5. Bố cục đề tài
3.5 CÁC PHƢƠNG PHÁP CẢI THIỆN HIỆU QUẢ BỌC CHẮN
3.5.1 Phƣơng pháp bọc chắn nhiều lớp
Hình 3.6 cho thấy che chắn bằng nhiều bản mỏng, có n số lá chắn với trở kháng Zm1, Zm2, ... Zmn bao gồm cả kim loại và khe hở không khí. Tổng tổn hao phản xạ có thể đƣợc thể hiện nhƣ là tổng của phản xạ.
Hình 3.6 Bọc chắn nhiều lớp
Tổn hao tại mỗi bề mặt chuyển tiếp [8] αR= 20log10
= 20log10 + 20log10 + … + 20log10 (3.1)
Sự suy giảm qua các tấm chắn đơn giản là tổng của n tấm chắn
αA = 8.686(α1t1 + α2t2 + … + αntn ) dB (3.2) αn và tn là hằng số suy giảm và độ dày của tấm chắn mỏng thứ n tƣơng ứng. Cần lƣu ý rằng Zm1, Zm2… khác nhau với căn bậc hai của tần số. Do đó, tổn hao phản xạ tại bề mặt tiếp giáp kim loại với kim loại là độc lập với tần số. Nó là một hàm của tần số cho các bề mặt kim loại-không khí. Nó đƣợc xem là hiệu quả che chắn của các tấm chắn có thể đƣợc tăng lên bằng cách điều khiển trở kháng của vật liệu và độ dày.
αIR = 20log10 = 20log10 + 20log10 +… + (3.3) Trong đó: vn = (3.4) Kn = (1 + j) (3.5)
Zmtn là trở kháng nhìn từ bên phải của mỗi phần.
3.5.2 Phƣơng pháp bọc chắn đôi
Đối với một bọc chắn lớn, che chắn rất cao thƣờng đƣợc cung cấp bởi hai tấm chắn kim loại độc lập đƣợc cách nhau một thành ván ép khô (Hình 3.7) có thể đƣợc coi nhƣ một chất điện môi cách điện.
Hình 3.7 Tấm chắn đôi
αR = 20log10 + 20log10 + 20log10 + 20log10 (3.6) αA = 8,686(α1t1 - α2t2 + α3t3) = 8,686(α1t1 + α3t3) α2→ 0 (3.7) αIR = 20log10 + 20log10 + 20log10 (3.8)
Đối với trƣờng hợp đặc biệt trong đó cả hai tấm kim loại là cùng một vật liệu, độ dày và giả định sự tổn hao do gỗ là không đáng kể, tổn hao hấp thụ và tổn hao phản xạ đều là của một tấm chắn đơn. Tại không gian cộng hƣởng che chắn, hiệu quả che chắn của lá chắn đôicó thể lớn hơn lên đến 6 dBso vớitổngcủahailá chắnriêng biệt có cùng tổng số độ dày kim loại.
3.5.3 Phƣơng pháp bọc chắn chống từ trƣờng ở tần số thấp
Từ trƣờng tần số thấp có tổn hao phản xạ và tổn hao hấp thụ khi gặp bọc chắn đều rất nhỏ nên việc che chắn chống lại các nguồn từ ở tần số thấp là rất cần thiết. Có hai phƣơng pháp chính trong việc chống lại các bức xạ của từ trƣờng ở tần số thấp:
-Sử dụng các vật liệu có độ từ thẩm cao để làm lệch hƣớng của từ trƣờng.
-Sử dụng phƣơng pháp tạo ra một từ trƣờng có chiều chống lại bức xạ của từ trƣờng tới theo định luật Faraday.
Giả sử môi trƣờng bên ngoài có độ từ thẩm là 0 còn tấm che chắn đƣợc làm từ vật liệu có độ từ thẩm là 0 r (với r>>1 ), thì từ trƣờng sẽ có xu hƣớng tập trung vào nơi có độ từ thẩm cao và nhƣ vậy nó sẽ làm lệch hƣớng từ trƣờng không ảnh hƣởng đến các thiết bị bên trong các tấm chắn.
Hình 3.8 a) Phương pháp dùng vật liệu có độ từ thẩm cao làm lệch hướng từ trường, b) Phương pháp tạo ra từ trường đối lập với
từ trường tới
Phƣơng pháp thứ hai ngƣời ta sử dụng một vòng dây dẫn đƣợc đặt sao cho từ trƣờng tới hƣớng vào vòng dây. Theo định luật Faraday, sẽ xuất hiện một dòng điện cảm ứng Iind trên vòng dây và từ thông ind nhƣ hình 3.8b. Từ thông này có hƣớng chống lại từ trƣờng gốc đã gây ra nó. Do đó, nó làm giảm bức xạ của từ trƣờng khi đến gặp vòng dây này.
Tuy nhiên, việc tạo ra một vật liệu có độ từ thẩm cao là không hề dễ dàng. Hai nguyên nhân chính đó là:
-Độ từ thẩm của vật liệu giảm khi tần số tăng.
-Độ từ thẩm của vật liệu giảm khi cƣờng độ từ trƣờng tăng.
Do vậy, rất khó chế tạo đƣợc vật liệu có độ từ thẩm cao đáp ứng đƣợc yêu cầu chống lại các bức xạ từ trƣờng ở tần số thấp trong điều kiện các bức xạ luôn thay đổi liên tục cả về tần số lẫn độ lớn. Để giải quyết vấn đề trên, ngƣời ta sử dụng một lúc hai lớp che chắn đƣợc minh họa nhƣ sau:
Hình 3.9 Sử dụng nhiều lớp chắn để chống lại hiện tượng bão hòa từ của vật liệu
Trong đó, lớp chắn đầu tiên có độ từ thẩm thấp, mức bão hòa cao và lớp chắn thứ hai có độ từ thẩm cao, mức bão hòa thấp. Lớp chắn đầu tiên là để làm giảm cƣờng độ từ trƣờng tới đảm bảo nó không gây ra hiện tƣợng bảo hòa ở lớp chắn thứ hai. Do đó, độ từ thẩm tƣơng đối của lớp chắn thứ hai vẫn còn cao giúp ngăn chặn các bức xạ từ trƣờng tốt hơn. Đồng thời việc sử dụng nhiều lớp che chắn là làm tăng sự suy hao do phản xạ khi từ trƣờng tới gặp số lƣợng các bề mặt chắn nhiều hơn.
3.5.4 Phƣơng pháp đặt khe hở và chia nhỏ khe hở
Khi trƣờng tới gặp tấm chắn, chúng cảm ứng sinh ra các dòng điện chạy trên bề mặt tấm chắn nhƣ hình 3.10a, nó có tác dụng nhƣ một trƣờng phản xạ.
Trƣờng phản xạ này có xu hƣớng chống lại bức xạ của trƣờng tới để đáp ứng đúng các điều kiện biên, tại đó là tổng cƣờng độ điện trƣờng tiếp xúc với một mặt phẳng vật liệu dẫn điện phải bằng 0. Tuy nhiên, để tấm chắn có thể loại bỏ đƣợc bức xạ của trƣờng tới theo nguyên tắc trên thì các dòng điện cảm ứng sinh ra chạy trên đó phải đƣợc lƣu thông hoàn toàn mà không gặp bất kỳ một sự cản trở nào. Nhƣng do sự tồn tại của các khe hở trên bề mặt tấm
chắn đã làm cản trở và gây ra sự gián đoạn đối với các dòng điện này nhƣ hình 3.10b. Vì vậy, hiệu quả bọc chắn sẽ bị giảm đi.
Hình 3.10 a)Dòng điện cảm ứng chạy trên tấm chắn kim loại khi không có các khe hở, b)Dòng điện cảm ứng chạy
trên tấm chắn kim loại khi có khe hở
Do đó, để cải thiện hiệu quả bọc chắn, ta phải thiết kế các khe hở đặt ở các vị trí nhƣ thế nào, độ lớn ra sao... để đảm bảo các dòng điện cảm ứng chạy trên tấm chắn đƣợc lƣu thông một cách tốt nhất có thể. Phƣơng pháp tốt nhất chính là đặt khe hở sao cho chiều dài khe hở tiếp xúc với hƣớng dòng điện cảm ứng càng nhỏ càng tốt. Trong trƣờng hợp này, ta sẽ đặt khe hở theo hƣớng song song với hƣớng của dòng điện cảm ứng. Lúc này dòng điện cảm ứng đƣợc lƣu thông tốt hơn, vì vậy, khe hở ít làm ảnh hƣởng đến hiệu quả của việc bọc chắn.
Hình 3.11 Cải thiện bọc chắn bằng việc đặt khe hở song song với hướng dòng điện cảm ứng
Tuy nhiên, để xác định chính xác đƣợc hƣớng của dòng điện cảm ứng cũng nhƣ việc đặt các khe hở đúng vị trí thích hợp là điều rất khó khăn. Do đó, một phƣơng pháp nữa để cải thiện hiệu quả bọc chắn chính là chia khe hở
lớn thành nhiều khe hở nhỏ. Vì vậy, dòng điện cảm ứng đƣợc lƣu thông rất tốt làm tăng hiệu quả bọc chắn một cách đáng kể.
Hình 3.12 Cải thiện bọc chắn bằng phương pháp chia khe hở lớn thành nhiều khe hở nhỏ
Việc chia khe hở ra thành nhiều khe hở nhỏ thì chiều dài của mỗi khe hở đó phải đƣợc chọn phù hợp với dãy tần số của bức xạ điện từ. Để tăng cƣờng hiệu quả của việc bọc chắn thì chiều dài của mỗi khe đƣợc chọn thƣờng nhỏ hơn nhiều so với nửa bƣớc sóng (λ/2).
3.5.5 Cải thiện hiệu quả bọc chắn tại khớp nối
Tổng hiệu quả che chắn của bọc chắn bị hạn chế bởi lỗi của khớp nối làm cho dòng điện chảy trong lá chắn. Hiệu quả che chắn của khớp nối phụ thuộc chủ yếu vào khả năng chúng tạo ra một điện trở tiếp xúc thấp qua khớp. Điện trở tiếp xúc là một hàm của vật liệu, độ dẫn điện của lớp bẩn bề mặt và áp lực tiếp xúc.
Ba yếu tố sau sẽ làm tăng hiệu quả che chắn đáng kể:
1.Tiếp xúc dẫn điện: Tất cả các bề mặt khớp nối phải đƣợc khớp nhau và dẫn điện.
2.Khớp nối gối lên nhau: bề mặt khớp nối nên gối lên nhau ở mức độ lớn, nó cung cấp đủ điện dung nối cho khớp nối có chức năng nhƣ một ngắn mạch điện ở tần số cao. Sự gối lên nhau của khớp nối ở mức tối thiểu để tỷ lệ giữa bề mặt và kẽ hở 5:1 là một lựa chọn tốt.
3.Miếng đệm, điểm tiếp xúc của khớp nối: Tiếp xúc tốt giữa các bề mặt tiếp xúc có thể đạt đƣợc bằng cách sử dụng miếng đệm dẫn. Các tính chất về điện của các miếng đệm phải giống với lá chắn để duy trì một mức độ dẫn điện cao tại bề mặt chuyển tiếp và để tránh những khoảng trống không khí hoặc điện trở cao. Dòng điện cảm ứng trong lá chắn, cơ bản cùng một hƣớng nhƣ điện trƣờng tới. Một miếng đệm đặt ngang với dòng điện này là kém hiệu quả hơn so với đặt song song với dòng điện. Sóng phân cực tròn chứa các thành phần dọc và ngang bằng nhau. Do đó, các miếng đệm phải có hiệu quả nhƣ nhau trong cả hai hƣớng. Một số các miếng đệm có hiệu suất phụ thuộc vào hình dạng khớp nối, điện trở tiếp xúc và lực đặt tại các khớp.
Hình 3.13 cho thấy hai kỹ thuật điển hình của miếng đệm khớp che chắn.
Hình 3.13 Kỹ thuật đệm nối
Ngoài ra, bất kỳ một hộp bọc chắn nào cũng cần có các nắp đóng mở. Do đó xuất hiện rất nhiều các khoảng hở tại các vị trí này và bức xạ thông qua nó tƣơng đƣơng nhƣ bức xạ của một anten. Mặc dù các khoảng hở này có thể rất nhỏ nhƣng năng lƣợng bức xạ của nó có thể là rất lớn theo nguyên lý Babinet. Ví dụ, yêu cầu cần có một nắp đậy hộp bọc chắn minh họa ở hình 3.14a.
Hình 3.14 Ảnh hưởng của các nắp đậy hộp bọc chắn
Theo nguyên lý Babinet, nếu thay thế các khoảng hở này bằng một dây dẫn rắn có kích thƣớc cùng với kích thƣớc của khoảng hở đó thì bức xạ điện từ của chúng là tƣơng đƣơng nhau. Điều này cho thấy rằng chiều dài của khoảng hở quan trọng hơn bề dày của nó trong việc xác định bức xạ điện từ qua các khoảng hở này. Do đó, nếu chiều dài của các khoảng hở đúng bằng nửa bƣớc sóng thì bức xạ của nó tƣơng đƣơng nhƣ bức xạ của một anten dipole. Để phá vỡ khả năng hình thành năng lƣợng bức xạ nhƣ một anten, ta thƣờng đặt các ốc vít xung quanh nắp đậy do các anten ngắn có bức xạ điện từ nhỏ hơn so với các anten dài. Điều này đƣợc minh họa ở hình 3.14b, khi chèn các ốc vít xung quanh nắp đậy che chắn thì làm giảm bức xạ điện từ từ các khoảng hở.
3.5.6 Phƣơng pháp sử dụng các ống dẫn sóng
Khi hộp bọc chắn đòi hỏi có hiệu quả bọc chắn cao hoặc hộp bọc chắn cần có khoảng hở lớn nhƣ hệ thống thông gió ở hình 3.15, chúng ta có thể dùng bọc chắn dạng ống dẫn sóng.
Hình 3.15 Sử dụng ống dẫn sóng để cung cấp hệ thống thông gió và làm giảm bức xạ điện từ qua nó: (a) nhìn trước, (b) nhìn bên cạnh
Với ống dẫn sóng hình trụ tròn, nếu chiều dài của nó gấp 3 lần đƣờng kính thì hiệu quả bọc chắn sẽ đạt mức rất cao 100dB.
Đối với ống dẫn sóng dạng tổ ong:
Che chắn toàn vẹn của vỏ chắn RF đƣợc duy trì tại các điểm có ống thông gió. Tấm vật liệu kim loại dạng tổ ong đƣợc sử dụng cho mục đích này nhƣ trong hình 3.16. Tấm vật liệu kim loại dạng tổ ong tận dụng lợi thế của nguyên lý ống dẫn sóng khi áp dụng cho các tế bào tổ ong riêng lẻ.
Nếu các tế bào lục giác đƣợc xấp xỉ bằng ống dẫn sóng tròn, che chắn khoảng 100dB có thể đạt đƣợc lên đến tần số cao nhất thỏa các mối quan hệ [8]:
d ≤ (3.9)
t ≥ 3d (3.10)
Trong đó d là đƣờng kính của ống dẫn sóng tròn, t là chiều dài của ống dẫn sóng và λ là bƣớc sóng tƣơng ứng với tần số cao nhất.
3.6 TÍNH TOÁN HIỆU QUẢ BỌC CHẮN TRONG TRƢỜNG HỢP BỌC CHẮN KHÔNG KÍN
Trƣờng hợp thiết bị bọc chắn có khe hở, hệ thống thông gió, đƣờng nối và khớp nối làm giảm SE của hộp bọc chắn. Trong trƣờng hợp này, một phƣơng pháp đặc biệt để tính SE của cấu trúc là cần thiết.
Đầu tiên, tính SE cho một tấm chắn của vật liệu dẫn điện tại mỗi tần số quan tâm.
Thứ hai, tính toán SE khi có khe tại mỗi tần số. Sau đó sử dụng giá trị SE thấp hơn tại mỗi tần số. Thông thƣờng có một số loại khe hở, phƣơng pháp kết hợp các hiệu ứng của nó cũng tƣơng tự nhƣ cách tính tổng số trở kháng của các điện trở song song [7]:
(3.11)
Tuy nhiên, khi SE đƣợc tính theo dB, mỗi SE phải đƣợc chuyển đổi trở lại ra tỷ lệ trƣớc khi cộng. Tổng SE đƣợc chuyển đổi trở lại ra dB. Tổng SE nhiều khe sẽ nhỏ hơn so với SE riêng lẻ thấp nhất. Phần dƣới sẽ trình bày các phƣơng pháp để xác định SE riêng lẻ cho nhiều loại khe hở.
3.6.1 Hiệu quả bọc chắn của tấm chắn có khe hở
Hình 3.17: Kích thước khe hở
Đối với một khe hình chữ nhật nhƣ trong hình 3.17 [7]:
SEdB = 97 – 20log(LfM Hz) + 20log + SEshad + 30 (3.12) trong đó:
L, S : chiều dài và chiều cao của khe (mm)
d: chiều sau của khe, thƣờng cũng là bề dày của vật liệu (mm) SEshad: hiệu ứng che, xem trong bảng 3 hoặc mặc định là 3dB ln : log tự nhiên
Đối với một lỗ tròn nhƣ trong hình 3.17 [7]:
SEdB = 99 – 20log(LfM Hz) + SEshad + 30 (3.13) trong đó:
Trong cả hai trƣờng hợp, nếu tấm chắn mỏng (d << L), số hạn cuối cùng gần bằng không. Đây là số hạn hấp thụ. Hiệu ứng che phụ thuộc vào kích thƣớc của khe, kích thƣớc của hộp và tần số. Trong thực tế, các khe bức xạ lại bên trong hộp. Hiệu ứng che là giá trị tổng hợp mô hình của búp sóng và triệt tiêu bên trong hộp. Nó làm giảm cƣờng độ trƣờng từ giá trị đỉnh nhận đƣợc. Bảng 3.1 cho thấy giá trị tiêu biểu của che chắn bổ sung do hiệu quả che đối với hộp và kích thƣớc khe khác nhau. Hộp thông thƣờng sẽ có ít hơn 5dB chỉ định cho hiệu ứng che. Nhƣ vậy, 3dB là một giá trị mặc định tốt để sử dụng trong các phƣơng trình.
Ở tần số thấp phƣơng trình sẽ cho giá trị vƣợt quá SE của một tấm chắn rắn. Lúc này SE của tấm chắn rắn trở thành giới hạn trên.
Ở tần số cao hoặc khe hở dài khi L ≥ , giả sử che chắn là không dB.
W = Chiều rộng của hộp L = Chiều dài của khe H = Chiều cao của hộp S = Chiều rộng của khe D = Chiều sâu của hộp
3.6.2 Hiệu quả bọc chắn của tấm chắn khi khe hở chia nhỏ
Để tính toán các SE của một tấm chắn với một khe hở đƣợc chia nhỏ, đầu tiên tính toán SE tấm chắn với một khe hở lớn có các cạnh là đƣờng nét đứt trong hình 3.18 với phƣơng pháp tính nhƣ đã nói ở trên. Sau đó, sử dụng phƣơng trình 3.18, tính toán nâng cao ( SE) do chia nhỏ khe hở. Cộng thêm sự cải thiện cho tính toán ban đầu để có đƣợc tổng SE. [7]
= 20log – 20log (3.14) Trong đó:
LB và SB : Chiều dài và chiều rộng khe trƣớc khi chia nhỏ. LA và SA : Chiều dài và chiều rộng khe sau khi chia nhỏ.
Khi khe ban đầu đƣợc chia thành các khe nhỏ với cùng tỷ lệ L/S nhƣ khe ban đầu, số hạng thứ hai biến mất.