Luận án Nghiên cứu giải pháp đánh giá và đảm bảo tương thích điện từ trường cho các thiết bị vô tuyến điện tử

pháp riêng lẻ và không đạt đƣợc hiệu quả cao. Do vậy hầu hết các thiết bị điện tử của ta sản xuất đều không đáp ứng đƣợc các tiêu chuẩn EMC và chƣa chú ý đến sự phù hợp với tiêu chuẩn EMC. Trong công trình thứ 4 (bài báo số 4) tác giả đã đƣa ra giải pháp đánh giá kết hợp giữa che chắn điện từ và ƣớc lƣợng khoảng cách với các thử nghiệm từ lý thuyến đến thực nghiệm, mô phỏng. Vì vậy, với những nghiên cứu và phân tích về EMC trong chƣơng 1, luận án đề xuất giải pháp đảm bảo EMC khi thiết kế các thiết bị vô tuyến điện tử trên cơ sở áp dụng phƣơng pháp che chắn điện từ (bọc kim) kết hợp với phƣơng pháp ƣớc lƣợng khoảng cách giữa các khối, từ đó làm cơ sở cho việc xây dựng mô hình đảm bảo EMC khi thiết kế thiết bị vô tuyến. 2.1. Đề xuất giải pháp 2.1.1. Đặt vấn đề Các phƣơng pháp bảo đảm EMC nêu trong mục 1.2 đều có những ƣu và nhƣợc điểm riêng. Luận án sẽ đề cập đến việc bảo đảm EMC cho thiết bị điện tử có một hoặc nhiều khối có sẵn, tức là không can thiệp vào quá trình thiết kế mạch hoặc khối. Do vậy, luận án đề xuất giải pháp đảm bảo EMC khi thiết kế thiết bị vô tuyến kết hợp phƣơng pháp bọc kim và phƣơng pháp ƣớc lƣợng khoảng cách giữa các khối trong một thiết bị vô tuyến điện tử. 40 Để đánh giá đƣợc hiệu quả của giải pháp đề xuất, luận án thử nghiệm một mạch dao động kết nối với một mạch nguồn làm ví dụ. Mạch dao động và mạch nguồn là hai thành phần cần thiết của bất kỳ một thiết bị VTĐT nào, và đây cũng là hai thành phần có khả năng gây ra bức xạ mạnh trong một thiết bị VTĐT. Hai mạch sẽ đƣợc bọc kim riêng biệt, đặt cách nhau các khoảng cách khác nhau và đƣợc tính toán, mô phỏng, đo thực tế để đánh giá hiệu quả của giải pháp. Hộp bọc kim cho mạch nguồn có kích thƣớc 10 cm x 10 cm x 3 cm và hộp bọc kim cho mạch dao động có kích thƣớc 16 cm x 10 cm x 3 cm, kích thƣớc lựa chọn phụ thuộc vào kích thƣớc mạch in của hai mạch. 2.1.2. Mô hình thực hiện Dựa vào các thông số nêu trên, ta có thể tính toán về mặt lý thuyết hiệu quả của giải pháp đặt ra cũng nhƣ thực hiện đo với mạch thực tế. Ngoài ra, trƣớc khi thực hiện với mạch thực tế, luận án sẽ thực hiện mô phỏng trên máy tính giải pháp bằng phần mềm CST với một nguồn điểm bức xạ và hai hộp bọc kim. Bài toán đƣợc thực hiện với một hộp bọc kim thứ nhất bằng nhôm (lý do chọn vật liệu trong mục 2.2.1) có kích thƣớc 16 cm x 10 cm x 3 cm, độ dày lớp vỏ là 2 mm. Nguồn bức xạ đƣợc đặt bên trong hộp bọc kim thứ nhất thông qua cáp đồng trục có trở kháng 50 Ω và dây đồng có đƣờng kính 0,16 cm để đảm bảo phân phối đều bức xạ điện từ bên trong hộp nhƣ hình 2.1 [31]. Một hộp bọc kim thứ 2 có kích thƣớc 10 cm x 10 cm x 3 cm bằng nhôm đƣợc đặt cách hộp bọc kim thứ nhất một khoảng cách là d. Luận án thực hiện tính toán và mô phỏng phƣơng pháp bọc kim trong trƣờng hợp hộp kín và hộp có lỗ hổng với kích thƣớc khác nhau để đánh giá đƣợc hiệu quả che chắn của hộp bọc kim với mỗi trƣờng hợp. Tƣơng tự, với phƣơng pháp ƣớc lƣợng khoảng cách, luận án mô phỏng và đánh giá độ suy giảm của tín hiệu điện từ trƣờng trong không gian theo khoảng cách. Sau đó kết hợp 2 phƣơng pháp và đánh giá kết quả đạt đƣợc thông qua tổng độ suy giảm tín hiệu điện từ khi áp dụng 2 phƣơng pháp so với trƣờng hợp không áp dụng phƣơng pháp nào tại vị trí cách hộp bọc kim 1 là 41 2 cm (giá trị này lựa chọn dựa vào thực tế các khối đặt trong 1 thiết bị cách nhau nhỏ nhất là 2 cm để tiện cho việc ghép nối và cách ly vỏ). Các số liệu tính toán và mô phỏng đƣợc thực hiện trên bề mặt của hộp bọc kim thứ 2. Với thực tế là không phải tất cả các khối trong thiết bị đều cần bọc kim, do vậy việc đánh giá trên bề mặt hộp bọc kim thứ 2 là chính xác nhất hiệu quả của giải pháp đề xuất với cƣờng độ trƣờng điện từ đã bị suy giảm qua lớp vỏ hộp bọc kim thứ 1 và theo khoảng cách d giữa 2 hộp. Dải tần số mô phỏng là từ 1 MHz đến 1 GHz. Hình 2.1. Mô hình hộp bọc kim Sau khi mô phỏng bằng phần mềm CST để đánh giá hiệu quả của giải pháp đề xuất, luận án tiếp tục thực hiện đánh giá trên mạch thực tế bằng một mạch dao động và một mạch nguồn đầu ra 5 V. Mạch thực tế sẽ đƣợc đo bằng bộ công cụ EMxpert EHX bao gồm phần mềm EMxpert và bộ quét EMSCAN [49]. Bài kiểm tra đƣợc thực hiện trong hai trƣờng hợp là khi hai mạch đặt cạnh nhau không che chắn bọc kim và khi hai mạch đƣợc bọc kim đặt cách nhau các khoảng cách thay đổi. 2.2. Phân tích giải pháp đề xuất 2.2.1. Giải pháp bọc kim Phƣơng pháp bọc kim sử dụng một vỏ bọc bằng kim loại để che chắn điện từ cho thiết bị điện tử đặt bên trong với hai mục đích chính là ngăn chặn sự phát xạ nhiễu điện từ ra bên ngoài gây ảnh hƣởng đến môi trƣờng hoặc các thiết bị khác và ngăn chặn các tín hiệu bên ngoài gây nhiễu cho thiết bị đặt bên trong 42 làm thiết bị hoạt động không đúng tính năng kỹ thuật. Vật liệu đƣợc tác giả lựa chọn sử dụng là nhôm, dạng hình hộp và có độ dày 2 mm. Lớp vỏ làm kim loại dùng để che chắn điện từ sẽ hạn chế năng lƣợng điện từ trong một không gian nhất định, do đó sẽ ngăn chặn nhiễu bức xạ điện từ truyền qua. Nhƣ đã phân tích ở mục 1.2.1, từ hình 1.10 và công thức (1.8), các thành phần đƣợc tính toán nhƣ sau: - Độ phản xạ trong trƣờng xa: 10168 10log r dB r R f           (2.1) - Độ phản xạ trong trƣờng gần của nguồn điện và nguồn từ : , 10 3 2 322 10log re dB r R f r           (2.2) 2 , 1014,57 10log r m dB r fr R           (2.3) - Độ hấp thụ: / 10 1020log 20 log 8,686 1,314 t dB r r t t A e e t f         (2.4) - Độ phản xạ nhiều lần [6]: 2 /20lg(1 )tB e   (2.5) với δ là độ sâu bề mặt của vật liệu, 1 f     r là độ từ thẩm tƣơng đối của vật liệu so với không khí; r là độ dẫn điện tƣơng đối của vật liệu so với đồng;  là độ từ thẩm của vật liệu;  là độ dẫn điện của vật liệu; t là độ dày lớp vỏ bọc kim tính theo cm; r là khoảng cách từ nguồn tới lớp vỏ kim loại tính theo cm. 43 Trong 3 đại lƣợng trên, sự suy giảm do phản xạ nhiều lần B chỉ có ý nghĩa nếu A <= 15 dB [48]. Tuy nhiên trên thực tế yếu tố này thƣờng không xét đến do A thƣờng lớn hơn 15 dB. Theo các công thức trên , hiệu quả che chắn phụ thuộc vào 2 thông số của vật liệu là độ từ thẩm tƣơng đối của vật liệu so với không khí r và độ dẫn điện tƣơng đối của vật liệu so với đồng r . Độ dẫn điện và độ từ thẩm của một số vật liệu che chắn điện từ trƣờng thể hiện trong bảng 2.1 [48]. Bảng 2 1. Độ dẫn điện r và độ từ thẩm r của một số vật liệu Vật liệu r r r r  /r r  Bạc 1.05 1 1.05 1.05 Đồng 1 1 1 1 Vàng 0.7 1 0.7 0.7 Nhôm 0.61 1 0.61 0.61 Magie 0.38 1 0.38 0.38 Kẽm 0.29 1 0.29 0.29 Sắt 0.17 1000 170 1.7x10-4 Thiếc 0.15 1 0.15 0.15 Thép SAE 1045 0.1 1000 100 1x10 -4 Chì 0.08 1 0.08 0.08 Thép không gỉ 0.02 1000 20 2x 10-5 Sắt từ mềm 0.03 20,000 600 1.5 x 10-6 Trong các vật liệu trong bảng 2.1, đồng, nhôm và sắt (thép) là các vật liệu che chắn điện từ đƣợc sử dụng phổ biến. Đồng là một vật liệu mềm dẻo và đƣợc ứng dụng rộng rãi trong việc che chắn trƣờng điện từ. Đồng có tính dẫn điện cao ( 75,8.10 / m ), có thể đƣợc chế tạo, đúc và hàn một cách dễ dàng. Nhƣợc điểm của đồng là không có tính chất từ và giá thành cao. Nhôm và các hợp kim của nhôm đƣợc sử dụng để chế tạo tƣờng hay các bộ phận lớn của lồng Faraday. Ƣu điểm của nhôm là có tỉ lệ sức bền/trọng lƣợng cao, khá dẻo nên có thể tạo nhiều chi tiết với nhiều hình dáng, nhôm có giá thành tƣơng đối rẻ. Nhôm có độ dẫn điện tốt, chỉ sau vàng, bạc và đồng. Khi lựa chọn vật liệu dùng để chế tạo hộp bọc kim, ngoài hiệu quả che chắn cần tính đến 44 các yếu tố khác nhƣ kích thƣớc, trọng lƣợng và giá thành chế tạo. Hiện nay nhôm thƣờng đƣợc sử dụng để làm hộp bọc kim che chắn điện từ cho các khối do có ƣu điểm về hiệu quả che chắn tƣơng đối cao, khối lƣợng nhẹ, giá thành rẻ hơn các vật liệu khác. Với hộp bọc kim tác giả lựa chọn, độ dày lớp vỏ bọc kim là 2 mm, vật liệu làm vỏ bọc kim là nhôm có r = 1 và r = 0,61 (với tần số trên 500 kHz) [48]. Hiệu quả che chắn của hộp bọc kim đƣợc tính toán theo lý thuyết theo công thức (1.8) và (2.1) đến (2.4) đƣợc thể hiện trong bảng 2.2 vẽ thành đồ thị thể hiện trên hình 2.2. Bảng 2.2. Hiệu quả che chắn theo lý thuyết của hộp bọc kim nhôm Tần số (MHz) Hiệu quả che chắn SE (dB) 1 267,22 2 355,25 5 527,9 10 721,03 20 992,90 50 1530,3 100 2134,5 200 2985,6 500 4668,5 Hình 2.2. Hiệu quả che chắn theo lý thuyết của hộp bọc kim nhôm 45 Ta có thể thấy trong hình 2.2, khi sử dụng lớp vỏ bọc kim nhôm có độ dày 2 mm và xét trong dải tần số của tiêu chuẩn CISPR-22 là từ 30 MHz đến 1 GHz [43] thì hiệu quả che chắn rất lớn (hơn 1000 dB). Các phân tích ở trên đều giả định vật liệu che chắn đều đồng nhất và lớn với kích thƣớc phẳng để không có sự rò rỉ hay các hiệu ứng cạnh xảy ra. Trong thực tế, tất cả các vỏ bọc kim đều có sự rò rỉ tại nơi có các đƣờng nối hay lỗ hổng trên lớp vỏ. SE có thể đƣợc tính chính xác hơn nhƣ sau [48]: SE = A + R + B - Ảnh hƣởng rò rỉ - Hiệu ứng sóng đứng (2.6) Ảnh hƣởng rò rỉ có thể đƣợc xác định là do đƣờng hàn, các chi tiết nối tiếp, ốc vít, các mép uốn, mối hàn, hàn đồng, hàn bạc, hàn mềm; các lỗ hổng để cáp tín hiệu vào/ra, thông khí, tản nhiệtHiệu ứng sóng đứng bao gồm hiệu ứng cộng hƣởng ở tần số cao, khi đó vỏ bọc kim hoạt động nhƣ một buồng cộng hƣởng. Điều này dẫn đến các vùng hoặc khu vực trong vỏ có hiệu suất kém hơn, giảm hiệu quả che chắn của vỏ. Các công thức trên tính toán hiệu quả che chắn đều không chứa các lỗ hổng và ở các tần số không cao nên dễ dàng tạo ra đƣợc SE trên 90 dB. Tuy nhiên trên thực tế, các tấm bọc kim có thể chứa lỗ hổng hoặc khe hở cần thiết để sử dụng thông gió, truyền dẫn các dây cáp hoặc cung cấp nguồn cho thiết bị bên trong [48]. Nếu các khe hở hoặc lỗ hổng này không đƣợc tính toán cẩn thận khi thiết kế thì hiệu quả che chắn của lớp vỏ bọc kim sẽ giảm đi đáng kể. Trong các tài liệu [29], [30], [31], [32], [33] các tác giả đã đƣa ra nhiều giải pháp, thuật toán che chắn điện tử cho các phần tử, mạch điện. Cụ thể trong [31], [46], các tác giả đã thực hiện mô phỏng và đánh giá tác động của các loại lỗ hổng trên lớp vỏ của hộp bọc kim. Từ đó các tác giả đã đƣa ra những cách khắc phục khác nhau nhƣ thay lỗ hổng lớn thành nhiều lỗ hổng nhỏ, sử dụng lớp vỏ hai lớp, sử dụng ống dẫn sóng lục giác dạng tổ ong [31], hoặc tối ƣu kích thƣớc của ống dẫn sóng [46]. Từ những kết quả thu đƣợc trong [31], [46] có thể thấy việc kiểm soát lỗ hổng trên lớp vỏ bọc kim có ảnh hƣởng lớn đến hiệu quả che 46 chắn của hộp bọc kim. Đây là một vấn đề khó khăn và cần phải xử lý cẩn thận trong quá trình thiết kế hộp bọc kim. Một số phƣơng pháp để xử lý các vấn đề liên quan đến lỗ hổng trên lớp vỏ bọc kim là sử dụng ống dẫn sóng, gioăng dẫn điện, lớp phủ dẫn điện và nối đất lớp vỏ bọc kim Một ví dụ về hình dạng hộp che chắn thể hiện trong hình 2.3. Hình 2.3. Hình dạng hộp che chắn Ở công trình [31] đã cho thấy sự thay đổi về chiều dài ống dẫn sóng dẫn đến sự thay đổi về ảnh hƣởng bức xạ điện từ (hình 2.4). Hình 2.4. Hiệu quả che chắn của vỏ bọc với khe ống dẫn sóng lục giác 47 Phép bọc kim lý tƣởng tạo thành một vỏ bọc kín liên tục không có lỗ hoặc khe hở. Trong những trƣờng hợp xảy ra rò rì cần phải dùng đến các gioăng dẫn điện tại các khớp nối. Những gioăng EMI này đƣợc dùng để làm giảm sự rò rỉ tại các tần số từ vài kHz đến vài chục GHz. Gioăng EMI thƣờng đƣợc cài đặt theo các phƣơng pháp trên hình 2.5. Hình 2.5. Một số phương pháp cài đặt gioăng E với vỏ kim loại Trong trƣờng hợp vỏ bọc làm bằng nhựa thì vỏ nhựa này cần phải có lớp phủ dẫn điện bằng cách mạ vỏ nhựa bằng một lớp chất dẫn điện hoặc dùng các phụ gia dẫn điện đúc vào trong vỏ nhựa. Một điều cần đặc biệt chú ý là vỏ bọc kim bao quanh thiết bị cần phải tiếp đất để tránh những nguồn nhiễu từ những quan hệ bên ngoài nhƣ kết nối qua đƣờng tín hiệu, đƣờng nguồn hoặc các điện dung ký sinh tác động tới sản phẩm. Tất cả những thành phần kim loại của hệ thống cần phải đƣợc nối với nhau và nối với đất. 2.2.2. Giải pháp ƣớc lƣợng khoảng cách Giải pháp bọc kim là một phƣơng pháp hiệu quả và dễ thực hiện, tuy nhiên cần phải đảm bảo đƣợc hộp bọc kim kín hoàn toàn hoặc có lỗ hổng với kích thƣớc tối thiểu. Điều này phụ thuộc vào công nghệ và kỹ thuật thiết kế lắp ráp của ngƣời thiết kế. Để đảm bảo EMC luận án phân tích thêm một phƣơng pháp để kết hợp với phƣơng pháp bọc kim là ƣớc lƣợng khoảng cách giữa các khối trong thiết bị điện tử. Khi các khối hoặc thiết bị điện tử đặt cách nhau một khoảng cách thích hợp, các tín hiệu nhiễu bức xạ điện từ sẽ bị suy giảm cƣờng 48 độ theo khoảng cách trong không gian. Ta sẽ xét độ suy giảm của sóng điện từ trong không gian trong 2 trƣờng hợp là trƣờng xa và trƣờng gần. Với trƣờng xa, một kỹ thuật gần đúng đƣợc sử dụng để xác định mức độ nhiễu phát xạ từ một giá trị R sang giá trị R’ khác là phƣơng pháp nghịch đảo khoảng cách (Inverse Distance Method) [6]. Trong trƣờng xa cƣờng độ phát xạ của sóng vô tuyến đƣợc giả định tỉ lệ nghịch với khoảng cách nhƣ (2.7): ' ' ( )[ ] ( )[ ] 20lg( ) R E R dB E R dB R   (2.7)        ' '20lg R L dB E R dB E R dB R           (2.8) Hiệu quả suy giảm của giải pháp ƣớc lƣợng khoảng cách đƣợc tính toán theo công thức (2.8) đƣợc thể hiện trong bảng 2.3. Bảng 2.3. Độ suy giảm theo lý thuyết của giải pháp ước ượng khoảng cách Khoảng cách (cm) Độ suy giảm L (dB) 3 3,52 4 6,02 5 7,96 6 9,54 7 10,88 8 12,04 9 13,06 10 13,98 15 17,50 20 20,00 30 23,52 50 27,96 Tuy nhiên dữ liệu tính toán trong bảng 2.3 chỉ mới đƣợc thực hiện trong trƣờng xa. Nhƣ phân tích trong 1.2.2, các thành phần sóng điện từ trong trƣờng gần thay đổi theo các đại lƣợng 1/r, 1/r2 và 1/r3. Không có công thức chính xác tuyệt đối trong trƣờng hợp này do trong trƣờng gần, sóng điện từ suy giảm phụ thuộc vào nguồn phát xạ. Trong trƣờng gần của nguồn điện, điện trƣờng tỉ lệ với 1/r 3 còn từ trƣờng tỉ lệ với 1/r2. Với nguồn từ, từ trƣờng tỉ lệ với 1/r3 còn điện 49 trƣờng tỉ lệ với 1/r2. Vì vậy để đánh giá chính xác hiệu quả của giải pháp này, luận án sẽ thực hiện mô phỏng trong mục 2.3.2. 2.2.3. Giải pháp kết hợp Sau khi phân tích 2 phƣơng án trên, luận án kết hợp cả 2 giải pháp là bọc kim và ƣớc lƣợng khoảng cách giữa các hộp bọc kim. Độ suy giảm tín hiệu điện từ khi kết hợp 2 giải pháp nêu trên là tổng độ suy giảm khi áp dụng từng giải pháp. Trƣớc tiên, sóng điện từ có cƣờng độ E1 (dB) phát xạ ra không gian sẽ bị suy giảm SE (dB) khi đi qua lớp vỏ bọc kim. Sau đó, sóng điện từ sẽ tiếp tục bị suy giảm L (dB) theo khoảng cách truyền đi. Công thức (2.11) thể hiện giá trị suy giảm A (dB) khi kết hợp 2 giải pháp trên nhƣ sau: E2 [dB] = E1 [dB] – SE[dB] – L[dB] (2.9) => E1[dB] – E2[dB] = SE[dB] +L[dB] (2.10) => A[dB] = SE[dB] + L [dB] (2.11) Độ suy giảm của giải pháp đề xuất tính theo công thức (2.11) đƣợc thể hiện trong bảng 2.4. Bảng 2.4. Độ suy giảm theo lý thuyết của giải pháp đề xuất Khoảng cách (cm) Tổng độ suy giảm A (dB) 1MHz 20 MHz 50 MHz 100 MHz 500 MHz 3 270,74 996,42 1533,82 2138,02 4672,02 4 273,24 998,92 1536,32 2140,52 4674,52 5 275,18 1000,86 1538,26 2142,46 4676,46 6 276,76 1002,44 1539,84 2144,04 4678,04 7 278,10 1003,78 1541,18 2145,38 4679,38 8 279,26 1004,94 1542,34 2146,54 4680,54 9 280,28 1005,96 1543,36 2147,56 4681,56 10 281,20 1006,88 1544,28 2148,48 4682,48 15 284,72 1010,40 1547,80 2152,00 4686,00 20 287,22 1012,90 1550,30 2154,50 4688,50 30 290,74 1016,42 1553,82 2158,02 4692,02 50 295,18 1020,86 1558,26 2162,46 4696,46 Từ bảng 2.4 ta có thể thấy tổng độ suy giảm của giải pháp đề xuất tốt hơn so với của từng giải pháp riêng lẻ. Tuy nhiên, do hiệu quả che chắn theo lý thuyết của hộp bọc kim trong trƣờng hợp lý tƣởng (kín hoàn toàn) rất lớn (bảng 50 2.2). Do vậy để đánh giá chính xác hơn, phần tiếp theo luận án sẽ sử dụng mô phỏng và thực nghiệm để đánh giá hiệu quả của giải pháp đề xuất. 2.3. Mô phỏng giải pháp đề xuất Luận án sẽ thực hiện mô phỏng hiệu quả của phƣơng pháp bọc kim và phƣơng pháp ƣớc lƣợng khoảng cách bằng phần mềm CST. Điều kiện mô phỏng đƣợc sử dụng gần với thực tế nhất nhƣ sau: - Môi trƣờng mô phỏng là không khí có 1  , 1  . - Hộp bọc kim bằng nhôm có độ dày 2 mm, kích thƣớc 16 cm x 10 cm x 3 cm. Nhôm có 1r  và độ dẫn điện   7x10 /3,56 S m  , nghĩa là 0,61r  . 2.3.1. Mô phỏng giải pháp bọc kim Mô hình thực hiện là một nguồn điểm bức xạ đƣợc đặt bên trong hộp bọc kim có kích thƣớc 16 cm x 10 cm x 3 cm, độ dày lớp vỏ 2 mm (kích thƣớc tƣơng tự hộp thực tế, nguồn điểm bức xạ đƣợc giả thiết là nguồn bức xạ của mạch dao động). Với trƣờng hợp đầu tiên, giả sử hộp bọc kim đƣợc thiết kế lý tƣởng, tức là không có các khe hở hoặc lỗ hổng trên lớp vỏ của hộp. Trƣờng điện từ trong trƣờng hợp này nhƣ thể hiện trong hình 2.6, khi thực hiện mô phỏng trên CST, ta có thể nhận thấy không có tín hiệu nhiễu điện từ nào lọt ra đƣợc bên ngoài hộp bọc kim (do SE rất lớn). Hình 2.6. Cường độ điện trường mô phỏng trong CST 51 Tuy nhiên trên thực tế thì hộp bọc kim không thể kín hoàn toàn nhƣ vậy mà luôn có các khe hở hay lỗ hổng để thông khí hoặc cho các cáp nguồn và cáp kết nối vào/ra với các khối hoặc thiết bị khác. Nếu lỗ hổng hoặc khe hở đƣợc thiết kế không thích hợp thì sẽ gây ra sự rò rỉ tín hiệu bức xạ vƣợt các giới hạn của tiêu chuẩn EMC nhƣ CISPR-22 và gây ảnh hƣởng không tốt ra môi trƣờng xung quanh. Hình 2.7. Cường độ điện trường của hộp có lỗ hổng Hình 2.8. Cường độ điện trường trên lớp vỏ của hộp bọc kim Trong hình 2.7 và hình 2.8 là mô phỏng trƣờng hợp hộp bọc kim có một lỗ hổng trên lớp vỏ có kích thƣớc 1 cm x 0,5 cm. Ta thấy rằng khi xuất hiện lỗ hổng thì các tín hiệu bức xạ đã lọt ra bên ngoài hộp bọc kim nhƣ trong hình 2.7 52 (bên trong hộp cƣờng độ nhỏ nhất khoảng 100 dBμV/m còn các tín hiệu lọt ra ngoài có cƣờng độ nhỏ hơn, dƣới 80 dBμV/m) và đặc biệt là tại lỗ hổng trên lớp vỏ của hộp (hình 2.8, tại đây cƣờng độ bức xạ là 100 dBμV/m, cao hơn các vị trí khác trên lớp vỏ của hộp, 20-60 dBμV/m). Trong hình 2.9 là kết quả mô phỏng bài kiểm tra EMC với khoảng cách 3 m theo tiêu chuẩn CISPR-22 [43]. Giả sử ta có một tín hiệu bức xạ điện từ khi không đƣợc che chắn vƣợt đƣờng giới hạn của tiêu chuẩn EMC (đƣờng màu đen). Với trƣờng hợp hộp bọc kim kín, cƣờng độ bức xạ sau khi che chắn là rất nhỏ (bằng -200 dBμV/m, giá trị tối thiểu khi mô phỏng). Với trƣờng hợp có lỗ hổng, luận án kiểm tra với 3 lỗ hổng có kích thƣớc lần lƣợt là 3 cm x 1,5 cm, 2 cm x 1 cm và 1 cm x 0,5 cm. So với trƣờng hợp không che chắn, hộp bọc kim khi có các lỗ hổng trên có độ suy giảm tín hiệu bức xạ lần lƣợt là 23,1 dB, 48,2 dB và 57,3 dB (kết quả đo tại 500 MHz). Hình 2.9. Kiểm tra E C các trường hợp khác nhau của hộp bọc kim Từ các kết quả mô phỏng [phụ lục 2], tùy vào kích thƣớc lỗ hổng càng lớn thì độ suy giảm tín hiệu bức xạ điện từ càng nhỏ, dẫn đến giá trị cƣờng độ của tín hiệu bức xạ lọt ra ngoài càng lớn, thậm chí vƣợt quá các giá trị giới hạn của 53 tiêu chuẩn CISPR-22, gây mất an toàn bức xạ điện từ trƣờng cho môi trƣờng và các thiết bị điện tử khác đặt xung quanh. Hình 2.10. Kết quả mô phỏng cường độ điện trường tại vị trí cách hộp bọc kim 2 cm Tiếp theo chúng ta sẽ thực hiện thêm một mô phỏng khác để đánh giá tác động của phƣơng pháp bọc kim tại vị trí cách lớp vỏ hộp bọc kim là 2 cm. Kết quả mô phỏng thể hiện trong hình 2.10. Tại vị trí này khi không có che chắn so với khi sử dụng hộp bọc kim có kích thƣớc lỗ hổng là 3 cm x 1,5 cm, 2 cm x 1 cm và 1 cm x 0,5 cm có độ suy giảm tín hiệu điện từ lần lƣợt là 27,4 dB, 39,15 dB và 61,15 dB (tại 500 MHz). Dựa vào kết quả tính toán theo lý thuyết của hộp bọc kim trong mục 2.2.1 và kết quả mô phỏng ở trên, chúng ta có thể nhận thấy với trƣờng hợp hộp bọc kim lý tƣởng (kín hoàn toàn) thì các tín hiệu điện từ bên trong hộp bọc kim khi truyền ra ngoài đều bị suy giảm đi rất nhiều, gần nhƣ không lọt ra bên ngoài. Tuy nhiên theo các kết quả mô phỏng ở trên, nếu hộp bọc kim xuất hiện các lỗ hổng hay khe thì hiệu quả che chắn của hộp bọc kim sẽ bị suy giảm. Do vậy vấn đề quan trọng khi sử dụng giải pháp bọc kim là phải xử lý tốt các lỗ hổng, khe hở xuất hiện trên lớp vỏ của hộp bọc kim. 54 2.3.2. Mô phỏng giải pháp ƣớc lƣợng khoảng cách Với phƣơng pháp ƣớc lƣợng khoảng cách, mô hình thực hiện đơn giản chỉ là một nguồn điểm bức xạ và không gian xung quanh. Hình 2.11. Mô phỏng phương pháp khoảng cách trên CST Trong hình 2.11 là kết quả mô phỏng trƣờng điện từ theo phƣơng pháp khoảng cách trên CST, chúng ta nhận thấy cƣờng độ điện trƣờng suy giảm theo khoảng cách (màu thay đổi và mật độ thƣa hơn), càng gần nguồn bức xạ thì cƣờng độ điện trƣờng càng cao. Hình 2.12. Đồ thị sự suy giảm của cường độ điện trường theo khoảng cách 55 Trong hình 2.12 là đồ thị mô phỏng tín hiệu điện từ theo các khoảng cách khác nhau, từ 3 cm, 4 cm, 5 cm, đến 50 cm. Kết quả độ suy giảm tín hiệu điện từ tại các vị trí 3 cm, 4 cm, 5 cm, 6 cm, 7 cm, 8 cm, 9 cm, 10 cm, 15 cm, 20 cm, 30 cm, 50 cm so với vị trí 2 cm lần lƣợt là 7,6 dB, 13,8 dB, 19 dB, 23,7 dB, 27,3 dB, 30,6 dB, 33,2 dB, 35,3 dB, 39,8 dB, 41,9 dB, 45,3 dB và 51,2 dB (đo tại 500 MHz), dữ liệu đo cho trong phụ lục 4. Các kết quả đã thể hiện rằng khi khoảng cách từ nguồn bức xạ càng tăng thì cƣờng độ bức xạ càng giảm. Kết quả tính toán theo lý thuyết trong mục 2.2.2 và kết quả mô phỏng ở trên đều cho thấy độ suy giảm của tín hiệu điện từ theo khoảng cách trong không gian. Độ suy giảm trong trƣờng hợp mô phỏng lớn hơn độ suy giảm khi tính theo công thức (2.8) là do trong trƣờng gần các thành phần sóng điện từ không chỉ thay đổi tỉ lệ với khoảng cách 1/r và còn tỉ lệ với 1/r2 và 1/r3. Cách tính toàn theo (2.8) chỉ mới thể hiện sự suy giảm theo R, do vậy mà độ suy giảm sẽ nhỏ hơn trong mô phỏng và thực tế. 2.3.3. Mô phỏng kết hợp hai giải pháp Tiếp theo, luận án kết hợp cả 2 phƣơng pháp là bọc kim và ƣớc lƣợng khoảng cách giữa các hộp bọc kim. Hình 2.13. Mô phỏng giải pháp đề xuất trên CST 56 Sử dụng thêm 1 hộp bọc kim thứ 2 có kích thƣớc là 10 cm x 10 cm x 3 cm, độ dày 2 mm bằng nhôm cách hộp bọc kim thứ 1 khoảng cách d và thay đổi khoảng cách d để đánh giá kết quả đạt đƣợc nhƣ trong hình 2.13. Ta thấy rằng nếu hộp bọc kim thứ 2 đặt càng xa hộp bọc kim 1 thì ảnh hƣởng do tín hiệu bức xạ đặt trong hộp bọc kim 1 gây ra càng ít. Hình 2.14 minh chứng cho cƣờng độ điện trƣờng do nguồn bức xạ nằm trong hộp bọc kim 1 gây ra đo tại lớp vỏ của hộp bọc kim thứ 2 khi khoảng cách d thay đổi từ 3 cm, 4 cm, 10 cm và 15 cm (với cùng lỗ hổng và khe hở trên lớp vỏ). Hình 2.14. Cường độ điện trường tại lớp vỏ hộp bọc kim thứ 2 (số liệu trích từ Phụ lục 4) Kết quả mô phỏng tại các vị trí trên so với trƣờng hợp tại vị trí 2 cm và không có che chắn có độ suy giảm cƣờng độ tín hiệu lần lƣợt là 39,1 dB, 44,1 dB, 47,8 dB và 52,2 dB (đo tại 500 MHz), tốt hơn hẳn trƣờng hợp chỉ bọc kim (27,4 dB) và chỉ có khoảng cách (7,6 dB, 13,8 dB, 35,3 dB và 39,8 dB). Ta có thể nhận thấy khi khoảng cách giữa các khối tăng dần thì cƣờng độ điện trƣờng sẽ giảm dần. Khi kết hợp hai phƣơng pháp bọc kim và ƣớc lƣợng khoảng cách giữa các khối thì rõ ràng độ suy giảm cƣờng độ điện từ trƣờng sẽ cao hơn là sử dụng riêng lẻ từng phƣơng pháp. 57 2.4. Thử nghiệm trên mạch thực tế Sau khi phân tích lý thuyết và mô phỏng, luận án sẽ thực hiện đo trên các mạch thực tế để khẳng định hiệu quả của giải pháp kết hợp phƣơng pháp bọc kim và ƣớc lƣợng khoảng cách trên mạch thực tế nhƣ hình 2.15. Hình 2.15. Hình ảnh đo kiểm trên mạch thực tế (Phụ lục 2) Bộ thiết bị đo đƣợc sử dụng là thiết bị đo trƣờng gần EMxpert EHX của EMSCAN kết nối với máy phân tích phổ và sử dụng phần mềm EMxpert đƣợc cài đặt trên máy tính điều khiển để hiển thị và lƣu trữ kết quả đo. Luận án thực hiện đo để chứng minh giải pháp đề xuất với các trƣờng hợp mạch dao động và mạch nguồn đƣợc che chắn và không đƣợc che chắn, đặt cạnh nhau và đặt cách nhau các khoảng cách d (cm). Thông số của các mạch thử nghiệm nhƣ sau: - Mạch nguồn xung có đầu vào 220 V, cung cấp điện áp 5 V; 1 A. Mạch sử dụng các linh kiện nhƣ cầu chì, tụ điện, điện trở, cuộn cảm, biến áp, diode, photo-transistor TLP875, IC ổn áp TL431A, TNY266GN - Mạch dao động đƣợc cung cấp điện áp 5V, mạch sử dụng IC 7404 và thạch anh tạo dao động với tần số 27 MHz và 30MHz kèm theo một số IC có chức năng khác nhƣ IC 7490 chia tần, IC PLL 4046 và bộ khuếch đại tín hiệu. Các linh kiện thụ động đƣợc sử dụng bao gồm tụ điện, điện trở, cuộn cảm và transistor... 58 Phƣơng thức thử nghiệm thay đổi với các trƣờng hợp khác nhau nhƣ từng mạch đƣợc bố