برق، مهندسی 257 بازدید

آیا تا به حال با روشن کردن سشوار یا یک وسیله دارای موتور الکتریکی در منزل متوجه اختلال موقت در صفحه نمایش تلویزیون یا صدای رادیو شده‌اید؟ آیا قبل از اینکه زنگ تلفن همراهتان به صدا درآید متوجه آن شده‌اید (مثلاً وقتی که تلفن همراهتان در کنار یک بلندگو قرار دارد)؟ آیا تا به حال یک پروژه روشنایی هوشمند داشته‌اید که علی‌رغم جواب دادن در آزمایشگاه، پس از نصب در محل خود به‌درستی عمل نکند؟ چرا در هواپیمای در حال پرواز باید تلفن همراه خود را در حالت هواپیما قرار دهید؟ این‌ها نمونه‌هایی از «تداخل الکترومغناطیسی» (Electromagnetic Interference) یا EMI ایجادشده توسط تجهیزات و ادوات الکتریکی، الکترونیکی و مخابراتی است که موجب اختلال در عملکرد سایر تجهیزات می‌باشد. حال چه باید کرد تا این اثرات را تا حد مطلوبی که در عملکرد تجهیزات تاثیر نگذارد، کاهش داد؟ پاسخ این پرسش در مفهومی به‌نام سازگاری الکترومغناطیسی نهفته است.

«سازگاری الکترومغناطیسی» (Electromagnetic Compatibility) یا EMC علمی است که راهکارهایی جهت کاهش تداخل الکترومغناطیسی ارائه می‌دهد و همچنین ایمن کردن تجهیزات را در برابر اختلالات پیرامون بر عهده دارد. به عبارت دیگر، سازگاری الکترومغناطیسی حوزه دانشی است که موضوع آن اثرگذاری الکترومغناطیسی و اثرپذیری الکترومغناطیسی ادوات و تجهیزات الکتریکی، الکترونیکی و مخابراتی از یکدیگر است. در نهایت، این علم با راهکارهای خود، که به آن اشاره خواهد شد، موجب عملکرد صحیح تجهیزات و ادوات در کنار یکدیگر می‌شود.

با افزایش روزافزون انواع ادوات الکتریکی و افزایش ارتباطات آن‌ها، افزایش فرکانس کاری و پهنای باند و کاهش حساسیت ادوات، توجه به سازگاری الکترومغناطیسی در طراحی امری ضروری شده است؛ به‌طوری که پارامترهای سازگاری الکترومغناطیسی در کنار سایر مشخصه‌های فنی دستگاه لحاظ می‌شود و طبق استانداردهای مربوطه باید مقبولیت لازم را دارا باشد. در شکل ۱، برگه مشخصات فنی یک نمونه منبع تغذیه نشان داده شده است. همان‌طور که مشاهده می‌شود، مشخصه‌های سازگاری الکترومغناطیسی و استانداردهایی که بر اساس آن منبع تغذیه از نظر سازگاری الکترومغناطیسی مورد پذیرش قرار گرفته، به‌صورت کامل آورده شده است (قسمت سبز رنگ برگه مشخصات فنی).

برگه مشخصات فنی یک منبع تغذیه
شکل ۱: برگه مشخصات فنی یک منبع تغذیه (برای بزرگنمایی روی تصویر کلیک کنید)

مفهوم سازگاری الکترومغناطیسی

امروزه به‌وفور از تجهیزات و ادوات الکتریکی، الکترونیکی و مخابراتی استفاده می‌شود. این تجهیزات و ادوات بر اساس مدارهای الکتریکی موجود در آن‌ها کار می‌کنند و اساس کار مدارها وابسته به جریان‌های عبوری از مسیرها و اختلاف ولتاژ بین بخش‌های مختلف است. این جریان‌ها و ولتاژها بر اساس نوع مدار در هر بخش از مدار مقدار مشخصی دارد. در حالتی که یک مدار ساده و ایزوله داشته باشیم، مدار به‌خوبی کار می‌کند و جریان ها و ولتاژها در سطح مطلوب خود باقی می‌مانند، به‌عبارت دیگر از روابط و قوانین مداری خود پیروی می‌کنند.

می‌دانیم که در اطراف هر هادی حامل جریان الکتریکی، میدان مغناطیسی برقرار می‌شود و همچنین بین دو نقطه هر مدار که اختلاف پتانسیل وجود دارد، میدن الکتریکی تشکیل می‌شود. به عبارت دیگر، هر مدار علاوه بر آنکه دارای جریان و ولتاژهای مشخص است، در اطراف خود به‌واسطه این جریان ها و ولتاژها میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی نیز ایجاد می‌کند. این میدان‌ها با توجه به شدت و جهت جریان و ولتاژهای مدار، در اطراف با شدت و جهت مشخصی انتشار می‌یابد. در صورتی که مدار فشرده نباشد، یعنی طول مدار خیلی کمتر از طول موج کاری مدار نباشد، میدان الکترومغناطیسی نیز در فضای اطراف انتشار می‌یابد. آنتن‌ها نمونه‌های بارزی از مدارهای غیرفشرده هستند. به این ترتیب، اطراف هر مدار با توجه به فرکانس کاری میدان الکتریکی، میدان مغناطیسی و میدان الکترومغناطیسی وجود دارد که این میدان‌ها در فضای اطراف پراکنده می‌شوند.

حال، دو تجهیز دارای الکتریکی را در کنار هم تصور کنید. در فضای اطراف هر کدام از این مدارها امواج الکتریکی، مغناطیسی و الکترومغناطیسی، با توجه به نوع و ساختار مدار، انتشار می‌یابد. امواج ناشی از هر مدار در فضای اطراف مدارهای دیگر انتشار می‌یابد و به عکس امواج مدارهای دیگر نیز در فضای اطراف آن مدار انتشار می‌یابد. علاوه بر این، ارتباطات سیمی یا کابلی نیز وجود دارد و ممکن است بنا به دلایلی (مثلاً به‌علت کلیدزنی ماسفت‌ها یا درایورهای موجود در برد تغذیه) سیگنال‌های نا‌خواسته‌ای روی سیگنال عبوری از کابل‌ها تزویج شود. مسلماً این سیگنال‌های ناخواسته همراه سیگنال اصلی به بردهای مدار مورد نظر وارد می‌شود. به سیگنال‌های ناخواسته و امواج انتشاری از هر مدار یا تجهیز الکتریکی، الکترونیکی و مخابراتی، تداخلات الکترومغناطیسی یا به‌اختصار EMI گفته می‌شود. در شکل ۲، نمونه‌ای از تداخلات الکترومغناطیسی ادوات روی یک رادیو نشان داده شده است.

نمونه‌ای از تداخلات الکترومغناطیسی ادوات روی یک رادیو
شکل ۲: نمونه‌ای از تداخلات الکترومغناطیسی ادوات روی یک رادیو

با توجه به موارد بیان‌شده، به زبان ساده می‌توان گفت سازگاری الکترومغناطیسی یک تجهیز به‌معنی عدم تأثیرپذیری از اختلالات الکترومغناطیسی ناشی از سایر تجهیزات و همچنین کاهش تداخلات الکترومغناطیسی خود جهت عدم ایجاد اختلال در سایر تجهیزات است، یعنی از نظر الکترومغناطیسی نه اثر بپذیرد و نه اثر بگذارد.

با توجه به آنچه گفته شد، می‌توان گفت سه عنصر اصلیِ «منبع اختلال» (EMI Source)، «قربانی اختلال» (Victim) (تجهیز اثر پذیر از اختلال) و «مسیر تزویج اختلال» (Coupling Path)، در سازگاری الکترومغناطیسی ایفای نقش می‌کنند (شکل 3). در بحث سازگاری الکترومغناطیسی باید این سه عنصر را به‌خوبی بشناسیم. در ادامه، این سه مؤلفه را شرح می‌دهیم.

سه عنصر اصلی EMC
شکل ۳: سه عنصر اصلی EMC

منبع اختلال

هر وسیله‌ای، چه ساخت دست بشر و چه به‌صورت طبیعی، که حاوی جریان و بار الکتریکی باشد، می‌تواند به‌عنوان منبع اختلال شناخته شود. با وجود این، اکثر تجهیزات اطراف، اعم از تلفن، تلویزیون، سیم‌کشی‌های ساختمان، مدارهای داخل خودرو، سیستم‌های جرقه‌زن و غیره منبع اختلال هستند. این منابع «ساخته دست بشر» (Man made Sources) هستند. اما موارد دیگری مانند امواجی که از کهکشان و اجرام سماوی و صاعقه ساتع می‌شود و حتی نیروی مغناطیسی زمین از «منابع اختلال طبیعی» (Natural Source) محسوب می‌شوند. در شکل 4، طیف امواج الکترومغنناطیسی نشان داده شده است.

طیف امواج الکترومغنناطیسی
شکل ۴: طیف امواج الکترومغنناطیسی

تجهیز اثرپذیر از اختلال (قربانی)

هر قطعه یا تجهیزی را که از اختلالات الکترومغناطیسی اطراف خود اثر بپذیرد، تجهیز اثرپذیر (قربانی) می‌گویند. با این تعریف، همه قطعات الکتریکی، الکترونیکی و مخابراتی و همچنین مدارها و ارتباطات بین آن‌ها از قربانیان اختلالات الکترومغناطیسی شناخته می‌شوند. در بخش بعد چگونگی اثرپذیری شرح داده می‌شود.

مسیر تزویج اختلال

اختلال به‌وجود‌آمده از منبع از طریق مسیر مناسب خود و به‌شکل مشخصی قربانی را هدف قرار داده و در مدارهای آن تزویج می‌شود. برای درک این مفهوم باید انواع اختلالات را شناخت. همان‌طور که گفته شد، اختلالات در دو شکل کلی «تشعشعی» (Radiation) و «هدایتی» (Conduction) وجود دارد. اختلالات تشعشعی به سه شکل میدان مغناطیسی، میدان الکتریکی و میدان الکترومغناطیسی وجود دارد و اختلالات هدایتی از طریق هادی‌ها (سیم و کابل) بین منبع و قربانی هدایت می‌شود.

مسیر اختلالات تشعشعی فضای اطراف است، زیرا این امواج آزادانه در فضای اطراف انتشار می‌یابد. اما برای انتشار تداخلات هدایتی باید حتماً ارتباط سیمی (کابلی) بین منبع و قربانی وجود داشته باشد (شکل 5).

انواع اختلالات و مسیر تزویج آن‌ها
شکل ۵:‌انواع اختلالات و مسیر تزویج آن‌ها

عوامل سازگاری الکترومغناطیسی

با توجه به مطالب گفته‌شده، هر تجهیز هم می‌تواند به‌عنوان منبع اختلال برای یک تجهیز دیگر باشد و هم قربانی اختلالات ناشی از تجهیزات دیگر. بر اساس سازگاری الکترومغناطیسی، تجهیز باید کمترین اختلالات الکترومغناطیسی را از خود انتشار دهد تا بر تجهیزات دیگر اثرگذار نباشد. در اصطلاح به هر نوع اختلال انتشاریافته از تجهیز «انتشار یا گسیلش الکترومغناطیسی» (Electromagnetic Emission) یا EME می‌گویند. همچنین، تجهیز باید به‌گونه‌ای ایمن طراحی شود تا از اختلالات ناشی از سایر تجهیزات اثر نپذیرد که در اصطلاح به آن «ایمنی الکترومغناطیسی» (Electromagnetic Susceptibility) یا EMS گفته می‌شود. گفته شد که اختلالات به دو صورت تشعشعی (از طریق فضای اطراف) و هدایتی (از طریق سیم و کابل) از منبع به سمت قرباتی انتشار می‌یابد. بر این اساس، می‌توان عوامل تشکیل‌دهنده سازگاری الکترومغناطیسی را با چهار مورد زیر نشان داد:

  • انتشار تشعشعی: به هر نوع اختلالی که به‌صورت تشعشع امواج الکتریکی، مغناطیسی و الکترومغناطیسی از یک تجهیز به بیرون انتشار می‌یابد، «انتشار تشعشعی» (Radiated Emission) یا RE می‌گویند.
  • انتشار هدایتی: هر نوع تداخلی که از طریق سیم و کابل‌های رابط بین تجهیزات از تجهیز مورد نظر منتشر می‌شود را «انتشار هدایتی» (Conducted Emission) یا CE می‌نامند.
  • تأثیرپذیری تشعشعی: عملکرد تجهیز مورد نظر در برابر هرگونه تداخلات تشعشعی (به‌صورت میدان‌های الکتریکی، میدان‌های مغناطیسی و امواج الکترومغناطیسی) را که از سمت سایر تجهیزات اعمال می‌شود، «تأثیرپذیری تشعشعی» (Radiated Susceptibility) یا RS می‌گویند.
  • تأثیرپذیری هدایتی: عملکرد تجهیز مورد نظر در برابر هرگونه تداخلات هدایتی که از طریق سیم و کابل‌های ارتباطی از طرف سایر تجهیزات اعمال می‌‌شود، «تأثیرپذیری هدایتی» (Conducted Susceptibility) یا CS نام دارد.

در شکل 6 این چهار عنصر سازگاری اکترومغناطیسی نشان داده شده است.

چهار عنصر سازگاری الکترومغناطیسی
شکل ۶: چهار عنصر سازگاری الکترومغناطیسی

با توجه به موارد اشاره‌شده، می‌توان سازگاری الکترومغناطیسی را نتیجه کنترل کردن انتشار تداخلات الکترومغناطیسی از تجهیز مورد نظر و همچنین کاهش تأثیرپذیری آن در برابر تداخلات الکترومغناطیسی دریافتی از سایر تجهیزات دانست (شکل 6).

نحوه ایجاد و اثرگذاری اختلال

حال این پرسش مطرح می‌شود که اختلال‌های موجود که از طریق فضای اطراف و یا هادی‌های ارتباطی به‌سمت قربانی روانه می‌شوند، چگونه قربانی را هدف قرار می‌دهند؟

همان‌طور که گفته شد، میدان‌های مغناطیسی به‌واسطه حرکت الکترون در یک هادی، در اطراف آن ایجاد می‌شود. میدان الکتریکی به‌دلیل اختلاف پتانسیل بین هر دو جزء به‌وجود می‌آید و میدان الکترومغناطیسی هنگامی که طول مدار تقریباً هم‌ارز با طول موج کاری مدار باشد و اصول حفاظ‌گذاری الکترومغناطیسی به‌درستی صورت نگرفته باشد یا اینکه آنتنی در مدار وجود داشته باشد، رخ می‌دهد. عکس این قضیه نیز صادق است؛ یعنی مثلاً اگر میدان مغناطیسی اطراف یک هادی برقرار کنیم، با توجه به ساختار آن، در داخلش ولتاژ و جریان الکتریکی برقرار می‌شود. به عباری ساده‌تر، جریان و ولتاژهای مدار که به‌شکل میدان‌های مغناطیسی، الکتریکی و الکترومغناطیسی در فضای اطراف نمود پیدا می‌کنند، میدان‌های اطراف نیز به‌شکل جریان و ولتاژهای متناظر در هادی‌های مدار القا می‌شوند (شکل 5).

تزویج میدان مغناطیسی

تزویج میدان‌های مغناطیسی در هادی‌ها بر اساس قانون فارادی صورت می‌گیرد (شکل 7). بر اساس این قانون، اگر میدان مغناطیسی متغییری از یک حلقه مدار عبور کند، مطلبق رابطه (1) در آن ولتاژ $$ v_R$$ القا می‌شود.

$$ \large V_R = \int_s \mu \frac{\delta \mathbf H}{\delta t}\cdot d \mathbf S \;\;\; \;\;\; \; (1)$$

در این رابطه، $$H$$ میدان مغناطیسی، $$S$$ سطحی که میدان مغناطیس از آن عبور می‌کند و $$V_R$$ ولتاژ القاشده در اثر عبور جریان از حلقه است.

میدان مغناطیسی عبوری از حلقه هادی
شکل ۷: میدان مغناطیسی عبوری از حلقه هادی

بسیاری از قوانین سازگاری الکترومغناطیسی وابسته به این قانون است. قانون فارادی در اصول طراحی مسیرهای رفت و برگشت روی بردهای الکتریکی و سیم‌کشی، کابل‌ریزی و انتخاب نوع سیم و کابل و همچنین اصول زمین کردن جهت سازگاری الکترومغناطیسی، کمک‌کننده است. بر این اساس، باید سعی کرد از تشکیل حلقه در مسیرهای رفت و برگشت اجتناب شده و یا سطح حلقه به حداقل ممکن خود برسد. بدین منظور، در کابل‌ریزی برای تجهیزات حساس باید از کابل‌های به‌هم‌تابیده که به‌طور مناسب به زمین متصل شده‌اند، استفاده کرد تا اثر القای مغناطیسی به حداقل خود برسد.

به‌عنوان مثال، در شکل 8، سه تجهیز و ارتباطات کابلی بین آن‌ها نشان داده شده است. در شکل 8 (الف) به‌دلیل عدم رعایت صحیح کابل‌ریزی، چند حلقه با مساحت بالا تشکیل شده است که به‌راحتی تحت تأثیر میدان‌ها و امواج پیرامون، ولتاژها و جریان‌های ناخواسته در آن‌ها القا می‌شود. در شکل ۸ (ب) نحوه صحیح کابل‌ریزی نشان داده شده است که با کاهش سطح حلقه‌ها، ولتاژها و جریان‌های ناخواسته القایی به حداقل مقدار خود می‌رسند.

ایجاد حلقه دو نوع کابل‌ریزی؛ (الف) نوع غلط که موجب ایجاد حلقه‌های بزرگ شده (ب) نوع درست که مساحت حلقه‌ها را تا حد ممکن کاهش داده است.
شکل ۸: ایجاد حلقه دو نوع کابل‌ریزی؛ (الف) نوع غلط که موجب ایجاد حلقه‌های بزرگ شده (ب) نوع درست که مساحت حلقه‌ها را تا حد ممکن کاهش داده است.

تزویج میدان الکتریکی

اگر بین هر دو جزء اختلاف پتانسیل وجود داشته باشد، یک خازن تشکیل می‌شود. به این خازن‌ها «خازن پراکنده» (Stray Capacitor) گفته می‌شود. ظرفیت خازن، با توجه به ویژگی‌های فیزیکی و هندسی اجزاء و همچنین مواد متشکل بین آن‌ها، متفاوت است. در هر صورت، یکی از راه‌های تزویج تداخلات بین اجزا از این طریق است. به‌عنوان نمونه، بین هادی‌های سیم و کابل‌ها یک رابطه خازنی وجود دارد. این موضوع در طراحی و بررسی خطوط انتقال به‌خوبی روشن شده است. به این طریق، هادی‌ها از یکدیگر اثر می‌پذیرند و تداخلات ناخوسته‌ای به‌شکل ولتاژ و جریان روی آن‌ها تزویج می‌شود.

برای مثال، در شکل 9 یک مدار ساده با یک خط انتقال با دو سیم (هادی) موازی و همچنین خازن‌های پراکنده تشکیل‌شده بین دو هادی ($$C_{12}$$) و بین هر هادی با زمین ($$C_{1G}$$ و $$ C_ { 2 G}$$) نشان داده شده است. در مجموع، سه خازن پراکنده تشکیل شده است. هادی 1 به یک منبع ولتاژ به اندازه $$V_1$$ متصل شده و هادی 2 به یک بار با مقدار $$R$$ متصل است. می‌توان با حل مدار معادل، میزان تزویج هادی‌ها بر یکدیگر را محاسبه کرد.

(الف) خازن‌های پراکنده بین دو هادی و بین هادی‌ها و زمین، (ب) مدار معادل خط انتقال شامل دو هادی موازی
شکل ۹:‌ (الف) خازن‌های پراکنده بین دو هادی و بین هادی‌ها و زمین، (ب) مدار معادل خط انتقال شامل دو هادی موازی

با حل این مدار می‌توان ولتاژ نویز القا‌شده ناشی از ولتاژ هادی 1 (یعنی $$V_1$$) در هادی 2 را به‌صورت رابطه (2) به‌دست آورد.

$$ \large V_{N}=\frac{j \omega\left[C_{12} /\left(C_{12}+C_{2 G}\right)\right]}{j \omega+1 / R\left(C_{12}+C_{2 G}\right)} V_{1}\;\;\;\;\;\;\; (2) $$

می‌بینیم که ولتاژ القاشده به چند پارامتر بستگی دارد. اما می‌توان با توجه به مقدار $$R$$ روابط ساده‌شده زیر را به‌دست آورد:

  • اگر، $$R \ll \frac{1}{j \omega\left(C_{12}+C_{2 G}\right)} $$، آنگاه $$V_{N}=j \omega R C_{12} V_{1}$$.
  • اگر $$R \gg \frac{1}{j \omega\left(C_{12}+C_{2 G}\right)}$$، آنگاه $$V_{N}=\left(\frac{C_{12}}{C_{12}+C_{2 G}}\right) V_{1}$$.

در اینجا، بیشتر از این به این مسئله نمی‌پردازیم و علاقه‌مندان می‌توانند به مرجع [۴] برای مطالعه شرح کامل آن مراجعه کنند. در اینجا، هدف نحوه القای میدان الکتریکی توسط خازن‌های پراکنده تشکیل‌شده بین اجزای مدار است.

حال اگر بخواهیم اثر القای خازنی در این مدار را کاهش دهیم، باید چه اقدامی انجام دهیم؟ ارتباط مستقیم بین دو هادی با خازن پراکنده $$C_{12}$$ برقرار شده است. حال باید دید چگونه می‌توان این ارتباط را قطع کرد. اگر هادی 2 را شیلدگذاری کنیم (هادی 2 را شیلددار انتخاب کنیم)، مدار به صورت شکل 9 در خواهد آمد. همان‌طور که از مدار معادل آن مشخص است، شیلد زمین شده ارتباط بین دو هادی را از لحاظ الکتریکی قطع کرده است و در این حالت ولتاژ القاشده برابر با صفر است. این یعنی القایی صورت نگرفته است. لازم به ذکر است که شیلد در این حالت ایده‌آل در نظر گرفته شده و فرض شده که شیلد به‌صورت مناسی زمین شده است. در غیر این صورت، اگر شیلد غیرایده‌آل باشد، القا صورت می‌گیرد. اگر شیلد زمین نشود، هیچ‌گونه اثری ندارد و همان ولتاژی که در حالت بدون شیلد بود دوباره در هادی 2 القا می‌شود.

(الف) خط انتقال با شیلدگذاری هادی ۲، (ب) مدار معادل
شکل ۱۰: (الف) خط انتقال با شیلدگذاری هادی ۲، (ب) مدار معادل

تزویج الکترومغناطیسی

در امواج الکترومغناطیسی میدان الکتریکی و مغناطیسی به‌صورت عمود بر هم حرکت می‌کنند. در اینجا موج به‌صورت «میدان دور» (Far Field) مورد نظر است، نه «میدان نزدیک» (Near Field). میدان نزدیک و دور با توجه به فاصله از منبع انتشار موج بر حسب طول موج مشخص می‌شود (شکل ۱۱). در میدان نزدیک با توجه به هندسه منبع انتشار یکی از دو میدان مغناطیسی یا الکتریکی غالب است. در طراحی‌ها باید این مورد لحاظ شود، زیرا در صورتی که میدان نزدیک باشد، همان روابط و اصول تزویج مغناطیسی و خازنی برقرار است.

میدان نزدیک و میدان دور
شکل ۱۱: میدان نزدیک و میدان دور

معادلات ماکسول رفتار امواج الکترومغناطیسی را به‌صورت کامل در محیط‌های مختلف نشان می‌دهند:

$$ \large
\begin{align}
\nabla \times \boldsymbol{H}&=\frac{\partial \boldsymbol{D}}{\partial t}+\boldsymbol{J} \\
\nabla \times \boldsymbol{E}&=-\frac{\partial \boldsymbol{B}}{\partial t}+\boldsymbol{M} \\
\nabla \cdot \boldsymbol{D}&=\rho_{e} \\
\nabla \cdot \boldsymbol{B}&=\rho_{m}
\end{align} \;\;\;\;\;\;\; (3)
$$

که در آن $$\mathbf E$$ بردار شدت میدان الکتریکی، $$\mathbf D$$ بردار چگالی شار الکتریکی، $$\mathbf H$$ بردار شدت میدان مغناطیسی، $$\mathbf B$$ بردار چگالی شار مغناطیسی، $$\mathbf J$$ بردار چگالی جریان الکتریکی و $$\mathbf M$$ بردار چگالی جریان مغناطیسی است. چگالی شار و شدت میدان به‌صورت زیر با یکدیگر مرتبط‌اند:

$$ \large
\begin{aligned}
&\boldsymbol{D}=\varepsilon \boldsymbol{E} \\
&\boldsymbol{B}=\mu \boldsymbol{H}
\end{aligned} \;\;\;\;\;\;\; (4)
$$

چگالی جریان الکتریکی $$\mathbf J$$ جمع چگالی جریان هدایتی $$ \mathbf J _c = \sigma ^ e \mathbf E$$ و چگالی جریان منبع $$\mathbf J _i$$ است. به‌طور مشابه، برای چگالی جریان مغناطیسی رابطه $$ \mathbf M = \mathbf M _ i + \mathbf M _ c $$ را داریم که در آن، $$ \mathbf M _ c = \sigma ^ m \mathbf H $$. در اینجا $$\sigma ^e$$ هدایت الکتریکی با واحد زیمنس بر متر و $$\sigma ^ m $$ هدایت مغناطیسی با واحد اهم بر متر است.

برای حل معادلات بالا، باید از روش‌های حل عددی (مانند FDTD و FEM و MoM و غیره) استفاده کرد. امروزه با کمک نرم‌افزارهای تجاری الکترومغناطیس مانند CST و HFSS و FEKO می‌توان با مدل‌سازی مسئله در محیط این نرم‌افزارها، آن‌ها را حل کرد.

امواج الکترومغناطیسی به‌راحتی از مواد عایق عبور می‌کنند. اما برخورد امواج الکترومغناطیسی با هادی‌ها متفاوت است (شکل ۱۲). مطابق شکل زیر، با توجه به خواص الکتریکی فلز و همچنین زاویه تابش موج، در ابتدای برخورد موج با لبه اولیه هادی مقداری از آن بازتاب و باقیمانده آن وارد هادی می‌شود. با توجه به ضخامت هادی، مقداری از موج در داخل آن به‌دلیل ایجاد جریان‌های مزاحم تلف و مابقی از آن خارج می‌شود. البته مقداری از موج در برخورد با لبه‌های هادی مجدداً به داخل هادی بازتاب می‌شود که بیشتر آن تلف خواهد شد. برای آشنایی بیشتر می‌توان انتشار موج در محیط‌های هادی را از منابع پایان متن مطالعه کرد.

سازگاری الکترومغناطیسی
شکل ۱۲: برخورد موج با یک صفحه هادی به ضخامت $$t$$

بر اساس موارد یادشده، می‌توان از حفاظ‌های فلزی جهت عدم نفوذ امواج به داخل مدارها استفاده کرد که موضوع اصلی «حفاظ‌گذاری الکترومغناطیسی» (Electromagnetic Shielding) است. حفاظ‌گذاری الکترومغناطیسی اصول و قواعد خاص خود را دارد که خارج از حوصله این بحث است.

اما اغلب اجزای اساسی مدارها، مانند مسیرهای عبور جریان، پایه‌های قطعات و ادوات، از هادی‌ها تشکیل شده‌اند و طبق بحث بالا امواج الکترومغناطیسی به‌صورت جریان‌ها و ولتاژهای ناخواسته روی این هادی‌ها تزویج می‌شود. برای آشنایی بهتر با این موضوع یک نمونه از تزویج امواج تلفن همراه بر روی یک کابل کواکسیال داخل هواپیما مطابق شکل ۱۳ آورده شده است. در شکل ۱۳ (الف)، آنتن تلفن همراه و موقعیت کابل کواکسیال RG-58 که از دماغه هواپیما تا انتهای آن کشیده و همچنین ارتباط مداری آن نشان داده شده است. آنتن تلفن همراه توسط یک آنتن دوقطبی به طول 18 سانتی‌متر مدل شده است و ولتاژ تحریک آن، $$ V_0= 1\;\text {V}$$، $$ f_\min=0.4 \;\text{GHz}، $$f_0=0.8\;\text{ GHz}$$ و $$ f_\max=1.2 \; \text{GHz}$$ در نظر گرفته شده است. ابعاد نشان‌داده‌شده در شکل ۱۳ (الف) برحسب متر و در شکل ۱۳ (ب) برحسب سانتی‌متر است. از ذکر سایر پارامترها جهت اجتناب از پیچیدگی‌ها صرف‌نظر شده است.

سازگاری الکترومغناطیسی
شکل ۱۳: (الف) آنتن تلفن همراه و موقعیت مدارها و کابل‌ها در داخل کابین هواپیما، (ب) مشخصات مدارها

پس از شبیه‌سازی‌های لازم، ولتاژ تزویج‌شده در دو سر هادی داخلی کابل کواکسیال مطابق شکل زیر است. با وجود این، اکنون می توان به‌علت قرار دادن تلفن همراه در حالت پرواز، پی برد. این امواج ناخواسته می‌توانند در عملکرد مدارهای هواپیما اختلال ایجاد کنند و حتی خطرآفرین باشند.

سازگاری الکترومغناطیسی
شکل ۱۴: ولتاژهای ناخواسته القاشده در ابتدا و انتهای هادی داخلی کابل کواکسیال

راهکارهای اصلی سازگاری الکترومغناطیسی

تا اینجا با مفاهیم اولیه تداخل الکترومغناطیسی و سازگاری الکترومغناطیسی آشنا شدیم. اما برای کاهش اثرات تداخل الکترومغناطیسی و ایجاد سازگاری الکترومغناطیسی در تجهیزات چه باید کرد؟

راهکارهای اصلی در سازگاری الکترومغناطیسی عبارت‌اند از:

  1. زمین کردن (Grounding)
  2. اتصال دادن الکتریکی (Bounding)
  3. جداسازی (Separation)
  4. متعادل‌سازی و فیلترگذاری (Balancing and Filtering)
  5. کابل‌ریزی (Cabling)
  6. حفاظ‌گذاری الکترومغناطیسی (Electromagnetic Shielding)
  7. قطعات غیرفعال (Passive Components) جهت جلوگیری از مدولاسیون داخلی غیرفعال (Passive Intermodulation) و سایر موارد
  8. حفاظت از اتصالات (Contact Protection)

این راهکارهای کلی مانند حلقه‌های زنجیر به هم متصل‌اند و اگر هرکدام از موارد به‌درستی رعایت نشود، سازگاری الکترومغناطیسی نقض خواهد شد. بررسی هر کدام از این راهکارها خارج از حوصله این آموزش است و جهت آشنایی با این موارد می‌توانید به مراجع [3] و [4] مراجعه کنید. لازم به ذکر است که سازگاری الکترومغناطیسی از مرحله اولیه طراحی تجهیز شروع و تا اتمام اجرای آن ادامه دارد.

معرفی فیلم آموزش HFSS برای شبیه سازی میدان ها و امواج

معرفی فیلم آموزش HFSS برای شبیه سازی میدان ها و امواج

امروزه بحث شبیه‌سازی و بررسی‌های اولیه نتایج حاصل از آن، به منظور امکان‌سنجی طرح، کاهش هزینه‌های مطالعاتی و همچنین صرفه‌جویی در مواد مصرفی از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است. در زمینه مهندسی مخابرات میدان، یکی از پرکاربرد‌ترین نرم‌افزارها جهت شبیه‌سازی انواع ساختارهای فرکانس بالا از قبیل فیلترها، آنتن‌ها، کوپلرها و سایر محیط‌های انتشار موج، نرم‌افزار “High Frequency Structure Simulation” یا به طور خلاصه HFSS است. این نرم‌افزار محیطی ساده و به اصطلاح کاربر پسند داشته و ابزاری مناسب و البته حرفه‌ای جهت طراحی و شبیه‌سازی ادوات مخابرات میدان برای مهندسان، محققان و دانشجویان مقاطع تحصیلات تکمیلی است.

این فیلم آموزش در مدت ۴ ساعت و ۴۵ دقیقه و در ۵ فصل تدوین شده است؛ در درس اول از این مجموعه با مفاهیم اولیه الکترومغناطیس، نظیر اصول انتشار، انواع خطوط انتقال، انواع آنتن و فیلتر و ادوات میکروویو و همچنین نمودار معروف Schmitt آشنا می‌شوید. فصل دوم، به معرفی نرم‌افزار و ویژگی‌ها آن اختصاص دارد. همچنین در فصل سوم به طور کامل با محیط نرم‌افزار و ابزار‌های آن آشنا می‌شوید.

در فصل چهارم نیز با نحوه شبیه‌سازی و روش‌های آن در نرم‌افزار مذکور به طور کامل آشنا می‌شوید. آخرین و مهم‌ترین فصل این مجموعه نیز شامل مثال‌هایی کاربردی بوده که به شبیه‌سازی ساختار‌های مختلف می‌پردازد. ادوات مخابراتی که در این مجموعه شبیه‌سازی می‌شوند عبارتند از:‌ خطوط انتقال هم‌محور، خطوط انتقال میکرواستریپ (Microstrip)، خطوط انتقال موجبری، آنتن دو قطبی، آنتن میکرواستریپ، آنتن شیپوری، فیلتر مایرواستریپ، فیلتر موجبری، کوپلر میکرواستریپ، خم موجبری. لازم به ذکر است که فایل‌های شبیه‌سازی شده به همراه ویدئو‌هایی آموزشی ارائه می‌شوند.

مراجع

مراجع این مطلب به‌شرح زیر هستند:

  1. The first 855 “Banana Skins”, 30th December 2014
  2. ABB Primary switch mode power supplies catalog, 2020
  3. C. R. Paul, Introduction to Electromagnetic Compatibility. Wiley; 2nd ed., 2006.
  4. H. W. Ott, Electromagnetic Compatibility Engineering. Wiley; 2009
  5. C. R. Paul. Analysis of Multiconductor Transmission Lines. Hoboken, NJ: Wiley, 2nd ed., 2007.
  6. A. Taflove and S. Hagness. Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method. Boston, MA: Artech House, 3rd ed., 2005.
  7. H. Bağci et al., “Fast and rigorous analysis of EMC/EMI phenomena on electrically large and complex cable-loaded structures,” IEEE Trans. Electromagn. Compat., vol. 49, no. 2, pp. 361381, May 2007.

این توسط نویسنده مهمان، جناب آقای «امین حق‌جو»، نوشته شده است.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

بر اساس رای 11 نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
شما قبلا رای داده‌اید!
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *