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What's hot in SAR?

by Alex Miller and Vina Kerai, TUV Product Service/BABT

かつては、SAR 試験は主として携帯電話デバイスに対してのみ実施されてきたが、多数の様々な種類のデバイス ――基地局アンテナ、マイクロ波機器、プライベート・モバイル・ラジオなどの―― に SAR 試験を実施しようとする通信機器の製造業者と運用事業者からのニーズのさらなる増加によって、 SAR 規格、仕様、そして要求のさらなる開発が進行するであろう。

比吸収率 (SAR) 試験は、人の頭部や体から 20cm 以内で運用され得る、そして少なくとも 20mW の無線周波 (RF) 電力を送信する、広範囲のスタンドアローンの、独立運用される、可搬型の送信機、そして放射構造に対する要求である。生体組織へのエネルギーの吸収の程度を定量化する指標である SAR は、ワット／キログラム (W/kg) で表現される。 SAR は、通常は人体や脳の組織等価物質 (tissue equivalent material; TEM) の 1グラムや 10グラムの体積にわたって平均された値として示される。

人体に近接して用いられるモバイル通信デバイスの増加は、 T-Mobile を含むモバイル・デバイスの製造業者や通信網運用事業者が、欧州市場のためにデバイスを評価するようにさせた。欧州における人体測定のための所定の試験規格の欠如のため、 2.0 W/kg の SAR 限度を適用して、 FCC OET Bulletin 65 Supplement C Edition 2001 の試験法が用いられてきた。

SAR 規格

Table 1: 世界の現在の SAR 規格

オーストラリア、カナダ、中国、日本、USA、そして欧州を含む世界の多くの地域で、 RF 電力への公衆の曝露の許容水準が制限されていることを確かとするための規制が設けられている。委員会は、既存の SAR 規格の発展に継続的に努めており、市場に現われる新たな技術デバイスと共に、 SAR と RF の分野における新たな科学的研究開発を反映するために、新たな規格も徐々にリリースされている (Table 1)。

新たにリリースされた規格

欧州規格 EN 50392:2004

EN 50392:2004 ―― 電磁界に対する人体曝露に関する基本制限に対する電気、及び電子機器の適合性を実証するための一般規格 (0Hz～300GHz)。 2004年 1月にリリースされたこの規格の目的は、電磁界への人体曝露に関する専用の製品、あるいは製品群規格が適用されない電子／電気装置の適合性の実証である。

国際規格 IEC 62209-1

2005年 2月、IEC は IEC 62209-1 と呼ばれる国際規格を公表した ―― 国際規格：手持ち型、及び人体装着型の無線通信デバイスからの無線周波フィールドに対する人体曝露 ―― 第１部：耳の近傍で用いられる手持ち型デバイスのための比吸収率 (SAR) の同定のための手続き (300MH から 3GHz までの周波数範囲)。この規格は、ワイヤレス通信デバイスが国際的に受け入れられている SAR 限度に適合していることを確かとするために策定された。この規格は世界的に用いられている異なるプラクティスと手法を整合化し、 SAR に関する試験のために用いる方法論を規定する。だが、それは適用可能な SAR 限度を定めていない。

IEC は、人体の近傍で使用され得る手持ち型、及び人体装着型デバイスのための新たな規格の策定も行なっている。ドラフト段階にあるこの規格は、IEC 62209-2、手持ち型、及び人体装着型ワイヤレス通信デバイス ―― 人体モデル、測定器、及び手続き ―― 第２部：人体の近傍で用いられる 30MHz から 6GHz の手持ち型、及び人体装着型デバイスのための、頭部、及び体幹の内部の比吸収率 (SAR) の同定のための手続き、と題されている。この規格は近い将来にリリースされる予定であるが、日付は確定していない。¹

基本制限と参照レベル

曝露の影響に関する制限は確立された健康影響に基づいており、基本制限と名付けられている。周波数に依存して、電磁界 (EMF) への曝露に関する基本制限を規定するために使用される物理量は、電流密度、SAR、そして電力密度である。負の健康影響に対する保護のためにはこれらの基本制限を超えないことが必要であり、物理量の測定値 (電界や磁界の強度) との比較のために曝露の参照レベルが与えられている。国際非電離放射線防護委員会 (ICNIRP) ガイドラインの全ての参照レベルへの適合は、基本制限への適合を確かとするであろう。測定値が参照レベルよりも高かったとしても基本制限を超過していることになるとは限らず、基本制限への適合性の評価のためにより詳細な分析が必要となる。²

補聴器コンパチビリティ規格

補聴器は、一般に、音声信号がマイクロホンで検出されるものと、磁気信号がテレコイル (T-coil) で検出されるものの２つのモードで動作する。これらのモードはワイヤレス・デバイスからの干渉を被り易い。 FCC は、USA で販売されるワイヤレス・ハンドセットが補聴器との両立性を持つべきことを義務化した。 FCC は、ANSI 規格 ANSI C63.19 ――ワイヤレス通信デバイスと補聴器のあいだの両立性の測定法に関するアメリカ国家規格―― の 2001年版に含まれている性能測定規格に基づき、デジタル・ワイヤレス電話が補聴器と共に効果的に運用できることを求めている。ワイヤレス・デバイスと補聴器に適用されるこの規格は画一的な測定の方法を与え、 800MHz から 3000MHz の周波数範囲をカバーする。³ 2005年 4月 13日、ANSI 委員会は改訂版の補聴器両立性 (hearing aid compatibility; HAC) 規格のドラフト、 ANSI C63.19-2005 (PC63.19 (D3.6)) を採択してリリースしたことを FCC に通知した。

Office of Engineering and Technology (OET) は、HAC 認可の申請者は ANSI C63.19 の 2001年版とドラフトの 2005年版のいずれを用いることもできると決定した。この改訂された規格は、ワイヤレス電話の無線周波干渉と誘導性結合のレーティングを規定するために、消費者がレーティングを理解することを容易にする、新しい専門用語を取り入れている。このドラフト規格は、製造業者とキャリアが 47 C.F.R. 20.19 (b) の RF 干渉要求に適合するハンドセット・モデルの提供の 2005年 9月 16日の期限に合わせることを助けるであろう新しい測定とレーティングの手続きの使用を可能とする、より一貫して信頼できる測定結果をもたらすものと期待される。このドラフト規格は、IEEE によるレビュー段階にある。⁴

SAR マーク

BABT SAR マーク

調査は、携帯デバイスの放射影響に関する顕著な不安は残っているものの、小売業者は往々にして見込み客にアドバイスして安心させるために必要な知識を欠いていることを示した。 BABT は、携帯電話が承認された SAR 規格に適合している旨を市場に対してすぐに見て取れるようにし、また信頼を与えるために、 2004年 2月に独自の比吸収率 (SAR) 認証マークを立ち上げた。

当初は、このスキームは欧州連合のために策定された規格である EN 50361 に適合する携帯電話に適用されるが、いずれは他の規格もカバーするように拡大されるであろう。 BABT SAR マークの付けられた製品は現行の EU 規格に適合し、その製品がその規格に適合し続けることを確かとするために継続的なサーベイランスが行なわれる。 BABT SAR マークは、その高い信頼を確かとするための厳格な手続きの適用を含む。 TUV Product Service/BABT による EN 50361 に対する SAR 試験は、 British Approvals Board for Telecommunications 技術審査員による技術的レビューを伴う。有効な証明書を維持するために、製造業者はその機器に対するいかなる変更に関しても BABT の承認を求めなければならず、試験結果の継続的な証拠が実証されねばならず、そしてその製造施設も BABT 品質システム認証を維持する必要がある。そのマークが与えられたならば、その製造業者はその製品、包装、製品に関係する宣伝資料、そしてウェブ・サイトに、それを表示することができる。

Blue Angel SAR マーク

様々な製品やサービスに対する環境関連ラベルを提供しているドイツの Blue Angel は、 2002年 6月に携帯電話のための環境ラベルを導入した。⁵ 携帯電話の環境ラベルを得るための基本的な基準は、携帯電話が EN 50361 に従って測定され、 10g 平均で 0.6W/kg を超えない SAR を持たなければならないというものである。⁶ Blue Angel ウェブ・サイトの RAL-UZ 106 の 3.1.1章は、各申請者はその測定の実施に関して EN ISO/IEC 17025 に従って認定された独立した試験機関からの試験報告のサマリを送付しなければならないと述べている。その電話は、リサイクル要求にも適合しなければならない。

携帯電話製造業者の一部は、参考資料によると様々な理由から「不適当で愚にもつかない」ことで Blue Angel ラベルを失いつつある。現行の EN 50361 規格で述べられている最大許容 SAR レベルは、 10g 体積平均で 2.0W/kg である。 ICNIRP で定められたその限度は、国家、及び国際委員会で採択されており、試験所や疫学的研究の結果に基づいた基本曝露基準と、実際的なハザード評価のための参照レベルに基づいている。与えられているガイドラインは、職業的な、及び公衆の曝露に適用される。⁸ 携帯電話の SAR 試験は、試験される全ての周波数帯で最大認可電力レベルで送信している携帯電話に対して実施される。組織等価物質 10g 平均で 2.0W/kg の SAR 限度は慎重に設定されており、頭部組織の 0.1℃ 未満の最大温度上昇と関係する安全係数を含んでいる。⁹

基地局アンテナ試験

Fig.1: T-Mobile Kathrein 全方性屋内アンテナ・モジュール Type 738-454

現在、労働者が偶発的に触れるかも知れない小型の屋内基地局アンテナの SAR 試験の必要性が生じている (Fig. 1)。試験の条件は、そのアンテナが少なくとも 20mW を送信し、人の頭部や体幹の近傍 20cm 以内で動作し得る、携帯電話に対して必要となるものと似ている。基地局アンテナは、ガイドラインで定められている電流限度への適合性を維持しながら、それぞれのアンテナのそれぞれの運用周波数帯に対する適合境界と「接触安全」レベルを得るために試験される。

欧州規格 EN 50383:2002、ワイヤレス通信システムのための無線基地局と固定型端末からの人体曝露に関係する電磁界と SAR の計算と測定のための基本規格 (110MHz～40GHz) は、 100MHz から 40GHz の周波数で運用されるワイヤレス通信システムのための無線基地局と固定型端末からの人体曝露に関係する電磁界強度と SAR の計算と測定についての概要を示している。この規格は、RF 電磁界に対する人体曝露に関係する基本制限に従った適合距離の評価の方法を規定する。だが、この規格は接触安全性の評価の方法を示しておらず、また EN 50383:2002 の 7.1.2章の条件が満たされていない場合に実施される全身 SAR 測定の方法を与えていない。基地局アンテナ試験のために使用される規定は、EN 50385:2002、ワイヤレス通信システムのための無線基地局と固定型端末局の無線周波電磁界に対する人体曝露に関係する基本制限と参照レベルへの適合性の実証のための製品規格 (110MHz～40GHz) ―― 一般公衆、である。 RF 電磁界への職業的曝露を意図した無線基地局や固定型端末局については、 EN 50384:2002、ワイヤレス通信システムのための無線基地局と固定型端末局の無線周波電磁界に対する人体曝露に関係する基本制限と参照レベルへの適合性の実証のための製品規格 (110MHz～40GHz) ―― 職業的、規格が適用される。

以下の試験の説明は、マイクロセル、あるいはピコセルのアプリケーションのためのアンテナの局所 SAR 測定について、適合境界と接触安全レベルを決定する方法の概要を述べる。 EN 50383 規格は、大きな、完全な基地局を中心として設計されている。ここで述べる方法は、マイクロ、及びピコ・アプリケーションの基地局アンテナに適用される。

最悪条件の周波数と最大送信電力の位置の同定

SAR 試験に先立って、それぞれのアンテナは 250mW 連続波 (CW) 発生源に接続され、アンテナの未使用のポートがあればインピーダンス整合のために 50Ω 終端が接続され、アンテナ送信周波数範囲にわたる電圧定在波比 (VSWR) が試験される。信号発生器を基地局の中心周波数に設定しての閉ループ校正が必要である。リファレンス・プロットを得るために、そして系内での挿入損失を考慮に入れるために、さらに開ループ校正が実施される。これは周波数範囲にわたってケーブルに 250mW のレベルを印加することを伴い、スペクトラム・アナライザによってその反射信号出力が測定される。それぞれのアンテナでの SAR 測定のために、最大電力伝搬の特定の周波数が記録される。当該の周波数において、また RF センス・プローブとスペクトラム・アナライザを用いて、最大の RF 強度の点を確かめるためにアンテナ・モジュールが走査される。

この手続きは、それぞれのアンテナを頭部組織等価物質で満たされた平面ファントムに面して配置して繰り返される。 SAR 試験で用いられる組織等価物質の誘電特性は、それらが IEEE 1528-2003、ワイヤレス通信デバイスからの人の頭部内のピーク空間平均比吸収率 (SAR) の同定のためのプラクティスについての勧告：測定テクニック、で定められた誘電特性目標についての要求に従っていることを確かとするために、測定され、確認される。アンテナの周波数範囲が掃引され、必要であれば、掃引が止められてスペクトラム・アナライザ上で連続出力を得るために信号発生器のステップ・サイズ、ステップ数、あるいはドウェル・タイムが調整される。そのトレースの最小点は最小反射電力であり、最大電力が送信される周波数を与える。 SAR プローブはファントムの内面の近くに配置される。その媒質内での実効電界強度、E_eff (V/m) は、電界の最大の読みへの上昇を与えるようにアンテナ・モジュールの位置を調整しながらモニタされる。この位置は SAR 試験に先立ってそれぞれのアンテナ上にマークされ、再現性を確かとするために、アンテナの向きと位置は写真に取られ、記録される。それぞれのアンテナについて、アンテナが最大電力を送信する周波数が SAR 試験の実施のために用いられる。

ファントムについての考察

Fig.2: IndexSAR 平面ファントムと、液体の表面から 80mm 離れた位置の T-Mobile Kathrein 全方性 Type 738-454

Fig.3: 2D SAR 領域掃引；ファントムの外周領域での SAR 値はゼロに近く、電界が完全に測定されている

基地局アンテナについては、局所 SAR 測定についての EN 50383:2002 規格の手続きは 60cm×30cm 以内の放射構造に対して有効である。そのファントムは、10mm 以下のファントム厚さで、人体組織 (皮膚、筋肉、及び頭部) のそれに似た誘電特性の材料で作られていなければならない。その規格の 7.2.2.2.2章は、長さ 80cm、幅 50cm、そして高さ 20cm (内寸) の大きさのファントムも規定している。だが、アンテナ全体の寸法がファントムの大きさを超えず、また高エネルギー領域全体が測定されるならば、より小さいファントム構造 (Fig.2) を基地局アンテナの SAR 試験のために使用できるこれは２次元走査手続きに際して生じた電界分布を監視することによってモニタできる。特定の大きな基地局アンテナについて、そのモジュールで用いられる周波数の特性によって、もしそのアクティブな領域が有意に小さいならば、そして全 SAR 分布をカバーするのと同一の考え方で適切に測定できるならば、規格での勧告よりも小さいファントムを使用できる。領域掃引 (2D) 手続きが完了した後で観察される SAR 分布は、ファントム・シェルの外縁において電界のテーパリング効果を示す筈である。これは最大 SAR 分布が完全に表現され、測定されたという確信を与え、最大 RF エネルギー領域を取り込むためのズーム掃引を可能とする。

鉄塔に取り付けられている基地局アンテナの放射パターンは、アンテナから離れるにつれて電力が急激に低下する、アンテナ・システムの周囲を中心とした薄いパンケーキのようなものとなり得る。¹⁰ Fig.3 は、青い領域が非常に低い (ゼロに近い) SAR 値である、基地局アンテナの 2D 掃引を示す。

SAR 測定プロセス

SAR 試験は、最初はそれぞれのアンテナを 250mW CW 源に接続し、あらかじめ同定された最大の送信電力のポイントを平面ファントムの中央として、平面ファントムの側面に対して配置して実施される。この規格の重要な要求はファントム・シェルの厚さを考慮することを含み、この測定手続きについては 2.0mm と決められている。基地局アンテナのための SAR 測定手続きは、最大エネルギーの位置の確定のための領域掃引と、 10g 平均 SAR レベルの決定のためのその最大エネルギーの位置を中心としたズーム掃引を含む。全てのあり得るホット・スポットが測定されたならば、 1g、及び 10g SAR 平均を求めるために内挿と外挿のテクニックが用いられる。そして、この局所 SAR 値には、EN 50383:2002 規格の 7.2.3.3.7章で述べられ、その規格の General Considerations と題されている第１節で詳述されているように、２倍の安全余裕補正係数が乗じられる。この試験の方法は、EN 50383 の第７章で概説されている。

適合境界と接触安全限界の評価

Table 2: 738-454 型 Kathrein (Omni) のデータ； 1829MHz (損失性の液体に対して同調させた 1800MHz 帯の周波数) での試験。計算された「接触安全」値は EN 50383:2002 7.2.3.3.7節による２倍の補正係数を含む。

Chart 1: このグラフは、0mm における対数値がどのようにして得られたかを示す。この log₁₀ 値は、20mm、40mm、60mm、80mm、及び 120mm の隔離距離における記録された値の log₁₀ 値のプロットから外挿された。液体表面 (0mm) に対して、３次多項式外挿が行われた。

Chart 2: このグラフは入力電力に対する許容される距離 (mm) を示し、すなわち 2W の入力に対する適合のための距離はおおよそ 44mm に等しい。測定されたデータは EN 50383:2002 7.2.3.3.7節による２倍の補正係数を含まない。

Chart 3: このグラフは 2W の入力フィード電力に対する計算された 10g SAR (W/kg) を示す。測定されたデータは EN 50383:2002 7.2.3.3.7節による２倍の補正係数を含まない。

適合境界の評価のために、試験されるアンテナに応じてアンテナと液体表面のあいだの隔離距離を決められた間隔 ――例えば 20mm、25mm、あるいは 30mm―― で増やしながら、同一の向きと同一の電力レベルで次の SAR 試験を実施しなければならない。例えば 20mm の間隔のためには、2.0mm のファントムの壁の厚さを考慮して、アンテナはファントムの外面から 18mm 離して配置されるであろう。 EN 50383:2002 の 7.2.3.1.4章でのファントムの液体表面からゼロ・ミリメートルから 400mm までの範囲での推奨間隔は 25mm であり、これは線形補間を可能とするであろう。だが、より小さい間隔、そして３次や４次の多項式外挿の使用は、改善されないとしても、正確な読みを与えるであろうことが示されている。これは SAR の内挿、及び外挿の後処理テクニックで利用されてきた。使用される多項式外挿 ――例えば３次や４次―― の種類は、データに対する最良の当て嵌めに依存する。経験上、アンテナ上の電流分布、磁気結合、遠方界か近傍界か、入力電力レベル、そして試験される周波数などの要因がより大きい、あるいはより小さい間隔の数を必要とするかも知れないものの、試験の最小の間隔の数は４である。

738-454 型 T-Mobile 「Kathrein」全方性広帯域アンテナに対して行なわれた試験は、 GSM 1800 SAR 試験を実施した時、120mm の全試験カバレージ距離を必要とした。試験は５つの位置で行なわれ、その測定からのデータがファントムの液体表面 ――0mm―― において 2.0 W/kg の SAR 値を達成する接触安全最大電力レベルを外挿するために用いられた (Table 2)。

Table 2 より、2.0W/kg を与えるために必要な最大接触安全電力レベルは 112mW であることを 0mm の「接触」位置に対する外挿から見ることができる。

アンテナの適合境界は、SAR 限度が「安全」である距離の調査によって決定される。正確な適合境界を決定するために、充分な数の測定点が Table 2 で調査された。その適合境界は、Table 2 の結果を 2.0W の入力電力でスケーリングすることによって演繹された。 Chart 2 に示されるように、適合のための最小の隔離距離は 2.0W で正規化された入力に対しておおよそ 44mm であり、従ってそのモジュールは GSM 1800 帯域において 44mm の適合境界限度を持つ。 Chart 3 は 2.0W の入力フィード電力に対して計算された 10g SAR (W/kg) を示す。

コロケーション

SAR と電力の線形スケーリング特性により、そして全ての「給電点」がアンテナ内で同一の位置にある (最悪条件) と仮定して、予定されている入力信号の任意の寄与率からその総入力電力限度を求められる。例えば、GSM 1800 と UMTS の送信を行なえるアンテナは 50% の GSM 1800 最大入力限度に加えて 50% の UMTS 最大入力限度を持ち、これは総最大入力限度を与えるであろう。

SAR 測定原理と合わせて、任意の特定の測定点における SAR は (他に何も変わらなければ) 入力電力に対して線形にスケーリングされ、これは測定によって裏付けられる筈である。従って、測定された結果は入力電力レベルに対する正比例として異なった入力電力に対して評価された SAR レベルを割り出すために用いることできる。

要約

SAR 試験の現在の要求に適合するより多くのデバイスが生産されるのに応じて、そして人体に対する放射の影響の理解が深まるにつれて、 SAR 規格と試験手続きが改善されることが予期される。当面は、試験方法のインテグリティの科学的根拠があるならば、適用可能な SAR 規格への適合の維持とともに、イン・ハウスの試験方法を用いることができる。

主導的な適合サービス組織である TUV Product Service/BABT は SAR 試験のための２つの新しいシールド室を含む新しい施設を 2005年 3月にオープンし、２つの試験を並行して行なえるようになった。 TUV Product Service/BABT は、モバイル・デバイス、EMC、安全、そして環境試験、認証、そしてコンサルティングも提供している。

Some sources

Answers.com: http://www.answers.com/topic/specific-absorption-rate

FCC: http://www.fcc.gov/cgb/sar/ and http://www.fcc.gov/oet/rfsafety/Welcome.html

FDA: http://www.fda.gov/cellphones/

Europa DG: http://europa.eu.int/comm/health/ph_determinants/environment/EMF/emf_en.htm

Europa Press Release: http://europa.eu.int/rapid/pressReleasesAction.do?reference=IP/01/1190&format=HTML&aged=0&language=EN&guiLanguage=en

Mobile Manufacturers Forum: http://www.mmfai.org/public/sar.cfm?lang=eng

References

1 International Electrotechnical Commission, URL: http://www.iec.ch

2 International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection, URL: http://www.icnirp.de/documents/emfgdl.pdf

3 TCB Council Meeting on HAC and SAR Gerry Hayes, Technical Manager, Sony Ericsson Mobile Communications & David Seabury, Business Development Manager, ETS-Lindgren

4 Federal Communications Commission News Media Information, URL: http://www.fcc.gov

5 Federal Ministry for the Environment, Nature Conservation and Nuclear Safety, URL: http://www.bmu.de/english/radiological_protection/pm/3423.php

6 Blue Angel, URL: http://www.blauer-engel.de/englisch/navigation/body_blauer_engel.htm

7 Powerwatch, URL: http://www.powerwatch.org.uk/news/news503.asp --> http://www.powerwatch.org.uk/news/20020830_microwave.asp

8 International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection, URL: http://www.icnirp.de

9 Australian Radiation Protection and Nuclear Safety Agency, URL: http://www.arpansa.gov.au/pubs/rfstand/rf_std_fct.pdf

10 US FDA of the Department of Health and Human Services, URL: http://www.fda.gov/cellphones/qa.html#8

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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: 2007-01-05