PHƯƠNG PHÁP SỐ CHO VẤN ĐỀ TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ TRÊN MÁY BAY

PHƯƠNG PHÁP SỐ CHO VẤN ĐỀ TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ TRÊN MÁY BAY Chương này sẽ trình bày một cách tổng quát về khái niệm tương thích điện từ, mục đích, mô hình cơ bản, các hiệu ứng nhiễu, các kiểu bức xạ cũng như ảnh hưởng của nó đến các thiết bị điện tử trong lĩnh vực tương thích điện từ.

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA oOo TIỂU LUẬN MÔN HỌC ĐỀ TÀI: PHƢƠNG PHÁP SỐ CHO VẤN ĐỀ TƢƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ TRÊN MÁY BAY Giảng viên hƣớng dẫn: PGS.TS. TĂNG TẤN CHIẾN Học viên thực hiện : Bạch Ngọc Vinh Khóa : K25 KTĐT 2012-2014 Đà Nẵng, tháng 11 / 2013 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ TƢƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ…………………… 1.1 Giới thiệu chương 1.2 Nguyên lý cơ sở của tương thích điện từ 1.2.1 Khái niệm về tương thích điện từ 1.2.2 Mô hình cơ bản của TTĐT 1.2.3 Các hiệu ứng nhiễu điện từ 1.2.4 Trường điện từ và các công cụ thử nghiệm đo TTĐT 1.3 Các vấn đề liên quan đến TTĐT 1.3.1 Xu hướng phát triển 1.3.2 Đường dây truyền dẫn 1.3.3 Lớp vỏ bọc 1.3.4 Kiểm tra tương thích điện từ 1.4 Mô hình tương thích điện từ 1.4.1 Mục đích của mô hình TTĐT 1.4.2 Giá trị của mô hình TTĐT 1.4.3 Các thách thức của mô hình TTĐT 1.5 Kết luận chương CHƢƠNG 2: TƢƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ TRONG ĐIỆN TỬ HÀNG KHÔNG . 2.1 Giới thiệu chương 2.2 Phân tích các nguồn nhiễu trên máy bay 2.3 Các nguồn nhiễu điển hình 2.3.1 Sự phân bố trường tần số vô tuyến 2.3.2 Nhiễu tạo ra từ các hệ thống 2.3.3 Băng thông liên quan đến độ chọn lọc 2.3.3.1 Nhiễu băng rộng 2.3.3.2 Nhiễu băng hẹp 2.3.4 Sự bức xạ 2.3.4.1 Bức xạ từ bo mạch 2.3.4.2 Bức xạ tạo ra từ các hệ thống 2.3.4.3 Bức xạ từ dây dẫn 2.4 Cơ chế tác động nhiễu lẫn nhau 2.5 Kết luận chương CHƢƠNG 3: PHƢƠNG PHÁP SỐ CHO VẤN ĐỀ TƢƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ TRÊN MÁY BAY 3.1 Giới thiệu chương 3.2 Sơ đồ thực hiện 3.3 TDFE solver 3.3.1 Kết nối các khối ở trong framework 3.3.2 Mô tả các khối 3.3.3 Phương trình toán học 3.3.4 Xấp xỉ FEM 3.4 Các dây cong 3.4.1 Phương pháp đề xuất 3.4.2 Chiến lược xây dựng 3.5 Giới thiệu về phần mềm mô phỏng 3.6 Kết luận chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI TÀI LIỆU THAM KHẢO CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TƢƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ 1.1 Giới thiệu chƣơng Chương này sẽ trình bày một cách tổng quát về khái niệm tương thích điện từ, mục đích, mô hình cơ bản, các hiệu ứng nhiễu, các kiểu bức xạ cũng như ảnh hưởng của nó đến các thiết bị điện tử trong lĩnh vực tương thích điện từ. Ngoài ra, chương này cũng nêu ra một số vấn đề liên quan đến lĩnh vực tương thích điện từ như: các đường dây truyền dẫn, phối hợp trở kháng, các phương pháp kiểm tra và đưa ra mô hình chung để giải quyết các bài toán liên quan đến tương thích điện từ. 1.2 Nguyên lý cơ sở của tƣơng thích điện từ 1.2.1 Khái niệm về tƣơng thích điện từ Tương thích điện từ (TTĐT) là một thuật ngữ chỉ rõ đặc tính của các thiết bị điện, điện tử, tin học có được khi chúng vận hành tốt trong một môi trường có sự hiện diện của các thiết bị khác hoặc có tín hiệu nhiễu từ môi trường chung quanh chúng tác động vào. Để thực hiện được điều này, chúng ta phải dùng một kỹ thuật như là một phương tiện cho phép tránh được những hiệu ứng không mong muốn mà sự nhiễu loạn trên có thể gây ra. Lĩnh vực TTĐT cũng chỉ rõ toàn bộ các kỹ thuật dùng để xử lý các đặc tính trên. Trong lĩnh vực TTĐT có 3 kiểu cơ sở liên quan đến việc tác động qua lại giữa các hệ thống: - Hiệu ứng do thiết bị này sinh ra tác động lên các thiết bị khác, hiện tượng giao thoa bên trong của cùng một hệ thống. - Hiệu ứng do môi trường chung quanh sinh ra tác động lên các thiết bị (Ví dụ như các hiệu ứng của sấm sét…). - Hiệu ứng do thiết bị sinh ra tác động lên môi trường. Lĩnh vực TTĐT bao gồm các vấn đề sau: - Sự phân tích các cơ cấu cho ra những hiệu ứng nhiễu. - Nghiên cứu sự truyền của nhiễu do bức xạ hoặc do truyền dọc theo các đường dây kim loại nối với các thiết bị. - Định nghĩa các kiểu ghép khác nhau giữa các hệ thống điện, điện tử, tin học. - Xác định các điều kiện đối với các kiểu ghép. - Đánh giá những hậu quả thực tế của nhiễu khi thiết bị vận hành. - Dự đoán các tình huống xảy ra nhiễu mà khi đó một số thiết bị sẽ không vận hành theo đúng tiêu chuẩn. - Các phương pháp lọc nhiễu tần số hoặc thời gian. - Những phương tiện cho phép các thiết bị hoạt động không bị ảnh hưởng của nhiễu. - Tổng hợp các thiết bị dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu. - Thiết lập các tiêu chuẩn để đưa ra các giá trị giới hạn có thể chấp nhận được đối với các máy phát và máy thu. - Hiệu chỉnh quá trình tiếp theo để thực hiện các biện pháp tiếp theo. Những vấn đề đã giới thiệu ở trên chưa phải là đã đầy đủ vì TTĐT là một lĩnh vực rất rộng, yêu cầu đặt ra là phương thức xử lý các hiệu ứng không mong muốn (tức là tìm ra cách để tránh hoặc hủy bỏ nó). Như vậy, mục đích của TTĐT là đem lại sự tương thích về hoạt động của một hệ thống nhạy cảm với môi trường trường điện từ của nó, các hiện tượng nhiễu loạn có thể sinh ra hoặc bởi một phần của hệ thống thiết bị hoặc bởi nhiễu từ môi trường bên ngoài. Ngày nay khi công nghiệp điện tử, nhất là công nghệ tích hợp vi mạch ngày càng phát triển thì việc nghiên cứu TTĐT của của trường điện từ ngày càng trở nên bức thiết và trở thành một lĩnh vực chuyên ngành trong việc nghiên cứu ứng dụng vào các hệ thống điện, điện tử, tin học. Hiện nay, TTĐT còn được ứng dụng nhiều vào lĩnh vực công nghệ tự động. Tóm lại, TTĐT là khả năng của một hệ thống điện tử mà chức năng hoạt động của nó trong môi trường trường điện từ không ảnh hưởng, không gây nhiễu đến các hệ thống khác cùng hoạt động trong môi trường đó. Đó là một hệ thống điện tử phải không bị nhiễu từ các tín hiệu bức xạ của các hệ thống khác, không gây nhiễu làm ảnh hưởng đến hoạt động của các hệ thống khác cũng như không gây nhiễu với chính hoạt động của bản thân nó. 1.2.2 Mô hình cơ bản của TTĐT Mô hình cơ bản của TTĐT được minh họa ở hình 1.1: Hình 1.1 Mô hình cơ bản của TTĐT Mô hình cơ bản của TTĐT gồm các thiết bị A và B cùng hoạt động trong cùng một môi trường. Chúng ta không mong muốn A gây nhiễu cho B và ngược lại, đồng thời cũng không mong muốn môi trường bên ngoài tác động vào làm cho cả thiết bị A và B hoạt động không chính xác. Như vậy, khái niệm TTĐT là mối quan hệ giữa nguồn phát, đường dẫn và máy thu. Chúng được mô tả như sau: Hình 1.2 Nguồn phát – Đƣờng dẫn – Máy thu Có 3 thành phần cơ bản trong TTĐT là nguồn phát, đường dẫn và máy thu. Nguồn phát chính là nơi sinh ra phát xạ điện từ và sau đó được truyền đi trên đường dẫn đến máy thu. Tại máy thu nếu mức năng lượng điện từ này đủ lớn nó sẽ làm ảnh hưởng đến hoạt động của máy thu. Một số đề xuất để giải quyết vấn đề TTĐT trong mô hình này: - Khử năng lượng tại nguồn phát, tức là làm giảm tổng năng lượng được phát xạ. - Xác định đường truyền dẫn cho bản thân thiết bị, đường dẫn này phải được kiểm soát thông qua các dây dẫn hoặc bức xạ ra không gian. - Xác định đặc tính của máy thu và làm cho nó có thể tăng khả năng chống nhiễu được tốt hơn. 1.2.3 Các hiệu ứng nhiễu điện từ Các hệ thống điện, điện tử thường chịu ảnh hưởng bởi các hiệu ứng nhiễu điện từ, các hiệu ứng này thể hiện một cách khác nhau tùy theo bản chất của nhiễu, phần tử nhạy cảm, ngưỡng năng lượng phá hủy, các bộ nối giữa các mạch, các kiểu ghép điện từ ở thiết bị. Lĩnh vực TTĐT sẽ xử lý các vấn đề trên bằng cách: - Đặc tính hóa nguồn nhiễu và xác định các trường nhiễu có thể gây bức xạ. - Nghiên cứu các kiểu ghép giữa nguồn gây nhiễu và hệ thống bị nhiễu. - Thực hiện mô phỏng và thử nghiệm các hiện tượng trên, từ đó tìm các giải pháp kỹ thuật bảo vệ. Về các loại nguồn gây nhiễu và các ngưỡng năng lượng phá hủy của các linh kiện trong lĩnh vực TTĐT sẽ được trình bày cụ thể ở chương 2. Cần phải đưa ra các phương pháp và công cụ thử nghiệm để nghiên cứu các chế độ hoạt động của mạch điện tử, tiến hành đo các bức xạ khi chúng được đặt trong môi trường trường điện từ. Tuy nhiên, sự khó khăn của việc phân tích này là do sự phức tạp của mạng kết nối, mạch gồm nhiều tầng và chứa nhiều các thành phần không tuyến tính. Maxwell chính là một trong những công cụ toán học hữu ích nhất để thực hiện việc mô phỏng vấn đề này. 1.2.4 Trƣờng điện từ và các công cụ thử nghiệm đo TTĐT Việc nghiên cứu các vấn đề liên quan đến trường điện từ như bức xạ của anten, sự truyền sóng, sự nhiễu xạ bởi các chướng ngại vật… là việc tập trung nghiên cứu giải các phương trình của hệ phương trình Maxwell gồm 4 phương trình sau [1]: 0 d td D rotH J t B rotE t divB divD                     (1.1) Trong đó: .BH   , .DE   , . d JE   (1.2) Để giải các phương trình mô tả những vấn đề phức tạp nêu trên, chúng ta có thể áp dụng một trong các phương pháp phân tích như: Phần tử hữu hạn (FE: Finite Element), sai phân hữu hạn trong miền thời gian (FDTD: Finite Difference Time Domain), ma trận đường truyền (TLM: Transmission Line Matrix)… Việc áp dụng các phương pháp này để tính toán tác động qua lại của trường điện từ với những đối tượng có hình thể bất kỳ đã trở thành một trong những đề tài rất được quan tâm trong những năm gần đây. Trong giai đoạn hiện nay trên thế giới đã xuất hiện một số công cụ hoặc các phương tiện để đo nhiễu điện từ phát ra bởi các linh kiện điện tử. Ứng với mỗi công cụ sẽ có một phương pháp đo riêng. Các phương pháp đo TTĐT bao gồm: - Đo bức xạ điện từ bằng tế bào TEM. - Đo bức xạ điện từ bằng đầu dò từ trường. - Đo dòng cao tần trên masse (GND) và đo nhiễu điện từ dẫn trên ngõ vào/ra của IC bằng đầu dò. - Đo nhiễu điện từ dẫn bằng lồng Faraday. - Đo bức xạ điện từ bằng đầu dò từ tính mạch in ba lớp. 1.3 Các vấn đề liên quan đến TTĐT 1.3.1 Xu hƣớng phát triển Để đáp ứng các nhu cầu về phát triển công nghệ thì trong những năm gần đây, các mạch tích hợp cũng như các hệ thống tự động đã phát triển một cách nhanh chóng. Các loại mạch tích hợp Si lần lượt ra đời: MSI, LSI, VLSI, ULSI. Tuy nhiên, so với các mạch tích hợp Si trên thì các mạch tích hợp GaAs loại VHSI còn phức tạp hơn nhiều bởi mật độ tích hợp và tốc độ chuyển mạch ngày càng tăng. Các hệ thống điện tử ngày nay được tích hợp bằng những vi mạch với tốc độ rất cao, nhiều chức năng, nhiều module và các thiết bị chuyển mạch. Những thiết bị điện tử này làm tăng thêm nhiều hơn nữa các chức năng điều khiển hệ thống. Tuy nhiên, vấn đề quan trọng là việc lắp ráp và tích hợp các thành phần sao cho việc bức xạ năng lượng không ảnh hưởng đến các nguồn năng lượng bên ngoài. Đây là kết quả không dự đoán trước được trong các hệ thống này. Để giải quyết TTĐT trong các hệ thống tự động thì người ta phải đưa ra các tiêu chuẩn để đánh giá hệ thống đó. Ví dụ, ở Châu Âu và Canada thì yêu cầu về độ bức xạ năng lượng; ở Mỹ thì người ta lại đưa ra bức xạ năng lượng phải theo nguyên tắc của FCC. Tuy nhiên, chung quy lại đòi hỏi các thiết bị đó phải có khả năng miễn nhiễm từ các bức xạ khác. Đồng thời, nếu bản thân thiết bị đó sinh ra bức xạ thì năng lượng bức xạ đó phải nhỏ hơn ngưỡng cho phép được đề cập trong các tiêu chuẩn đánh giá về TTĐT. 1.3.2 Đƣờng dây truyền dẫn Đường dây truyền dẫn được sử dụng để truyền năng lượng từ máy phát đến anten. Có rất nhiều loại dây truyền dẫn và chúng ta chỉ thảo luận về những loại dây đặc trưng nhất. Tất cả chúng đều có những chức năng và đặc tính tương tự nhau. Tuy nhiên, cấu trúc và yêu cầu của mỗi loại là khác nhau. Hình 1.3 Đƣờng dây truyền dẫn kết nối từ máy phát đến anten Có 2 loại đường dây truyền dẫn chính là dây trần và dây đồng trục: - Dây trần có dạng giống hình cái thang với phần dây dẫn có vị trí đối diện với dây khác và bộ phận cách điện nằm giữa chúng. Ưu điểm của loại này là việc kết nối được thực hiện dễ dàng, không cần phải có các kết nối đặc biệt nào, giá thành rẻ và độ suy hao thấp. Tuy nhiên, nó có hạn chế là khả năng chống nhiễu thấp, không ngăn chặn được năng lượng bức xạ từ các đường dây truyền dẫn khác. - Cáp đồng trục thì khắc phục được một số nhược điểm trên, tuy nhiên giá thành lại cao và yêu cầu cần phải có các kết nối đặc biệt bao gồm các kết nối hình trụ được bó chặt vào cáp đồng trục để nó có thể kết hợp được với các kết nối khác. Một hạn chế nữa đó là suy hao cao nên làm giảm công suất từ máy phát đến anten cũng như từ anten đến máy thu. Cáp đồng trục có một lớp vỏ cách điện với các nguồn bên ngoài để tránh các bức xạ từ bản thân nó ra bên ngoài, trong khi dây trần có cấu trúc đơn giản gồm 2 dây dẫn nằm hai bên của lớp cách điện. Điều này cho thấy tại sao dây trần lại không cho hiệu quả chống nhiễu tốt như cáp đồng trục. Hình 1.4 Dây truyền dẫn loại dây trần Hình 1.5 Dây truyền dẫn loại cáp đồng trục Việc sử dụng các đường dây truyền dẫn là phương pháp cơ bản để truyền năng lượng từ máy phát đến anten, bộ chuyển đổi hay các loại tải khác. Một trong những vấn đề quan tâm là phối hợp trở kháng từ các đường dây dẫn đến tải. Khi thực hiện được phối hợp trở kháng giữa điện trở tải và điện trở nguồn thì công suất truyền đi sẽ đạt giá trị cực đại. [...]... kháng chung - Cảm ứng từ và cảm ứng điện CHƢƠNG 3: PHƢƠNG PHÁP SỐ CHO VẤN ĐỀ TƢƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ TRÊN MÁY BAY 3.1 Giới thiệu chƣơng: Chương này sẽ trình bày chi tiết cho vấn đề mô phỏng phương pháp số trong máy bay Công tụ tính toán sẽ phải thực hiện các công việc sau: - Bộ tạo mạng lưới 3D cho mô hình máy bay thật Tính toán 3D-FDTD trong miền thời gian Tính biến đổi Fourier rời rạc cho các thành phần... cao đặt trên mặt đất như máy radio hay các trạm quảng bá HF-VHF-UHF 2) Đường công suất máy bay 400Hhz, điện trường và từ trường 3) Máy tính và các bộ vi xử lý trên máy bay dùng để định thời và điều khiển xung đồng hồ của tín hiệu sẽ sinh ra các tần số vô tuyến 1Mhz hoặc cao hơn 4) Các bộ chuyển mạch công suất trên máy bay được dùng để chuyển năng lượng từ mức này sang mức khác 5) Các chuyển mạch điện. .. các tần số (các mức miễn nhiễm) dựa trên các nguyên nhân làm cho EUT sai số từ các thiết bị gây nhiễu hoặc các dịch vụ vô tuyến… - Các chế độ hoạt động trong phòng kiểm tra EUT dựa trên việc phân tích các chế độ - Phần mềm kiểm tra sản phẩm, chế độ hoạt động 1.4 Mô hình tƣơng thích điện từ 1.4.1 Mục đích của mô hình TTĐT Hai vấn đề quan trọng khi thiết kế một thiết bị điện tử là độ nhạy cảm điện từ hoặc... thiết bị điện tử là độ nhạy cảm điện từ hoặc tính miễn nhiễm điện từ (tức là tính ít bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ) và mức độ gây nhiễu của nó Do số lượng lớn và tính phức tạp của các thông số trong hệ thống điện tử đã gây nên các hiện tượng nhiễu điện từ bức xạ và nhiễu điện từ dẫn Việc nghiên cứu, phân tích, đánh giá các hiện tượng trên là vấn đề vô cùng phức tạp Chính vì vậy, cũng như các lĩnh vực kỹ... Trong đó: f : tần số (MHz) A: diện tích vòng dòng điện (cm2) Is: cường độ dòng điện trong vòng (mA) (2.2) Hình 2.5 Bức xạ từ bo mạch in 2.4.1.2 Bức xạ từ cáp Đối với cáp, khi có dòng điện chạy qua với một tần số nào đó thì cũng bức xạ một điện trường tương ứng Cường độ điện trường bức xạ của cáp ở khoảng cách 10m được xác định [3]: E = 1.26.10-4 f L I (V/m) Trong đó: f: tần số dòng điện chạy trong cáp... người, hoặc gây ra sự trục trặc hệ thống điện – điện tử khác, làm cho các thiết bị hoạt động không đúng theo yêu cầu và dễ bị hỏng hóc Nhiễu EMI có thể lan truyền theo kiểu dẫn hoặc bức xạ được minh họa như hình vẽ: Hình 2.1 Sơ đồ mô tả các đƣờng ghép EMI Nguồn sinh ra nhiễu điện từ trên máy bay có thể ở các dạng như sau: 1) Các bộ phát tần số vô tuyến ở trên máy bay như các đường truyền kết nối cao tần... các bức xạ phát xạ (tần số cao) từ hệ thống và các bức xạ dây dẫn (tần số thấp) hiện diện trên các dây cáp giao tiếp và cáp nguồn Theo quy ước thì điểm ngăn cách giữa hai dạng bức xạ là tại tần số 30MHz Bức xạ phát xạ có thể chia ra thành các bức xạ mà bắt nguồn từ các dòng điện sai lệch trên các bo mạch và các dây dẫn khác và các bức xạ từ các dòng điện kiểu chung (common-mode) trên các bo mạch hoặc... dòng điện (kiểu vi sai hay chung) 1.4.2 Giá trị của mô hình TTĐT Thực hiện kiểm tra TTĐT là vấn đề tốn kém rất nhiều thời gian và chi phí Phương pháp số học và phân tích hợp lý sẽ trở thành một phương pháp quan trọng để xác định ảnh hưởng của các trường bên ngoài đến các hệ thống điện tử bên trong hệ thống hoặc có thể dự đoán được các bức xạ đó tăng lên như thế nào Chính vì vậy, mô hình TTĐT thích. .. quạt và động cơ của máy bay hoặc điều khiển bề mặt, cửa nhỏ, cửa chớp và nắp của máy bay 6) Sự phóng tĩnh điện kể cả đèn 7) Các yếu tố liên quan đến thời tiết 2.3.1 Nhiễu do môi trƣờng phát xạ: Phổ của dãy tần số vô tuyến có thể đi xuyên qua máy bay và đi vào trong tấn công các thiết bị mạch tích hợp có thể phân chia thành 3 loại cơ bản: - Tần số thấp dưới 1 MHz với nhiễu tần số thường nhỏ hơn mức... quan tâm - Vùng tần số cao và rất cao, 1 tới 300 MHz với trường tần số vô tuyến cần có sự quan tâm cao và bọc chắn máy bay hoạt động như một anten hiệu quả - Dãy tần số cao hơn 300MHz nơi mà điện áp trên dây dẫn giảm nhanh vì sự tăng tần số và dễ dàng điều khiển 2.3.1 Bức xạ tạo ra từ các hệ thống Các hệ thống tự động có thể là nguồn của nhiễu bức xạ làm ảnh hưởng đến các linh kiện điện tử trong cùng . TÀI: PHƢƠNG PHÁP SỐ CHO VẤN ĐỀ TƢƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ TRÊN MÁY BAY Giảng viên hƣớng dẫn: PGS.TS. TĂNG TẤN CHIẾN Học viên thực hiện : Bạch Ngọc Vinh Khóa : K25 KTĐT 201 2-2 014 . ứng của sấm sét…). - Hiệu ứng do thiết bị sinh ra tác động lên môi trường. Lĩnh vực TTĐT bao gồm các vấn đề sau: - Sự phân tích các cơ cấu cho ra những hiệu ứng nhiễu. - Nghiên cứu sự truyền. hành. - Dự đoán các tình huống xảy ra nhiễu mà khi đó một số thiết bị sẽ không vận hành theo đúng tiêu chuẩn. - Các phương pháp lọc nhiễu tần số hoặc thời gian. - Những phương tiện cho phép