TÌM HIỂU BUỒNG TRIỆT NHIỄU

TÌM HIỂU BUỒNG TRIỆT NHIỄU Với công nghệ điện tử ngày càng phát triển và việc nghiên cứu sự tương thích điện từ ngày càng trở nên bức thiết. Và một trong các phương pháp để kiểm tra tương thích điện từ đó là sử dụng buồng triệt nhiễu.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TIỂU LUẬN MÔN HỌC

TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ

ĐỀ TÀI:

TÌM HIỂU BUỒNG TRIỆT NHIỄU

Giảng Viên Hướng dẫn : PGS TS Tăng Tấn Chiến

Học viên thực hiện : Nguyễn Văn Thông

Lớp : Cao học kỹ thuật điện tử K25

Tháng 11, năm 2013

MỤC LỤC

Tóm tắt tiểu luận

Chương 1: Tổng quan về buồng triệt nhiễu

1.1 Vai trò của buồng triệt nhiễu

1.2 Buồng triệt nhiễu trong quá khứ và hiện tại

1.3 Độ an toàn của buồng triệt nhiễu

1.4 Nguyên lý hoạt động của buồng triệt nhiễu

1.5 Kích thước buồng triệt nhiễu và cách khai thác

1.6 Hiệu quả đối với tần số

Chương 2: Vật liệu hấp thụ trường điện từ

2.1 Giới thiệu

2.2 Vật liệu hấp thụ tần số cao

2.2.1 Tấm chắn có các khối hình chóp (Pyramidal Absorber)

2.2.2 Tấm chắn có các khối hình nêm (Wedge Absorber)

2.2.3 Tấm chắn vi sóng xoắn (Convoluted Microwave Absorber)2.2.4 Tấm chắn cách điện nhiều lớp (Multilayer Dielectric Absorber)2.2.5 Tấm chắn cách điện hỗn hợp (Hybrid Dielectric Absorber)2.2.6 Tấm chắn lối đi (Walkway Absorber)

3.2.1 Lá chắn được hàn (Welded Shield)

3.2.2 Hệ thống một lá chắn

3.3 Sự đâm xuyên

3.4 Sự nối đất của lớp vỏ buồng triệt nhiễu và sự bảo vệ chống cháy

Chương 4: Kĩ thuật thiết kế buồng triệt nhiễu

4.1 Giới thiệu

4.2 Phương pháp thiết kế thực tế

4.2.1 Giới thiệu

4.2.2 Ước lượng nhanh hiệu quả buồng triệt nhiễu

4.2.3 Phương pháp thiết kế bằng phép dò tia chi tiết

4.3 Phương pháp mô hình hóa bằng máy tính

Tóm tắt tiểu luận

Với công nghệ điện tử ngày càng phát triển và việc nghiên cứu sự tương thíchđiện từ ngày càng trở nên bức thiết Và một trong các phương pháp để kiểm tratương thích điện từ đó là sử dụng buồng triệt nhiễu

Nhận thấy được vai trò của buồng triệt nhiễu trong việc kiểm tra tính tươngthích điện tử của các thiết bị điện tử từ các vi mạch tích hợp cỡ nhỏ cho đến các thiết

bị trong một chiếc máy bay, em đã lựa chọn đề tài tìm hiểu buồng triệt nhiễu vớimong muốn tìm hiểu thêm về buồng triệt nhiễu ở các khía cạnh như các vật liệu chếtạo buồng triệt nhiễu, các thiết kế bọc chắn, đâm xuyên, hệ thống chống cháy…Tiểu luận môn học gồm có 4 chương: Chương 1 là tổng quan về buồng triệt nhiễu,chương 2 sẽ đề cập đến vật liệu hấp thụ sử dụng trong buồn triệt nhiễu, chương 3 sẽtrình bày các vấn đề liên quan đến lớp vỏ buồng triệt nhiễu và cuối cùng chương 4

sẽ giới thiệu 2 phương pháp thiêt kế buống triệt nhiễu

Chương 1: Tổng quan về buồng triệt nhiễu

1.1. Vai trò của buồng triệt nhiễu

Buồng triệt nhiễu được thiết kế để ngăn chặn sự phản xạ sóng điện từ hoặc

âm thanh Ngoài ra, buồng triệt nhiễu cũng ngăn các nguồn nhiễu từ bên ngoài

Buồng triệt nhiễu là một khái niệm được đề xuất bởi chuyên gia âm họcngười Mỹ Leo Beranek Ban đầu, buồng triệt nhiễu được sử dụng cho sóng âm đểtối thiểu hóa sự phản xạ trong phòng Sau đó, buồng triệt nhiễu được thiết kế đểgiảm sự phản xạ các tần số vô tuyến trong buồng và phản xạ các tần số vô tuyến ởbên ngoài buồng gây ra bởi antenna, radar, giao thoa điện từ

Kích thước của buồng triệt nhiễu phụ thuộc vào đối tượng cần được kiểm tra

và dải tần số của tín hiệu sử dụng Buồng triệt nhiễu có thể là một buồng nhỏ vớikích thước của một lò vi sóng cho đến kích thước của một nhà chứa máy bay

Hình dạng bên trong của một buồng triệt nhiễu vô tuyến thì tương tự như mộtbuồng triệt nhiễu sóng âm Tuy nhiên bề mặt bên trong của buồng triệt nhiễu vôtuyến được bao phủ bởi một vật liệu hấp thu bức xạ (RAM) thay cho kim loại hấpthu sóng âm Buồng triệt nhiễu vô tuyến thường được sử dụng cho nhiều mục đíchnhư đo hiệu suất của các kiểu bức xạ antenna, tương thích điện từ, đo mặt cắt ngangcủa radar…Buồng triệt nhiễu có thể kiểm tra nhiều đối tượng bao gồm cả máy bay

Với các phần mềm mô hình hóa, sự phát triển công nghệ vật liệu hấp thụ,việc thiết kế buồng triệt nhiễu càng lúc càng tốt hơn và hiệu suất hấp thụ của cácbuồng triệt nhiễu ngày càng cao hơn Từ năm 1930 đến nay, Công ty kĩ thuật ESCO

đã thiết kế và xây dựng trên 10000 buồng triệt nhiễu trên khắp thế giới cho thấyđược nhu cầu buồng triệt nhiễu càng lúc càng cao nhất là đối với các nước có nềncông nghiệp phát triển

1.2. Buồng triệt nhiễu trong quá khứ và hiện tại

Khi các cơ quan điều hành quốc tế đưa ra các tiêu chuẩn về sự phát xạ vôtuyến, các yêu cầu về độ nhạy trong thâp niên 70 và 80 thế kỉ 20, việc kiểm tra EMCmột cách chính xác là điều rất quan trọng

Ban đầu, OATS là phương tiện được sử dụng rất phổ biến để kiểm tra bức xạtrường điện từ Nó cung cấp những phương pháp đo trực tiếp và đa năng nhất.OATS bao gồm một anten thu kích thước chuẩn, một phiến đất và những sợi cápxoắn có chất lượng tốt Nó được đặt đủ xa các vật dụng hay thiết bị bằng kim loại vàmôi trường bức xạ điện từ mạnh như cột anten phát sóng phát thanh, truyền hìnhhoặc đường dây điện Nó cho phép kiểm tra một cách chính xác bức xạ từ EUT.Nhược điểm khi sử dụng OATS là cần phải xác định toàn bộ phổ tần có thể bị nhiễu

do bức xạ từ môi trường có sóng điện từ, ví dụ như đo một sóng hài xung đồng hồyếu ở tần số 200MHz được phát ra từ tín hiệu TV 199,25 MHz Ngoài ra các tín hiệunhiễu xạ từ các vật dụng bằng kim loại đặt gần EUT có thể ảnh hưởng đến kết quả

đo

Buồng triệt nhiễu vô tuyến ra đời là một lựa chọn lý tưởng cho việc kiểm traEMC bao gồm việc kiểm tra sự phát xạ và độ nhạy cảm Buồng triệt nhiễu được sửdụng rất phổ biến Buồng được bao bọc bằng các tấm chắn có khả năng hấp thụ sóngđiện từ nên sóng không bị phản xạ khi gặp các tấm chắn này Bề mặt tấm chắn cócác khối hình chóp bằng hợp chất cacbon-polyurethane, các lát ferrit hay cả hai.Buồng triệt nhiễu có sàn cũng được lót tấm chắn hấp thụ ở phía trên, còn các buồngbán triệt nhiễu thì không dùng tấm chắn hấp thụ sóng điện từ mà lại dùng phiến đất,tương tự như đối với OATS

Buồng triệt nhiễu công nghiệp đầu tiên được xây dựng vào năm 1982 tạiIBM, Boca Raton, Florida Sự suy hao của buồng triệt nhiễu này được kiểm tra theochuẩn ANSI C63.4 và được chấp nhận bởi FCC Buồng triệt nhiễu này được xâydựng bởi Ray Proof với giá 2 triệu đô

Bước phát triển tiếp theo của công nghiệp buồng triệt nhiễu là kết quả sự kếthợp của các nhà đầu tư và các nhà nghiên cứu gồm trường đại hoc Colorado tại

Boulder, IBM và Ray Proof Nhóm nghiên cứu này đã phát triển mô hình số hóa cácvật liệu hấp thụ Mô hình này mạng lại cho ngành công nghiệp chế tạo buồng triệtnhiễu phương pháp thiết kế và chế tạo vật liệu hấp thụ với nhiều cải tiến trong băngVHF.

Khi công nghệ ferrit phát triển giữa thập niên 80 thế kỉ 20, do giá thành nênvật liệu ferrit không được ứng dụng rộng rãi trong buồng triệt nhiễu IBM là tậpđoàn đi đầu trong việc xây dựng buồng triệt nhiễu chất lượng cao sử dụng ferrit

Đến những năm 90, công nghệ chế tạo ferrit phát triển nhanh với giá thànhphù hợp nên ferrit được sử dụng nhiều trong các buồng triệt nhiễu kiểm tra EMC tạicác tập đoàn ở châu Á, Mỹ và châu Âu Ngày nay, các nhà chế tạo vật liệu hấp thụ

đã kết hợp ưu điểm của cả 2 loại vật liệu hấp thụ là Ferrit và bọt nên vật liệu mớinày được sử dụng phổ biến trong việc thiết kế buồng triệt nhiễu

1.3. Độ an toàn của buồng triệt nhiễu

Rủi ro từ bức xạ RF

Rủi ro hỏa hoạn

Rủi ro không thoát ra ngoài được

Nhân viên không được phép ở bên trong buồng triệt nhiễu khi thực hiện đođạc bởi điều đó có thể gây ra sự phản xạ không mong muốn từ cơ thể con người màcòn có rủi ro từ các bức xạ Các bức xạ này càng ảnh hưởng nghiêm trọng đến conngười khi công suất RF cao Các rủi ro này đến từ các bức xạ RF và các bức xạkhông ion hóa

Khi RAM hấp thu bức xạ RF tốt, bức xạ hướng tới sẽ tạo ra nhiệt bên trongRAM Nếu các phần tử hình chóp RAM không được tỏa nhiệt tốt sẽ xảy ra nguy cơtạo ra các điểm nóng và nhiệt độ của RAM có thể đạt đến điểm cháy Điều này cóthể gây nguy hiểm nếu như anten phát để quá gần RAM Các anten có độ lợi lớn cóthể tập trung công suất đủ lớn để gây ra dòng năng lượng cao Mặc dù gần đây, côngnghệ chế tạo RAM đã phát triển với chất làm chậm cháy để làm giảm sự nguy hiểm.Trong phòng triệt nhiễu, cần cài đặt hệ thống chống cháy bằng khí bao gồm các thiết

bị phát hiện khói Các hệ thống dập tắt đám cháy như hệ thống sử dụng khí CO2

Thông thường, hệ thống phát hiện cháy được kết nối đến hệ thống nguồn của phòngchống nhiễu, do đó, hệ thống phát hiện cháy có thể ngắt nguồn của phòng triệt nhiễungay khi phát hiện cháy (nhiệt độ tăng cao bằng cảm biến nhiệt độ hoặc phát hiệnkhói bằng cảm biến khói).

1.4. Nguyên lý hoạt động của buồng triệt nhiễu

Các thiết bị hỗ trợ trong buồng triệt nhiễu hoặc các thiết bị cần kiểm tra cóthể có các bề mặt kim loại Và điều này có thể gây ra các phản xạ không mongmuốn Thông thường, để tránh điều này, chúng ta sử dụng các thiết bị có bề mặtđược bọc gỗ hay plastic (các chất không dẫn điện) Nếu không, có thể che các bềmặt kim loại bằng các tấm RAM

Không giống như đối với thiết bị cần kiểm tra cần đặt bên trong phòng triệtnhiễu, thiết bị kiểm tra có thể đặt bên trong hoặc bên ngoài phòng triệt nhiễu Thôngthường các thiết bị kiểm tra được đặt bên ngoài phòng triệt nhiễu Điều này chophép giảm sự phản xạ ở bên trong Tuy nhiên, phương pháp này yêu cầu cáp dẫn từcác thiết bị kiểm tra vào buồng triệt nhiễu phải có độ chính xác cao và được lọcnhiễu tốt Đối với cáp và bộ lọc không đủ tiêu chuẩn có thể dẫn nhiễu từ bên ngoàivào trong buồng triệt nhiễu Mặt khác, một số thiết bị kiểm tra không đủ nhạy để cóthể giao thoa từ môi trường bên ngoài buồng triệt nhiễu Một giải pháp tốt được đềxuất là sử dụng các thiết bị tương tác với bên ngoài như PC, các thiết bị kiểm tra cónhiễu và công suất lớn thì được đặt ở bên ngoài buồng triệt nhiễu và các thiết bịnhạy cảm thì đặt bên trong buồng triệt nhiễu

Một trong các ứng dụng của cáp sợi quang là cung cấp kết nối để truyền tínhiệu giữa các thiết bị trong buồng triệt nhiễu Cáp sợi quang không dẫn điện, nhỏ do

đó gây ra sự phản xạ không đáng kể và có thể bỏ qua

Thông thường, các nguồn cung cấp điện năng cho buồng triệt nhiễu cần đượclọc Nếu không, các nguồn điện chưa lọc có thể gây ra các tín hiệu không mongmuốn đi vào và đi ra khỏi buồng triệt nhiễu qua đường dây cáp điện

1.5. Kích thước buồng triệt nhiễu và cách khai thác

Kích thước của phòng triệt nhiễu cần lớn hơn đối tượng được kiểm tra để bảođảm nó có thể chứa vật kiểm tra, dây cáp và các thiết bị kiểm tra với độ nhạy cảmcao Ví dụ tiêu chuẩn trường xa thiết lập khoảng cách tối thiểu giữa antenna phát vàantenna thu khi đo các kiểu bức xạ của antenna Khi đó, kích thước của phòng triệtnhiễu sẽ khá lớn Đối với một số công ty thì việc đầu tư xây dựng một phòng triệtnhiễu lớn sẽ rất lãng phí nếu như nó không được dùng thường xuyên hay được chothuê lại Đôi khi, trong trường hợp đo mặt cắt ngang của radar, việc thu nhỏ đốitượng cần được kiểm tra theo một tỷ lệ cho trước cùng với việc giảm tần số kiểm tratheo một tỷ lệ cho phép giảm kích thước phòng triệt nhiễu

Các căn phòng triệt nhiễu RF thường được thiết kế thõa mãn một hoặc nhiều tiêuchuẩn kiểm tra Ví dụ ngành công nghiệp chế tạo máy bay có thể kiểm tra các thiết

bị của máy bay theo các đặc tính kĩ thuật trong công ty đó hoặc theo các đặc tính kĩthuật trong quân sự như phòng triệt nhiễu MIL-STD 461E Việc kiểm tra này có thểnhằm cấp các chứng nhận về sự an toàn, sự giới hạn sử dụng hay các ảnh hưởng củathiết bị đối với các thiết bị khác

1.6. Hiệu quả đối với tần số

Sóng với tần số càng cao thì bước sóng càng ngắn và mang năng lượng cànglớn Và ngược lại với sóng có tần số càng thấp thì bước sóng càng dài và mang nănglượng càng nhỏ Để có thể chắn được các bước sóng đặc biệt, các phần từ hình chópphải có kích thước thích hợp để hấp thu các bước sóng Hiệu suất của phòng triệtnhiễu được quyết định bởi tần số kiểm tra thấp nhất mà phòng còn hoạt động tốt Sóng đến sẽ được hấp thu tốt nhất theo phương vuông góc với bề mặt bên trongphòng triệt nhiễu, nơi sẽ được gắn các phần tử hình chóp RAM Các phần từ hìnhchóp này có chiều cao bằng lamda/4 với lamda là bước sóng trong không gian tự do.Nhận thấy rằng việc tăng chiều cao các phần tử hình chóp RAM sẽ cải thiện đượchiệu suất của phòng triệt nhiễu tại tần số thấp Nhưng đồng thời sẽ làm tăng giáthành lắp đặt phòng triệt nhiễu và thể tích làm việc của phòng triệt nhiễu cũng bị thuhẹp khi kích thước của phòng triệt nhiễu là cố định

Chương 2: Vật liệu hấp thụ trường điện từ

2.1 Giới thiệu

Vật liệu hấp thụ trường điện từ được sử dụng trong buồng triệt nhiễu rất đadạng phụ thuộc vào mục đích kiểm tra và tần số hoạt động Hai loại vật liệu được sửdụng phổ biến nhất là vật liệu hấp thụ điện môi được sử dụng cho dải tần số cao vàvật liệu hấp thụ ferrite được sử dụng cho dải tần số thấp Vật liệu hấp thụ điện môi

ra đời cùng với sự phát triển của buồng triệt nhiễu trong thập niên 1940 Trong thậpniên 1950, bọt urethane (urethane foam) được xem là một giải pháp tốt cho việc dẫnđiện và trong thời gian này cũng xuất hiện vật liệu hấp thụ dạng hình chóp(pyramidal-shaped) Đến thập niên 1970, bọt urethane được sử dụng nhiều trong cácbuồng triệt nhiễu Tuy nhiên sau đó, do hàng loạt sự cố cháy xảy ra tại các buồngtriệt nhiễu, các tổ chức đã nghiên cứu đặc điểm của chất làm chậm cháy (fireretardant) của vật liệu hấp thụ và phát triển một tiêu chuẩn an toàn mới Từ đây, bọthấp thụ phải tuân theo chuẩn của Naval Research Laboratory (NRL) 8093 Cuốithập niên 1980, các buồng triệt nhiễu kiểm tra tần số thấp được phát triển Ban đầu,các buồng triệt nhiễu này được chế tạo với các vật liệu hiện có đó là vật liệu hấp thụhình chóp lớn với chi phí rất lớn và chỉ có các công ty lớn mới có thể xây dựngđược Từ đó, vật liệu hấp thụ ferrit ra đời Tất cả vật liệu hấp thụ được sử dụng trongbuồng triệt nhiễu sẽ được giới thiệu ở chương này Các vật liệu hấp thụ được khảosát chia làm hai loại: trên 1GHz và dưới 1GHz

2.2 Vật liệu hấp thụ tần số cao

2.2.1 Vật hấp thụ hình chóp (Pyramidal Absorber)

2.2.1.1 Vật hấp thụ hình chóp bọt đặc (Solid Foam Pyramidal Absorber)

Hầu hết các buồng triệt nhiễu chế tạo theo tiêu chuẩn hấp thụ tần số cao đều

sử dụng vật hấp thụ hình chóp Vật liệu sử dụng là bọt urathane carbon đặc Với cấutạo như vậy, vật hấp thụ hình chóp được sử dụng để giảm tán xạ hướng đến, hấp thụmột dải tần số lớn với hầu hết mọi hướng sóng đến Vật hấp thụ hình chóp được sử

dụng ở mọi vị trí trong buồng triệt nhiễu Độ cao của vật hấp thụ hình chóp ảnhhưởng đến dải tần số được hấp thụ và độ rộng góc tới của sóng Vật hấp thụ càngcao thì dải tần số hấp thụ lớn và góc tới của sóng đến để hấp thụ sóng tốt nhất càngrộng Vật hấp thụ hình chóp có hai loại là thẳng và xoắn.

Bảng 2.1 Đặc trưng của vật hấp thụ hình chóp

Hình 2.1 Vật hấp thụ hình chóp dạng thẳng

Hình 2.2 Vật hấp thụ hình chóp dạng xoắnDạng thẳng là được sử dụng cho các vật hấp thụ hình chóp lớn Vật hấp thụhình chóp dạng xoắn được sử dụng trong các buồng triệt nhiễu có hình nêm (taperedchambers) với độ cao của vật hấp thụ hình chóp khoảng 1.8m

Hình 2.3 Buồng triệt nhiễu có hình nêm (tapered chamber)

2.2.1.2 Vật hấp thụ hình chóp rỗng (Hollow Pyramidal Absorber)

Hình 2.4 Vật hấp thụ hình tháp dạng rỗngVật hấp thụ hình chóp rỗng có khả năng dẫn cháy chậm và nhẹ nên được sửdụng cho các hoạt động kiểm tra có tần số dưới 1 GHz do vật hấp thụ hình chópphải đủ dài và nhẹ để có thể hấp thụ tốt trong dải tần số 30 MHz đến 1 GHz

2.2.2 Vật hấp thụ hình nêm (Wedge Absorber)

Vật hấp thụ hình nêm có dạng gần giống như vật hấp thụ hình chóp và được

sử dụng trong các buồng triệt nhiễu có yêu cầu dẫn năng lượng đến bức tường ở đầucuối ví dụ như trong buồng triệt nhiễu có dạng hình nêm hoặc trong vùng tập trungđược thiết kế cho các phép đo RCS (Radar Cross Section) Hệ số phản xạ của vậthấp thụ hình nêm cũng gần giống như vật hấp thụ hình tháp với cùng chiều cao tạinơi mà điện trường trực giao với vật hấp thụ và nhỏ hơn 10 dB khi đồng phân cựcvới hướng của vật hấp thụ (khi vật hấp thụ có chiều cao bằng tám lần chiều dài bướcsóng) Các thiết kế kết hợp kĩ thuật Chebychev và độ cong được sử dụng khi thiết kếvật hấp thụ hình nêm để cải thiện sự hấp thụ tần số thấp cho các vật hấp thụ có chiềucao nhỏ

Hình 2.5 Vật hấp thụ hình nêm

2.2.3 Vật hấp thụ dạng xoắn (Convoluted Microwave Absorber)

Vật hấp thụ dạng xoắn có nhiều loại với độ dày khác nhau Được sử dụng chủyếu trong các dải tần số cao đặc biệt là trong băng mm

Hình 2.6 Vật hấp thụ dạng xoắn

2.2.4 Vật hấp thụ cách điện nhiều lớp (Multilayer Dielectric Absorber)

Vật hấp thụ cách điện nhiều lớp có dạng gồm nhiều tấm bọt được chế tạogiống nhau và xếp chồng lên nhau Độ dày của các lớp và lượng carbon của các tấmbọt này phụ thuộc vào độ dày của vật hấp thụ Vật hấp thụ này được sử dụng nhiềutrong các ứng dụng trong phòng thí nghiệm

Hình 2.7 Vật hấp thụ cách điện nhiều lớp

2.2.5 Vật hấp thụ cách điện hỗn hợp (Hybrid Dielectric Absorber)

Vật hấp thụ nhiều lớp chứa nhiều hơn 33% vật liệu cách điện so với vật hấpthụ hình chóp với cùng chiều cao Do đó, sự kết hợp hai phương pháp: nhiều lớp vàhình chóp tạo ra các vật hấp thụ hình chóp cho các ứng dụng với tần số dưới 1GHz.Vật hấp thụ cách điện hỗn hợp bao gồm phía trên là vật hấp thụ hình tháp và phíadưới là nhiều lớp cách điện

Hình 2.8 Vật hấp thụ cách điện hỗn hợp