Bài viết trình bày việc thiết kế và mô phỏng bằng phần mềm CST (Computer Simulation Technology) để kiểm chứng việc cải thiện hiệu quả bọc chắn của hộp bọc chắn chứa nguồn bức xạ điện từ nhằm giảm bức xạ này ra môi trường xung quanh hộp.
Tăng Tấn Chiến, Võ Văn Dũng, Trần Nhật Anh NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN HIỆU QUẢ BỌC CHẮN NHẰM GIẢM ẢNH HƯỞNG CỦA BỨC XẠ ĐIỆN TỪ ĐẾN CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ Ở MÔI TRƯỜNG XUNG QUANH NGUỒN BỨC XẠ IMPROVEMENT OF SHIELDING EFFECTIVENESS TO REDUCE THE IMPACT OF ELECTROMAGNETIC RADIATION ON ELECTRONIC EQUIPMENT IN THE SURROUNDING ENVIRONMENT OF THE RADIATION SOURCE Tăng Tấn Chiến, Võ Văn Dũng, Trần Nhật Anh Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; ttchien@ac.udn.vn Tóm tắt - Bài báo trình bày việc thiết kế mô phần mềm CST (Computer Simulation Technology) để kiểm chứng việc cải thiện hiệu bọc chắn hộp bọc chắn chứa nguồn xạ điện từ nhằm giảm xạ môi trường xung quanh hộp Cụ thể, tiến hành thiết kế hộp để bọc chắn nguồn xạ điện từ với trường hợp hộp bọc chắn kín hồn tồn, hộp bọc chắn có khe hở dạng ống dẫn sóng Kết mơ cho thấy, khơng có phương pháp thiết kế hộp thích hợp có xạ điện từ xạ môi trường xung quanh hộp vượt mức cho phép Do vậy, cần có biện pháp cải thiện hiệu bọc chắn hộp cách sử dụng khe hở có dạng ống dẫn sóng lục giác, tổ ong… với chiều dài ống dẫn sóng phù hợp nhằm giảm xạ điện từ, hạn chế xạ tác động lên thiết bị điện tử đặt môi trường xung quanh hộp để đảm bảo vấn đề tương thích điện từ (TTĐT) Abstract - This article presents design and simulation via the Computer Simulation Technology (CST) software to verify the shielding effectiveness improvement of a box containing an electromagnetic radiation source in order to reduce the emission of electromagnetic radiation to the environment surrounding the box Specifically, the electromagnetic radiation source can be covered with a completely closed box or a box with slits shaped like waveguides Simulation results show that without an appropriate method for designing the box, it is likely that electromagnetic radiation emissions to the surrounding environment will exceed acceptable levels Therefore, measures should be taken to effectively improve the shielding of the box by means of slits in the shape of hexagons or honey combs, , with appropriate waveguide lengths for the purpose of reducing electromagnetic radiation, thus limiting this radiation impact on electronic devices located in the surrounding environment of the box in order to ensure Electromagnetic Compatibility (EMC) Từ khóa - Tương thích điện từ; xạ điện từ; hộp bọc chắn; khe hở; CST Studio Suite Key words Electromagnetic Compatibility (EMC); electromagnetic radiation; shielding box; slit; CST Studio Suite Đặt vấn đề Các thiết bị điện tử bọc kín hồn tồn hiệu bọc chắn tốt, xạ điện từ thiết bị điện tử không gây ảnh hưởng đến thiết bị điện tử khác xung quanh hộp Tuy nhiên, thực tế sản phẩm có hộp bảo vệ phải có khe hở yêu cầu tản nhiệt, thơng gió, cáp kết nối (cáp, nguồn…), cổng giao tiếp, Chính tồn khe hở làm giảm đáng kể hiệu việc bọc chắn, xạ điện từ dễ dàng lan truyền thông qua khe hở gây nhiễu lên thiết bị điện tử khác, cường độ xạ vượt giá trị cho phép (Class A, Class B) làm ảnh hưởng đến chế độ hoạt động thiết bị điện tử vùng lân cận Chính vậy, phải có biện pháp cải thiện hiệu bọc chắn có tồn khe hở hộp bọc chắn giảm cường độ xạ điện từ xuống mức cho phép để đảm bảo vấn đề TTĐT [2] bọc chắn cách chia khe hở lớn thành nhiều khe hở nhỏ chiều dài khe hở nhỏ phải chọn phù hợp với dãy tần số xạ điện từ để tăng hiệu bọc chắn [5], [9] Thông thường, chiều dài khe hở chọn nhỏ nhiều so với nửa bước sóng (λ/2) Kết thực theo phương pháp công bố [1] 2.2 Phương pháp sử dụng ống dẫn sóng Các khe hở chắn làm suy giảm xạ điện từ chúng có hình dạng giống với ống dẫn sóng Trong ống dẫn sóng có thiết diện hình chữ nhật thường dùng mode TE10, ống có thiết diện hình trụ tròn dùng mode TE11 Với ống dẫn sóng hình chữ nhật, tần số cắt tính theo [3] cho trường hợp tổng quát mode TEmn: Các phương pháp thiết kế hộp bọc chắn để cải thiện hiệu bọc chắn 2.1 Phương pháp đặt khe hở vị trí thích hợp chia nhỏ khe hở Để xác định xác vị trí đặt khe hở điều khó khăn, phương pháp để cải thiện hiệu bọc chắn thay sử dụng khe hở lớn, người ta chia khe hở thành nhiều khe hở nhỏ, nhờ mà tăng hiệu bọc chắn cách đáng kể [6] Trong phương pháp cải thiện hiệu 𝑓𝑐,𝑚𝑛 = 𝑣0 2𝑙 √𝑚2 + 𝑛2 (1) Với mode TE10 ống hình chữ nhật có chiều dài l, vận tốc ánh sáng chân không v0 thì: 𝑓𝑐,10 = 𝑣0 2𝑙 = 1.5×108 𝑙 Hz (2) Suy hao 𝛼𝑚𝑛 qua ống dẫn sóng hình chữ nhật xác định theo công thức [3], [7]: 𝑓 𝛼𝑚𝑛 = 𝜔√𝜇0 𝜀0 √( 𝑐,𝑚𝑛 ) − 𝑓 (3) Giả sử tần số sóng tới f nhỏ nhiều so với tần số cắt fc, ta được: ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 17, NO 1.1, 2019 𝛼𝑚𝑛 ≅ = 2𝜋𝑓 𝑓𝑐,𝑚𝑛 𝑣0 𝑓 (𝑓 ≪ 𝑓𝑐,𝑚𝑛 ) 2𝜋𝑓𝑐,𝑚𝑛 (4) 𝑣0 Với mode TE10 , suy ra: 𝛼10 = 𝜋 𝑙 (5) Suy hao lan truyền sóng điện từ qua ống dẫn sóng với cạnh dài z (cạnh dài mặt cắt ngang) tỷ lệ với e-αz Vì vậy, hiệu bọc chắn trường hợp ống dẫn sóng hình chữ nhật [3], [7]: SEdB = 20𝑙𝑜𝑔10 𝑒 𝛼10𝑧 = 27,3 𝑧 𝑙 Khi hộp bọc chắn đòi hỏi có hiệu bọc chắn cao cần có khoảng hở lớn hệ thống thơng gió ta dùng bọc chắn dạng ống dẫn sóng Tương tự với ống dẫn sóng hình trụ tròn ta có [4], [7]: 𝑧 𝑑 3.2 Mơ xạ điện từ hộp bọc chắn với khe hở có cấu trúc ống dẫn sóng chữ nhật Ở phần này, tiến hành mô phương pháp sử dụng khe hở có hình dạng ống dẫn sóng chữ nhật với kích thước 4x0.1cm, độ sâu ống thay đổi 1cm, 4cm, 6cm, 8cm 12cm Kết Hình (6) Hình Sử dụng ống dẫn sóng để cung cấp hệ thống thơng gió làm giảm xạ điện từ qua nó: (a) Nhìn trước; b) Nhìn bên cạnh SEdB = 32 (7) Các kết cho thấy, sóng điện từ bị suy hao nhanh chóng qua ống dẫn sóng tỷ lệ thuận với chiều dài ống dẫn sóng Nhiều ống dẫn sóng nhỏ ghép lại với theo cấu trúc “tổ ong” phương pháp hữu hiệu để làm giảm xạ [8] Với ống dẫn sóng hình trụ tròn, chiều dài gấp lần đường kính hiệu bọc chắn cao (𝑆𝐸 ≈ 100𝑑𝐵) Vì vậy, khe hở có đường kính nhỏ nhiều so với bề dày hộp bọc chắn ống dẫn sóng hình thành Hình Bức xạ điện từ đo vị trí cách hộp bọc chắn 3m có khe hở dạng ống dẫn sóng chữ nhật với độ sâu khác Như vậy, khe hở có dạng ống dẫn sóng xạ điện từ xung quanh giảm nhiều Đồng thời, độ sâu ống dẫn sóng lớn xạ điện từ nhỏ, tăng độ sâu lên 4cm, 6cm đặc biệt đến 12 cm xạ điện từ xuống thấp (trong khoảng từ -18 đến 38dB [microV/m]) 3.3 Mô xạ điện từ hộp bọc chắn với khe hở có cấu trúc ống dẫn sóng lục giác Mô hộp bọc chắn với khe hở có cấu trúc ống dẫn sóng hình lục giác, trường hợp ống có cạnh g=0,636cm chiều dài ống 0,3145cm, 0,636cm, 0,954cm 2,544 cm, minh họa Hình kết mơ Hình Kết mơ thảo luận 3.1 Mơ xạ điện từ ngồi hộp trường hợp hộp bọc chắn kín hồn tồn Thiết kế hộp bọc chắn phần mềm CST [10], phần mơ hộp khơng có khe hở (hộp kín hồn tồn), xạ điện từ từ hộp môi trường xung quanh vị trí cách hộp 3m mơ tả sau [5]: Hình Hộp bọc chắn với khe hở ống dẫn sóng lục giác Hình Bức xạ điện từ vị trí cách hộp kín 3m Hình Bức xạ điện từ vị trí cách hộp bọc chắn 3m có khe hở dạng ống dẫn sóng hình lục giác với độ sâu khe hở khác Kết mô phỏng: Khi hộp bọc chắn kín hồn tồn xạ điện từ từ bên hộp môi trường xung quanh cách hộp 3m nhỏ, cụ thể -200dB [microV/m] dải tần từ 700MHz đến 1700MHz Với giá trị xạ điện từ khơng làm ảnh hưởng đến hoạt động thiết bị điện tử khác xung quanh Từ đồ thị Hình 5, hộp bọc chắn có khe hở dạng ống dẫn sóng lục giác xạ điện từ từ hộp giảm đáng kể so với hộp có khe hở khác diện tích, sóng truyền qua ống dẫn sóng hình lục giác bị suy hao lớn, đặc biệt sóng có tần số tần số cắt Kết mô cho thấy, ống lục giác có chiều rộng g=0.636cm tức có diện tích ống dài xạ điện từ thấp Khi chiều dài ống dẫn sóng hình lục giác d = 2,544cm tỉ lệ dài rộng 4:1, hiệu bọc chắn cải thiện đáng kể Cường độ xạ đo vị trí cách hộp 3m 0dB [microV/m] dải tần số khảo sát Trường hợp giữ nguyên chiều dài ống dẫn sóng lục giác d=0,636cm thay đổi cạnh g=0,636cm, 0,318cm, 0,159cm 0,125cm kết thu Hình Tăng Tấn Chiến, Võ Văn Dũng, Trần Nhật Anh hở với lỗ tổ ong tùy thuộc vào vị trí đặt lỗ thẳng đứng hay nằm ngang Với chiều dài d, chiều rộng g xạ điện từ minh họa Hình 10 Hình Trường hợp đặt lỗ tổ ong đặt dọc (thẳng đứng) Hình Bức xạ điện từ đo vị trí cách hộp bọc chắn 3m có khe hở dạng ống dẫn sóng hình lục giác với độ rộng khe hở khác Hình cho thấy, ống dẫn sóng hình lục giác có chiều dài 0.636cm cạnh g ống thay đổi xạ điện từ thay đổi theo Cụ thể, cạnh ống tăng xạ điện từ vị trí cách hộp 3m tăng theo Trường hợp ống dẫn sóng lục giác có cạnh bé từ 0.159cm trở xuống xạ điện từ mức khoảng 0dB [microV/m], cho hiệu bọc chắn tốt 3.4 Mô xạ điện từ xung quanh hộp bọc chắn với khe hở có cấu trúc ống dẫn sóng lục giác cấu trúc lỗ tổ ong có diện tích Mơ hộp bọc chắn với khe hở có cấu trúc ống dẫn sóng lục giác dài d=0,635cm có thiết diện 10,39cm2 tương ứng với 20 lỗ tổ ong [8] có cạnh g=0,447cm Kết mơ Hình Hình Trường hợp đặt lỗ tổ ong đặt nằm ngang Hình 10 Bức xạ điện từ vị trí cách hộp 3m trường hợp bọc chắn có khe hở tổ ong đặt thẳng đứng đặt nằm ngang Qua Hình 10, để có hiệu bọc chắn tốt việc đặt lỗ tổ ong quan trọng trường hợp đặt ngang, khe hở lỗ tổ ong tiếp xúc nhiều với dòng điện cảm ứng chắn gây nên xạ điện từ cao trường hợp đặt dọc (thẳng đứng) Khi tăng độ sâu khe hở với lỗ tổ ong đến 2,544cm xạ điện từ trường hợp với trường hợp ban đầu có độ sâu 0,635cm giảm đáng kể, hiệu bọc chắn cải thiện tốt nhiều Hình 11 Hình So sánh xạ điện từ vị trí cách hộp bọc chắn 3m có khe hở dạng ống dẫn sóng hình lục giác lỗ tổ ong đặt dọc (thẳng đứng) Với chiều dài d =0.635cm diện tích 10,39 cm2 xạ điện từ cho hai trường hợp khác cách rõ rệt Trường hợp sử dụng ống dẫn sóng xạ điện từ cao từ 75 đến xấp xỉ 100dB[microV/m] Trong đó, xạ điện từ từ hộp có khe hở lỗ tổ ong lại cho xạ thấp [8], dải tần từ 700MHz đến 1700MHz đạt yêu cầu chuẩn A B, hiệu bọc chắn tốt Bức xạ điện từ trường hợp hộp bọc chắn có khe Hình 11 Bức xạ điện từ từ hộp bọc chắn có khe hở với lỗ tổ ong đặt dọc với độ sâu khác 3.5 Mô xạ điện từ trường hợp mở rộng dải tần khoảng 500MHz - 2500MHz Mở rộng dải tần số từ 500MHz đến 2500MHz Tiến hành mô phần mềm CST, số kết xạ điện từ hộp bọc chắn sau: ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 17, NO 1.1, 2019 Hình 12 Bức xạ điện từ đo vị trí cách hộp kín 3m Hình 17 Bức xạ điện từ đo vị trí cách hộp 3m trường hợp bọc chắn có khe hở tổ ong đặt ngang đặt dọc Hình 18 Bức xạ điện từ đo vị trí cách hộp 3m có khe hở với lỗ tổ ong đặt dọc độ sâu khác Hình 13 Bức xạ điện từ đo vị trí cách hộp 3m có khe hở dạng ống dẫn sóng chữ nhật với độ sâu khác Hình 14 Bức xạ điện từ đo vị trí cách hộp 3m có khe hở dạng ống dẫn sóng hình lục giác với độ sâu khe hở khác Hình 15 Bức xạ điện từ đo vị trí cách hộp 3m có khe hở dạng ống dẫn sóng hình lục giác với độ rộng khe hở khác Hình 16 So sánh xạ điện từ đo vị trí cách hộp 3m có khe hở dạng ống dẫn sóng hình lục giác dạng lỗ tổ ong Nhận xét chung đồ thị từ Hình 13 đến Hình 18: Kết xạ điện từ trường hợp dải tần mở rộng lên 500 – 2500 MHz có số thay đổi nhỏ so với kết xạ điện từ trường hợp sử dụng dải tần 700 – 1700MHz Thật vậy, khoảng mở rộng tần số khoảng có xạ điện từ biến thiên tăng giảm liên tục, khoảng từ 500 đến 700MHz, khoảng từ 1700MHz trở lên ln cho xạ điện từ ngưỡng cao toàn dải tần xét Cụ thể, trường hợp bọc chắn có khe hở dạng ống dẫn sóng lục giác lỗ tổ ong có chiều dài d = 0,635cm Kết Hình 16 cho thấy, khảo sát khoảng 700 – 1700MHz bọc chắn có khe hở lỗ tổ ong cho xạ điện từ mức ngưỡng chuẩn A, nhiên xạ điện từ từ 1700MHz trở lên lại lớn dần (>60dB [microV/m]) làm cho hiệu bọc chắn lỗ tổ ong giảm Vì vậy, việc lựa chọn dải tần để khảo sát trường hợp bọc chắn có khe hở quan trọng, việc cải thiện hiệu bọc chắn khoảng dải tần mở rộng nên thực thực cần thiết 3.6 Đánh giá phương pháp cải thiện hiệu bọc chắn thông số SE Việc đánh giá phương pháp cải thiện bọc chắn lĩnh vực TTĐT dựa vào thơng số hiệu bọc chắn (SE) [5], [9] Hiệu bọc chắn lớn chứng tỏ hộp bọc chắn thiết kế tốt Hình 19 Hiệu bọc chắn hộp có khe hở ống dẫn sóng chữ nhật với độ sâu khác Tăng Tấn Chiến, Võ Văn Dũng, Trần Nhật Anh 10 Hình 19 cho thấy hiệu bọc chắn cải thiện khe hở có hình dạng ống dẫn sóng chữ nhật Ngồi ra, ta tăng độ sâu ống dẫn sóng hiệu bọc chắn tăng lên Qua kết mô phỏng, độ sâu tăng 1cm, 4cm, 6cm, 8cm 12cm hiệu bọc chắn tăng theo Đặc biệt, độ sâu 12cm lớn gấp ba lần chiều dài khe hở hiệu bọc chắn cao (ở mức 100dB) Như vậy, độ sâu lớn nhiều so với chiều dài khe hở phương pháp ống dẫn sóng đem lại hiệu bọc chắn tốt giác, xạ điện từ bên hộp qua khe hở bị suy hao nhiều, gây ảnh hưởng đến thiết bị khác bên ngồi hộp Hình 23 Hiệu bọc chắn hộp có khe hở dạng lỗ tổ ong độ sâu khác Đồ thị Hình 23 cho thấy, khác biệt hiệu bọc chắn độ sâu lỗ tổ ong tăng lên, giả sử ta xét tần số 1100MHz, SE d = 0.636cm 101dB tăng lên 141dB chiều dài (độ sâu) khe hở tăng lên gấp lần so với chiều dài ban đầu Từ thấy rằng, độ sâu khe hở yếu tố quan trọng việc cải thiện hiệu bọc chắn Hình 20 Hiệu bọc chắn hộp với khe hở ống dẫn sóng lục giác có chiều dài khác Hình 21 Hiệu bọc chắn hộp với khe hở ống dẫn sóng lục giác có chiều rộng khác Đồ thị Hình 20 cho thấy khe hở hộp có dạng ống dẫn sóng lục giác độ sâu khe hở lớn hiệu bọc chắn tăng, trường hợp chiều dài d=2,544cm hiệu bọc chắn đạt 110dB Đồ thị Hình 21 cho thấy khe hở hộp có dạng ống dẫn sóng lục giác chiều rộng khe hở lớn hiệu bọc chắn giảm, với chiều rộng g=0,125cm SE ln mức từ 130dB trở lên, g=0,636cm SE mức từ 100dB trở xuống Hình 22 Hiệu bọc chắn hộp có khe hở dạng lỗ tổ ong ống dẫn sóng lục giác chiều dài Đồ thị Hình 22 cho thấy, hiệu bọc chắn lỗ tổ ong tốt so với ống dẫn sóng lục giác chúng có chiều dài tượng suy hao sóng điện từ qua khe hở lỗ tổ ong lớn so với qua khe hở ống dẫn sóng lục Kết luận Cải thiện hiệu bọc chắn hộp bọc chắn thực nhiều cách: sử dụng khe hở có dạng ống dẫn sóng lục giác, ống dẫn sóng dài hiệu bọc chắn tốt; khe hở dạng lỗ tổ ong đặt dọc có độ sâu lớn hiệu bọc chắn tốt đặt nằm ngang Như vậy, hộp bọc chắn có khe hở thiết kế thích hợp giảm mức xạ điện từ môi trường xung quanh hộp, tăng hiệu bọc chắn đảm bảo vấn đề tương thích điện từ thiết bị điện tử dải tần số thích hợp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tang Tan Chien, Bui Thi Minh Tu, Tran Nguyen Do; “Improvement of Shielding for Electromagnetic Compatibility”; IEIE Transactions on Smart Processing & Computing, No: Volume Number February 29, 2016 Pages: 63-69, 2016 [2] Tăng Tấn Chiến, “Tương thích điện từ”, Nhà xuất Giáo dục Việt Nam, 2010 [3] Clayton R Paul, “Introduction to Electromagnetic Compatibility”, Published by John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2006 [4] Henry W.Ott, “Noise reduction techniques in electronic systems”, Published by John Wiley & Sons, Inc.,1988 [5] Min Li, Joe Nuebel and James L Drewniak, Member IEEE; Richard E DuBoff, Todd H Hubing and Thomas P Van Doren, Senior Member IEEE; “EMI from Cavity Modes of Shielding Enclosures – FDTD Modeling and Measurements”, IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, Vol 42, No 1, pp 29–38, February 2000 [6] R.W Evans, “Design Guidelines for Shielding Effectiveness, Current Carrying Capability, and the Enhancement of Conductivity of Composite Material”, NASA Comtractor Report 4784, 1997 [7] Department Of Defense Washington DC, “Military Handbook Grounding, Bonding And Shielding For Electronic Equipments And Facilities”, 1987 [8] Yeong Chul Cheong, Kyung Won Lee, PyoHong, Jong Gwan Yook, “Design Equation of Shielding Effectiveness of Honeycomb”, Defense Quality Assurance Agency, Dept of Information & Communication Engineering, Kongju National Univ, Korea, 2005 [9] Stanislav Kovář, Jan Valouch, Hana Urbančoková, Milan Adámek, Václav Mach, “Simulation of Shielding Effectiveness of Materials Using CST Studio”, WSEAS Transactions on Communications, ISSN / E-ISSN: 1109-2742 / 2224-2864, Volume 16, 2017, Art #16, pp 131-136, 2017 [10] https://www.cst.com/2018 (BBT nhận bài: 11/11/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 28/12/2018) ... khơng làm ảnh hưởng đến hoạt động thiết bị điện tử khác xung quanh Từ đồ thị Hình 5, hộp bọc chắn có khe hở dạng ống dẫn sóng lục giác xạ điện từ từ hộp giảm đáng kể so với hộp có khe hở khác diện... thấp [8], dải tần từ 700MHz đến 1700MHz đạt yêu cầu chuẩn A B, hiệu bọc chắn tốt Bức xạ điện từ trường hợp hộp bọc chắn có khe Hình 11 Bức xạ điện từ từ hộp bọc chắn có khe hở với lỗ tổ ong đặt... Hình 12 Bức xạ điện từ đo vị trí cách hộp kín 3m Hình 17 Bức xạ điện từ đo vị trí cách hộp 3m trường hợp bọc chắn có khe hở tổ ong đặt ngang đặt dọc Hình 18 Bức xạ điện từ đo vị trí cách hộp