MỘT SỐ THIẾT BỊ ĐO TRƯỜNG ĐIỆN TỪ

Tiểu luận này liệt kê và mô tả tóm lược một số loại thiết bị đo trường điện từ đang được sử dụng rộng rãi... Trong những môi trường chịu sự can nhiễu sóng điện từ từ các nguồn nhiễu xun

TIỂU LUẬN MÔN HỌC TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ

Đề tài:

MỘT SỐ THIẾT BỊ ĐO TRƯỜNG ĐIỆN TỪ

LỜI GIỚI THIỆU

Các thiết bị điện và điện tử luôn sinh ra xung quanh chúng trường năng lượng sóng vô tuyến Chúng gây nên những can nhiễu trường điện từ (EMI) không mong muốn lên lẫn nhau Những can nhiễu này làm ảnh hưởng đến những hoạt động của thiết bị Từ thập niên 70 của thế kỉ trước, kiểm soát tính tương thích trường điện từ (EMC) đã là một nhu cầu bức thiết, khi mà các thiết bị điện và điện từ có mặt trong mọi mặt của đời sống như viễn thông,

y tế, giáo dục, quân sự, giải trí v.v Để thực hiện được điều này, các thiết bị đo đạc trường điện từ đóng vai trò chủ đạo và cũng là đối tượng nghiên cứu Tiểu luận này liệt kê và mô tả tóm lược một

số loại thiết bị đo trường điện từ đang được sử dụng rộng rãi

MỤC LỤC

2 Kiểm tra cấu hình thiết bị - Hệ thống, nguồn và các kết nối cáp 11

Tính đồng đều của cường độ trường phát xạ đến EUT 18

2 Buồng chắn nhiễu (screen/shield room) 22

4 Buồng phản xạ (Reverberation Chamber) 24

Việc đo điện từ bức xạ và nhiễm xạ phải được thực hiện trong những điều kiện đặc biệt Dù với mục đích nào thì nó vẫn phải được thực hiện trong môi trường không chịu sự can nhiễu từ bên ngoài Tiểu luận này sẽ đề cập đến một số các công cụ được dùng để đo đạc trường điện từ mà không quan tâm đến phương pháp đo Trong những môi trường chịu sự can nhiễu sóng điện từ từ các nguồn nhiễu xung quanh (radio AM/FM, tivi, thiết bị thông tin cá nhân…) có tần số trùng với tần số hoạt động của thiết bị thì việc kiểm tra điện từ là rất khó khăn

Trong tương thích trường điện từ, chúng ta chỉ quan tâm đo đạc độ lớn của cường độ trường điện từ bức xạ từ thiết bị đang được kiểm tra Đối với sự nhiễm

xạ, chúng ta quan tâm đến lượng năng lượng điện từ tác động lên thiết bị đang xét Còn đối với cả sự bức xạ và nhiễm xạ, chúng đòi hỏi môi trường đo đạc phải không chịu sự can nhiễu từ bên ngoài Một số loại thiết bị phải được kiểm tra với những quy trình cụ thể và nghiêm ngặt trong những môi trường đo đặc biệt như thiết bị kiểm tra mở OATS (Open-area test site), phòng triệt sóng phản xạ hoặc bán triệt sóng phản xạ (anechoic/semianechoic room) và các tế bào đo chuyên dụng, như TEM và GTEM

I Thiết bị OATS (Open-area test site) :

OATS là phương tiện được sử dụng rất phổ biến để kiểm tra bức xạ trường 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 (ground plane) và những sợi

cáp xoắn có chất lượng tốt Nó được đặt đủ xa các vật dụng hay thiết bị bằng kim loại và môi trường bức xạ điện từ mạnh như cột anten phát sóng phát thanh, truyền hình hoặc đường dây điện Nó cho phép kiểm tra một cách chính xác bức xạ từ EUT (equipment under test-thiết bị cần kiểm tra) Tương tự, việc sử dụng những anten phát kích thước chuẩn để kiểm tra độ nhạy trên các thiết bị đặc biệt cần phải được xác định là có thỏa mãn những điều kiện đo đạc hay không, đặc biệt là khoảng tần số phát có trùng lấn với khoảng tần số truyền thông hay không Nếu

việc đo đạc cần độ chính xác cao thì nó phải được thực hiện trong phòng kiểm tra chuyên dụng hay trong các tế bào

Bất lợi chính 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 hồ yếu ở tần số 200MHZ, được phát ra từ tín hiệu tivi 199,25MHz Ngoài ra, các tín hiệu nhiễu xạ từ các vật dụng bằng kim loại đặt gần EUT có thể ảnh hưởng đến kết quả đo

1 Yêu cầu đối với OATS :

OATS phải được đặt ở những nơi bằng phẳng, không có dây dẫn bên trên và không gần những vật phản xạ sóng Anten đo và EUT tạo thành 2 tiêu cự của hình elip có độ dài trục dài gấp 2 lần khoảng cách d của anten và EUT và trục ngắn có

độ dài là 1,73R hoặc 3d Khoảng cách giữa nguồn phát và anten thu là 3m hoặc 10m hoặc 30m, tùy thuộc vào cấu hình kiểm tra cũng như kích thước vật lý của EUT Cấu hình của OATS được thể hiện ở hình 1

Hình 1 : Cấu hình của một OATS

Phiến đất phản xạ :

Kích thước nhỏ nhất của phiến kim loại này được xác định tuỳ theo tiêu chuần được dùng để đánh giá Thông thường phiến đất có hình chữ nhật với bề rộng có kích thước ít nhất gấp 2 lần kích thước của vật thể cần kiểm tra Phiến đất phải không có khe hở với bề rộng tương đương với chiều dài của bước sóng tại 1 GHz Kích thước được khuyến nghị là 1/20 kích thước bước sóng đó, khoảng 30mm Trên thực tế, có thể thay thế phiến này bằng mặt đất tốt (ít đá sỏi và cát) và

1 miếng kim loại được chôn trong đất Một phiến đất rộng sẽ cho độ suy hao gần bằng với giá trị lý thuyết Sự tán xạ của sóng vô tuyến từ các cạnh của phiến có thể ành hưởng không tốt đến kết quả đo Để hạn chế điều này, người ta phủ đất lên các cạnh của phiến

Điều kiện thời tiết cũng là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến kết quả của quá trình đo Ngoài ra, chúng ta còn quan tâm đến một số yếu tố quan trọng khác như là các vật xung quanh nơi làm kiểm tra phải không có kim loại Nơi triển khai OATS phải là một nơi rộng lớn, đủ cách li khỏi sự tác động điện từ của các vật thể xung quanh Ví dụ: một OATS với kích thước 30m đòi hỏi một nơi phải có diện tích ít nhất là 60 m × 52 m

Anten đo là anten lưỡng cực với chiều dài bằng một nửa bước sóng cần đo Dạng anten đơn giản là anten bao gồm các đoạn nhỏ hơn lồng vào nhau Tùy vào tần số cần đo mà nó có thể được kéo dài hoặc thu ngắn lại

Bàn xoay EUT (EUT turntable): Phương pháp kiểm tra OATS sử dụng một

chiếc bàn xoay có thể quay được và được điều khiển từ xa cùng với các thiết bị phụ trợ Chiếc bàn này có thể xoay để xác định hướng lớn nhất đối với mỗi tần số bức xạ của EUT Nó được làm bằng kim loại hoặc không bằng kim loại, tùy thuộc vào vị trí đặt của nó so với phiến đất Nếu nó được ngay trên phiến đất thì bàn xoay phải là kim loại Với trường hợp không làm bằng kim loại thì nó được đặt trên phiến đất và cách phiến đất 0,8m

Thiết bị định vị anten : Thiết bị định vị anten có thể điều khiển từ xa

khoảng cách giữa anten và phiến đất ở bên dưới Bằng cách thay đổi khoảng cách này trong khoảng từ 1m đến 4m, ta có thể thu được tín hiệu phản xạ từ phiến đất Nếu không có thiết bị điều khiển tư động khoảng cách giữa anten và phiến đất thì việc điều chỉnh khoảng cách này có thể được thực hiện bằng tay Tuy nhiên, điều này sẽ làm tốn thời gian Bàn xoay được điều khiển quay để xác định hướng bức

xạ lớn nhất Khi đã xác định hướng của ETU có bức xạ năng lượng sóng vô tuyến lớn nhất, ta cố định bàn xoay và điều khiển để thay đổi chiều cao của anten

Khoảng cách đo : Mỗi tiêu chuẩn kiểm tra tương ứng với một khoảng cách

nhất định giữa EUT và anten thu Thông thường là 3m, 10m và 30m Khoảng cách được tính từ biên của EUT và điểm trung tâm của anten lưỡng cực hay anten chóp Việc cố gắng ngoại suy giá trị năng lượng bức xạ trong khoảng từ 3m đến 10m có thể không mang lại kết quả chính xác do đặc tính thiết kế của OATS hay đặc tính

cấu hình, kích thước vật lý và tính chất sóng bức xạ của EUT Ở khoảng cách 3m, anten quá gần EUT nên không thể đo được tín hiệu hoặc nếu có đo được thì biên

độ tín hiệu cũng không chính xác Những nghiên cứu cho thấy rằng trên thực tế, không phải lúc độ bức xạ cũng giảm khi khoảng cách đo tăng lên Thật vậy, độ bức xạ vẫn giữ nguyên biên độ hoặc có thể tăng lên dù ta tăng khoảng cách từ EUT Điều này là do ảnh hưởng của phiến đất cũng như hiệu ứng phản xạ đa đường

Sự suy hao do OATS: Tất cà OATS đều phải được định chuẩn để đảm bảo

độ chính xác của kết quả đo Quá trình chuẩn hóa khoảng đo của OATS được gọi

là sự suy hao của OATS Nó được xác định bằng tỉ số của năng lượng đầu vào của anten phát và năng luợng của tải có kết nối với một anten nhận

Một anten phát một tín hiệu có tần số biết trước với một mức năng lượng xác định đến EUT nằm trên bàn xoay Năng lượng sóng vô tuyến này được đo bởi anten nhận có thiết bị (hình 2) Sai số do cáp và thiết bị tạo ra có thể được hạn chế bằng cách đo nhiều lần với 2 dây dẫn sóng được gắn với nhau của anten thu và phát Độ suy hao trong OATS đo được chênh lệch ±4dB so với độ suy hao OATS được chuẩn hóa NSA (normalized site attenuation) theo lý thuyết Anten lưỡng cực thường được sử dụng trong trường hợp này do sự chính xác của anten lưỡng cực phát tín hiệu có tần số xác định so với các anten phát nhiều tín hiệu có tần số khác nhau

Mặc dù phương pháp đo NSA có vẻ đơn giản nhưng thực tế, việc ứng dụng

nó rất phức tạp Độ suy giảm của tín hiệu trong hệ thống từ bên phát đến bên thu trên 2 đường truyền phát và thu có thể đo được thông qua 2 lần đo Lần thứ nhất là khi ta đo với 2 dây dẫn sóng được gắn với nhau như đã nói trên Lần đo thứ 2 khi

2 anten thu phát tương tác lẫn nhau NSA chính là độ sai lệch giữa 2 lần đo này

Tổ chức CISPR (International Special Committee on Radio Interference) cho phép độ sai lệch là 3dB đối với thiết bị và 1dB đối với OATS OATS được thiết kế tốt có thể thỏa mãn điều kiện này

Hình 2 : Sơ đồ phương pháp đo sử dụng OATS

Trên thực tế, không thể xem giá trị NSA đo được như là một thông số để hiệu chỉnh trong quá trình đo Suy hao chuẩn hóa trong OATS chỉ liên quan đến độ suy hao giữa 2 anten ở những vị trí xác định Suy hao tồn tại giữa EUT và anten đo ngay cả ở cùng 1 vị trí cũng có thể rất khác nhau vì sự tương tác điện từ giữa mỗi anten là khác nhau và các đặc tính bức xạ của EUT Điều này có nghĩa là sự suy hao này còn phụ thuộc vào loại anten được sử dụng

Kinh nghiệm thực tế cho thấy rằng 2 anten ở khoảng cách 3m tương tác với nhau rất tốt Những tác động của môi trường, tính không liên tục của phiến đất cũng như các cấu trúc phản xạ không ảnh hưởng nhiều đến tín hiệu được phát đi

Mặc dù OATS có vẻ như không có vấn đề gì nghiêm trọng ở khoảng cách 3m nhưng sự không toàn vẹn của OATS có thể có ảnh hưởng lớn đến kết quả đo khi khoảng cách là 10m Ở khoảng cách này, 2 anten thu phát không tác động tốt lên nhau và sự phản xạ từ phiến đất bắt đầu có vai trò lớn trong việc làm thay đổi các đặc tính của tín hiệu truyền đi

Một phương pháp để xác định suy hao của OATS là sử dụng thiết bị phát sóng “răng lược” Thiết bị này là máy phát tín hiệu có thể phát một tín hiệu xác định và các hài của nó với phổ tần có giá trị biên độ cho trước Nhược điểm của thiết bị này là phổ tần phát ra không liên tục Vì vậy, sự không nhất quán do sự cộng hưởng hoặc đặc tính của anten là không xác định được Sau khi OATS đã được định chuẩn bằng phương pháp nêu trên, việc sử dụng thiết bị phát sóng “răng lược” là một cách đơn giản và nhanh chóng để kiểm tra có hay không những tác động không tốt của OATS Hình dưới là một máy phát sóng “răng lược” trên thực

tế

Hình 3 : Máy phát sóng răng lược

Nhiễu xạ điện từ : Một quan tâm khác khi thực hiện đo đạc với OATS đó là

sự nhiễu xạ điện từ Nhiễu xạ điện từ liên quan đến sự phản xạ sóng vô tuyến từ các tòa nhà, các cấu trúc làm bằng kim loại, đường dây điện, nước ngầm hoặc cáp điện ngầm v.v Cách đơn giản nhất để tránh sự can nhiễu từ các hệ thống chôn ngầm dưới đất là sử dụng phiến đất bằng kim loại để ngăn chặn sóng phản xạ từ bên dưới Ngoài những tác động như trên, người ta còn phải quan tâm đến một số yếu tố khác nửa như là chất lượng của phiến đất, việc lắp đặt phiến đất, sự gắn kết của phiến với đất cũng như tính liên tục của bàn xoay Cần phải quan tâm đến vị trí thiết bị sao cho càng xa càng tốt những vật có kích thước lớn hoặc bằng kim loại

Đo với tín hiệu lớn hơn 1GHz : Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy rằng

để đo đạc với bước sóng lớn hơn 1GHz thì cần phải sử dụng vật liệu có điện dung thấp Chính vì vậy mà không nên sử dụng bàn xoay làm bằng gỗ Ngoài ra, tốc độ quay cũng như tốc độ dịch chuyển theo phương thẳng đứng của bàn cũng phải nhỏ Kiểu đo này không sử dụng phiến đất

2 Kiểm tra cấu hình thiết bị - Hệ thống, nguồn và các kết nối cáp :

Để hệ thống hoạt động tốt thì cần phải đảm bảo chất lượng của EUT lẫn các thiết bị hỗ trợ khác Cần phải sử dụng loại cáp vỏ bọc có độ suy hao thấp và chất lượng tốt cho các kết nối đến EUT Phải sử dụng các bộ lọc thích hợp trên các đường dây dẫn điện AC để ngăn chặn năng lượng sóng vô tuyến từ EUT hay các thiết bị phụ trợ tác động lên các thiết bị đo (như là anten thu)

Có nhiều phương lan truyền của tín hiệu Một trong số đó là phương thức truyền dẫn tức là tín hiệu được truyền trong môi trường truyền vật lý như dây dẫn, cáp quang v.v Phương thức truyền tín hiệu thứ 2 là phương thức bức xạ Môi trường truyền là không gian tự do hay chất điện môi Một phương thức khác là truyền năng lượng bằng trường điện hoặc trường từ

Đối với phương thức truyền dẫn : Dây dẫn của các thiết bị đặt trên mặt bàn

nên được vòng mặt sau của bàn Tránh đặt dây dẫn quá gần (nhỏ hơn 40cm) phiến

đất Nên buộc các dây lại với nhau thành bó Nếu không buộc được thì rải chúng trên mặt sau của bàn và cũng phải cách phiến đất ít nhất 40cm

3 Điều kiện hoạt động :

Dù thiết bị và phương tiện đo đạc tốt nhưng việc đo đạc không được thực hiện đúng hoặc môi trường xung quanh không phù hợp thì cũng không mang lại kết quả đúng Điều quan trọng nhất khi kiểm tra bức xạ điện từ là kĩ năng của người thực hiện Đối với tín hiệu trong sợi truyền dẫn thì có thể sử dụng phần mềm đo tự động Tuy nhiên, điều này là không thể đối với tín hiệu bức xạ trong không gian ở OATS Lý do là sự can nhiễu các vật xung quanh trong môi trường

đo cũng như khả năng phân biệt giữa tín hiệu xung đồng hồ và tín hiệu FM Ngoài

ra, có thể sử dụng phần mềm đo tự động cho tín hiệu bức xạ nếu thiết bị có vỏ bọc chống nhiễu

Ngoài ra, cũng phải xác định được mức độ phát xạ cao nhất mà thiết bị cần

đo có thể có được Ví dụ khi đo bức xạ của máy tính cá nhân thì cần thực hiện nhiều công việc trong cùng một lúc như là đọc hay ghi dữ liệu từ ổ CDROM sang

ổ cứng, gởi dữ liệu ra các cổng nối tiếp và song song, upload hay download dữ liệu trên mạng LAN hoặc internet, chạy các file âm thanh và xuất ra loa v.v

Phần lớn thiết bị điện tử, khi thiết kế, người ta ít quan tâm đến yếu tố bức xạ của thiết bị ra môi trường bên ngoài Do vậy, ta không thể biết thiết bị bức xạ theo hướng nào là lớn nhất Tại một tần số, biên độ ín hiệu có thể giảm nhưng ở tần số khác, biên độ tín hiệu có thể tăng Chính vị vậy chúng ta không chỉ quan tâm đến mức độ bức xạ cao nhất của thiết bị ở một tần số mà là ở toàn bộ phổ tần

Đối với phương pháp đo CISPR, ta cần phải xác định mức độ bức xạ lớn nhất theo phân cực ngang và dọc của anten Thay đổi chiều cao của anten từ 1 đến 3m (đối với khoảng cách đo là 3 và 10m) hoặc từ 1 đối 3m (đối với khoảng cách đo là 30m) để hạn chế phản xạ từ phiến đất

Với các thiết bị dân dụng, khoảng tần số bức xạ cần xét là 30-1000MHz Trong một số tiêu chuẩn, đặc biệt là FCC thì khoảng tần số này có thể lớn hơn

1000MHz nếu tần số có bức xạ cao nhất lớn hơn 108MHz Khi đó, cần phải sử dụng các anten chuyên dụng

Khi sử dụng các máy thu hay máy phân tích phổ thì độ “phân giải” băng tần của thiết bị đo phải cố định ở mức 120KHz Các đại lượng như mỗi khoảng tần số, khoảng thời gian dừng lại cho khoảng tần số đó, băng thông đo, thời gian đáp ứng của thiết bị dò và khoảng thời gian của một chu kì bức xạ của EUT đều có quan hệ với nhau Mối quan hệ giữa một đại lượng với các đại lượng còn lại sẽ xác định khoảng thời gian thực hiện phép đo

Từ những điều kiện trên, chúng ta xây dựng được một lưu đồ thể hiện các bước cần thực hiện trong quá trình đo Các bước này, trên thực tế, đã trở thành tiêu chuẩn và phù hợp với các phép đo nhanh sử dụng thiết bị quét đỉnh sóng Sử dụng thiết bị quét đỉnh sóng, thay vì dùng thiết bị quét nửa đỉnh sóng hay biên độ sóng trung bình, sẽ cho phép xác định được mức biên độ cao hơn của tín hiệu Trong suốt quá trình quét này, chúng ta xác định các tần số mà tại đó, biên độ của tín hiệu xấp xĩ đạt đến một giới hạn xác định

4 Một số chú ý khi thực hiện đo đạc :

Thực hiện phép đo bức xạ thì không quá phức tạp Để có thể có được một kết quả đúng cần phải lưu ý đến những yếu tố đã đề cập trên Tuy nhiên, không thể lặp lại kết quả một phép đo của một OATS trên một OATS khác

Trường điện từ xung quanh : Môi trường xung quanh OATS phải ít chịu sự

can nhiễu của các nguồn nhiễu điện từ bên ngoài Các nguồn nhiễu này bao gồm sóng radio, tivi, tín hiệu thông tin hàng không, tín hiệu từ các trạm thu phát BTS v.v Múc độ nhiễu của các nguồn nhiễu này phải nhỏ hơn 6dB so với mức cho