Nghiên cứu các phương pháp cải thiện hiệu quả bọc chắn bức xạ điện từ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - - CAO PHỔ NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP CẢI THIỆN HIỆU QUẢ BỌC CHẮN BỨC XẠ ĐIỆN TỪ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ i Đà Nẵng - Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - - CAO PHỔ NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP CẢI THIỆN HIỆU QUẢ BỌC CHẮN BỨC XẠ ĐIỆN TỪ Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60.52.02.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS TĂNG TẤN CHIẾN ii Đà Nẵng, năm 2018 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc LỜI CAM ĐOAN Kính gửi: Hội đồng bảo vệ luận văn tốt nghiệp Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Tôi tên là: Cao Phổ Hiện học viên lớp Cao học Kỹ thuật điện tử - Khoá 32 - Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Tôi xin cam đoan nội dung số liệu luận văn chép luận văn cơng trình có từ trước Nếu vi phạm tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm trước hội đồng Học viên Cao Phổ iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii DANH MỤC CÁC BẢNG x DANH MỤC CÁC HÌNH x MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ 1.1 Giới thiệu chương 1.2 Khái niệm tương thích điện từ 1.3 Phân tích nguồn nhiễu 1.4 1.5 1.3.1 Các nguồn nhiễu tự nhiên 1.3.2 Các nguồn nhiễu công nghiệp Sự xạ 1.4.1 Bức xạ phát xạ 1.4.2 Bức xạ từ dây dẫn Kết luận chương CHƯƠNG CÁC QUY CHUẨN VỀ TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ 10 2.1 Giới thiệu chương 10 2.2 Tổng quan quy chuẩn EMC 10 2.3 Quy chuẩn EMC Hoa Kỳ 10 2.4 Quy chuẩn EMC Châu Âu 11 2.5 Kết luận chương 13 CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP CẢI THIỆN HIỆU QUẢ BỌC CHẮN ĐỂ ĐẢM BẢO TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ 14 3.1 Giới thiệu chương 14 3.2 Phương pháp bọc chắn lĩnh vực tương thích điện từ 14 3.3 Các phương pháp cải thiện hiệu bọc chắn 15 3.3.1 Phương pháp bọc chắn nhiều lớp 15 3.3.2 Phương pháp bọc chắn chống từ trường tần số thấp 16 3.3.3 Phương pháp đặt khe hở chia nhỏ khe hở 17 3.3.4 Cải thiện hiệu bọc chắn khớp nối 19 iv 3.3.5 3.4 Phương pháp sử dụng ống dẫn sóng 20 Tính tốn hiệu bọc chắn trường hợp bọc chắn khơng kín 21 3.4.1 Hiệu bọc chắn chắn có khe hở 22 3.4.2 Hiệu bọc chắn chắn khe hở chia nhỏ 24 3.4.3 Hiệu bọc chắn mắt lưới vật liệu dẫn điện 24 3.4.4 Hiệu bọc chắn khe hở dạng ống dẫn sóng 25 3.5 Kiểm tra hộp bọc chắn thực tế 28 3.6 Kết luận chương 29 CHƯƠNG MÔ PHỎNG CẢI THIỆN BỌC CHẮN ĐỂ ĐẢM BẢO TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ 30 4.1 Giới thiệu chương 30 4.2 Giới thiệu phần mềm CST (Computer Simulation Technology) 30 4.3 Sơ đồ tiến trình mô cải thiện hiệu bọc chắn 32 4.4 Thiết lập thông số bọc chắn 33 4.5 Khảo sát xạ điện từ 34 4.6 4.7 4.5.1 Mơ xạ điện từ hộp bọc chắn kín 34 4.5.2 Mô xạ điện từ hộp bọc chắn có khe hở 35 4.5.3 Mô xạ điện từ hộp bọc chắn vật liệu khác 39 4.5.4 sóng Mơ xạ điện từ hộp bọc với khe hở có cấu trúc ống dẫn 40 4.5.5 Mô xạ điện từ hộp bọc chắn có khe hở dạng hình trịn 41 4.5.6 Mơ xạ điện từ hộp bọc chắn có khe hở dạng tổ ong 42 Mô xạ điện từ từ hộp bọc chắn có dải tần từ 500 đến 2000MHz 44 4.6.1 Mơ hộp kín hộp có khe hở 3x4cm 44 4.6.2 Mơ hộp có số lượng khe hở khác 44 4.6.3 Mơ hộp khe hở dạng lỗ trịn 45 4.6.4 Mô hộp có khe hở có cấu trúc ống dẫn sóng 45 4.6.5 Mơ hộp có khe hở có cấu trúc tổ ong 46 Khảo sát hiệu bọc chắn (SE) 46 4.7.1 Khảo sát hiệu bọc chắn hộp kín 46 4.7.2 Khảo sát hiệu bọc chắn với hộp có khe x 4cm 47 4.7.3 Khảo sát hiệu bọc chắn thay đổi số lượng khe (giữ nguyên tổng diện tích khe hở) 48 4.7.4 Khảo sát hộp bọc chắn có khe hở dạng hình chữ nhật hình tròn 49 v 4.7.5 Khảo sát trường hợp bọc chắn với vật liệu khác 50 4.7.6 Khảo sát hiệu bọc chắn hộp có vật liệu dẫn điện khác 51 Hình 4.30 Hiệu bọc chắn hộp có vật liệu khác nhau.Error! Bookmark not defined 4.7.7 Khảo sát hiệu bọc chắn hộp có khe hở ống dẫn sóng với độ sâu khác 52 Hình 4.31 Hiệu bọc chắn hộp có khe hở ống dẫn sóng chữ nhật với độ sâu khác Error! Bookmark not defined 4.7.8 Khảo sát hiệu bọc chắn hình dạng tổ ong 53 Hình 4.32 Hiệu bọc chắn hình dạng tổ ong có số lượng lỗ khác Error! Bookmark not defined 4.8 Kết luận chương 53 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 54 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 vi TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP CẢI THIỆN HIỆU QUẢ BỌC CHẮN BỨC XẠ ĐIỆN TỪ Học viên: Cao Phổ - Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60.52.02.03 - Khóa: K32 - Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt - Gần đây, với phát triển vượt bậc công nghệ, nghiên cứu tương thích điện từ tạo bước tiến đáng kể việc giải giảm thiểu rủi ro nhiễu sử dụng thiết bị điện tử Từ đó, bảo đảm cho thiết bị hoạt động ổn định hay chí đảm bảo tính an tồn cho người Luận văn trình bày tảng tương thích điện từ EMC từ đưa phương pháp nghiên cứu giảm nhiễu xạ điện từ cách sử dụng hộp bọc chắn Qua đó, tính tương thích điện từ hiệu bọc chắn khảo sát thông qua trường hợp cụ thể sử dụng hộp kín, sử dụng hộp bọc chắn với khe hở có hình dạng-kích thước khác nhau, hay chí với vật liệu khác Kết khảo sát cho thấy kết đầy hứa hẹn minh chứng cho khả ứng dụng thực tế luận văn Từ khóa - Tương thích điện từ, hiệu bọc chắn, xạ điện từ, EMI, SE RESEARCHING METHODS: IMPROVING ELECTROMAGNETIC SHIELDING EFFECTIVENESS Abstract - Recently, along with the rapid development of technology, researching on electromagnetic compatibility (EMC) has made significant strides in solving and mitigating the risk of interference when using electronic devices With EMC, make sure that the equipments will work stably or even safe for human The thesis presents electromagnetic compatibility platform and offers a method for studying electromagnetic radiation interference by using a shielded box Thereby, I will investigate the electromagnetic compatibility as well as the shielding effect (SE) through specific cases such as the use of sealed boxes, the use of enclosures with different-sized openings, or with different materials The experiments show promising results, as well as benefits of the shielding effect Key words - electromagnetic compatibility, shielding effect, electromagnetic radiation, EMI, SE vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Thuật ngữ tiếng Anh Thuật ngữ tiếng Việt CST Computer Simulation Technology Cơng nghệ mơ máy tính DAC Digital to Analog Converter Chuyển đổi số tương tự DFT Discrete Fourier transform Biến đổi Fourier rời rạc EMC Electromagnetic Compatibility Tương thích điện từ EME Electromagnetic Emission Phát xạ điện từ EMI Electromagnetic Interference Nhiễu giao thoa điện từ EMS Electromagnetic Susceptibility Độ nhạy điện từ EUT Equipment Under Test Thiết bị kiểm tra, giám sát FCC Federal Communications Commission Ủy ban Truyền thông Liên bang FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh FDFD Finite Difference Frequence Domain Sai phân hữu hạn miền tần số FDTD Finite Difference Time Domain Sai phân hữu hạn miền thời gian FE Finite Element Phần tử hữu hạn RE Radiated Emission Bức xạ phát xạ viii RF Radio Frequency Tần số vô tuyến SE Shielding Effectiveness Hiệu bọc chắn SEE Shielding Effectivenness Electric Field Hiệu bọc chắn thành phần điện trường SHE Shielding Effectivenness Magnetic Field Hiệu bọc chắn thành phần từ trường TE Transverse Electric Điện trường ngang TLM Transmission Line Matrix Ma trận đường truyền TM Transverse Magnetic Từ trường ngang ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Giới hạn phát xạ FCC cho sản phẩm thuộc Class A khoảng cách 10m 11 Bảng 2.2 Giới hạn phát xạ FCC cho sản phẩm thuộc Class B khoảng cách 3m 11 Bảng 2.3 Giới hạn phát xạ FCC cho sản phẩm thuộc Class A Class B khoảng cách 10m 11 Bảng 3.1 Hiệu bọc chắn thêm hiệu ứng che 23 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1-1 Các ngun tắc tương thích điện từ Hình 1-2 Sơ đồ mơ tả đường ghép EMI Hình 2-1 So sánh giới hạn phát xạ FCC CISPR cho sản phẩm thuộc Class A Class B khoảng cách 10m 12 Hình 3-1 Mô tả bọc chắn xạ nằm hộp bọc chắn xạ bên hộp bọc chắn 14 Hình 3-2 Bọc chắn nhiều lớp 15 Hình 3-3 Bọc chắn chống từ trường tần số thấp 16 Hình 3-4 Sử dụng nhiều lớp chắn để chống lại tượng bảo hòa từ vật liệu 17 Hình 3-5 Phương pháp đặt khe hở chia nhỏ khe hở 18 Hình 3-6 Cải thiện bọc chắn cách đặt khe hở song song với hướng dòng điện cảm ứng 18 Hình 3-7 Cải thiện bọc chắn phương pháp chia khe hở lớn thành nhiều khe hở nhỏ 19 Hình 3-8 Kỹ thuật đệm nối 20 Hình 3-9 Ảnh hưởng nắp đậy hộp bọc chắn 20 Hình 3-10 Sử dụng ống dẫn sóng đảm bảo hiệu bọc chắn cao đảm bảo thơng gió 20 Hình 3-11 Sử dụng ống dẫn sóng dạng tổ ong 21 Hình 3-12 Kích thước khe hở 22 Hình 3-13 Kích thước hộp 23 Hình 3-14 Chia nhỏ khe hở 24 Hình 3-15 Cấu trúc lưới 25 Hình 3-16 Ống dẫn sóng hình trụ trịn 27 Hình 3-17 Ống dẫn sóng hình lục giác 28 Hình 3-18 Quá trình kiểm tra xạ hộp bọc chắn thực tế 29 Hình 4-1 Giao diện phần mềm CST 31 Hình 4-2 Sơ đồ tiến trình mơ cải thiện hiệu bọc chắn 32 Hình 4-3 Các thông số hộp bọc chắn [5] 33 Hình 4-4 Hộp chắn mơ phần mềm CST với kích thước khe hở 4x3cm 33 Hình 4-5 Hộp chắn kín mơ phần mềm CST 34 Hình 4-6 Đồ thị xạ điện từ hộp kín vị trí cách hộp 3m 34 x 4.7.6 Khảo sát hiệu bọc chắn hộp có khe hở ống dẫn sóng với độ sâu khác Hình 4-31 Hiệu bọc chắn hộp có khe hở ống dẫn sóng chữ nhật với độ sâu khác Hình 4.31 cho thấy hiệu bọc chắn cải thiện khe hở có hình dạng ống dẫn sóng chữ nhật Ngoài ra, ta tăng độ sâu ống dẫn sóng hiệu bọc chắn tăng lên Qua kết mô ta thấy độ sâu tăng 4, 12 cm hiệu bọc chắn tăng theo Đặc biệt, ống dẫn sóng có độ sâu 12 cm hiệu bọc cao (dao động mức 125dB) Trường hợp tần số 900MHz hiệu bọc chắn gần 150dB Có thể kết luận rằng, ống dẫn sóng có độ sâu lớn nhiều so với chiều dài khe phương pháp ống dẫn sóng đem lại hiệu bọc chắn tốt Tuy nhiên thực tế chiếm diện tích bên hộp nên phương pháp khơng khả thi 52 4.7.7 Khảo sát hiệu bọc chắn hình dạng tổ ong Hình 4-32 Hiệu bọc chắn hình dạng tổ ong có số lượng lỗ khác Từ hình 4.32, Khảo sát khe hở dạng tổ ong có diện tích 12cm2, kết nhận thấy rằng, tương tự trường hợp khe hở, hiệu bọc chắn trường hợp 100 lỗ tốt (dao động khoảng 110dB) Đặc biệt, tần số xét 900MHz, 1200MHz, 150MHz, hộp chắn có khả che chắn tốt so với trường hợp lại (120dB) Tại tần số xét 1300MHz hiệu bọc chắn Như vậy, tương tự khe hở hình dạng chữ nhật, diện tích ta chia khe hở nhiều hiệu bọc chắn tốt 4.8 Kết luận chương Với hộp bọc chắn vật liệu dẫn điện tốt bọc kín hồn tồn xạ điện từ thiết bị bên hộp mơi trường bên ngồi vô nhỏ Tuy nhiên, xuất khe hở hộp bọc chắn yêu cầu thực tế thơng gió cho thiết bị Khi đảm bảo thơng gió hiệu bọc chắn giảm Một số phương pháp đề xuất như: chia khe lớn thành khe nhỏ, đặt vị trí khe hở cho hướng dòng điện cảm ứng chạy chắn tiếp xúc với bề mặt khe hở nhỏ tốt, chiều dài khe hở nên nhỏ nhiều so với bước sóng, sử dụng khe hở có dạng hình chữ nhật, hình trịn, ống dẫn sóng, lỗ tổ ong Các kết mơ phần mềm CST chứng minh tính hiệu bọc chắn phương pháp trình bày 53 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Kết luận Luận văn trình bày cách tổng quát khái niệm tương thích điện từ, vấn đề liên quan đến lĩnh vực tương thích điện từ, phân tích nguồn nhiễu, yếu tố xạ phát xạ để tiến hành tìm hiểu nghiên cứu sâu cơng cụ cải thiện tính tương thích điện từ sử dụng hộp bọc chắn Việc sử dụng hộp bọc chắn cần thiết để hạn chế tối đa xạ điện từ từ thiết bị điện tử mơi trường bên ngồi Luận văn trình bày quy định chuẩn đo EMC nước để làm thước đo thiết kế, sản xuất sản phẩm Trình bày quy chuẩn Hòa Kỳ Châu Âu, đối trọng phát triển mạnh mẽ lĩnh vực tương thích điện từ, làm tiêu chí để xem xét đánh giá kết khách quan, xác Tuy nhiên, hộp bọc chắn luôn tồn khe hở yêu cầu thực tế cổng giao tiếp, lỗ thơng gió, cáp cấp nguồn, … Sự xuất khe hở làm giảm hiệu bọc chắn Khi vấn đề tương thích điện từ hệ thống, thiết bị điện tử khơng cịn đảm bảo Một số phương pháp đưa để cải thiện hiệu bọc chắn hộp xuất khe hở yêu cầu thực tế là: chiều dài khe hở phải nhỏ nhiều so với nửa bước sóng, chia nhỏ khe hở, đặt vị trí khe hở cho chiều tiếp xúc với dòng điện mặt nhỏ tốt, khe hở có cấu trúc ống dẫn sóng, lỗ tổ ong nâng cao hiệu bọc chắn hộp tồn khe hở Vì vậy, bọc chắn khơng kín địi hỏi hiệu bọc chắn cao, ta nên sử dụng cấu trúc dạng ống dẫn sóng dạng lỗ tổ ong Luận văn dùng phần mềm CST để mô kiểm chứng cải thiện hiệu bọc chắn trường hợp hộp có khe hở với kích thước khác nhau, đồng thời nghiên cứu phương pháp cải thiện hiệu bọc chắn bọc chắn có khe hở dạng hình chữ nhật, hình trịn, ống dẫn sóng lục giác, dạng lỗ tổ ong Hướng phát triển đề tài Do chưa có phương tiện kỹ thuật nên đề tài chưa có điều kiện làm thực nghiệm để tiến hành kiểm tra, đo đạc thực tế, nghiên cứu sâu phương pháp sử dụng để giải tốn trường điện từ Ngồi số phương pháp mà luận văn chưa tiến hành mô để kiểm chứng sử dụng lọc khe hở, miếng đệm nắp hộp che chắn, chưa tiến hành mô trường 54 hợp xạ điện từ bên ảnh hưởng đến thiết bị bên hộp Đây hướng phát triển đề tài 55 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt [1] Tăng Tấn Chiến, “Tương thích điện từ”, Nhà xuất Giáo dục Việt Nam, 2010 Tài liệu tiếng Anh [2] Clayton R Paul, “Introduction to Electromagnetic Compatibility”, John Wiley & Sons, Inc, 2006 [3] Erik Olofsson, Johnny Jakobsson, “Control System for Electromagnetic Environmental Testing of Electronics with Reverberation Chamber”, Sweden, 2010 [4] 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, Seoul, Korea, 2005 [5] 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 56 ... trình mô cải thiện hiệu bọc chắn Bắt đầu Thiết lập thông số cho hộp bọc chắn Mô xạ điện từ hộp kín Mơ xạ điện từ hộp bọc chắn có khe hở Mô xạ điện từ hộp bọc chắn với Mô xạ điện từ hộp bọc chắn có... tương thích điện từ cải thiện tính tương thích điện từ kỹ thuật bọc chắn nhằm để giảm xạ điện từ, đảm bảo tương thích điện từ Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu - Nghiên cứu nguồn... tài “NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP CẢI THIỆN HIỆU QUẢ BỌC CHẮN BỨC XẠ ĐIỆN TỪ” nhằm đảm bảo tính tương thích điện từ thiết bị Mục đích nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu đề tài nghiên cứu ảnh hưởng nguồn