Nghiên cứu đặc tính bức xạ của anten điện thoại

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
_________________________________

PHAN MINH SONG

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH BỨC XẠ CỦA
ANTEN ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG CÓ TÍNH ĐẾN
ẢNH HƯỞNG CỦA CƠ THỂ CON NGƯỜI

CHUYÊN NGÀNH
MÃ SỐ NGÀNH

: KỸ THUẬT VÔ TUYẾN – ĐIỆN TỬ
: 2.07.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2004


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Phan Hồng Phương

Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS. TS. Vũ Đình Thành

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. Đỗ Hồng Tuấn

Luận văn thạc só được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA , ngày 30 tháng 12 năm 2004


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
_______________________________

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP -TỰ DO - HẠNH PHÚC
______________________________

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: PHAN MINH SONG

Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 11-08-1973

Nơi sinh: Gialai

Chuyên ngành: Kỹ thuật Vô tuyến - Điện tử

Mã số: 2.07.01

I.

TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH BỨC XẠ CỦA ANTEN ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG CÓ
TÍNH ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA CƠ THỂ CON NGƯỜI

II.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

-

Nêu ảnh hưởng của bức xạ trường điện từ đến sức khỏe con người.

-

Tìm hiểu các tiêu chuẩn về an toàn bức xạ điện từ.

-

Giới thiệu cấu trúc, đặc tính các loại anten có cấu trúc tích hợp.

-

Tìm hiểu các thông số điện đặc trưng của mô tế bào, các mô hình đầu người và bàn
tay.

-

Viết chương trình mô phỏng.

-

Đánh giá, so sánh kết quả mô phỏng và nêu hướng phát triển của đề tài

III.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 01/07/2004

IV.

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 01/12/2004

V.

HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. PHAN HỒNG PHƯƠNG

VI.

HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1: PGS. TS. VŨ ĐÌNH THÀNH

VII.

HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 2: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CÁN BỘ NHẬN XÉT 1

TS. Phan Hồng Phương

PGS. TS. Vũ Đình Thành

qua.

CÁN BỘ NHẬN XÉT 2

TS. Đỗ Hồng Tuấn

Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông
Ngày 30 tháng 12 năm 2004
TRƯỞNG PHÒNG QLKH-SĐH

CHỦ NHIỆM NGÀNH


LỜI TRI ÂN
Qua những năm tháng ngồi trên ghế nhà trường Đại Học
Bách Khoa, tôi vô cùng biết ơn tấm lòng tận tụy, sự nhiệt huyết của
quý thầy cô thuộc bộ môn Điện tử- Viễn thông khoa Điện- Điện tử
trường Đại Học Bách Khoa đã cho tôi nhiều tích lũy, đã truyền đạt
nhiều kiến thức bổ ích không chỉ trên lónh vực Điện tử – Viễn thông
mà cả nhiều kiến thức quý báu giúp tôi vận dụng hiệu quả trong
công việc và cuộc sôùng.
Lời cảm ơn sâu sắc kính gửi đến cô giáo hướng dẫn: Tiến só
Phan Hồng Phương. Cô đã tận tình chỉ bảo, đóng góp ý kiến quý
báu và chu đáo trong từng giai đoạn hướng dẫn; và cô đã giúp tôi
tự tin để mạnh dạn nghiên cứu đề tài này. Xin cảm ơn cô về tất cả!
Tôi chân thành cảm ơn hai sinh viên Huỳnh Đức Minh và Lâm
Văn Hảo đã cung cấp tài liệu và thông tin hữu ích giúp tôi thực hiên
luận văn.
Và cuối cùng, xin cảm ơn đến gia đình và bè bạn đã động
viên, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này.

TP.HCM, ngày 25 tháng 11 năm 2004
Phan Minh Song


(i)

ABSTRACT
The development of telecommunication via wireless technology is getting more and
more prominent. Many people are using wireless technology because of its convenience
and flexibility. With the increasing number of users, the radiation’s impact of terminal
devices which have direct contact with users is an issue that attracts the interest of many
people. This concern has two main aspects: the impact of radiation waves from mobile
terminal devices toward users and the counter-impact from users toward operational
parameters of devices.
Because of the close proximity between these types of devices and users through out the
active time, the impact is indefinite and it is hard to know the limit based on
electromagnetic density and energy density. In other words, the amount of
electromagnetic energy that is absorbed by various body parts will depend on the
distance from the antenna as well as the type and location of the antenna.
At the current moment, the research of the reciprocal impact between human body and
radiation waves when using mobile phones is carried out in the following fields: Antenna
design; Research of the impact of radiation waves toward users and Research of the
impact of human body toward radiation of mobile phones.
This topic focuses on examining the impact of human body to radiation level of
mobile phones. Contents that are carried out in the topic include:
-

-

Introduce some results from scientists about the impact of electromagnetic

radiation toward human’s health and standards for electromagnetic radiation
safety.
Examine the structure and features of integrated antennas used in mobile phones.
Study particular electric parameters of human body’s cell.
Study Maxwell electromagnetic equations and their applications in layered
structure.
Study the techniques to model the electromagnetic field, focus on the Finite
Element Method used in Matlab to model in this topic.
Write the simulation program, evaluate the simulation result, compare with other
authors’ research outcome.
Conclude and give direction for further development of the topic.

This research topic is rather new, therefore there are not many documents and
specific standards about this field.


(ii)

TÓM TẮT
Sự phát triển của viễn thông thông qua công nghệ không dây ngày càng
phát triển mạnh và được nhiều người sử dụng vì sự tiện dụng và linh hoạt của nó.
Với số lượng người sử dụng tăng lên với tốc độ hết sức nhanh chóng như vậy, sự
bức xạ của các thiết bị đầu cuối trực tiếp tiếp xúc với người dùng là một vấn đề
được đông đảo mọi người quan tâm. Sự quan tâm này tập trung về hai khía cạnh
chính: ảnh hưởng của sóng bức xạ từ các thiết bị đầu cuối di động đối với người
dùng và ảnh hưởng ngược lại của người dùng đối với các thông số hoạt động của
thiết bị.
Do đặc điểm ở gần sát người dùng của các thiết bị này trong suốt quá trình
hoạt động nên gây ra các ảnh hưởng không xác định và khó biết được giới hạn
dựa trên mật độ trường điện từ và mật độ năng lượng. Nói cách khác, lượng năng

lượng điện từ bị hấp thụ bởi các phần khác nhau của cơ thể người sẽ phụ thuộc
vào khoảng cách của anten, cũng như kiểu và vị trí của anten.
Hiện nay, việc nghiên cứu ảnh hưởng qua lại của sóng bức xạ và cơ thể
con người khi sử dụng điện thoại di động được thực hiện trên các lónh vực: Thiết
kế anten; Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng bức xạ của điện thoại di động đối với
người sử dụng và Nghiên cứu ảnh hưởng của cơ thể con người đến bức xạ điện từ
của điện thoại di động.
Đề tài tập trung vào hướng khảo sát ảnh hưởng của cơ thể con người đến
bức xạ của điện thoại di động. Các nội dung thực hiện trong đề tài bao gồm:
-

Giới thiệu một số kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học về ảnh hưởng
của bức xạ trường điện từ đến sức khỏe con người và các tiêu chuẩn về an
toàn bức xa điện từ.

-

Khảo sát cấu trúc, đặc tính các loại anten có cấu trúc tích hợp sử dụng
trong điện thoại di động.


(iii)

-

Tìm hiểu các thông số điện đặc trưng của các mô tế bào cơ thể con người.

-

Tìm hiểu về các phương trình trường điện từ Maxwell và ứng dụng trong

cấu trúc phân lớp môi trường.

-

Tìm hiểu về các kỹ thuật mô phỏng trường điện từ, tập trung vào phương
pháp phần tử hữu hạn (FEM) sử dụng trong Mathlab được dùng để mô
phỏng trong đề tài này.

-

Viết chương trình mô phỏng.

-

Đánh giá kết quả mô phỏng, so sánh với kết quả nghiên cứu của một số
tác giả khác.

-

Kết luận và nêu hướng phát triển tiếp theo của đề tài.
Hướng nghiên cứu này còn tương đối mới, do vậy chưa có nhiều tài liệu và

các tiêu chuẩn cụ thể về lónh vực naøy.


(iv)

MỤC LỤC
Trang
Chương 1 Giới thiệu……………………………………………………………... 1

1.1

Sự phát triển của hệ thống thông tin vô tuyến……………………….1

1.2

Sự ảnh hưởng giữa cơ thể người và điện thoại di động Các xu hướng nghiên cứu…………………………………………….. 2
1.2.1

Thiết kế anten………………………………………………

1.2.2

Ảnh hưởng của sóng bức xạ của điện thoại di động
đối với người dùng………………………………………….

1.2.3

3
4

Ảnh hưởng của cơ thể con người đến bức xạ điện
từ của điện thoại di động…………………………………… 7

Chương 2 Ảnh hưởng của trường điện từ đến sức khỏe con người…………. 9
2.1

nh hưởng của bức xạ điện thoại di dộng lên cơ thể con người…….. 9

2.2

nh hưởng của trường điện từ lên cơ thể con người………………...11

2.3

Các căn cứ để đánh giá sự ảnh hưởng của bức xạ trường điện
từ đến sức khỏe của con người……………………………………… 12

2.4

Tiêu chuẩn về an toàn bức xạ điện từ………………………………. 14

Chương 3 Phân loại anten - Các đặc tính cơ bản của anten……………….. 20
3.1

Giới thiệu…………………………………………………………….. 20

3.2

Các loại anten………………………………………………………... 21

3.3

3.2.1

Anten dây……………………………………………………. 22

3.2.2

Anten loa…………………………………………………….. 23

3.2.3

Hệ thống bức xạ (anten mảng)……………………………… 24

3.2.4

Anten phản xạ……………………………………………….. 24

3.2.5

Anten thấu kính……………………………………………… 25

3.2.6

Anten vi dải………………………………………………….. 26

3.2.7

Planar Inverted -F Anten (PIFA)…………………………… 33

3.2.8

Anten PIFA hai băng tần (DF-PIFA)………………………... 33

3.2.9

Anten PIFA ba băng tần (anten chữ E)……………………....34

Các đặc tính cơ bản của anten………………………………………. 34

3.3.1

Đồ thị bức xạ của anten……………………………………... 34


(v)
3.3.2

Trở kháng vào của anten……………………………………. 38

3.3.3

Hiệu suất bức xạ của anten…………………………………. 40

3.3.4

Mật độ công suất bức xạ…………………………………….. 40

3.3.5

Cường độ bức xạ…………………………………………….. 41

3.3.6

Sự phân cực của anten………………………………………. 42

3.3.7

Độ lợi hướng tính và hệ số định hướng……………………... 43

3.3.8

Độ lợi anten………………………………………………….. 43

Chương 4 Các thông số điện đặc trưng của mô tế bào.................................. 45
4.1

Giới thiệu…………………………………………………………….. 45

4.2

Thành phần của các mô tế bào……………………………………… 46

4.3

Mô hình cơ thể con người và các thông số điện đặc trưng………… 47

4.4

Sự thay đổi của điện trường khi qua mặt phân cách của
hai môi trường……………………………………………………….. 50

Chương 5 Cấu trúc phân lớp môi trường hệ phương trình Maxwell............ 54
5.1

Giới thiệu……………………………………………………………. 54

5.2

Hệ phương trình Maxwell…………………………………………… 55

5.3

Các điều kiện biên để giải hệ phương trình Maxwell……………....56
5.3.1

Các điều kiện biên qua một lớp nguồn mỏng và tónh……… 57

5.3.2

Các điều kiện biên xuyên qua một lớp trường tónh
không liên tục……………………………………………….. 59

5.4

Cấu trúc phân lớp môi trường………………………………………. 60

Chương 6 Kỹ thuật mô phỏng trường điện từ………………………………. 61
6.1

Phương pháp phần tử hữu hạn FEM (Finite Element Method)…….. 62

6.2

Phương pháp moment (Method of Moments – MoM)……………… 63

6.3

Phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian
(Finite Different Time Domain - FDTD)…………………………… 64

6.4

Phương pháp sai phân hữu hạn miền tần số
(Finite Diferent Frequency Domain - FDFD)………………………. 66

6.5

Kỹ thuật lai (Hybrid)………………………………………………… 67

6.6

Kỹ thuật mô phỏng trường điện từ bằng phương pháp phần tử


(vi)
hữu hạn………………………………………………………………. 67
Chương 7 Chương trình khảo sát bức xạ anten……………………………... 75
7.1

Phương pháp phân tích trường bức xạ anten………………………... 76

7.2

Mô hình đầu người và bàn tay………………………………………. 80
7.2.1

Mô hình đầu người…………………………………………... 80

7.2.2

Mô hình bàn tay……………………………………………… 82

7.2.3

Bảng thông số các mô hình………………………………….. 82

7.3

Các bước phân tích bài toán………………………………………… 83

7.4

Viết chương trình mô phỏng………………………………………… 84
7.4.1

Giới thiệu công cụ PDE Toolbox trong Matlab…………….. 84

7.4.2

Xây dựng trúc hình học của anten…………………………... 85

7.4.3

Nhập điều kiện biên và tạo ra các phần tử hữu hạn………... 89

7.4.4

Giải các phương trình sóng Maxwell………………………... 90

7.5

Lưu đồ chương trình mô phỏng………………………………………90

7.6

Chương trình Khảo sát bức xạ anten có tính đến ảnh hưởng
của cơ thể con người………………………………………………… 93
7.6.1 Giới thiệu chương trình………………………………………. 93
7.6.2 Các kết quả mô phỏng……………………………………….. 98
7.6.3 Các kết quả so sánh của anten PIFA có ảnh hưởng của bàn tay
người dùng khi thay đổi thông số cấu trúc của anten……….101
7.6.4 So sánh giữa các mô hình……………………………………104

7.7 Đánh giá kết quả mô phỏng………………………………………….107
7.7.1 Kết quả so sánh giữa các mô hình………………………… 107
7.7.2 So sánh với một số kết quả nghiên cứu khác…………..….. 110
7.7.3 Khảo sát anten khi thay đổi các thông số cấu trúc anten….. 114
Kết luận và hướng phát triển của đề tài…………………………………… 120
PHỤ LỤC……………………………………………………………………….. 122
A- Một số kết quả mô phỏng khác……………………..…………………… 122
A1- Anten vi dải patch vuông………………………..…………………………. 122
A2- Anten vi dải patch tròn…………………………..…………………………. 125
A2- Anten EPIFA……………………………..………………………………... 128


(vii)
B- Tiêu chuẩn an toàn bức xạ trường điện từ một số quốc gia…………... 131
C- Mức SAR của một số loại điện thoại……………………………………. 143
Tài liệu tham khảo………………………………………………………………148

(viii)

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 3.1

Anten được xem như thiết bị phát sóng điện từ…………………….. 20

Hình 3.2

Sơ đồ tương đương Thevenin của anten ở chế độ phát……………...21

Hình 3.3

Các loại anten dây…………………………………………………... 23

Hình 3.4

Các loại anten loa…………………………………………………… 23

Hình 3.5

Một số loại anten mảng……………………………………………... 24

Hình 3.6

Các cấu trúc phản xạ thường gặp…………………………………… 25

Hình 3.7

Các dạng anten thấu kính…………………………………………… 26

Hình 3.8

Anten vi dải miếng Patch vuông và chữ nhật..................................... 27

Hình 3.9

Một số dạng miếng kim loại đặt trên chất nền.................................. 27

Hình 3.10 Chiều dài của tấm kim loại................................................................. 28
Hình 3.11 Sự bức xạ của anten vi dải.................................................................. 29
Hình 3.12 Đồ thị bức xạ của anten vi dải............................................................ 29
Hình 3.13 Đường tín hiệu vi dải........................................................................... 30
Hình 3.14 Đường tín hiệu đồng trục..................................................................... 30
Hình 3.15 Đường tín hiệu kết nối hở.................................................................... 31
Hình 3.16 Đường tín hiệu trong kết nối gần........................................................ 31
Hình 3.17 Cấu trúc của một anten PIFA……………………………………….. 33
Hình 3.18 Cấu trúc của anten DF-PIFA hoạt động ở hai băng tần……………. 33
Hình 3.19 Mặt cắt ngang của một anten ba băng tần………………………….. 34
Hình 3.20 Hệ tọa độ dùng để phân tích anten…………………………………. 35
Hình 3.21 Bức xạ anten Omnidirectional………………………………………. 35
Hình 3.22 Các búp sóng bức xạ………………………………………………… 36
Hình 3.23 Các vùng không gian bao quanh một anten………………………… 37
Hình 3.24 Định nghóa steradian………………………………………………… 38
Hình 3.25 Anten và mạch tương đương………………………………………… 38
Hình 3.26 Chiều quay của mặt phẳng sóng điện từ phân cực ellip…………… 42
Hình 3.27 HPBW và FNBW của anten………………………………………… 43

(ix)
Hình 4.1

Đường sức điện trường qua mặt phân cách hai môi trường………… 50

Hình 5.1

Các điều kiện biên xuyên qua một lớp nguồn mỏng liên tục……… 57

Hình 5.2

Các điều kiện biên xuyên qua một lớp nguồn không liên tục……... 59

Hình 6.1

Cấu trúc hình học và mô hình phương pháp phần tử hữu hạn……… 63

Hình 6.2

Nguyên tố cơ bản của mắt lưới FDTD……………………………… 65

Hình 6.3

Các dạng phần tử hữu hạn…………………………………………... 68

Hình 6.4

Phân chia thành các phần tử hữu hạn tam giác…………………….. 68

Hình 6.5

Các thành phần của phần tử hữu hạn tam giác……………………... 69

Hình 6.6

Ví dụ minh họa phương pháp phần tử hữu hạn……………………... 73

Hình 7.1

Mô hình phương pháp ánh xạ bề mặt……………………………….. 76

Hình 7.2

Mô hình đầu người…………………………………………………… 80

Hình 7.3

Mặt cắt ngang mô hình đầu người………………………………….. 81

Hình 7.4

Mặt cắt mô hình bàn tay…………………………………………….. 82

Hình 7.5

Mô hình khảo sát bức xạ anten……………………………………… 83

Hình 7.6

Cấu trúc phân lớp môi trường……………………………………… 83

Hình 7.7

Cường độ điện trường E của anten PIFA trong môi trường
có ảnh hưởng của bàn tay…………………………………………… 99

Hình 7.8

Đường đẳng cường độ điện trường E anten PIFA…………………... 99

Hình 7.9

Sai biệt cường độ điện trường E mô hình có ảnh hưởng bàn tay
so với môi trường đồng nhất của anten PIFA………………………100

Hình 7.10 Năng lượng điện trường E khi thay đổi chiều dài miếng nền…….. 101
Hình 7.11 Năng lượng điện trường E khi thay đổi chiều rộng miếng nền…… 102
Hình 7.12 Năng lượng điện trường E khi thay đổi chiều dài miếng patch…… 103
Hình 7.13 Năng lượng điện trường E khi thay đổi chiều rộng miếng patch…..103
Hình 7.14 Năng lượng điện trường E theo độ thẩm điện tương đối miếng nền104
Hình 7.15 Cường độ điện trường E tương ứng với 3 dạng mô hình………….. 105
Hình 7.16 Sai biệt cường độ điện trường của các mô hình và năng lượng
bức xạ của 3 mô hình theo chiều dài miếng nền………………….. 106
Hình 7.17 Cường độ điện trường E tương ứng với 3 dạng mô hình…………... 107


(x)
Hình 7.18 Sai biệt cường độ điện trường và đồ thị năng lượng trường E……..108
Hình 7.19 Bức xạ của anten khi có sự hiện diện của đầu người……………... 110

Hình 7.20 Bức xạ của anten khi có sự hiện diện của bàn tay
(tần số 915MHz)……………………………………………………. 111
Hình 7.21 Các thông số anten PIFA và các đại lượng thay đổi……………… 114


(xi)

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 1.1

Mức SAR một số điện thoại ở Châu u……………………………... 5

Bảng 1.2

Danh sách 10 loại điện thoại di động có mức SAR cao nhất
và 10 loại điện thoại di động có mức SAR thấp nhất tại Mỹ………. 6

Bảng 2.1

Các thông số cơ bản để đưa ra các tiêu chuẩn an toàn…………….. 12

Bảng 2.2

Cơ sở chung của tiêu chuẩn an toàn bức xạ trưưòng điện từ………. 16

Bảng 4.1

Thành phần mô tế bào và các thông số điện đặc trưng……………. 46

Bảng 4.2

Thông số điện mô hình theo tiêu chuẩn IEEE SCC-34/SC-2………. 47

Bảng 4.3

Thông số điện đặc trưng của các mô tế bào ở tần số 1.8 GHz…….. 48

Bảng 4.4

Thông số điện đặc trưng của các mô tế bào theo mô hình
Gent và Yale ở tần số 915MHz……………………………………... 49

Bảng 7.1

Sự suy giảm năng lượng điện trường E ở tần số 935MHz………… 109

Bảng 7.2

Giá trị SAR trong 3 trường hợp mô phỏng (tần số 915MHz)……... 112

Bảng 7.3

Sự suy giảm năng lượng trường E (tần số 915MHz)……………… 112

Bảng 7.4

So sánh kết quả thực hiện chương trình…………………………… 113


(xii)

DANH SÁCH ĐỒ THỊ
Đồ thị 7.1 Năng lượng điện trường theo chiều dài miếng nền……………….. 115
Đồ thị 7.2 Năng lượng điện trường theo chiều rộng miếng nền……………… 116
Đồ thị 7.3 Năng lượng điện trường theo chiều dài miếng patch……………... 116
Đồ thị 7.4 Năng lượng điện trường theo chiều rộng miếng patch……………. 117
Đồ thị 7.5 Năng lượng điện trường theo độ thẩm điện tương đối
của miếng nền……………………………………………………… 118


(xiii)

TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Tiếng Anh

Nghóa tiếng Việt

2G

2nd Generation

Mạng thế hệ thứ 2

3G

3rd Generation

Mạng thế hệ thứ 3

ABCs

Absorbing Boundary Condition

Ranh giới hấp thụ

CGM

Conjugate Gradient Method

Phương pháp Gradient kết hợp

CT

Computer Tomography

Hình ảnh cắt lớp vi tính

DCS

Digital Cellular Switch

Chuyển mạch tế bào số

EIRP

Equivalent Isotropically Radiated
Power

Công suất bức xạ vô hướng
tương đương

EMF

Electromagnetic Field

Trường điện từ

EPIFA

E - Planar Inverted-F Antenna

Anten PIFA chữ E

FDFD

Finite Diferent Frequency
Domain

Phương pháp sai phân hữu hạn
miền tần số

FDTD

Finite Different Time Domain

Phương pháp sai phân hữu hạn
miền thời gian

FDVD

Finite Different Volume Domain

Phương pháp sai phân hữu hạn
miền không gian

FEM

Finite Element Method

Phương pháp phần tử hữu hạn

FNBW

First Null Beam Width

Độ rộng giữa các giá trị không
đầu tiên

GMT

Generalized Multipole Technique

Kỹ thuật đa cực

GPS

Global Position System

Hệ thống định vị toàn cầu

GSM

Global System for Mobility

Hệ thống thông tin di động toàn
cầu

HEC

HEC: Hydroxyethyl Cellulose

Tế bào Xen-lu-lô gốc hữu cơ

HPBW

Half Power Beam Width

Độ rộng nửa công suất

M0M

Method of Moment

Phươmng pháp Moments


(xiv)
MRI

Manegtic Resonance Imaging

Hình chụp cộng hưởng từ

MS

Message Service

Dịch vụ tin nhắn

MS

Mobile System

Hệ thống di động

PCS

Pesonal Communication Service

Dịch vụ thông tin cá nhân

PDE

Partitial Differential Equation

Công cụ Matlab dùng giải
phương trình vi phân

PIFA

Planar Inverted-F Antenna

Loại anten vi dải

SAR

Specific Absorption Rate

Tỷ lệ hấp thu sóng vô tuyến

TLM

Transmission Line Matrix Method Phương pháp ma trận đường
pháp

Triton
100

X- Polyethylene glycol mono ether

WHO

World Health Organization

Một loại chất trong thành phần
tế bào có gốc Ete
Tổ chức Y tế thế giới

Luận văn thạc só

1

GVHD: TS. Phan Hồng Phương

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU
1.1

Sự phát triển của hệ thống thông tin vô tuyến.
Khả năng truyền thông di động giữa người với người đã xuất hiện một

cách đáng chú ý kể từ khi Guglielmo Marconi, người được gọi là cha đẻ của công
nghệ thông tin không dây, lần đầu tiên chứng minh sóng vô tuyến có thể cung
cấp sự liên lạc giữa trạm đất liền và một tàu dẫn đường trên biển với khoảng
cách vài dặm. Trước đó, năm 1864 James Maxwell đã đưa ra lý thuyết về bức xạ
điện từ, loại năng lượng mà ông cho rằng được tạo ra bởi sự kết hợp của các sóng
điện và từ. Từ đó có thể truyền trong các loại vật liệu và không gian với một vận
tốc hữu hạn. Sau đó, nhà vật lý người Đức Heinrich Hertz (1857-1894) đã chứng
minh bằng thực nghiệm rằng sóng vô tuyến có thể truyền được trong môi trường
không khí khoảng vài mét. Vào năm 1897, Marconi đã có bằng sáng chế và thử
nghiệm thành công một hệ thống điện thoại vô tuyến dài 7 km. Năm 1899, ông
đã tạo được sự liên lạc giữa tàu thuyền với các trạm ven bờ dọc theo eo biển
Anh. Đến giữa tháng 9 năm 1901, Marconi và các cộng sự đã lắp đặt thành công
trạm liên lạc xuyên Đại Tây Dương giữa Anh và Canada với khoảng cách 1800
dặm, đây là công trình đã đặt nền móng cho sự phát triển không ngừng của công
nghệ không dây toàn cầu. Sự kiện này đã mở đường cho sự phát triển mang tính

thương mại của mạng truyền thông vô tuyến ở Mỹ, Canada, châu Âu và nhiều
khu vực khác.
Truyền thông không dây đang chứng kiến kỉ nguyên phát triển nhanh nhất
trong lịch sử của nó nhờ sự phát triển của khoa học và công nghệ được triển khai
rộng rãi vào nghiên cứu và ứng dụng trong lónh vực này. Trong suốt vài thập niên
vừa qua, công nghệ truyền thông đã phát triển với một tốc độ chóng mặt nhờ
những kỹ thuật của những năm 1970 mà đến bây giờ đã được hoàn thiện. Sự phát
HVTH: Phan Minh Song


Luận văn thạc só

2

GVHD: TS. Phan Hồng Phương

triển của viễn thông, từ điện thoại hữu tuyến đến điện thoại tế bào không dây,
các dịch vụ viễn thông cá nhân (PCS) là kết quả nằm trong khả năng của các
dịch vụ không dây. Ngày nay, có rất nhiều loại dịch vụ không dây như: cố định,
di động, ngoài trời, trong nhà, thông tin vệ tinh… với số lượng thuê bao sử dụng
đang gia tăng rất nhanh chóng. Các hệ thống thông tin di động cũng không ngừng
có sự cải tiến và thay đổi công nghệ để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của
người sử dụng. Đầu tiên là những hệ thống thông tin di động sử dụng công nghệ
tương tự (analog) cung cấp dịch vụ thoại chủ yếu phục vụ cho mục đích quân sự
với chất lượng dịch vụ không cao. Sau đó là hệ thống thông tin di động thế hệ hai
(2G) sử dụng mạng tế bào (Cellular) với các dịch vụ số liệu mới như nhắn tin
ngắn (SMS), truyền số liệu, truy cập Internet… Tuy nhiên, tốc độ dữ liệu còn hạn
chế ở mức 9,6 Kbit/s, chưa đáp ứng được các dịch vụ tốc độ cao. Do đó các mạng
thông tin di động thế hệ ba (3G) đã ra đời và đang dần dần thay thế với các kỹ
thuật hiện đại mà đặc biệt là kỹ thuật trải phổ có khả năng đáp ứng được nhu cầu

về tốc độ của các dịch vụ tốc độ cao.
1.2

Sự ảnh hưởng giữa cơ thể người và điện thoại di động - Các xu hướng
nghiên cứu.
Sự phát triển của viễn thông thông qua công nghệ không dây ngày càng

phát triển mạnh và được nhiều người sử dụng vì sự tiện dụng và linh hoạt của nó.
Với số lượng người sử dụng tăng lên với tốc độ hết sức nhanh chóng như vậy, sự
bức xạ của các thiết bị đầu cuối trực tiếp tiếp xúc với người dùng là một vấn đề
được đông đảo mọi người quan tâm. Sự quan tâm này tập trung về hai khía cạnh
chính: ảnh hưởng của sóng bức xạ từ các thiết bị đầu cuối di động đối với người
dùng và ảnh hưởng ngược lại của người dùng đối với các thông số hoạt động của
thiết bị.

HVTH: Phan Minh Song


Luận văn thạc só

3

GVHD: TS. Phan Hồng Phương

Do đặc điểm ở gần sát người dùng của các thiết bị này trong suốt quá trình
hoạt động nên gây ra các ảnh hưởng không xác định và khó biết được giới hạn
dựa trên mật độ trường điện từ và mật độ năng lượng. Nói cách khác, lượng năng
lượng điện từ bị hấp thụ bởi các phần khác nhau của cơ thể người sẽ phụ thuộc
vào khoảng cách của anten, cũng như kiểu và vị trí của anten. Các sóng bị hấp
thụ bởi các mô cơ nhiều hơn là các tế bào mỡ. Do đó các giới hạn được xác định

dưới dạng tỉ lệ của sự hấp thu sóng vô tuyến SAR (Specific Absorption Rate) trên
một khối lượng trung bình là 1g hay 10g tế bào trong một đơn vị thể tích.
Hiện nay, việc nghiên cứu ảnh hưởng qua lại của sóng bức xạ và cơ thể
con người khi sử dụng điện thoại di động được thực hiện trên các lónh vực sau:
1.2.1 Thiết kế anten.
Đối với các nhà thiết kế anten, các yêu cầu hiện nay là tạo ra các anten
tích hợp tương thích với công nghệ hiện đại, hoạt động trên một mặt phẳng nhỏ,
và đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật, đặc biệt là quan tâm đến băng thông và
hiệu suất. Ngày nay, anten ở gần với cơ thể người một cách thường xuyên và có
thêm nhiều chức năng khác nữa về mặt thẩm mỹ và sự tiện ích ngoài chức năng
thuần túy của một thiết bị đầu cuối thu phát vô tuyến. Hơn nữa, với sự phát triển
nhanh chóng và ứng dụng rộng rãi của công nghệ bán dẫn, các thành phần tương
ứng được sản xuất với kích thước thu nhỏ và những sự thay đổi này đã đóng góp
một phần rất quan trọng trong việc giảm đáng kể kích thước của thiết bị di động.
Do yêu cầu giảm nhỏ kích thước của điện thoại di động nên cần có các anten
nhỏ, nhẹ và nhạy cảm với hai thành phần phân cực trực giao.
Ngoài việc bảo đảm độ lợi theo yêu cầu, các nhà thiết kế anten cũng quan
tâm rất nhiều đến việc xử lý giới hạn bức xạ đối với cơ thể người dùng khi thiết
kế anten.

HVTH: Phan Minh Song


Luận văn thạc só

4

GVHD: TS. Phan Hồng Phương

Loại anten được sử dụng phổ biến trong điện thoại là anten vi dải. Tuy

nhiên anten vi dải truyền thống không thể đáp ứng đầy đủ cho các yêu cầu của
các thiết bị di động không dây có kích thước nhỏ. Mặc dù vậy, các anten này có
nhiều thông số thiết kế có thể được tối ưu hóa để giảm kích thước và giá thành,
đồng thời tăng băng thông, làm cho chúng nhạy cảm với cả sóng phân cực ngang
và phân cực dọc, cải thiện các đặc tính bức xạ và giảm ảnh hưởng của chúng đối
với cơ thể người. Với kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, tiêu hao ít năng lượng, khả
năng bức xạ tốt và tương thích cao của anten vi dải làm cho chúng thích hợp cho
các ứng dụng trong thiết kế điện thoại di động (MS) và các hệ thống thông tin vô
tuyến (BTS). Một trong những loại anten có cấu trúc tích hợp được quan tâm
nhiều nhất hiện nay là PIFA (Planar Inverted-F Antenna).
1.2.2 Ảnh hưởng của sóng bức xạ của điện thoại di động đối với người dùng.
Điện thoại di động là thiết bị tiêu hao ít năng lượng dùng để thu và phát
sóng vô tuyến. Mỗi máy được nối đến một trạm gốc để người dùng có thể thực
hiện và nhận được cuộc gọi. Tuy nhiên, trong quá trình được ứng dụng rộng rãi,
nó đã gặp không ít sự lo ngại từ người sử dụng về độ an toàn của nó đối với con
người. Sóng vô tuyến phát ở các tần số cao có thể là nguyên nhân gây ra các
hiệu ứng nhiệt đối với cơ thể. Hiện nay tất cả điện thoại di động đều phải hoạt
động ở một mức dưới ngưỡng quy định của các tổ chức có thẩm quyền trên thế
giới về vấn đề này.
Nhiều nghiên cứu được tiến hành dựa trên xu hướng an toàn của máy thu
phát cầm tay đối với cơ thể người chẳng hạn như các tiêu chuẩn an toàn và tỉ lệ
SAR. Sự tính toán giá trị SAR trung bình và phân bố SAR trên đầu người ảo đã
có từ rất lâu và cung cấp các thông tin có giá trị từ đầu những năm 1970. Các kỹ
thuật tính toán và các phương pháp thực tiễn khác nhau đã được phát triển trong

HVTH: Phan Minh Song


5

Luận văn thạc só

GVHD: TS. Phan Hồng Phương

suốt thập niên này để định lượng giá trị SAR trung bình và phân bố của nó trên
cơ thể người.
Việc nghiên cứu lónh vực này nhằm đề ra các tiêu chuẩn an toàn giúp các
nhà thiết kế thiết bị di động cầm tay đưa ra các sản phẩm đảm bảo các tính năng
kỹ thuật mà vẫn đáp ứng được yêu cầu đảm bảo sức khỏe người dùng.
Ngày nay, hầu hết các nhà sản xuất điện thoại di động đều công bố mức
SAR đối với từng loại sản phẩm được đưa ra thị trường và đảm bảo đúng tiêu
chuẩn của các quốc gia mà sản phẩm được tiêu thụ.

Hãng sản xuất và chủng loại

Mức SAR (W/kg)

1. Nokia 2110

0.44

2. Nokia 5110

0.37

3. Nokia 6110

0.29

4. Bosch World 718

0.28

5. Ericsson GA628

0.26

6. Hagenuk Global Handy

0.03

7. Motorola Star V3688

0.02

8. Motorola Star TAC 70

0.02

Bảng 1.1

Mức SAR một số điện thoại ở Châu u

(Nguồn số liệu: Phòng thí nghiệm vật lý quốc gia Anh)

HVTH: Phan Minh Song


6

Luận văn thạc só

Hãng sản xuất và chủng loại

GVHD: TS. Phan Hồng Phương

Mức SAR (W/kg)

1. Ericsson T28 World

1.49

2. Nokia Digital 5160

1.45

3. Nokia 5170

1.45

4. Denso TP 2200

1.44

5. Qualcomm QCP-1960

1.41

6. Sanyo SCP-4500

1.4

7. Sony CMB-1200, 2200, 3200

1.3906

8. Nokia 8860

1.39

9a. Motorola StarTAC 7867

1.38

9b. Motorola ST7767D

1.38

9c. Motorola Talkabout T8167

1.38

9d. Motorola Timeport P8167

1.38

10. Neopoint NP-1000

1.38

1. Motorola StarTAC 7860

0.24

2. Qualcomm pdQ-1900

0.2634

3. Mitsubishi Trium Galaxy G-130

0.35

4. Motorola TalkAbout 2297

0.35

5a. Motorola ST7797

0.39

5b. Motorola T8097

0.39

5c. Motorola P8097

0.39

6. Motorola StarTAC 7790i

0.42

7. Motorola i1000plus

0.43

8a. Motorola G520

0.457

8b. Motorola M3682

0.457

9a. Ericsson KF-688

0.477

9b. Ericsson DF-688

0.477

10. Motorola M3097
0.53
Bảng 1.2 Danh sách 10 loại điện thoại di động có mức SAR cao nhất và
10 loại điện thoại di động có mức SAR thấp nhất tại Mỹ
(Nguồn số liệu: các nhà sản xuất gởi cho tổ chức FCC, do DoMode.com tập hợp)

HVTH: Phan Minh Song

Luận văn thạc só

7

GVHD: TS. Phan Hồng Phương

1.2.3 Ảnh hưởng của cơ thể con người đến bức xạ điện từ của điện thoại di
động.
Vào năm 1994, tổ chức Telia ở Thụy Điển đã cảnh báo rằng một số điện
thoại di động khi được cầm trong tay sẽ mất đi 8 dB độ nhạy. Điều này gây ra
một làn sóng nghiên cứu về hoạt động của anten trong cuộc sống thực tế. Các
nghiên cứu đã chỉ ra sự biến động rất lớn đối với hiệu suất anten, sự suy hao do
cơ thể người cho các loại điện thoại di động khác nhau.
Bức xạ anten và các đặc tính khác thay đổi đáng kể khi có sự hiện diện
của cơ thể người. Hiện nay trên thế giới có rất nhiều công trình nghiên cứu thực
hiện phân tích các ảnh hưởng này trên các anten thông dụng trong thông tin di
động bằng nhiều phương pháp khác nhau kể cả thực nghiệm lẫn lý thuyết. Người
ta chủ yếu quan tâm đến ảnh hưởng giữa anten của điện thoại cầm tay và cơ thể
người, đặc biệt là hai bộ phận đầu và bàn tay người dùng vì đó là hai bộ phận
tiếp xúc trực tiếp đến thiết bị khi người dùng thực hiện cuộc gọi. Đầu và tay
người có những thông số điện như mật độ điện tích khối, độ thẩm điện, độ thẩm
từ v.v… đặc trưng. Các đặc tính điện này được khảo sát để xác định ảnh hưởng
của nó đến các đặc tính hoạt động của anten khi có sự hiện diện của cơ thể
người, đồng thời tìm ra cách cải tiến cho anten hoạt động tốt hơn.
Gần đây, với sự mô phỏng chính xác đầu người và những phát triển của
công cụ tính toán điện từ bằng máy tính đã giúp đỡ rất nhiều trong việc tính toán
và định lượng chính xác các thông số trong mối quan hệ này.
Tuy nhiên, các chức năng di động và sự thuận lợi của các thiết bị di động
không dây không thể mất đi được. Do đó cần phải tiếp tục nghiên cứu về các vấn

đề này, định lượng chính xác các mối quan hệ trên và xác định sự tương ứng của
nó với các chuẩn an toàn đã có. Thêm vào các nghiên cứu về mối quan hệ giữa
các hiệu ứng về sức khỏe với các chuẩn an toàn, một vấn đề quan trọng khaùc

HVTH: Phan Minh Song