Villamosmérnöki Tudományok  Doktori Iskola 

BME-VIK, Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszék

Témavezető: Dr. Horváth Péter

Hordozható vezeték nélküli kommunikációs eszközök numerikus validációja

A kutatási téma néhány soros bemutatása

 A hordozható vezeték nélküli kommunikációs eszközök (pl. mobiltelefonok, viselhető multimédiás és orvosi eszközök, stb.) forgalomba kerülésének feltétele számos szabványban leírt mérési eljáráshoz, illetve azokon való megfeleléshez kötött. Az utóbbi időben komoly erőfeszítések történnek, hogy bizonyos mérések kiválthatóak legyenek ‒ költséghatékonyabb ‒ számítógéppel végzett numerikus szimulációkkal. Ennek megvalósításához azonban meg kell meggyőződni arról, hogy az eszköz a való világban és a számítógépes szimulátorban azonos (elektromágneses) tulajdonságokkal rendelkezik. Kutatási témám arra irányul, hogy olyan hatékony validációs eljárást dolgozzak ki, mely meggyőzően igazolja, hogy a specifikus elnyelési tényező (SAR) tekintetében megbízható az adott eszköz számítógépes (numerikus) modellje.

 

A kutatóhely rövid bemutatása

 

A kutatás a Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszék berkein belül működő két laboratórium, a Digitális és Optikai Kommunikációs Rendszerek (DOCS), valamint az Elektromágneses Mezőszimuláció és Tervezés laboratórium (EMTLab) együttműködésében valósul meg. Mindkét laboratórium több évtizedes múltra tekint vissza, amely alatt kutatási eredményeiket számos hazai és nemzetközi konferencián és rangos nemzetközi folyóiratokban publikálták. Emellett mindkét laboratórium több európai uniós illetve hazai finanszírozású (OTKA, TÁMOP) kutatási projektben is eredményesen közreműködött.

 

 

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

 

A hordozható vezeték nélküli kommunikációs eszközöknek számos előírásnak meg kell felelniük ahhoz, hogy piacra kerülhessenek. Ezek közül az egyik legfontosabb az eszközök által kibocsátott elektromágneses sugárzás emberi szervezetre gyakorolt hatásával kapcsolatos, melynek meghatározására a specifikus elnyelési tényező (specific absorption rate - SAR) mérését írja elő a szabvány [1]. Amennyiben a SAR értéke meghaladja a szabványban rögzített értéket, a készülék nem kerülhet forgalomba, mivel káros lehet az emberi egészségre. A jelenlegi szabvány által megkövetelt mérési eljárás meglehetősen összetett és költséges és Európán belül is csak néhány hitelesített laboratóriumban végezhető el. További kihívásokat jelent, hogy következő generációs (5G), illetve a rohamosan gyarapodó dolgok internetes (internet of things - IoT) [2] eszközök a jelenleg használt mellett várhatóan rövidebb, milliméteres hullámhossz-tartományban fognak kommunikálni [3]. Mivel ezeken a hullámhosszakon még bonyolultabbak a mérések, a szabványosító testületek törekednek a mérések egy részének számítógépen végzett numerikus szimulációval történő kiváltására [4-7]. A numerikus szimulációk további előnye, hogy már az eszközök tervezésnél figyelembe lehet venni a sugárzási határértéknek való megfelelést, így hamarabb fény derül az esetleges tervezési hibákra, ezáltal csökkenthető a fejlesztési ideje és költsége is.

 

 

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések

 

A sugárzási határértékekre vonatkozó mérések numerikus szimulációjához szükség van az adott eszköz számítógépes numerikus modelljére. Mikor tekinthető a valóságos készülék numerikus modellje hitelesnek? Általánosan megfogalmazva akkor, ha a valóságos eszközön bizonyos méréseket elvégezve, és ugyanezen mennyiségekre numerikus szimulációkat futtatva az értékek adott hibahatáron belül egyeznek. A mérések és a szimulációs eredmények összevetését összefoglalóan validációs eljárásnak nevezünk, amely azonban a jelenlegi szabvány szerint közel ugyanolyan eszközparkot igényel, mintha a szimuláció nélküli teljes hitelesített mérést el kellene végezni. A kutatás célja olyan validációs eljárás kidolgozása, mely kisebb ráfordítással, mégis hasonló megbízhatósággal teszi lehetővé az eszközök numerikus modelljének validációját.

 

 

Módszerek

 

      I.        Specifikus elnyelési tényező mérése, modellvalidáció

 

A specifikus elnyelési tényező mérése egy antropomorf fej-modellben (specific anthropomorphic mannequin - SAM) történik. A fejmodell speciálisan úgy van megalkotva, hogy megfeleljen az emberi fej rádiófrekvenciás tulajdonságainak. Ezt többek között úgy érik el, hogy meghatározott dielektromos állandójú és vezetőképességű oldattal töltik fel a modellt (az oldat összetétele különböző frekvenciatartományokon más és más). A vizsgált eszközt a fejmodell közvetlen közelébe helyezik, és működtetik. Eközben egy elektromos térerősség mérésére képes szenzorral felszerelt, precízen mozgatható robotkar a fej modellben pásztázza az elektromos térerősséget. Miután a robotkar végigpásztázta az összes mérési pozíciót, megállapításra kerül az elnyelési tényező (általában valamekkora térfogatra átlagolt) maximális értéke. A mobiltelefonok SAR- beméréséhez használatos mérési elrendezés az 1. ábrán látható. A méréshez szükséges berendezések szinte egytől egyig a mérésre specifikusak, és igen költségesek. Ráadásul a teljes mérési folyamatot egy rádiófrekvenciásan árnyékolt mérőszobában szükséges elvégezni, ami szintén nagy beruházás.

 

1. ábra: Elnyelési tényező meghatározásához használt mérési elrendezés (forrás: [8])

 

A fent leírt mérési eljárás szimulációval való kiváltására törekednek a szabványosító testületek. Az ehhez szükséges validációs eljárás csak részben egyszerűsíti a mérést. A validációhoz az antropomorf fej-modell lecserélhető egy “egyszerűsített” fejmodellre, amely téglatest alakú, de továbbra is szükséges az elektromos térerősség mérése meghatározott pontokban. A szimulációban az egyszerűsített fejmodell és a készülék numerikus modelljének bevitele szükséges. A validációs eljárás során az adott pontokban mért elektromos térerősséget kell összevetni a szimulációban kapott értékekkel. Ebből egy képlet alapján kapjuk meg a modell pontosságát/bizonytalanságát.

 

II. Javasolt validációs eljárás

 

Az általunk kidolgozott validációs eljárás némileg más megközelítést alkalmaz: a vizsgált készülékben található, a rádiófrekvenciás sugárzást kibocsátó antenna/antennák egykapu-karakterisztikáját (pl. bemeneti impedancia, reflexiós tényező, stb.) vesszük a vizsgálat alapjául. Ennek előnye, hogy e mennyiségek mérőkészülékei általában a tervezést végző mérnököknek eleve a rendelkezésére állnak. A módszer lényege, hogy a vizsgált eszköz közelében, egy ismert dielektromos tulajdonságú és formájú testet, ún. kontrollobjektumot helyezünk el különböző pozíciókban. Szemléltetésül a 2. ábrán látható egy általunk tervezett rádiófrekvenciás eszköz antennájának vizsgálata egy kocka alakú kontrollobjektum jelenlétében, felülnézetből. A felülnézetben a kontrollobjektum egy négyzetnek látszik (a piros színű mozgatott tárgy). Az antenna egy 1 GHz frekvenciára tervezett, az alakja miatt úgynevezett PIFA (planar inverted F antenna), a fordított „F” szárának aljánál maximális az áramsűrűség, ezért annak környezetében célszerű pásztázni a kontrollobjektummal. Az általunk levezetett formula alapján meghatározható, hogy a kontrollobjektum nélküli, és a különböző pozíciókba helyezett kontrollobjektum esetén mekkora lesz pl. a bemeneti impedancia változása. A levezetett formulából kiderül, hogy ez a mennyiség arányban áll a kontrollobjektum jelenléte nélkül, illetve annak jelenlétében a kontrollobjektum térfogatában jelenlévő elektromos térerősséggel. Vagyis az általunk javasolt módszer indirekt módon képes az elektromos térerősség eloszlását validálni. A validáció során tehát ebben az esetben a mért és szimulált bemeneti impedancia értékeit kell összehasonlítani.

 

2. ábra: Felülnézeti kép - kontrollobjektum mozgatása (piros kocka) a vizsgált eszköz felületén (a javasolt validációs módszer szemléltetése)

 

Eddigi eredmények

 

Egy konkrét alkalmazáson keresztül megmutattuk [S1]-ben, hogy összefüggés van a kontrollobjektum hatására létrejövő egykapu-karakterisztika változása, és a specifikus elnyelési tényező között, mégpedig oly módon, hogy ahol a változás nagy, ott magas az elnyelési tényező (az egyszerűsített fej modellben). Ezt követően [S2]-ben levezettünk egy egzakt formulát, amellyel kvantitatíve meghatározható ez a változás egy adott frekvencián. Levezettünk továbbá egy hibamértéket is, amely megmutatja, hogy az egykapu-karakterisztika mérési pontossága arányban áll az elektromos térerősség négyzetével. Más szóval, az egykapu-karakterisztika változásának mérése megfelelő alap az elektromos térerősség validációjához.

 

A levezetett formula ellenőrzésére összeállítottunk egy mérést, ami a 2. ábrán látható módon, egy 1 GHz-re tervezett PIFA-antenna felületén mozgatott kocka alakú kontrollobjektummal történik. Minden egyes kontrollpozícióban megmérjük, illetve szimuláljuk a bemeneti impedanciát. A szimulációban közvetlenül meghatározható a bemeneti impedancia, illetve az elektromos térerősség, melyet az [S2]-ben levezetett formulába helyettesítve megkapható a bemeneti impedancia változása. A mérést és a kétfajta szimulációval kapott eredményeket mutatja a 3. ábra a kontrollpozíciók függvényében. A 4. ábrán ugyanezen eredmények láthatóak 2D-ben a mért és a formulánkkal számított értékekre; a melegebb színhez nagyobb érték tartozik (ez az ábra jobban leképezi a 2. ábrán bemutatott kontrollpozíciókat). Jól látható, hogy a mérési és szimulációs eredmények jó összhangban vannak, ami alátámasztja elméletünk, és validációs eljárásunk helyességét.

3. ábra: Mért és szimulált bemeneti impedancia változása a kontrollobjektum különböző pozíciói mellett (javasolt validációs módszer)

 

4. ábra: Mért és szimulált bemeneti impedancia változása a kontrollobjektum különböző pozíciói mellett (javasolt validációs módszer) 2D-ban, színskálával

 

Várható impakt, további kutatás

 

Az általunk kifejlesztett eljárás a hordozható vezeték nélküli kommunikációs eszközök numerikus modelljének validációjára használható módszer, amely a jelenleg létezőkhöz képest költséghatékony. A validációhoz szükséges eszközpark lehetővé teszi, hogy akár kisebb költségvetésű cégek, innovatív kisvállalatok is házon belül megengedhessék maguknak. A kutatás célja a továbbiakban, hogy az egykapu-karakterisztikákból még közvetlenebb módon tudjunk validálni elektromos térerősséget. Célunk még további mérési és szimulációs eredmények bemutatásával alátámasztani, hogy a módszer alkalmas a milliméteres hullámhosszon kommunikáló eszközök validációjára is. Mindezek alapján az általunk javasolt eljárás egy potenciális jelöltje is lehet a következő szabványok numerikus modell validációs módszereinek.

 

Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény

Kapcsolódó saját publikációk listája:

 

[S1]        B. Horváth, P. Horváth, Z. Badics, J. Pávó, and L. Csurgai- Horváth , “Computational Model Validation of Wireless Devices for SAR Evaluation,” 10th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Davos, Switzerland, April 10-15, 2016.

[S2]     B. Horváth, Z. Badics, J. Pávó and P. Horváth, "Validation of Numerical Models of Portable Wireless Devices for Near-Field Simulation," in IEEE Transactions on Magnetics, vol. 53, no. 6, pp. 1-4, June 2017.

 

     Hivatkozások listája:

 

[1]          Determining the Peak Spatial-Average Specific Absorption Rate (SAR) in the Human Body from Wireless Communications Devices, 30 MHz - 6 GHz, Part 1: General Requirements for using the Finite Difference Time Domain (FDTD) Method for SAR and other Exposure Calculations, Draft IEC/IEEE 62704-1, June 2016.

[2]        A. Gupta and R. K. Jha, "A Survey of 5G Network: Architecture and Emerging Technologies," in IEEE Access, vol. 3, no. , pp. 1206-1232, 2015.

[3]        J. Manyika, et al, THE INTERNET OF THINGS: MAPPING THE VALUE BEYOND THE HYPE, McKinsey Global Institute, McKinsey & Company, June 2015

other Exposure Calculations, Draft IEC/IEEE 62704-1, June 2016.

[4]          A. Christ, M. Douglas, W. Kainz, and N. Kuster, “Standardized methods for the application of the FDTD method in numerical dosimetry,” 7th European Conf. on Antennas and Prop. (EuCAP), pp. 1974–1977, 2013.

[5]          Determining the Peak Spatial-Average Specific Absorption Rate (SAR) in the Human Body from Wireless Communications Devices, 30 MHz - 6 GHz, Part 4: General Requirements for Using the Finite-Element Method for SAR Calculations and Specific Requirements for Modelling Vehicle-Mounted Antennas and Personal Wireless Devices, Draft IEC/IEEE 62704-4, November 2016.

[6]          M. Siegbahn, G. Bit-Babik, J. Keshvari, and A. Christ, “An international interlaboratory comparison of mobile phone SAR calculation with CAD-based models,” IEEE Trans. Electromagnetic Compatibility, vol. 52, no. 4, pp. 804–811, 2010.

[7]          V. Monebhurrun, Xi Cheng, and A. Rojatkar, “CAD Mobile Phone Model Calibration using Experimental SAR Data,” Radio and Antenna Days of the Indian Ocean (RADIO), September 21-24, 2015.

[8] http://wired.com