Quantification of the parametric uncertainty in the specific absorption rate calculation of a mobile phone

par Xi Cheng

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Vikass Monebhurrun.

Le président du jury était Dominique Lesselier.

Le jury était composé de Vikass Monebhurrun, Dominique Lesselier, Sébastien Lalléchère.

Les rapporteurs étaient David Lautru, Élodie Richalot.

  • Titre traduit

    Quantification de l'incertitude paramétrique dans le calcul de débit d'absorption spécifique d'un téléphone mobile


  • Résumé

    La thèse porte sur la quantification d'incertitude de paramètres (Uncertainty Quantification ou UQ) dans le calcul du débit d'absorption spécifique (Specific Absorption Rate ou SAR) de téléphones mobiles. L'impact de l'incertitude, ainsi le manque de connaissances détaillées sur les propriétés électriques des matériaux, les caractéristiques géométriques du système, etc., dans le calcul SAR est quantifiée par trois méthodes de calcul efficaces dites non-intrusives : Transformation non parfumée (Unscented Transformation ou UT), collocation stochastique (Stochastic Collocation ou SC) et polynômes de chaos non-intrusifs (Non-Intrusive Polynomial Chaos ou NIPC).Ces méthodes sont en effet appelées méthodes non intrusives puisque le processus de simulation est tout simplement considéré comme une boîte noire sans que ne soit modifié le code du solveur de simulation. Leurs performances pour les cas de une et deux variables aléatoires sont analysées dans le présent travail. En contraste avec le procédé d'analyse d'incertitude traditionnel (la méthode de Monte Carlo ou MCM), le temps de calcul devient acceptable. Afin de simplifier la procédure UQ pour le cas de plusieurs entrées incertaines, il est démontré que des incertitudes peuvent être combinées de manière à évaluer l'incertitude sur les paramètres de la sortie.Combiner des incertitudes est une approche généralement utilisée dans le domaine des mesures, et ici, il est utilisé dans le calcul du SAR pour la situation complexe. Une des étapes nécessaires dans le cadre de l'analyse d'incertitude est l'analyse de sensibilité (Sensitivity Analysis ou SA), qui vise à quantifier l'importance relative de chaque paramètre d'entrée incertain par rapport à l'incertitude de la sortie. La méthode reposant sur le calcul des indices de sensibilité de Sobol est employée, ces indices étant évalués par un développement en polynômes de chaos, au lieu d'utiliser la méthode de Monte-Carlo dans le calcul SAR. Les résultats des investigations sont présentés et discutés.Afin de faciliter la lecture, des notions élémentaires de débit d'absorption spécifique, de modélisation, d'incertitude dans la modélisation, de théorie des probabilités, et de calcul SAR par l'un des solveurs de simulation sont proposés dans l'Introduction (chapitre 1). Puis l'usage des méthodes non-intrusives UQ telles que UT, SC et NIPC, et l'application de la méthode des indices de Sobol pour l'analyse de sensibilité dans le calcul SAR est présentée dans les chapitres 2 et 3. Dans le chapitre 4, une autre approche d'utilisation des polynômes de chaos est fournie, et elle est utilisée dans le domaine temporel par l'intermédiaire d'un code de différences finies (Finite Difference-Time Domain ou FD-TD). Puisque le code FD-TD dans le solveur de simulation peut en effet être modifié, c'est le développement en polynômes de chaos intrusifs, étudié en détail par un certain nombre de scientifiques déjà, qui est considéré. Dans le chapitre 5, les conclusions et un aperçu des travaux futurs sont fournis.


  • Résumé

    This thesis focuses on parameter uncertainty quantification (UQ) in specific absorptionrate (SAR) calculation using a computer-aided design (CAD) mobile phone model.The impact of uncertainty, e.g., lack of detailed knowledge about material electricalproperties, system geometrical features, etc., in SAR calculation is quantified by threecomputationally efficient non-intrusive UQ methods: unscented transformation (UT),stochastic collocation (SC) and non-intrusive polynomial chaos (NIPC). They are callednon-intrusive methods because the simulation process is simply considered as a blackboxwithout changing the code of the simulation solver. Their performances for thecases of one and two random variables are analysed. In contrast to the traditionaluncertainty analysis method: Monte Carlo method, the time of the calculation becomesacceptable. To simplify the UQ procedure for the case of multiple uncertain inputs, it isdemonstrated that uncertainties can be combined to evaluate the parameter uncertaintyof the output. Combining uncertainties is an approach generally used in the field ofmeasurement, in this thesis, it is used in SAR calculations in the complex situation. Oneof the necessary steps in the framework of uncertainty analysis is sensitivity analysis (SA)which aims at quantifying the relative importance of each uncertain input parameterwith respect to the uncertainty of the output. Polynomial chaos (PC) based Sobol’indices method whose SA indices are evaluated by PC expansion instead of Monte Carlomethod is used in SAR calculation. The results of the investigations are presented anddiscussed.In order to make the reading easier, elementary notions of SAR, modelling, uncertaintyin modelling, and probability theory are given in introduction (chapter 1). Thenthe main content of this thesis are presented in chapter 2 and chapter 3. In chapter 4,another approach to use PC expansion is given, and it is used in the finite-differencetime-domain (FDTD) code. Since the FDTD code in the simulation solver should bechanged, it is so-called intrusive PC expansion. Intrusive method already investigatedin details in other people’s thesis. In chapter 5, conclusions and future work are given.


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