成了取得SAR测试监管机构的批复可能需要数周的结果。

新的SAR测试系统使用了几种不同的技术，以大幅降低评估SAR所需的时间。我们的目标不仅是要减少扫描时间，同时也减少测试工程师的操作时间。新系统采用了智能扫描方案和数组探针以最大程度地缩短扫描时间。新系统也具备兼容旧系统、加入宽频组织液用以减少测试方案来缩短处理操作的时间。

快速SAR测量系统

瑞士SPEAG公司针对新的SAR的量测系统有两款:DASY6和cSAR3D。SPEAG与ITIS基金会和其他领先的科研机构共同提供其仪表和算法的科学依据。

DASY6

DASY6(图1)是最新的SAR量测系统，它是建立在业界领先的DASY产品系列搭配许多优化，与DASY5相比，SAR的量测时间明显减少。DASY6完全符合IEC62209-1, IEC62209-2, IEEE 1528的标准及所有国际规范(包含了中国，澳洲，印度，欧洲与美国)。它运用小型化的3D电场探头去扫描模型中的场型，使得DASY6可以广泛适用于不同的模型。考虑已知的测量不确定性，此系统在组织模型中的任何位置都非常的精准，使用者可以独立的进行验证。各种模型可供选择，包含了标准的SAM TWIN Phantom(测试用于耳边的装置)，ELI Phantom(测试配戴于身体的装置)，基地台(评估大型基地台天线)。最近，其他的模型已经被引进以精确的评估新技术。这些都是根据SAM的头模型或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发展去满足变化的需求。透过保持探棒在扫描中与模型表面垂直，来降低探棒的同向性错误。

图1：DASY6设备

DASY6整合了新的快速测SAR量测功能，包含了智能化的扫描协议以及用于频带30MHz到6 GHz的速度最大化探棒移动。目前正在进行带宽拓宽从5MHz到80GHz以上。在信心区间中智能化扫描协议减少了量测点来测定空间平均化的SAR峰值。传统的体积扫描也可以应用。DASY6避免了组织液的交换麻烦，因为它利用了一种新型宽带组织仿真液，频率范围从600 MHz至6GHz。一个整合的专业系统符合基于现有通信系统和无线设备使用条件的最优化评估测试方法。这符合国际标准适用的测试减少协议。基地台仿真软件可以控制在测试期间的拨号自动化。与前版的机器扫描手臂系统比较起来，新版设备为全球市场上复杂的无线产品验证只需不到五分之一的时间。DASY系统是大家公认为最佳的SAR评估的标准并由全球的监管机构和政府单位使用。

cSAR3D

cSAR3D(图2)最新的数组系统用于最新标准IEC62209-3，此标准目前正在发展当中。此系统运用向量数组用不到一秒的时间去获取完全SAR的分布。电场的传感器被放置在身体和头部模型中的固定位置以进行非常快速的量测。cSAR3D的传感器数组通过设计对无线设备场的干扰达到最小化。这使得传感器可以被放置在非常靠近模型的表面进行测试，以实现在有电感耦合和电容耦合情况下的高精度。高精度传感器的分辨率减少抽样误差。最先进的3D场重建算法被用来测定模型上的SAR分布。

图2: cSAR3D 设备

cSAR3D包含了四种人体模型。Flat模型有超过1000个的传感器组成，适用于测试配戴于身体的装置。头部的模型(左头与右头)使用了特定的拟人形状(SAM)，是经由国际标准制定且适用于使用在头部的装置。Quad用于测量高分辨率的大型设备，例如平板和笔电。宽带组织液密封于每个模型中，以实现从300MHz到6GHz的SAR测量。

图3: cSAR3D 软件接口

cSAR3D所使用的软件接口是特别为无线装置符合性测试所设计的。这让使用者可以创造出多个测试环境，包含了调变、频带、频道、模型和装置位置。用户接口允许所有测试环境可以在屏幕上显示。使用者可以通过新增或移除测试（例如调制）或测试类别（例如设备位置）来动态调整测试方案。透过上面的相机纪录测试期间的装置影像和它的位置，SAR的峰值可以被精准的定位在装置的对应位置。

国际标准

国际标准机构和国际监管组织已经接纳了快速测SAR技术的使用。接受快速测SAR方法的详细过程首次被引入IEEE1528在2013和IEC62209-1，预计在2016公布协调过程。IEC机构已经开始在发展法规62209-3的向量基础的量测系统，新的发布预期会在2017年之。SAR的量测标准基础建构在四个原则下：

·  为大多数用户提供辐射值的保守评估
·  实验室内优越的可再现重复性
·  验证测试系统使用独立能量来源的绝对精度
·  测量不确定性的稳定广泛的量化

监管机构在追求进步的同时，亦采取措施确认新的快速测SAR技术与现有方式具备相同的准确性、可靠性和保守性。在IEC的指导下，不同法规单位、实验室、无线装置制造商及SAR量测系统制造商已展开了一个跨实验室比较研究。

快速量测SAR的系统验证

根据IEEE1528-2013、IEC62209-1 和IEC62209-2法规要求，单一探棒SAR测试系统例如DASY6是由单一能量来验证的。这些系统的探棒必须要遵从法规上的描述并且藉由目前已知的场型分布来做校准。同时，探棒的移动允许在任何位置的测量以及精确性的自检。

像cSAR3D一般的矩阵系统在进行校准时则需要投入更多资源。矩阵系统的探棒通常都是被密封在人体模型内。目前的单一探棒校正无法用在这种设备，取而代之为转换校正。探棒间的相互耦合、采样空间的不足、反向散射及矩阵内散射皆会增加量测的不确定性。由于部分不确定性因素是相互关联的，因此不能独立分开处理。然而IEC62209-3目前是要允许不同的装置进行测试，为确保一致、准确、可靠的测试结果，更严格的验证乃为当务之急。

本文作者建议在IEC62209-3规范下的验证来源满足峰值空间平均SAR，其中包括以下最低要求：

1.）在模型测量面积的峰值位置;
2.）具有单次/多次峰值分布;
3.）具有尖锐和广泛的空间梯度分布;
4.）功率强度覆盖系统的动态范围;
5.）覆盖系统频率范围内的频带。

此外，我们亦提出验证标准，其中95％的结果满足测量系统和验证源组合扩展的不确定度（两个标准偏差），并且没有任何测试结果大于99.7％的信心区间（三个标准偏差）。为确保与既有的SAR测量程序之一致性，整体不确定性标准必须相同：数组和基于向量的SAR测量系统的扩展不确定度若小于±30％，则适用于全SAR测试。

cSAR3D和DASY6用flat 的模型来做的校正结果比对如下图四，使用了超过490种频率组合来测量(从750到2450 MHz)，并且用了两种不同能量源。和各式各样的模块(CW, WiFi, Bluetooth, LTE-FDD and LTE-TDD)，天线摆放位置、旋转天线角度（0°，25°，45°，67.5°和90°）来和不同的量测距离来进行比对测试数据。在每个频率下计算对比结果的平均误差和标准偏差。

从下图四的比对结果，呈现出相当惊人的高度吻合(包括高梯度磁场讯号)。藉由这个比对测试出来的数据结果，可以为测试实验室、无线产品通讯制造商和政府机构单位建立对于快速测SAR系统信准确度的信心。

图4：cSAR3D Flat (软件版本v2.4)  和DASY6 (上方图为1g, 在下面为10g) 在超过490次以不同的天线在不同频率、电源功率、频带、位置和定向的测试都显示分布在95^th区间的精确性. i.e.，所有数值都在±12% 内，750MHz 频段除外。

结论

快速测SAR系统已经被研发用来满足目前无线设备快速RF辐射值评估的要求。DASY6和cSAR3D的特征已经在上文中进行描述。这两种系统的产生主要是为了减少量测SAR的时间，优化硬件结构和自动化的测试。本文提出以严格评估数组系统准确性为目的的验证协议和信息。藉由此确保新数组系统与现有系统具备同样保守可靠的量测结果，可建立对于新数组系统的信心，并进而加速通过监管机构正式认证。 

作者：Mark Douglas- IT’IS Foundation

本文刊登于微波射频网旗下《微波射频技术》杂志 2015无线射频专刊，未经允许谢绝转载。

本文由施比雅克贸易（上海）有限公司翻译

施比雅克联系方式：
上海市张江高科技园区伽利略路338号6幢6401室
电话: 886-3-3631901 分机.107
电话: 86-21-61631930-8005 (上海办事处)
电话: 86-755-82704891     (深圳办事处)
电话: 86-10-62304633-2516  (北京办事处)