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翻訳: T.Sato
何年ものあいだ、一般公衆の一部で、 無線周波 (RF) 放射への曝露によって生じ得る健康への影響に関する懸念が持たれてきた。 高レベルの RF フィールドは人体への様々な物理的影響を生じることが知られている。 何十年ものあいだ、 無線使用者や技術者の比較的少数のグループがその職業に伴って曝されてきたが、 特に携帯電話、また最近ではその他のワイヤレス・デバイスの 公衆による使用の劇的な増加によって、 これらの製品がその使用者を潜在的に有害なレベルのフィールドに曝さないことを 保証することが必要となっている。
これらのデバイスの大半の動作周波数においては、 既知の健康への影響は組織加熱を中心としたものである。 この加熱作用の尺度は、比吸収率 (specific absorption rate; SAR) として知られている。 消費者の健康と安全の側面を規制する世界的な努力の一部として、 市場に出される製品が SAR に対する限度に適合することを 多くの当局が求めるようになっている。 このため、SAR の測定は、 そのような製品を作る企業に対する急速に成長する要求となっている。
規則上の限度が定められている曝露に関する基礎の大半 ――全てでないとすれば―― は、 ICNIRP ガイドライン* に示されている。 この文書は、既知の健康影響を参照している。 誘起される循環電流や外部で発生させられる RF ショックや火傷は状況によっては重要であるが、 それらは SAR 測定の関係においては重要ではない。 エネルギーの吸収に関しては、電磁界は４つの周波数範囲に分けられる：
一部の人が経験するかも知れないが組織加熱に基づかない低レベルの作用 (非熱的作用) は 依然として議論の余地があり、論争となっており、これは SAR 限度ではカバーされていない。
* GUIDELINES FOR LIMITING EXPOSURE TO TIME-VARYING ELECTRIC, MAGNETIC, AND ELECTROMAGNETIC FIELDS (up to 300 GHz), International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection, Health Physics April 1998, Volume 74, Number 4:494-522
ICNIRP 文書よりの引用：
「入手可能な実験的証拠は、安静状態の人間への 1〜4 W/kg の SAR を生じる電磁界への約 30分間の曝露は、 1℃ 未満の温度体温上昇を生じることを示している。 動物でのデータは、同一の SAR 範囲に行動反応の閾値を示している。 より強い、4 W/kg を超える SAR を生じるフィールドへの曝露は、 肉体の体温調整能力を超えさせ、有害なレベルの組織加熱を生じ得る。 齧歯類や非人類霊長類のモデルによる多くの実験室研究は、 人体の一部、あるいは全身の1〜2℃を超える温度上昇を生じる加熱に起因する 広範囲の組織損傷を実証した。 様々な種類の組織の熱的損傷に対する敏感さは大きく異なっているが、 最も敏感な組織においても、 不可逆的影響の閾値は通常の環状条件下において 4 W/kg よりも大きい。 これらのデータは、高い周囲温度、湿度、あるいは物理的活動のレベルなどといった 他の制約条件に対する大きな安全余裕を与える、労働曝露制限の 0.4 W/kg の基礎となる。」
| オーストラリア | USA | 欧州 | 日本 | 国際 | |
|---|---|---|---|---|---|
| 測定法 | ACA (old) EN 50361 (new) | ANSI C95.3 (old) IEEE 1528 (new) | EN 50361 | IEC 62209 (draft) | |
| 限度値 | AS 2772.1 (old) ARPANSA (new) | ANSI C95.1 | EN 50360 (理事会勧告 1999/519/EC) | 通信技術審議会 ／ 総務省 | ICNIRP (Health Physics April 1998, Volume 74, Number 4:494-522) |
欧州連合は、EU 加盟国が電磁界曝露限度を考慮することが期待されているという立場を示す 理事会勧告を 1999年に出した。 この文書は、ICNIRP 文書で一般公衆のために与えられた基本制限を勧告する。 それは、 「この勧告で示された基本制限への適合性の評価のために、 国家並びに欧州の標準化機関 (例えば CENELEC、CEN) は 機器の設計と試験に関する共同体規制フレームワーク内での規格の策定に努めるべきである」 とも言明している。
CENELEC はそのような規格をここ数年にわたって策定してきた； 最初のものの１つは、SAR 限度に関して理事会勧告を参照した、 携帯電話のための EN 50360:2001 である。 これは、我々が後で詳細に調べなければならない、EN 50361 の測定法を指示している。 EN 50360 は無線及び通信端末機器 (R&TTE) 指令の元での整合規格であり、 EU 内で販売される、この規格の適用範囲に入る全ての機器は、 この要求に適合しなければならないこととなる。
2002年末の時点で整合化されていたその他のものは：
FCC 規則で言明されているように、 それぞれ FCC 規則のパート 22 (サブパート H)、パート 24、パート 25、パート 26、 パート 27、パート 80、及び パート 90 で認められる セルラー無線電話、個人通信 (PCS)、衛星通信、汎用ワイヤレス通信、ワイヤレス通信、 海上 (船上地上局のみ)、そして特殊モバイル無線サービスの枠内で動作する モバイル、及び携帯型の送信デバイスは、 機器の認証や使用に先立っての RF 曝露に関するルーチン環境評価の対象となる。 パート 95 のサブパート H、及び I で認められる ワイヤレス医療テレメトリー・サービス (WMTF) や 医療用インプラント通信サービス (MICS) の枠内で動作する携帯型デバイスは、 機器の認証や使用に先立っての RF 曝露に関するルーチン環境評価の対象となる。 FCC 規則のパート 15 で認められる免許不要 PCS、U-NII、及びミリ波デバイスも、 機器の認証や使用に先立っての RF 曝露に関するルーチン環境評価の対象となる。 その他の全てのモバイル、及び携帯型のデバイスは、 分類上、RF 曝露に関するルーチン環境評価から除外されている。
携帯型デバイスの RF 曝露適合性の評価のための FCC 規則は、 47 CFR §2.1093 に含まれている。 ここでは、携帯型デバイスは、通常の使用状態において、 その放射構造の任意の部分を使用者の体に直接接触させて、 あるいは使用者や近傍の人の体から 20cm 以内で使用するように設計された 送信デバイスとして定義される。 携帯型デバイスは、RF 曝露に対する SAR 限度に対して評価される。
曝露特性 周波数範囲 頭部、及び
胴体の電流密度
(mA m-2)
(rms)全身平均 SAR
(W/kg)局所 SAR
(頭部と胴体)
(W/kg)局所 SAR
(四肢)
(W/kg)職業的曝露 1Hzまで 40 − − − 1〜4Hz 40/f − − − 4Hz〜1kHz 10 − − − 1〜100kHz f/100 − − − 100kHz〜10MHz f/100 0.4 10 20 10MHz〜10GHz − 0.4 10 20 公衆の曝露 1Hzまで 8 − − − 1〜4Hz 8/f − − − 4Hz〜1kHz 2 − − − 1〜100kHz f/500 − − − 100kHz〜10MHz f/500 0.08 2 4 10MHz〜10GHz − 0.08 2 4 ICNIRP ガイドライン、Table 4 より
NB ―― EC 理事会勧告 1999/519/EC は一般公衆曝露の値を用いている。
曝露の制限は確立された健康影響に基づいており、基本制限と呼ばれている。 電磁界への曝露に対する基本制限の規定のための物理量としては、 周波数に応じて、電流密度、SAR、そして電力密度が用いられている。 健康への悪影響に対する保護は、これらの基本制限を超えないことを必要とする。
曝露の参照レベルは、 物理量 (電界強度や磁界強度) の測定値との比較のために与えられている； ICNIRP で与えられた全ての参照レベルへの適合は、基本制限への適合を保証するであろう。 測定値が参照レベルよりも高い場合、基本制限を超えることになるとは限らないが、 基本制限への適合性の評価のためにはより詳細な分析が必要となる。
SAR 値は全て、任意の 6分間にわたって平均される。 局所 SAR 平均質量は、連続した任意の 10g の組織である； そのようにして得られた最大 SAR は、曝露の予測のために用いられる値となるであろう。 公衆の曝露のための低い基本制限は、 彼らの年齢や健康状態が労働者とは異なっているかも知れないという事実を考慮に入れている。
多くの状況において (手持ち型送信機の SAR 評価を除き)、 SAR を実際に測定することは実現できない (それが人体内の侵襲的な測定を含むことになるため) か、 あるいは経済的に正当化できないであろう。 これらの場合、人が実際に曝されることになるフィールドを直接測定し、 参照レベルと比較することができる。 これらが限度ではなく、 曝露管理の調査を開始すべきレベルであることに注意することが重要である： 基本制限が満足され、負の非直接的作用を除外できる限り、 これらのフィールド強度の値を超えることができる。 参照レベルが適用される典型的な状況は、 基地局送信施設からの公衆や労働者への曝露である。
適切な場合、参照レベルは基本制限から数学的モデリングと 所定の周波数での実験室調査の結果からの外挿によって得られる。 フィールドからそれに曝露された個人への最大結合の条件に関する規定があり、 それによって最大の保護を与える。 参照レベルは曝露された個人の全身にわたっての空間的な平均値として意図されているが、 局所曝露の基本制限を超えないという重要な条件がある。
結合が送信アンテナの近傍界で生じることから、
参照レベルは手持ち型送信機には適切ではない。
比較のために、それらをここで引用する。
２つの限度が用いられる： 全身にわたって平均された曝露の低い値、 そして体の一部 (例えば頭部) への局所的な曝露に適用される高い値。 この体の一部の SAR は、 立方体の形状の組織の寸法で規定された組織量にわたって平均される。 US の要求は、より低い空間平均限度の要求、 そしてこの限度がより小さい体積 (10g に対して 1g) にわたって平均されるという点で、 国際要求とは異なっている。 それらは、SAR をより長い時間で平均することも求めている； しかし、携帯型デバイスの使用者は規定された平均時間のあいだ そのデバイスからあり得る最大電力に曝されるであろうことが仮定されているので、 SAR 測定に際しての出力の時間平均の要求は実質的に適用されない。
体の小さい部分のみを曝露する携帯型デバイスについては、 実際に使用された測定体積で超えないことが示せる ――通常はそうである―― のであれば、 全身 SAR 限度は超えないものと想定されている。
| 全身 SAR | 空間最大 SAR | 平均時間 | 平均質量 | |
|---|---|---|---|---|
| 欧州 | 0.08 W/kg | 2 W/kg | 6分 | 10g |
| USA | 0.08 W/kg | 1.6 W/kg | 30分 | 1g |
携帯電話のための SAR 測定の方法に関する３つの主な規格がある。 それらは上で示した。 EN 50361 は「機器の放射部を人の耳に近接させて使用することを意図した 任意の電磁界送信デバイス」に適用される。 IEEE P1528 は、「300MHz〜3GHz の周波数範囲で動作し、 耳の近くに保持しながら動作させることが意図された、 個人ワイヤレス通信サービスのために使用される手持ち型無線送受信機」 に適用される。 IEC 62209 は、「機器の放射部を人の頭部に近接させて使用することを意図した 任意の電磁界 (EMF) 送信デバイス」のためのものである。
幸い、これらの３つの規格のあいだには大きな共通の地盤がある。 特定の側面については、 それらの規格策定組織、すなわち CENELEC TC106X、IEC TC106、及び IEEE SCC34 の協調が、 それらの委員会の共通のメンバーによって達成されている。 試験法、手続き、そして評価要求は、一般に同等である。 それらと P1528 のあいだにはより大きな違いがあるものの、 IEC と EN の文書の書式は非常に似ている。
これら３つの規格のそれぞれは、それらのあいだの強調のマイナーな違いはあるが、 その本体に上の主題の情報を含んでいる。 その最も重要な側面は、試験システムの精度と性能、そして測定を実施する方法である。 これらの規格それぞれの１つのイノベーションは、 測定の不確かさの算定の評価の実施、そして最大許容不確かさの制限である。 これは、機器と試験所の手続きの双方に要求を与える。
SAR 分布と最大質量平均 SAR 値はこれらの測定値から計算される
IEC 62209 ドラフト 5.1節によれば：
「試験は、ワイヤレス・デバイスが発生する電磁界に曝された 人の頭部を代表するファントム・モデル内の内部電界分布を測定するために 自動的に位置決めされる小型プローブを用いて行なわねばならない。 測定された電界の値から、SAR 分布と最大質量平均 SAR 値を計算する。」
試験システムは、被試験装置の位置決めと走査システムの整列、 組織シミュラント液体の誘電率の測定、 そして測定精度の確認と検証のためのコンポーネントも含むべきである。
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全頭部ファントム |
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縫合線分割ファントム |
扱うべき最初の問いは、ファントムの性質である。 それは、直立頭部モデル (上の図)、 あるいはその側面を揃えた２つの縫合線分割モデル (下の図； 「縫合線」という単語は頭蓋骨の左と右の半分のあいだの継目を示す) のいずれかとできる。
直立、及び水平双対 SAM ファントムの双方が CENELEC と IEEE (FCC) の規格で認められており、 使用者は自分自身の製品や顧客ベースに応じて そのトレード・オフを決定しなければならない。 直立ファントムは、少ない液体体積、グリコール・ベースの液体の最小の蒸発、 そしてデバイスの位置決めの容易さの点で、より便利である。 双対ファントムの提唱者らは、 プローブの軸等方性誤差と半球等方性誤差に伴う測定不確かの低さを、 そして境界効果も低減されていることを主張する。 だが、それぞれのファントムの実現は、そのシステム全体に固有のものである。 嵩張ったデバイス・ホルダーによって引き起こされる位置決め誤差と歪みは、 「双対」の効用である測定不確かさをオフセットさせ得る。
直立ファントムは、
位置情報の３軸ロボット・コマンドへの変換のためにより多くの計算を必要とし、
平面試験とシステム検証のために別のファントムを必要とし、
規格の測定の意図に近くて一般に試験所での使用が容易である。
不確かさを最小とするためには、それは応答の等方性が良いプローブに依存する。
耳のスペーサを含めて、ファントムのシェルは、 比誘電率 ＜ 5、かつ損失正接 ＜ 0.05 の、低誘電率で低損失の材料から作られる。 SAM の CAD ファイルによれば、ファントムのシェルの形状は ±0.2mm の許容差を持つ。 耳や突き出した部分の外壁を除き、 ハンドセットの投射内のどの部分でも、シェルの厚みは 2±0.2mm である。 耳のスペーサは、耳参照点 (ERP) において、 ±2mm 以内の許容差で組織の境界から 6mm の隙間を与える。 中央縫合面の ±1.0cm 以内の中央の範囲では、この許容差は緩和される。
ファントムの３つの点が位置決めシステムとの対応付けのために用いられる。 点「M」は口の中心のための基準点、 「LE」は左側の耳参照点 (ERP)、そして「RE」は右側の ERP である。 これらの点は EUT のファントムに対する再現可能な位置決めを可能とするために用いられる。
誘電特性の測定のための３つの受け入れ可能な方法があり、TEM 線路が最も正確である； これはベクトル・ネットワーク・アナライザを使用する。
プローブを保持するロボット・システムは、SAR 測定に干渉することなく、
ファントムの曝露された空間全体を三次元 SAR 分布の評価のために走査できなければならない。
測定範囲にわたってのプローブ先端の位置決めの精度は ±0.2mm よりも良くなければならない。
位置決めの分解能 ――測定システムが測定を行なえるステップの大きさ――
は 1mm 以下であるべきである。
EUT ホルダーは、傾斜角については ±1°の精度で、
デバイスを規格の規定に従って位置決めできるものでなければならない。
それは低損失で低誘電率の材料で作られていなければならない；
損失正接 ＜ 0.05、かつ誘電率 ＜ ファントムのシェルの５倍。
残念ながら、携帯電話のホルダーについては、これは充分な基準ではない。
特定の種類のハンドセット・アンテナの近傍では、低損失のプラスチック材料であっても
SAR 測定に大きな影響を持ち得ることが知られている。
必要なことは、ハンドセットの近くの構造の
体積と損失 (あるいは比誘電率) の積を最小限とすることである。
大きな、丈夫なホルダーは、位置決め再現性の助けとなるかも知れないが、
材料の干渉のためにより大きな不確かさをもたらし得る。
測定用プローブに対するいくつかの重要なパラメータがある。
それは、関係する周波数範囲にわたって共振せず、
フィールドの正確な空間指示を可能とするように、充分に小さくなければならない。
それは液体内のフィールド構造を著しく乱してもならない。
直接測定することができない、
ファントムのシェルの近くの「デッド・ボリューム」を最小限とするために、
その測定中心は可能な限りプローブの先端の近くにあるべきである。
規格は、プローブ直径が 8mm よりも大きくないことを推奨している；
大抵のシステムは 5mm 程度のプローブ先端直径を持つ。
これらの特徴は、その中心にダイオード検波器を内蔵した、
非常に小さい微小ダイポール・エレメントを使用し、
ダイオードからの直流出力を
RF に対して透明な高抵抗リードを通して遠隔のアンプに送ることによって得られている。
プローブは、高感度で、線形で、また等方性でなければならない。
最小検出限界は ＜ 0.01W/kg、最大は ＞ 100W/kg であるべきである。
この範囲内で、直線性は ±0.5dB であるべきである。
プローブの校正のためには、
試験に使用されるものと同一の誘電性液体に既知の SAR を印加する必要がある。
これは導波路法を用いて達成できる。
液体で満たされた直方体の導波路内に発生させられた SAR は、
計算によって求めることができる：
ここで：
この方法は、プローブに国家標準にトレーサブルな正確な校正を与えるための基礎である。
使用されているダイオード検波器は非線形である
――それらは、低レベルではフィールドの自乗で、高レベルでは正比例に低下する応答を持つ――
ので、測定回路内で、
３つのチャネルのそれぞれについて独立に線形化プロセスが行なわれねばならない。
この線形化は、それぞれの検波器に整合していなければならない。
プローブのチャネル出力信号は、それぞれのチャネル (x、y、及び z) について、 以下の式を用いて線形化される：
Ulin = Uo/p + Uo/p / DCP
ここで、Ulin は線形化された信号、 Uo/p は電圧単位での生の出力信号、 そして DCP は同様の電圧単位でのダイオード圧縮ポテンシャルである。 DCP は、プローブのダイナミック・レンジ全体にわたっての Ulin 対 信号源送出信号の測定結果に この等式を当てはめることによって決定される。
パルス信号のためには別の校正係数が必要である。
それぞれの出力レベルにおいて、
SAR プローブからの個々のチャネル出力が CW で記録され、
その後に再びパルス変調で記録される。
変調電力は、測定された CW 電力に係数
(例えば、GSM については、この係数は 9.03dB である)
を適用することによって計算される。
個々のチャネルの線形化のための DCP 値は個別に評価され、
それぞれのプローブの校正係数の要約のページにリストされる。
プローブの等方性は、
プローブの応答が入射波の偏波や伝搬方向に依存しない程度である。
軸等方性は、 「プローブの軸に沿った方向から照射した基準波に曝されたプローブにおける、 プローブをその主軸に沿って回転させた際の SAR の最大の偏差」 として定義される。
半球等方性は、 「プローブの前面の半空間内の軸に対して様々な入射角で照射した基準波に曝されたプローブにおける、 プローブをその主軸に沿って回転させた際の SAR の最大の偏差」 として定義される。
等方性確認は、校正用導波路、 あるいはプローブを当該の軸で回転させる治具の中で実施できる。
上の図は、それぞれの方向から印加されたフィールドに対するプローブの応答を示す：
左の図は３つのチャネルのそれぞれの個別の応答特性を示し、
右の図はそれぞれの方向での結果的なプローブ感度を示す。
最低値は青であり、最大値は赤である。
このプローブについては、その範囲は ±0.43dB である。
SAR 測定システムのソフトウェア・パッケージは、いくつかの重要な機能を持つ。
それは試験員からの入力とファントム・シェルの形状の知識に基づいて
実際の測定グリッドを決定しなければならない。
そして、このグリッドは、位置決め用ロボットを介して
測定用プローブの位置を制御するために用いられる。
試験員は、制御プロセスに先立って
ジオメトリー情報 (グリッドの位置と間隔) を修正する機会を持つ。
シェルに対するプローブ位置の指示はこのプロセスの重要な部分である。
そのソフトウェア・アルゴリズムは、 EUT の範囲内のファントム内部の予期される最悪の位置を 最初の結果からの内挿と外挿によって算出し、 三次元最終走査を制御しなければならない。 限定された空間内での最終値が得られたならば、 規格で認められた方法で空間平均と最大のレベルが計算されねばならない。
規格は、ソフトウェアの計算アルゴリズムが検証されていること、 すなわちそれらが既知の入力データから正確な結果を出すことを求めている。 これを達成するために、規格と共に、 ４つの独立したデータ・ファイルが正しい参照出力値と共に入手できる。
最後だが些細ではないこととして、そのソフトウェアは
試験員とユーザー・フレンドりーな形でインターフェースしなければならない。
プロセスの主要な段階の視覚的な表現が重要である。
システム・チェック・セットアップは、プローブと位置決め装置の動作と正確さ、 そして液状誘電体の正しい組成を証明する。 それは適合性試験の前に試験周波数の ±10% 以内の周波数で実施され、 その結果は 1g、あるいは 10g 平均 SAR の目標値の ±10% 以内になければならない。
この目標値は、特定のファントムの特性と隔離距離での計算によって、規格に示されている。 検証システムは平面ファントムを使用し、 目標値は特定の設計の基準ダイポールへの 1W の電力について列挙されている。 従って、この検証は測定用プローブと電気系の正確さを試験するが、 実際のファントムと走査システムの機械的な指示は試験しない。
これは、EMC+Compliance Journal に掲載された記事を、 その許諾を得て T. Sato が翻訳したものです。 この翻訳については、原著者らはいかなる責任も持ちません。 これについての意見、質問などは VEF00200@nifty.com (T.Sato) 宛にお送り下さい。
Last update: 2004-05-28