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LUIZ CARLOS FERREIRA AMARAL Avaliação de EMC em Veículos automotivos; Simulação e Testes CAMPINAS 2015 Universidade Estadual de Campinas Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação
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LUIZ CARLOS FERREIRA AMARAL
Avaliação de EMC em Veículos automotivos; Simulação e Testes
CAMPINAS
2015
Universidade Estadual de Campinas
Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação
CAMPINAS
2015
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Faculdade
de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade Estadual de Campinas para obtenção do título de
Mestre em Engenharia Elétrica, na área de Energia Elétrica.
. ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA TESE/DISSERTAÇÃO
DEFENDIDA PELO ALUNO LUIZ CARLOS FERREIRA AMARAL
E ORIENTADA PELO PROF. DR. JOSÉ PISSOLATO FILHO
LUIZ CARLOS FERREIRA AMARAL
Avaliação de EMC em Veículos automotivos; Simulação e Testes
Orientador: Prof. Dr. José Pissolato Filho
Co-orientador: Prof. Dr. Geraldo Peres Caixeta
COMISSÃO JULGADORA - DISSERTAÇÃO DE MESTRADO Candidato: Luiz Carlos Ferreira Amaral RA: 066420 Data da Defesa: 21 de dezembro de 2015 Título da Tese:
“Estudo sobre: Avaliação de EMC em Veículos automotivos; Simulação e Testes”
Prof. Dr. José Pissolato Filho (Presidente, FEEC/UNICAMP) Prof. Dr. José Antônio Donizete Rossi (CPQD) Prof. Dr. Leandro Tiago Manera (FEEC/UNICAMP)
A ata de defesa, com as respectivas assinaturas dos membros da Comissão
Julgadora, encontra-se no processo de vida acadêmica do
Ao meu Pai, que me fez um homem de
bem, e que ainda em um plano superior
continua iluminando minha caminhada
nesta vida.
Agradecimentos
Agradeço a DEUS pela vida, pela oportunidade de conhecer pessoas iluminadas nesta
caminhada, que me permitiram crescer como profissional e acima de tudo, como ser humano.
Ao meu orientador Professor Doutor José Pissolato Filho, pela oportunidade e
direcionamento deste estudo e, sobretudo, por sua amizade.
Ao meu Pai e minha mãe (em memória), por todo amor, dedicação, ensinamentos e
direcionamento para os melhores caminhos nesta vida.
A minha querida esposa, por todo carinho, incentivo, paciência e dedicação.
A minha amada filha Maria Eduarda, que, na sua ingenuidade e pureza, me inspira
como luz e força propulsora, para meu viver e assim buscar sempre novos desafios para
crescer.
Ao engenheiro e colega Juliano Fujioka Mologni, pela ajuda e colaboração na
operação e simulações realizadas com o Software HFSS da ANSYS
O que pensamos
“ Somos o que pensamos. Tudo o que somos surge
com nossos pensamentos. Com nossos
pensamentos, fazemos o nosso Mundo. “ (Buda)
Resumo
O bom funcionamento de um veículo depende da boa integração e interação entre todos
os sistemas eletroeletrônicos que os compõem, de modo que não haja a interferência
eletromagnética entre eles (Interferência Eletromagnética Irradiada) e também os mesmos não
sofram influência de sinais os quais são expostos no meio físico em que operam (Sensibilidade
a Imunidade irradiada) causando funcionamento não satisfatório desses no veículo. Assim,
durante a fase de desenvolvimento e validação de um veículo, as montadoras consideram, como
parte integrante do plano de desenvolvimento e validação, testes de Compatibilidade
Eletromagnética, de forma a garantir que não haja degradação das funções dos sistemas no
veículo devido às interferências eletromagnéticas internas ou externas.
As correções observadas e necessárias a serem implementadas durante o
desenvolvimento e validação do veículo se tornam tão maiores, quanto mais avançada estiver a
fase do projeto em seu cronograma e consequentemente, maiores serão os custos. Como solução
para este problema, utilizam-se algumas ferramentas de simulação para interferência
Eletromagnética com objetivo principal de otimizar custos durante a fase de desenvolvimento
e validação do veículo, além de se conseguir prever eventuais problemas de EMC, antes mesmo
da construção de protótipos utilizados para os testes. Utilizando-se softwares de Simulação
Eletromagnética, podem-se antever possíveis problemas que somente iriam ser constatados
após montagem de protótipos juntamente com a realização dos primeiros testes de
desenvolvimento e validação.
Esta dissertação de mestrado tem, como principal objetivo, apresentar a correlação entre
testes físicos realizados em veículos durante as fases de desenvolvimento e validação, dentro
de uma câmara semi-anecóica e testes simulados através software, específico para análise
eletromagnética, como (HFSS-ANSYS) para simular interferência eletromagnética, além de
identificar as variáveis relevantes a se considerar no modelo matemático do veículo para
simulação, de modo a se obter simulações mais representativas em relação aos testes físicos.
Esta dissertação baseou-se na correlação entre testes práticos realizados na câmara
semi-anecóica do INPE e testes simulados com software HFSS Ansys em um veículo
Agile-GM.
Além da comparação objetiva realizada entre resultados das simulações e teste prático,
verificou-se também através de simulações sucessivas, a influência de vários componentes do
veículo no modelo matemático durante as simulações, como também a influência do modelo
matemático como um todo, para convergência dos resultados obtidos na simulação em relação
aos resultados dos testes práticos.
No teste prático realizado na câmara semi-anecóica do INPE verificou-se duas
frequências ressonâncias, sendo a primeira em 75MHz com um campo elétrico em torno de
125V/m e uma segunda frequência de ressonância em 93MHz com campo em torno de 200V/m.
Este teste descrito foi também simulado considerando as mesmas condições do teste físico,
onde para cada nova interação durante o processo de simulação o modelo matemático foi
incrementado, e os resultados obtidos nas simulações foram convergindo mais e mais para os
valores obtidos no teste prático na câmara semi-anecóica do INPE, inclusive obtendo
ressonâncias para as mesmas frequências e nível de campo que no teste prático.
A simulação, através do Software HFSS dos testes realizados no INPE, evidenciou a
influência e dependência de todas as variáveis do sistema necessárias, a se considerar na
simulação, de modo a se obter resultados mais próximos possível dos testes práticos.
Pode-se verificar, através da comparação dos resultados obtidos entre os testes práticos
e simulados, um bom grau de representatividade e confiabilidade por parte da simulação na
qual, verificou as mesmas ressonâncias na faixa de 72e 93MHz constatado no teste prático.
Palavras-chave: Compatibilidade Eletromagnética, Simulações, Correlações
ABSTRACT
The proper functioning of vehicles depends on the successful integration and
interaction between all electronic systems that make up so that there is no electromagnetic
interference between them (Electromagnetic Interference Radiated) and also they do not suffer
influence of signals which are exposed in the middle physical in operating (Sensitivity to
radiated immunity), causing unsatisfactory operation of those in the vehicle. Thus, during the
phase of development and validation of a vehicle, automakers consider, as part of the
development plan and validation, electromagnetic compatibility tests in order to ensure there is
no degradation of system functions in the vehicle due to electromagnetic interference internal
or external.
The corrections needed to be implemented during the development and vehicle validation
become so much larger, the more advanced the stage of the project on your schedule and
consequently, the higher the costs. As a solution to this problem, and the main goal of
optimizing costs during development phase and validation of the vehicle, in addition to be able
to predict any EMC problems, even before building prototypes used for testing, are used some
tools simulation to electromagnetic interference. Using Electromagnetic Simulation software,
one can foresee possible problems that would only be observed after prototype assembly along
with the completion of the first development and validation tests.
This master’s dissertation has as main objective to present the correlation between
physical tests conducted on vehicles during the stages of development and validation within a
chamber Semi Anechoic (INPE) and simulated testing software, specific to electromagnetic
analysis as (HFSS, ANSYS ) for simulating electromagnetic interference, and identify the
variables relevant to consider the mathematical model for simulation of the vehicle, so as to
obtain more representative simulations possible with respect to physical testing.
This dissertation has as reference on the correlation between practice tests performed in
semi anechoic chamber INPE and simulated testing HFSS software in an Agile-GM vehicle.
In the objective comparison between the simulation results and practical test, there was
also through successive simulations, the influence of various components of the vehicle in the
mathematical model during the simulation, as well as the influence of the mathematical model
as a whole, for convergence of results obtained in the simulation with respect to the results of the
practical tests.
In the practical test performed in semi anechoic chamber INPE there are two resonance
frequencies, the first being at 75MHz with an electric field around 125V / m, and a second
resonance frequency to 93MHz field around 200V / m. The described test was also simulated
considering the same conditions of physical testing where for each new interaction during the
mathematical modeling simulation process was incremented, and the results obtained in the
simulations have been more and more converging to values obtained in a practical test in chamber
semi anechoic INPE including getting the same resonances and field level in the practical test.
The simulation software HFSS through the tests in INPE, shows the influence and
dependence of all the necessary system variables to be considered in the simulation, in order to
get as close as possible to the practical test results.
The influence and dependence of system variables to be consider in the simulation can
be see comparing the results of the practical tests and simulated a good degree of
representativeness and reliability by simulation in which they found through simulation,
resonances in the range of 72MHz and 93MHz, which also it was found in the practical test.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 Interferência Eletromagnética nas cidades e suas interações 24
Figura 1.2 Influência da Interferência Eletromagnética (IME) 24
Figura 1.3 Geração, transmissão e recepção de um sinal eletromagnético irradiado 25
Figura 1.4 Fontes de Poluição Eletromagnética ‘ 26
Figura 1.5 Eletrônica embarcada e sistemas elétricos de um veículo 28
Figura 1.6 Eletrônica embarcada e distribuição de chicotes em um veículo 28
Figura 1.7 Evolução da eletrônica embarcada em veículos em função do tempo 29
Figura 1.8 Processo de desenvolvimento de veículos 31
Figura 2.1 Classificação dos tipos de Interferência Eletromagnética 36
Figura 2.2 Exemplo de Emissão Conduzida 37
Figura 2.3 Exemplo de Imunidade Conduzida 38
Figura 2.4 Exemplo de Emissão Radiada 39
Figura 2.5 Exemplo de Imunidade à Irradiação 39
Figura 2.6 Custo de um projeto veicular versus fases do projeto 44
Figura 2.8.1 Veículo em teste na câmera semi-anecóica do INPE 45
Figura 2.10.0 Setup do teste de um veículo em câmera semi-anecóica 50
Figura 2.10.1 Calibração do nível de campo no interior da câmara pelo
método da substituição do Sensor 51
Figura 2.10.2 Calibração do nível de campo pelo Método de malha fechada 52
Figura 2.11 Teste de Compatibilidade Eletromagnética em câmara semi-anecóica 53
Figura 2.12 Gráfico Imunidade Eletromagnética VS. Susceptibilidade 55
Figura 3.1 Fases do Processo de Modelagem, Setup de parâmetros e
simulação de um veículo 60
Figura 3.2 Método de análise virtual "Simulação" do ambiente eletromagnético “ 62
Figura 3.3 Simulação: Veículo recebendo uma onda plana 63
Figura 3.4 Simulação: Distribuição do Campo eletromagnético no veículo 64
Figura 4.2 Geradores de sinais SML01 / SMR40 70
Figura 4.3 Amplificadores 10.000L / 2000W 71
Figura 4.4 Sensores de campo elétrico HI-4422 / HI-4455 71
Figura 4.5 Medidor de potência NRVDN 72
Figura 4.6 Sensores de potência URV5-Z2 / NRV-Z15 72
Figura 4.7 Antena bicônica 3159 no INPE 73
Figura 4.8 Veículo dentro da câmara semi-anecóica do INPE 74
Figura 4.9 Setup de teste do veículo dentro da câmara semi-anecóica do INPE 75
Figura 5.0 Campo eletromagnético aplicado no veículo –
Swap de frequência: 30 MHz-100 MHz 76
Figura 5.1 Sensor posicionado sobre o painel do veículo durante
teste em câmara semi-anecóica 77
Figura 5.1.1 Medida sobre o painel do veículo durante teste em
Câmara semi-anecóica 77
Figura 5.2 Simulação – Nível do campo elétrico gerado pela antena
bicônica 3159 dentro da câmara semi-anecóica sem nenhuma
matemática (nenhum carro) 78
Figura 5.3.0 Representação no software HFSS de um Veículo em teste
dentro de uma câmara semi-anecóica sob incidência de
uma onda plana de 70V/m 79
Figura 5.3.1 Localização do sensor de campo eletromagnético sobre o
painel do veículo 80
Figura 5.4 Medida sobre o painel do veículo durante teste na
câmara semi-anecóica 80
Figura 5.5 Simulação considerando o sensor de campo (Probe) sobre
o painel do veículo 81
Figura 6.1 Veículo Agile-GM durante de teste prático de EMC
na câmara semi-anecóica 82
Figura 6.1.1 Medida sobre o painel do veículo, durante teste em
câmara semi-anecóica 83
Figura 6.2.0 Modelo matemático do veículo “Agile” sem considerar
janelas, assoalho e bancos 83
Figura 6.2.1 Modelo veículo “ GM-Agile” sob incidência de uma onda plana 84
Figura 6.2.2 Simulação com Modelo do veículo considerando
chassi externo, faróis dianteiros, pneus e todas as
partes de polietileno sem considerar Janelas, assoalho e bancos 85
Figura 6.2.3 Simulação-Distribuição campo elétrico no veículo
considerando o chassi externo, faróis dianteiros,
pneus e todas as partes de polietileno sem janelas,
assoalho e bancos 85
Figura 6.3.0 Modelo do veículo “Agile” considerando o chassi externo,
faróis dianteiros, pneus e todas as partes de polietileno mais
assoalho e sem janelas e bancos 86
Figura 6.3.1 Simulação considerando o modelo com chassi externo,
faróis dianteiros, pneus e todas as partes de polietileno
adicionando assoalho e sem janelas sem bancos 87
Figura 6.3.2 Simulação-Distribuição de campo eletromagnético com
modelo do veículo considerando o chassi externo, faróis dianteiros,
pneus e todas as partes de polietileno adicionando assoalho e sem
considerar janelas e bancos 87
Figura 6.4.0 Modelo veículo “Agile” considerando o chassi externo,
faróis dianteiros, pneus e todas as partes de polietileno
adicionando assoalhos e bancos e sem janelas 88
Figura 6.4.1 Simulação considerando modelo matemático do veículo
completo considerando chassi externo, faróis dianteiros,
pneus e todas as partes de polietileno adicionando
(assoalhos + bancos) e sem janelas 88
Figura 6.4.2 Simulação-Distribuição do campo eletromagnético no
veículo considerando modelo matemático com chassi
externo, faróis dianteiros, pneus e todas as partes de polietileno
adicionando (assoalho mais bancos) e sem janelas 89
Figura 6.5.0 Curva do teste Simulado considerando no modelo matemático
completo com chassi externo, faróis dianteiros, pneus e todas
as partes de polietileno adicionando (assoalho + bancos + janelas) 90
Figura 6.5.1 Curva levantada no teste prático realizado na câmara
semi-anecóica do INPE 90
Figura 6.6.0 Simulação considerando modelo matemático completo
com simetria do veículo 91
Figura 6.7.0 Simulação não considerando no modelo matemático
a simetria do veículo 92
Figura 7.0 Medida de campo elétrico sobre o teto do veículo
na câmara semi-anecóica do INPE 93
Figura 7.1 Medida de campo elétrico medido sobre o teto do veículo
simulado no HFSS considerando chassi externo, faróis dianteiros,
pneus e todas as partes de polietileno mais assoalho e bancos e janelas 93
Figura 7.2 Teste prático do veículo Agile com Antena sobre o teto –
câmara semi-anecóica do INPE 94
Lista de tabelas
Tabela 2.1: Valores de campos gerados por celulares e rádios 40
Tabela 2.2: relação das normas de compatibilidade eletromagnética automotiva 47
Tabela 2.3: Classificação das Interferências Automotivas 54
Tabela 4.1: Equipamentos utilizados pelo INPE nos testes de RI 70
Lista de abreviaturas e siglas
ABNT Associação Brasileira de Normas técnicas
ABS Sistema de Frenagem Anti-bloqueio
ANSI (American National Standards Institute)
CAE Computer-Aided Engineering
CAD Computer-Aide Design
CAN Bus Controller Area Network
CE Conformité Européenne
CISPR Comité International Spécial des Perturbation Radioélectriques
ESD Descarga Eletrostática
EU União Europeia
EUT Equipamento em teste
EVSE Electric Vehicle Supply Equipment
ECE Economic Commission for Europe
EEC European Economic Community
EMC Compatibilidade Eletromagnética
EMI Interferência Eletromagnética
ESD Descarga Eletrostática
FCC Comissão Federal de Comunicação
FM Frequência Modulada
FDTD Finite Difference Time Domain
FEM Método de Elementos Finitos
FIT Técnica de Integração Finita
FCC Federal Communications Comissione
UHF Ultra alta Frequência
HV Alta Tensão
ISO Organização padronização
IEC Comissão Internacional de Eletrotécnica
IEEE Instituto Eletroeletrônico de Engenheiros
INPE Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
MLFMM Multi level Fast Multipolar Method
MoM Método dos Momentos
PWM Modulação por Largura de Pulso
RE Emissão Radiada
RF Rádio Frequência
RFI Interferência de Rádio Frequência
RI Imunidade Irradiada
RF Rádio Frequência
SAE Sociedade Automotiva de Engenheiros
VFH Frequência muito alta
VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) Taxa de Onda Estacionária
SUMÁRIO
1. Introdução 24
1.1 Eletrônica Embarcada Automotiva 27
1.2 Sistemas eletroeletrônicos de um veículo 27
1.3 Aumento da eletrônica embarcada automotiva 29
1.4 Processo de desenvolvimento de um veículo 31
2. Interferência Eletromagnética em veículos 33
2.1 Tipos de Interferência Eletromagnética 36
2.1.1 Emissão Conduzida em Veículo 37
2.1.2 Imunidade Conduzida em Veículo 38
2.1.3 Emissão Radiada em Veículo 38
2.1.4 Imunidade Irradiada em Veículo 39
2.2 Testes de compatibilidade eletromagnética (EMC) em veículos 40
2.3 Fontes Geradoras e Receptoras de IE em Veículos Automotivos 41
2.4 Geradores de Interferência Eletromagnética 41
2.5 Receptores de Interferência Eletromagnética 42
2.6 Teste de EMC Automotivo x Cronograma de Projeto 43
2.7 Análise da Compatibilidade Eletromagnética em Veículos 44
2.8 Métodos de testes de Compatibilidade Eletromagnética para Veículos 44
2.8.1 Câmara semi-anecóica: INPE-SJC – Veículo em teste 45
2.8.2 Câmara reverberante 45
2.9 Normas de Compatibilidade Eletromagnética Automotiva 46
2.10.1 A norma ISO 11451-2 48
2.11 Classificação das Interferências Automotivas 54
2.12. Eletrônica Embarcada x Suscetibilidade 55
2.13 Características de desempenho e unidades de controle 56
2.14 Minimização dos efeitos da IE em circuitos eletrônicos 56
2.15 reduzindo o Acoplamento Indutivo entre Módulos eletrônicos 57
2.16 Agências Reguladoras de EMC 58
3. Simulação Eletromagnética 60
3.1 Fases do Processo de Modelagem e Simulação de um veículo 60
3.2 Método de Simulação do Ambiente Eletromagnético Veicular 62
3.3 Simulação - Veículo recebendo uma onda plana 63
3.4 Ferramentas Computacionais 65
3.5 Técnicas Diferenciais 65
3.6 Método de Diferenças Finitas 66
3.7 Método de Elementos Finitos 66
3.8 Técnicas Integrais 67
3.9 Método dos Momentos (MOM) 67
3.10 Método de Equações¸ Integrais de Fronteira 67
3.11 Considerações 68
3.12 Adotando Software HFSS como ferramenta para Simulações 68
4. Parte experimental: Teste em câmera semi-anecóica no INPE 70
4.1 Equipamentos utilizados para testes de RI de EMC automotivo – INPE 70
4.2 Geradores 70
4.3 Amplificadores 71
4.4 Sensor de medida de campo eletromagnético 71
4.5 Medidores de Potência 72
4.6 Sensores de Potência 72
4.7 Antena bicônica 73
4.8 Teste veicular na câmara semi-anecóica do INPE 74
4.9 Setup do Teste na câmara semi-anecóica 75
5. Correlação entre testes práticos e simulados com o Software HFSS 76
5.1 Curva de medição de Campo sobre o Cluster (Painel) dentro do veículo 77
5.2 Sinal gerado pela antena bicônica 3159 Simulado no Software HFSS 78
5.3 Simulação realizada no veículo Celta 78
5.4 Resposta do Sensor Isotrópico medido sob o Cluster do veículo-Teste físico 80
5.5 Simulação do campo eletromagnético no veículo com Software HFSS 81
6. Correlação entre testes práticos e simulados com o Software HFSS 82
6.1 Teste Prático em veículo realizado na câmara semi-anecóica INPE 83
6.2 Simulação do campo eletromagnético sobre o painel do veículo
com Software HFSS, considerando modelo Matemático considerando
chassi externo, Faróis dianteiros, pneus e todas as partes de
polietileno sem considerar Janelas, assoalho e bancos 83
6.3 Simulação com Modelo Matemático considerando chassi externo,
faróis dianteiros, pneus e partes de polietileno adicionando assoalho
e sem janelas e bancos 86
6.4 Simulação com Modelo Matemático considerando o chassi externo,
faróis dianteiros, Pneus e todas as partes de polietileno adicionando
assoalho + bancos e sem janelas do Veículo 88
6.5 Simulação com Modelo Matemático considerando o chassi externo,
faróis dianteiros, Pneus e todas as partes de polietileno adicionando
assoalho + bancos e com janelas do veículo 89
6.6 Simulação considerando simetria do modelo matemático do veículo 91
6.7 Simulação não considerando simetria no modelo matemático do veículo 92
7. Sensor Isotrópico de campo colocado sobre o teto do veículo 93
8. Conclusões 95
Referências Bibliográficas 100
Apêndice A - O Espectro eletromagnético de ondas 104
Apêndice B - Antenas 105
Apêndice C - Especificação Técnica da Antena bicônica 3159 112
Apêndice D - Medições de Pico, Quase-Pico e Média 116
Apêndice E – Requisitos gerais para veículos automotores 117
23
Artigo Técnico Publicado em Congresso IMOC 2015
Amaral, Luiz Carlos Ferreira; Mologni, Juliano Fujioka, Filho, José Pissolato
The Significance of Specific Vehicle Parts on Automotive Radiated Immunity Numerical
Simulations
2015 IMOC on Behalf of the Brazilian Microwave and Optoelectronics Society (SBMO) and
the IEEE Microwave Theory and Techniques Society of the Institute of Electrical and
Electronics Engineers (IEEE MTT-S)
Resumo em Anais de Congresso
Amaral, Luiz Carlos Ferreira; Mologni, Juliano Fujioka, Filho, José Pissolato
A influência dos componentes de um veículo em uma simulação de imunidade irradiada
Congresso IMOC 2015 SBMO e IEEE MTT-S Porto de Galinhas - PE
03 A 06 de novembro de 2015- Porto de Galinhas, PE.Brasil.2015
24
1. Introdução
Com o passar dos tempos e a invenção do transistor em 1947, a eletrônica vem se
desenvolvendo a passos largos, e simultaneamente, todas as áreas que interagem com a
sociedade acompanharam esta evolução, tais como[1]:
-Medicina, Automotiva, Telecomunicações, Automação, Geração e Transmissão de Energia,
industrial
E devido a este desenvolvimento em diversas áreas, o assunto EMC (Compatibilidade
Eletromagnética) vem se tornando muito relevante. Esta relevância deve-se ao fato da
complexidade dos equipamentos e dispositivos eletrônicos que emitem sinais de interferência
eletromagnética, afetando uns aos outros, e também ficando mais suscetíveis à interferência
eletromagnética externa, conforme mostra a Figura 1.1, à interação eletromagnética entre vários
sistemas de diferentes naturezas como linhas de transmissão de energia, radio comunicação,
descargas atmosféricas, e também à poluição eletromagnética que compõe os grandes centros,
mostrada na figura 1.2, com vários tipos de sinais elétricos de diferentes tipos de comunicação
como sinal de celular, radio comunicação, transmissão de dados via antena parabólica.
Figura1.1: EMI na cidade e suas interações Figura1.2: Fontes diversas de EMI
Entende-se por Interferência Eletromagnética (EMI) a energia eletromagnética
proveniente de uma fonte intencional ou não, que afete o desempenho das funções de um
sistema eletrônico, impedindo o bom funcionamento do mesmo[2].
25
Toda Interferência Eletromagnética (EMI) segue necessariamente o modelo composto
por fonte-meio-destino, como mostrado na figura 1.3 abaixo:
Figura1.3: Modelo da geração, transmissão, recepção de sinal eletromagnético irradiado [2]
Nesse contexto, tem-se:
A. Fonte: Onde a energia é gerada
Esta energia pode ser intencional, quando a fonte tem como objetivo a emissão de sinais
eletromagnéticos, como por exemplo: Transmissores AM e FM, Televisão, Antenas de
celulares, PX/PY e comunicação de dados. A energia não intencional corresponde às fontes que
não têm o objetivo de transmitir sinais eletromagnéticos, mas acabam gerando, devido a sua
forma natural de operar, exemplo: Sistema de Ignição de um veículo, motores elétricos,
chaveamento de potência, relâmpagos.
B. Meio: é o caminho de propagação da Interferência eletromagnética e pode ser por
cabos, antenas, trilhas em placas de circuito impresso, retornos de alimentação (negativo/terra),
capacitâncias e indutâncias parasitas, presentes no sistema, como também o próprio ar[2].
C. Receptor: Equipamento ou dispositivo no qual o funcionamento é alterado, devido à
Interferência eletromagnética gerada pela fonte, conduzido ou irradiado pelo meio[2].
D. Suscetibilidade eletromagnética (SEM) - É o grau de sensibilidade de um sistema
eletrônico exposto a campos eletromagnéticos, sem que altere o seu bom funcionamento[2].
Entende-se por imunidade a característica (Robustez) de um dispositivo ou equipamento
operar sem degradação de suas funções, na presença de um distúrbio eletromagnético. A
suscetibilidade de um equipamento é a falta de proteção do dispositivo ou equipamento operar
sem degradação, na presença de um distúrbio eletromagnético; é o oposto de Imunidade.
26
E. Poluição Eletromagnética
Pode ser entendida como a influência danosa dos campos eletromagnéticos e das
radiações provenientes dos equipamentos e dispositivos elétricos e eletrônicos que fazem parte
do cotidiano da sociedade. Um dos principais contrapontos do desenvolvimento e tecnologia é
a poluição Eletromagnética[3]. A Poluição Eletromagnética, especialmente nos grandes
centros, é intensa e manifesta-se das mais variadas formas, como mostra a figura 1.4:
Aparelhagem de geração e transmissão de energia elétrica
Transmissões de Rádio e TV
Redes de transmissão de dados e Celulares
Transmissão de Rádios comunicadores
Figura 1.4: Fontes de Poluição Eletromagnética[3]
E como um dos principais elementos responsável pela radiação de campos
eletromagnéticos independente da área, tem-se o “elemento Antena. ”.
27
1.1. Eletrônica Embarcada Automotiva
É notório o aumento de sistemas eletrônicos embarcados em veículos na última década.
Sabe-se que sistemas eletroeletrônicos apresentam características de sensibilidade quanto a
campos eletromagnéticos irradiados por outras fontes como também irradiados pelos mesmos.
Desta forma, tornou-se relevante análise eletromagnética dos veículos durante as fases de
desenvolvimento e validação.
1.2. Sistemas Eletroeletrônicos de um Veículo
Quanto mais sofisticado o veículo, maior o nível de conforto e segurança que o mesmo
oferece para o usuário, maior o volume de eletrônica embarcada no mesmo, pois é através da
eletrônica que se conseguem veículos cada vez mais sofisticados e seguros. Abaixo os sistemas
eletroeletrônicos que compõem um veículo com seus respectivos componentes [4]:
a) Sistema de Carga - Composto por: Bateria, Alternador, Motor de Partida, Sensor de
Corrente, Módulos que realizam o gerenciamento de energia do veículo;
b) Sistema de Conveniência - Composto por: Módulos de Levantador de Vidros, Sensor
de chuva, travas elétricas, Sensor de luminosidade, Sensor de pressão dos pneus, Controle de
faróis; Detecção de Objetos
c) Sistema de Entretenimento - Composto por: Rádios, DVD´S;
d) Sistema de Informação: Cluster, rastreadores; Sistema eletrônico de estacionamento;
e) Sistema de Segurança - Composto por: ABS, Buzina, Air-bag, Sistema de
estabilidade, Direção elétrica, imobilizadores, alarme;
f) Sistema de Navegação: GPS - Sistema de Posicionamento Geográfico e Rastreadores;
g) Gerenciamento de Motor: Composto pela injeção eletrônica e sensores de motor;
h) Sistema de ar condicionado com controle digital e diagnóstico do veículo
28
Todos os sistemas eletrônicos citados anteriormente utilizam módulos que empregam
microprocessadores com alta frequência de operação, em alguns casos superiores a 1GHz,
vários destes sistemas também se utilizam de redes de comunicação CAN BUS [13] com baixa,
média e alta taxa de transmissão de dados pelas redes internas dos veículos, e os mesmos devem
operar sem degradação de suas funções, quando na presença de campos eletromagnéticos
internos e externos aos veículos.
Os sistemas eletrônicos estão presentes por todo o veículo e são classificados como
descrito anteriormente. A Figura 1.5 mostra um veículo com toda a eletrônica embarcada que
compõe os sistemas de um veículo juntamente com seus sensores.
Figura 1.5: Eletrônica embarcada de um veículo e seus sistemas [5]
Observa-se que o volume de eletrônica embarcada que um veículo apresenta pode variar
de acordo com a categoria do mesmo e os recursos que oferece para o usuário.
Figura 1.6: Eletrônica embarcada em veículo e distribuição de sistemas através de chicotes [5]
29
1.3 Crescimento da eletrônica embarcada automotiva
O volume de eletrônica embarcada em veículos e aviões vem aumentando com o
transcorrer do tempo, e desta maneira o nível de recursos que oferecem para os usuários. O
gráfico da Figura 1.7 mostra como o nível de eletrônica embarcada em um veículo vem
crescendo com o passar dos anos.
Muito se fala sobre o caso da proibição do uso de equipamentos eletrônicos, tais como
celulares ou laptops durante o pouso e decolagem de aeronaves comerciais, devido a
possibilidade de interferência nos sistemas de comunicação do avião, que é um dos sistemas
mais importante que compõem a eletrônica embarcada do mesmo. Um veículo pode ser
considerado muito mais crítico que um avião em termos de interferência eletromagnética, pois
o mesmo acaba sendo exposto em seu uso no dia a dia, em ambientes sujeitos a Interferências
eletromagnética muito mais severas a que o avião é exposto.
A área da eletrônica embarcada, devido ao aumento da quantidade de sensores e
componentes eletroeletrônicos, exige um estudo detalhado do ambiente eletromagnético onde
o automóvel poderá operar, sob riscos de comportamentos imprevisíveis, tais como: freios
sendo acionados abruptamente, interferência no sistema de áudio e acionamento involuntário
de cargas elétricas e interferência em sistemas de rastreamento e GPS.
Figura 1.7: Evolução da eletrônica embarcada em veículos em função do tempo[12]
Fonte: CHONG, A., 2010, p.16
30
O bom funcionamento de veículos depende da boa integração e interação entre todos os
sistemas eletroeletrônicos que compõem o veículo, de modo que não haja a interferência
eletromagnética entre eles (Interferência Eletromagnética Irradiada) e também para que não
sofram influência de sinais a que são expostos no meio físico onde operam (Sensibilidade a
Imunidade irradiada), causando funcionamento não satisfatório dos mesmos no veículo [8].
Esse conceito envolve um extenso uso de eletrônica embarcada e necessita de um profundo
estudo de EMC (Compatibilidade Eletromagnética), de forma a garantir um correto
funcionamento.
As correções necessárias devem ser implementadas durante as fases do
desenvolvimento e validação do veículo, e se tornam tão maiores, quanto mais avançada estiver
a fase do projeto em seu cronograma e consequentemente, maiores serão os custos. Observa-se
também que juntamente com a dificuldade de correção de eventuais problemas técnicos, existe
também a questão do tempo hábil para promover estas correções, de modo não impactar datas
do projeto e consequentemente o seu custo final.
Como solução para este problema, e com objetivo principal de otimizar custos durante
a fase desenvolvimento e validação do veículo, além de se conseguir prever eventuais
problemas de EMC, antes mesmo da construção de protótipos utilizados para os testes, estão
sendo utilizadas ferramentas de simulação para Interferência Eletromagnética.
Estas ferramentas são, na realidade, softwares de Simulação Eletromagnética, que
podem antever possíveis problemas que somente iriam ser constatados após montagem de
protótipos juntamente com a realização dos primeiros testes de desenvolvimento e validação.
As correlações podem mostrar o grau de confiabilidade que se pode ter, entre simulações
realizadas e testes práticos em veículos, e a influência das variáveis de cada sistema no bom
funcionamento das funções do veículo como um todo. E desta forma, minimizar ao máximo os
problemas que seriam detectados somente em testes futuros, realizados em protótipos
extremamente caros, construídos para esse propósito. Contudo, em virtude das elevadas
dimensões de automóveis e da complexidade geométrica, a tarefa deve ser executada com um
solver (software de cálculo) eletromagnético adequado, sob pena de ser necessário um longo
tempo de simulação e um computador excessivamente potente (em termos de quantidade de
memória RAM).
31
1.4. Processo de Desenvolvimento de Veículos
A estrutura do processo de desenvolvimento veicular é mostrada na Figura 1.8, em que
é sintetizado o processo pela busca da excelência nos resultados durante o desenvolvimento e
validação de um veículo, seguido na sequência por um breve descritivo de seus respectivos
passos.
Figura 1.8– Processo de desenvolvimento de veículos
Passo 1 – Requisitos e Especificações: Verifica-se se suas respectivas descrições e
métricas são consistentes e completas, e se atendem às necessidades atuais dos clientes e
cumprem com a regulamentação dos países a que se destina o produto. Uma vez que os produtos
tendem a ser vendidos globalmente, é fundamental realizar-se uma ampla pesquisa nesses
mercados, visando encontrar e definir os corretos requisitos de EMC, que nem sempre estão
claros, evitando-se perda de mercado e reengenharia no futuro
Passo 2 – Arquitetura do Sistema: A arquitetura do sistema é definida, avaliando-se os
aspectos técnicos como: performance desejada, confiabilidade e custo. Modelos matemáticos
da arquitetura são implementados em softwares comerciais de engenharia
Passo 3 – Projeto Sistema: Dividido em subsistemas e componentes, modelos
conceituais, matemáticos ou físicos são criados. Os modelos matemáticos dos sistemas são
implementados em softwares
32
Comerciais de engenharia. Neste passo, a simulação pode auxiliar, antevendo resultados
de performance, EMC e/ou elétrica dos subsistemas e componentes, provendo aos engenheiros
informações que lhes permitam criar produtos robustos que atendam aos requisitos pré-
estabelecidos no passo 1.
Passo 4 – Projeto Componente: Escolha do melhor projeto do componente possível,
baseado nas análises conceituais previamente realizadas. Neste passo, os resultados de
simulação estão disponíveis para que os engenheiros decidam pelo melhor projeto, dentre
aqueles que apresentarem o cumprimento dos requisitos associado ao menor custo.
Passo 5 – Integração do Componente e Validação: Validação do componente pelo
fornecedor através da modelagem e simulação, visando sua integração no subsistema veicular
específico. Protótipos físicos também são utilizados e os resultados são comparados com as
simulações para verificar a correlação entre os métodos.
Passo 6 – Integração do Sistema e Protótipo: Validação dos subsistemas e do sistema
pela montadora através de simulação e protótipos físicos; este último somente se necessário,
como é o caso de análises eletromagnéticas. Nesta dissertação, será dada ênfase à modelagem
e simulação eletromagnética, a partir do máximo de informações obtidas dos passos anteriores,
focando-se na validação de EMC/EMI integrada veicular. Softwares de simulação de EMC
serão utilizados para a obtenção dos resultados desejados.
Passo 7 – Validação do Projeto: Validação dos subsistemas e do sistema, segundo
requisitos pré-definidos no passo 1 pela montadora, através de testes físicos com
acompanhamento do fornecedor e/ou autoridades governamentais.
33
2. Estudo da Compatibilidade Eletromagnética
Todos os sistemas descritos no item 1.2 que compõem a parte eletroeletrônica de um
veículo[4] apresentam criticidade quanto à interferência eletromagnética, pois quase todos os
sistemas são compostos por módulos conectados aos respectivos sensores e chicotes do veículo.
Desta forma, as montadoras vêm dando uma atenção toda especial, e também atuando
fortemente quanto à questão do EMC (Compatibilidade Eletromagnética) nos veículos, estando
cada vez mais presente a eletrônica embarcada. Este assunto “EMC” vem tomando tamanha
relevância junto às montadoras de veículos, que já faz parte do plano de Desenvolvimento &
Validação dos novos veículos, custando para as montadoras valores financeiros significativos
em termos de testes e desenvolvimento de EMC.
Existem duas maneiras como os campos eletromagnéticos são acoplados nos sistemas
eletrônicos do veículo. A primeira é através das trilhas da placa de circuito impresso e a segunda
maneira é através do cabeamento interno do veículo que faz a conexão entre os módulos
eletrônicos. Ambos atuam como antenas e convertem o campo em tensão ou corrente
conduzida.
Uma vez que o processo de acoplamento é fortemente dependente da frequência da
interferência nem o cabeamento e nem o sistema eletrônico funcionarão como antenas
eficientes em frequências iguais ou abaixo de 20 MHz. Isto é devido ao seu comprimento, o
qual é relativamente curto em comparação com o comprimento de onda da interferência (uma
antena com comprimento igual a um quarto de comprimento de onda possui boa performance).
O cabeamento funciona como uma antena razoavelmente eficiente entre 20 e 200 MHz.
Correntes de magnitude de 1mA podem ser induzidas para cada volt por metro de campo
elétrico de interferência [11].
O chicote do veículo atenua as altas frequências acima de 200 MHz e, portanto, não é
mais uma antena eficiente. Mas os comprimentos das trilhas da PCB tornam-se comparáveis ao
valor de um quarto de comprimento de onda e a interferência poderia, então, ser acoplada
diretamente ao sistema eletrônico, mas felizmente os circuitos eletrônicos possuem filtros
atenuadores de altas frequências, e alguns também são blindados magneticamente por seu
encapsulamento, e assim nenhum problema geralmente ocorre[11].
34
O estudo da compatibilidade eletromagnética, na indústria automobilística, tem
aumentado sua relevância nas últimas décadas, visto que os veículos automotivos modernos
dependem cada vez mais de sistemas de controle eletrônicos sofisticados, que aumentam o
conforto do motorista e a segurança do veículo. Os testes de imunidade irradiada dos
automóveis constituem uma etapa importante no processo de desenvolvimento de um Veículo,
pois as funções dos sistemas de controle, diretamente ligadas à segurança pessoal, devem
funcionar bem, mesmo em ambientes poluídos eletromagneticamente.
Os automóveis foram os primeiros produtos de mercado submetidos a uma legislação
específica de EMC, no Reino Unido (I.E.NOBLE, 1994). Nesta oportunidade o ruído impulsivo
gerado pelo sistema de ignição possuía, originalmente, amplitude suficiente para causar
interferência em aparelhos de televisão residencial. A redução do nível de emissões irradiadas
para um nível aceitável foi diretamente proposta, usando apenas alguns elementos resistivos no
circuito de alta tensão dos sistemas de ignição, para aumentar o tempo de subida da tensão e
limitar a corrente máxima.
Cada inovação tecnológica dos sistemas eletroeletrônicos veicular tornou muito
relevante em aspectos de compatibilidade eletromagnética, sob pena de não vir a interferir no
bom funcionamento do veículo como um todo. A introdução de rádios nas décadas de 50 e 60
é um bom exemplo, pois exigiu um maior grau de supressão de ruídos do sistema de ignição,
para obter uma recepção livre de interferências, por causa da proximidade da fonte de ruído à
antena de rádio do carro.
A introdução de eletrônica discreta, na década de 70/80, trouxe a necessidade de
supressão de sinais transitórios e os sistemas de controle utilizando circuitos integrados, em
larga escala, introduzidos na década de 80, exigiram um alto nível de imunidade a campos
irradiados.
A incorporação de equipamentos eletrônicos em veículos automotores aumentou
significativamente nas últimas décadas. Tal aumento na utilização de equipamentos eletrônicos
nos veículos automotivos, muitos associados a funções de segurança, torna a EMC uma das
considerações mais importantes no projeto de sistemas elétricos veiculares. Os fenômenos de
EMC em veículos automotivos são basicamente os mesmos observados em qualquer sistema
eletroeletrônico (emissão e suscetibilidade conduzidas e irradiadas), embora o meio
eletromagnético automotivo seja bastante diferente do ambiente doméstico ou industrial.
35
Como não há conexões externas com o veículo, as interferências conduzidas são causadas
apenas pelos componentes e sistemas do mesmo; em contrapartida, tais componentes e sistemas
são os únicos afetados por tais interferências.
As emissões conduzidas são geradas pela comutação de motores elétricos e
chaveamento de bobinas e reles. Estas emissões são de natureza transitória e são conduzidas ao
longo do cabeamento automotivo, e nos terminais das fontes de tensão dos vários sistemas
Eletrônicos. Os transitórios também podem ser acoplados, indutivamente ou capacitivamente,
nos terminais de controle ou de sinal de vários sistemas. A solução adotada pelos fabricantes é
limitar a amplitude dos transitórios gerados pelos vários componentes indutivos e assegurar que
os sistemas eletrônicos tenham suficiente imunidade conduzida, mantendo-se certo nível de
sinal transitório.
As emissões irradiadas por um veículo surgem das seguintes fontes: o cabeamento
automotivo funciona como uma antena, irradiando os transitórios conduzidos; sistemas
eletrônicos que incorporam sinal lógico digital de alta velocidade, como microprocessadores e
seus componentes associados; conversores CC/CC eletrônicos, usados para controle de
velocidade de motores ou controle de luminosidade de lâmpadas[10].
Visto que a intensidade de campo elétrico destas emissões irradiadas é da ordem de V/m
ou mV/m, na maioria dos casos, o único problema provocado é interferência no rádio do
veículo. A sensibilidade do rádio e a distância entre a antena e a fonte de interferência é
praticamente a única forma de prevenir a interferência e limitar o nível das emissões irradiadas.
Os veículos automotivos estão sujeitos a um ambiente eletromagnético bastante severo
criado por vários transmissores estáticos ou móveis. Embora transmissores geralmente irradiem
com uma potência elevada (da ordem de megawatts), eles não submetem o veículo a campos
eletromagnéticos muito intensos, visto que a separação entre a antena transmissora e o
automóvel é relativamente grande. Por outro lado, transmissores móveis geralmente irradiam
níveis relativamente baixos de potência, mas podem gerar campos localizados elevados no
interior do veículo, ou mesmo em um veículo adjacente. Assim, os sistemas eletrônicos dos
veículos devem ter um alto nível de imunidade aos campos eletromagnéticos irradiados, visto
que os consumidores esperam que seus automóveis trabalhem corretamente, mesmo em
ambientes eletromagneticamente severos[10].
36
2.1 Tipos de Interferência Eletromagnética
Falar em testes de Compatibilidade eletromagnética requer falar nos conceitos de
emissão e suscetibilidade eletromagnética[12]:
Emissão: é a quantidade de energia eletromagnética gerada pelos sistemas
eletroeletrônicos, no ambiente conduzido e no espaço.
Suscetibilidade: define a capacidade de um equipamento em tolerar IEM (Interferência
Eletromagnética) presente no meio ambiente conduzido e irradiado.
Os circuitos e sistemas eletrônicos que compõem os veículos sofrem interações
eletromagnéticas entre o próprio sistema eletroeletrônico do veículo e o meio externo onde o
veículo se encontra.
As interações eletromagnéticas, sofridas pelos sistemas eletrônicos dos veículos com
meio ambiente, podem ser divididas e conceituadas como mostra a figura 2.1:
Figura 2.1: Classificação e divisões da Interferência Eletromagnética [12]
Fonte: Rybak, T., Steffka, M.,2004, pag115
Por simplificação usa-se os seguintes termos na classificação dos tipos de Interferência
eletromagnética
RE: Emissões Irradiadas
RI: Imunidade Irradiada
CE: Emissões Conduzidas
CI: Imunidade Conduzida
37
2.1.1 Emissão Conduzida em Veículo (EMI) [12]:
É quando um dispositivo “B” provoca interferência em um dispositivo “A”, como
mostrado na Figura 2.2, através do chicote do carro. Por exemplo: O ruído gerado por uma
carga indutiva como o Motor limpador para-brisa, Motor do levantador de vidro no rádio do
veículo, ruído gerado pela bomba de combustível na linha de alimentação do veículo.
Todo dispositivo ou sistema eletrônico deve ter um máximo nível de interferência
emitida de modo a não interferir em outros equipamentos bem como também não serem
sensíveis a interferências geradas por outros equipamentos.
Considerando que não existe conexão ente o veículo e uma fonte de energia externa,
interferências conduzidas, são causadas e sentidas no próprio carro.
Em geral emissões conduzidas são geradas, pela comutação de reles, motores com
escovas e outros componentes com características indutivas. Geralmente apresentam se em
forma de transientes, conduzidos através dos chicotes de alimentação e espalhando se por todo
o veículo. Estes transientes podem ter amplitudes de até 200V, e são capazes de afetar o
funcionamento de outros equipamentos presentes no veículo.
Figura 2.2: Exemplo de Emissão Conduzida [12]
38
2.1.2 Imunidade Conduzida em Veículo (EMI) [12]:
É a capacidade de um dispositivo “B” suportar as interferências geradas por um
dispositivo “A”, mostrado na figura 2.3. Por exemplo: Alguns circuitos indutivos como motores
de limpador de vidro, levantador de vidro costumam gerar ruídos e interferências na linha de
alimentação do veículo, podendo comprometer o bom funcionamento de algum Módulo ou
circuito, porém, se estes Módulos ou circuitos devem ser capazes de ser imunes a estas
perturbações, garantindo assim o bom funcionamento dos mesmos. Exemplo: Sistema de Som
do veículo, Sistema de Gerenciamento do motor e da carroceria.
Figura 2.3: Exemplo de Imunidade Conduzida [12]
2.1.3 Emissão Radiada em Veículo (EMI):
É toda interferência que algum componente ou dispositivo do veículo gera e é
transmitida para o meio ambiente. Todo componente eletroeletrônico ativo pode gerar (Irradiar)
sinal, de modo a interferir no funcionamento de outro componente, dependendo da frequência
e intensidade deste sinal, como mostrado na Figura 2.4.
Como exemplos práticos podemos destacar 3 fontes de emissões Irradiadas:
-Transientes gerados pelo veículo, durante o ciclo de ignição, ao acionar cargas como
Vidros elétricos, faróis, neste momento o chicote pode atuar como antenas irradiando
estes sinais.
-Sistemas eletrônicos, que possuem sistemas digitais de alta velocidade como
trabalhando em frequências maiores que 100 MHz, gerando harmônicos com frequências muito
39
superiores. Estes sinais são associados a emissão de banda estreita. Podendo ser irradiados
diretamente pelas placas de circuito impresso, e interconexões com chicotes.
-Controle PWM para motores, controle de luminosidade, considerando que a frequência
de chaveamento está na faixa de KHz, seus harmônicos podem gerar sinais dentro da faixa de
MHz.
Figura 2.4: Exemplo de Emissão Radiada [12]
2.1.4 Imunidade a Irradiação em Veículo (EMI) [12]:
É toda interferência recebida pelos dispositivos através do ar ambiente, como mostrado na
Figura 2.5
As interações e efeitos das interferências eletromagnéticas descritas acima podem ser
controladas e minimizadas, em cada sistema eletrônico do veículo, durante a fase do projeto e
desenvolvimento.
Figura 2.5: Exemplo de Imunidade á Irradiação [12]
40
Os veículos são por natureza elementos móveis, dessa forma estão sujeitos aos mais
diversos ambientes eletromagnéticos. Considerando os mais severos, podemos ter emissões
criadas por transmissoras de rádio, telefones celulares, antenas de micro-ondas, sistemas de
radares. Todos estes são fontes de sinais de banda estreita, e geram potências da ordem de MW
e este podem causar interferências nos sistemas eletrônicos, caso este apresente baixa
imunidade á interferência.
Na tabela da Figura 2.1 são apresentados os valores de campos gerados por celulares e
rádios e sistemas de transmissão. A intensidade do campo irradiada sobre os veículos em
circulação varia em função da proximidade do veículo em relação a fonte de irradiação em
questão.
Tabela 2.1: Valores de campos gerados por celulares e rádio
2.2 Testes de Compatibilidade Eletromagnética (EMC) em Veículos
A finalidade dos testes de compatibilidade eletromagnética é tornar o veículo
imune aos campos irradiados provenientes de fontes diversas no ambiente qual se encontra e
desta forma não prejudicar o seu bom funcionamento. Para tal durante o desenvolvimento de
um veículo precisa-se criar alguns protótipos (para testes) o qual este é colocado no interior de
uma câmara semi-anecóica, e então é submetido a uma excitação eletromagnética via antenas
e geradores de RF. Sensores posicionados dentro do carro indicam os níveis de campo elétrico
em pontos estratégicos, fornecendo ao engenheiro uma indicação do ambiente eletromagnético
dentro do veículo e assim estimar possíveis consequências e desta forma realizar as devidas
correções de forma a tornar o veículo imune quando exposto á irradiações.
Fonte Intensidade do campo
linhas de transmissão de energia 50H 10kV/m
Transmissoras de Rádio 10V/m
Transmissoras de VHF 1V/m
Transmissoras de UHF 1V/m
Aparelhos de telefonia Celular,
Radio amador, radio faixa do cidadão.
10 -100V/m
41
A estratégia de testes de compatibilidade eletromagnética durante a fase de
desenvolvimento e validação para um veículo consiste:
A- Primeiramente realizar os testes de interferência eletromagnética em cada
componente eletrônico (Módulos/sensores/chicotes) do veículo isoladamente.
B- Posteriormente aos testes de componentes, realizar o teste de interferência
eletromagnético no veículo como um todo, quando se verifica o comportamento da integração
e interação de todos os módulos eletrônicos quando exposto à interferência eletromagnética,
como também a influência dos chicotes de todo o veículo.
C- Os testes devem ser realizados e analisado componente por componente,
isoladamente sem a interação dos mesmos no veículo, e só posteriormente deve ocorrer o teste
e análise de performance do veículo como um todo, tendo todos os módulos e sensores no
veículo interagindo entre si através dos chicotes do veículo.
2.3 Fontes Geradoras e Receptoras de IE em veículos Automotivos
As montadoras automotivas possuem uma preocupação toda especial com projetos de
veículos, com relação à geração e recepção de Campos eletromagnéticos. Alguns componentes
dos sistemas eletroeletrônicos de um veículo podem ser destacados como críticos no
desenvolvimento de um projeto veicular com relação à Interferência Eletromagnética (IE),
sendo os componentes categorizados como “geradores de Campo eletromagnético” e outros
classificados como “vítimas” na recepção de Campo[14]
2.4 Geradores de Interferência Eletromagnética
Abaixo relacionado alguns componentes de um veículo que atuam como geradores de
interferência eletromagnética[14]:
a. Ignição: Devido à centelha gerada para alimentar as velas de ignição, trata-se de uma
potente fonte de irradiação eletromagnética. Todos conhecem o fenômeno da motocicleta que
passa próximo da residência e interfere em nossa TV ou rádio. Cabos de ignição
malconservados acabam atuando como eficientes antenas, transmitindo ruído gerado pelo
chaveamento das velas.
42
b. Sistemas de Transmissão de Posicionamento Global (GPS): Por exemplo, em
sistemas antirroubo via satélite, transmitindo os dados de localização desse veículo.
c. Transmissão por celular: Podem ter uma antena transmissora instalada no veículo.
d. Motores Elétricos: Nos automóveis, vêm sendo aplicados largamente em itens de
conforto aos usuários, na forma de: vidros elétricos, limpadores de para-brisa; cada motor
elétrico em operação é uma fonte potencial de ruídos eletromagnéticos. Devem ser
convenientemente aterrados e instalados para prevenção de ruídos distribuídos pela cablagem.
e. Radares: Como os anti-colisão na faixa de 70 GHz, que verificam a aproximação de
objetos frontais e quando detectam a iminência de colisão, avisam ao motorista ou, até mesmo,
atuam sobre sistema de frenagem do veículo, para evitá-la.
Todos estes dispositivos no veículo geram irradiação eletromagnética, e devem operar
dentro de um ambiente eletromagnético adequado às normas que estabelecem os requisitos
legais para geração e recepção de campos eletromagnéticos de sistemas eletrônicos.
2.5 Receptores “Vitimas “ de Interferência Eletromagnético
Assim como os componentes geradores de interferência eletromagnética, os veículos
possuem também os componentes classificados como receptores, e passivos com relação a
geração de campos para o restante do veículo e para o meio também. Veja na sequência a
descrição de componentes classificados como receptores em um veículo[14]:
a. Receptores: Sensores automotivos são componentes existentes em grande número nas
atuais arquiteturas veiculares. Alguns deles baseados na tecnologia CMOS, que por possuírem
uma alta impedância de porta, são particularmente sensíveis a descargas eletrostáticas e a ruídos
eletromagnéticos.
b. Cabos: São os chicotes elétricos do veículo, e se apresentam em grande número,
conectando os diferentes sistemas de controle do carro e também na distribuição de alimentação
e sinais entre os circuitos eletroeletrônicos. Os chicotes apresentam também alguns fenômenos
comuns, porém indesejáveis, como crosstalk (acoplamento indesejado entre cabos),
descasamento de impedância (quando o cabo não “enxerga” uma impedância em seus terminais
igual a sua impedância característica, causando reflexões e perda de energia) e mesmo o cabo
43
se comportando como uma “antena” devem ser analisados com cuidado na fase de projeto, sob
pena de inviabilizar o mesmo.
C. Centrais de controle: Os veículos atuais apresentam um número elevado de centrais
de controle, onde cada central é responsável por um sistema que compõem veículo, como:
- ECM (Engine Module Control)
- BCM (Body Module Control)
- ABS (Anti-lock Braking System)
Existem muitas outras unidades de controle em um veículo, que, quando não projetadas
adequadamente, podem sofrer interferência eletromagnética resultando ações indevidas, como
acionamento de saídas digitais, alteração da calibração do motor.
Um exemplo de um sistema que está sujeito à interferência eletromagnética é a nova
tecnologia denominada X-by-wire (ou drive by wire), onde sistemas mecânicos são substituídos
totalmente por sensores, atuadores e centrais eletrônicas, conectando-se através de cabos.
Entretanto envolvem todos os componentes do veículo que são suscetíveis “vítimas” das
interferências eletromagnéticas.
2.6 Teste de EMC Automotivo “VS.” Cronograma de Projeto
A realização de teste de Compatibilidade Eletromagnética em um veículo envolve um
extenso uso de eletrônica embarcada e necessita de um profundo estudo de EMC
(Compatibilidade Eletromagnética), de forma a garantir correto funcionamento do veículo.
É importante lembrar uma regra de ouro na área de EMC: “Os custos de correção de
erros de projeto se tornam tão maiores quanto mais avançado estiver o cronograma do mesmo
como mostrado no gráfico da Figura 2.6”[14]
44
Figura 2.6: Custo de um projeto automotivo em função de sua fase [14]
O gráfico da figura 2.6 mostra que qualquer correção necessária em função de alguma
não conformidade durante os testes de EMC, os custos e a respectiva dificuldade de correção
de eventuais erros aumentam exponencialmente, conforme a fase do projeto progride. Na
prática, essas verificações são constatadas através de medições realizadas em testes físicos,
realizados em câmara semi-anecóica e também simulações computacionais através dos modelos
matemáticos do veículo em análise.
2.7 Análise da Compatibilidade Eletromagnética em Veículos
Durante o desenvolvimento das várias fases do projeto de um veículo, o protótipo deve
ser submetido a testes preliminares de EMC, de modo a verificar se a performance do veículo
não será afetada durante o teste final de certificação do veículo.
Assim, se não houver conformidade nos resultados, de acordo com as normas pré-
estabelecidas para os testes como, por exemplo, a ISO 11451-2 [21], ainda haverá tempo hábil
para correção do projeto quanto à suscetibilidade à interferência eletromagnética, ainda durante
a fase do desenvolvimento e não quando o veículo estiver pronto ou em uma fase bem avançada
ou ainda quase pronto, o que tornaria muito mais difícil a correção em vários aspectos como:
tempo, custo, soluções técnicas.
2.8 Métodos de testes de Compatibilidade eletromagnética para veículos
Os testes de compatibilidade eletromagnética em veículos são geralmente feitos em
câmara anecóica ou semi-anecóica ou ainda em câmaras Reverberantes+, podendo ainda ser
utilizadas Células TEM, que são câmaras reverberante de pequenas dimensões para testes em
componentes individuais que compõem os veículos.
45
De maneira sintetizada, há dois métodos para avaliação prática do comportamento de
um automóvel frente a interferências, caracterizando desta maneira o nível de EMC do veículo,
em testes em acordo com normas pré-estabelecidas, como citado no item 10.
2.8.1 Câmara Semi-anecóica:
O nome é derivado de “sem eco”, à semelhança das salas isoladas acusticamente
presentes em estúdios de gravação de áudio. Câmaras semi-anecóica têm suas paredes
revestidas de material absorvedor eletromagnético, que impede que as ondas emitidas por uma
fonte se reflitam na parede e retornem para o alvo. A Figura 2.8.1 abaixo mostra um exemplo
de câmara–semi-anecóica. Uma de suas aplicações são ensaios de antenas, ou seja, verificação
de seus diagramas de irradiação[22].
Câmara semi-anecóica INPE-SJC – Veículo em teste
Figura 2.8.1: Veículo em teste na Câmera semi anecóica do INPE
2.8.2 Câmaras Reverberantes:
Estas operam com um princípio radicalmente diferente das câmaras semi-anecóica.
Possuem paredes metálicas que forçam as ondas a serem refletidas como mostrado na Figura
2.8.2. A ideia é criar um ambiente no interior da câmara que simule uma cavidade, com um
campo interno homogêneo. Câmeras reverberantes estão se tornando cada vez mais presentes
nos ensaios de EMC.
No desenvolvimento e validação de um veículo com relação à interferência
Eletromagnética (EMC), deve-se realizar primeiramente um teste de EMC para cada
componente (Módulo ou Sistema Eletrônico) individualmente do veículo, para posteriormente
realizar o teste de EMC de todo o veículo integrado.
46
De maneira simplificada, a equipe que está desenvolvendo o automóvel precisa criar um
protótipo para cada fase de projeto, o qual é colocado no interior de uma câmara semi-anecóica,
e então é submetido a uma excitação eletromagnética via antenas e geradores de RF e Sensores
posicionados dentro do carro indicam os níveis de campo elétrico em pontos estratégicos,
fornecendo ao engenheiro uma indicação e distribuição do ambiente eletromagnético e suas
consequências.
Figura 2.8.2: Exemplo de Câmara reverberante
2.9 Normas de Compatibilidade Eletromagnética Automotiva
Duas organizações têm por responsabilidade o desenvolvimento de normas para o
setor automotivo: [15][24]
1-ISSO – Organização Internacional não governamental para padronização, composta
por uma rede de Institutos de padronização nacionais de 151 países.
2-CISPR – Comitê Internacional Especial para Interferência de rádio (Special
International Committee for Radio Interference): Organização grupo não governamental
formado por comitês integrantes da Comissão Eletrotécnica Internacional – IEC Organização
Grupo não governamental formado por comitês integrantes da Comissão Eletrotécnica
Internacional–IEC
47
Na Europa, A Comissão Europeia (EC) é responsável pelo desenvolvimento da norma
em caráter governamental. A diretiva 2004/104/EC, indica normas ISSO e CISPR como
referência para testes.
Na tabela 2.2 abaixo mostra a relação de todas as normas de compatibilidade
eletromagnética automotiva internacionais bem como também suas classificações e aplicações.
Tabela 2.2: relação das normas de compatibilidade eletromagnética automotiva e aplicações
Nos Estados Unidos, a Sociedade de Engenharia Automotiva – SAE (Society of
Automotive Engineers) tem a responsabilidade sobre as normas do setor automotivo.
No Brasil, a ABNT através do Grupo de trabalho Interferência Eletromagnética Comitê
Automotivo e a Comissão de Estudo em Eletrônica, é responsável pelas normas no setor
automotivo. (Pires 2008, p.25). As principais normas utilizadas atualmente para testes de
compatibilidade eletromagnética em veículos automotores são:
-ISO 11451-2 [21]
-ISO 11452 [20]
Estas normas, juntas, cobrem os seguintes pontos referentes à EMC
Normas Internacionais
Teste Norma Aplicação
CE ISO7637 Módulos
RE
SAE J551 Veículo Completo
CISPR25 Módulos
CISPR12 Veículo Completo
CI SAE J1113 Módulos
RI
SAE J551 Veículo Completo
SAE J1113 Módulos
ISO11451 Veículo Completo
ISO11452 Módulos
ESD ISO 10605 Módulos
SAE J1113 Módulos
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Características de distúrbios de rádio frequência para a proteção de receptores
embarcados em veículos, embarcações e dispositivos – Limites e métodos de medição.
-Características de distúrbios de rádio frequência para a proteção de receptores.
-Embarcados em veículos automotores, embarcações e dispositivos.
Estas Normas são desenvolvidas de modo a proteger receptores de distúrbios produzidos
por emissões radiadas e conduzidas que têm origem em um veículo. Os testes de
compatibilidade eletromagnética devem ser realizados, tendo como referência normas
específicas para testes, sendo que cada montadora de veículos possui as suas, mas todas devem
ter como objetivo único a perfeita qualidade e funcionamento do veículo quanto à
compatibilidade eletromagnética. Cabe ressaltar que, comumente, essas normas das montadoras
acabam se assemelhando muito entre si, pois todas são derivadas daquelas contidas na
Internacional Organization Standardization (ISO 11451-2 e ISO11452).
A norma ISO 11452 apresenta uma metodologia para ensaios de suscetibilidade
eletromagnética a serem realizados em componentes eletroeletrônicos separadamente. Estes
ensaios são largamente utilizados pelos fornecedores dos equipamentos, devido ao menor custo,
e ao fato de um mesmo dispositivo poder ser utilizado por vários veículos de diferentes marcas,
tornando inviáveis os ensaios completos por parte das montadoras.
Já a norma ISO 11451-2 apresenta uma metodologia a ser aplicada aos ensaios de
Suscetibilidade no veículo completo, sendo de grande influência nos ensaios realizados pelos
fabricantes e projetistas de veículos. Importante destacar que a norma ISO 11451-2/11452 não
tem a intenção de funcionar como critério de especificação de veículos, sendo apresentados
limites de sensibilidade mínimos para aprovação ou reprova
2.10.1 A norma ISO 11451-2 é dividida em 4 partes[20]:
a. Conceitos gerais e definições;
b. Radiações por fontes externas;
c. Simulações de transmissores internos;
d. Injeção de corrente nos cabos;
49
A primeira parte da ISO 11451-2 apresenta conceitos gerais e detalhes práticos que estão
presentes nas demais partes da norma, tais como:
• A temperatura ambiente estipulada para os ensaios é de 23 ± 5 0C;
• A exposição do veículo para cada frequência deverá ser de no mínimo 1s
• A variação da frequência deve ser feita conforme steps mostrado abaixo
Faixa de frequência de realização de testes de acordo com a ISO 11451-2
A segunda parte da ISO 11451-2 apresenta os padrões a serem seguidos para a
realização dos ensaios de suscetibilidade. Esses ensaios consistem em utilizar antenas de rádio
frequência ou linhas de transmissão para produzirem campos eletromagnéticos de alta
intensidade, na faixa de frequência especificada, a fim de avaliar o comportamento dos
componentes dos veículos.
Para realizar tais medições, é necessário que se trabalhe em um ambiente
eletromagnético “Limpo, ou seja, sem a presença de sinais externos ou obstáculos que interajam
com os equipamentos da medição. Para garantir tais condições, geralmente são utilizadas
câmaras semi-anecóica blindadas, sendo que o formato e o tamanho dessas câmaras podem
variar consideravelmente.
O tamanho mínimo é determinado, levando-se em conta o espaço requerido pelo ensaio,
o tamanho dos irradiadores (antenas ou linhas de transmissão) e as características dos
absorvedores. O objetivo é eliminar os efeitos proporcionados por campos indesejáveis no
ensaio, reduzindo a energia refletida nas paredes absorventes em pelo menos -10 dB.
50
A Figura 2.10.0 mostra o Setup de um teste de EMC de um veículo em uma
câmara semi-anecóica, onde são discriminados na sequência os elementos que compõem o
Setup como:
1- Antena
2-Isoladores
3-Veículo sobre um dinamômetro em um suporte giratório
4-Sala climatizada com amplificadores de potência das antenas
5-Sala de Controle de teste (Gaiola de Faraday)
6-Revestimento da câmara absorvedora de RF
Figura 2.10.0: Setup do teste de um veículo em câmara semi-anecóica [21]
Existem diversas maneiras de realizar os ensaios de suscetibilidade, porém, algumas
restrições devem ser levadas em consideração como:
1-Os elementos irradiadores das antenas devem estar, no mínimo, 0,5m dos
absorvedores e a 1,5 metros das paredes condutoras;
2-O centro da antena deve estar pelo menos 2 m do ponto de referência que, tipicamente,
é localizado entre o eixo dianteiro e o habitáculo do Veículo podendo variar entre modelos;
51
3-Nenhuma parte da antena deve estar a menos de 0,25 m do piso condutor;
4-O material absorvente não deve ser colocado na rota da antena do veículo em teste;
A norma ISO 11451-2 apresenta duas maneiras distintas de monitorar os ensaios, sendo
a mais simples delas através do método da substituição, como pode ser visto na Figura 10.2
que ilustra o método da substituição.
Onde o método de substituição consiste em garantir que o nível de campo
elétrico previamente ajustado para se ter no interior da câmara, sem a presença do veículo, seja
realmente o valor irradiado pela antena no interior da câmara quando na presença do mesmo.
Para tal realiza-se o ensaio como mostra a Figura 2.10.1, onde são colocados 4 sensores em
alturas diferentes dentro da câmara, e levanta-se a curva de campo elétrico ajustado no gerador
versus valor real irradiado pela antena dentro da câmara e medido pelos sensores.
Figura 2.10.1: Calibração do nível de campo no interior da câmara pelo método da substituição
52
Uma outra maneira de se monitorar os ensaios de Compatibilidade Eletromagnética é
através do método de controle por malha fechada, como mostra a figura 2.10.2 abaixo.
Figura 2.10.2: Método controle por malha fechada
O conceito desse método consiste em manter constante a potência entregue pelo
gerador; tal procedimento pode ser utilizado, desde que a variação da taxa de onda estacionária
(VSWR) durante o teste não seja maior que 1.20 quando comparada com a VSWR do teste sem
o veículo.
O nível de campo eletromagnético no interior da câmara semi-anecóica pode ser medido
através de um ponto de referência, utilizando-se um medidor isotrópico ou através de uma Linha
vertical de referência (quatro medidores em alturas variadas). Caso o método de substituição
não possa ser aplicado, deve-se utilizar o Método de malha fechada.
Nesse caso, o campo no interior da câmara é monitorado por medidores isotrópicos (em
geral dois medidores são suficientes), cujas medições são enviadas para um sistema de
gerenciamento (Computador) onde são comparados com o medidor da potência irradiado pela
antena e também com o Set Point (Potencia referência ajustada) e após comparação, atuando e
controlando o gerador de modo a garantir a potência irradiada pela antena seja igual a potência
ajustada como referência assim minimizar as variações nos níveis de campo.
Baseados nas normas descritas anteriormente, os fabricantes de veículos desenvolvem
suas próprias metodologias para a realização de ensaios. Esses ensaios são geralmente
realizados em câmaras semi-anecóica de grande porte, conforme ilustrado na Figura 2.11.
53
Figura 2.11: Teste de Compatibilidade Eletromagnética em câmara semi-anecóica
O uso de câmaras semi-anecóica grandes deve-se, em parte, à distância utilizada entre
a antena e o veículo (tipicamente 3m). Essa distância se baseia em experiências práticas, não
sendo encontrado nenhum estudo aprofundado sobre o assunto. A redução da distância entre a
antena e o veículo proporcionaria a redução nas dimensões da câmara e consequentemente, um
menor custo de construção do ambiente necessário para o ensaio.
No Brasil, existem instituições que prestam serviço no aluguel de câmaras semi-
anecóica, e também de realização destes testes e medições como o Instituto Nacional de
Pesquisas Espaciais (INPE), localizado na cidade de São José dos Campos – SP[34]
Em virtude do alto custo de instalação das câmaras e dos sofisticados
equipamentos que as constituem, a fase de medidas e testes em veículos em geral apresenta
custo elevado, devendo ser otimizada da melhor forma, para aproveitar ao máximo o tempo de
permanência do veículo sob medida.
Nos dias de hoje, quando se fala em otimização em testes de Compatibilidade
Eletromagnética em veículos em câmaras semi-anecóica, associa-se o procedimento a
ferramentas de Simulação Eletromagnética.
54
2.11 CLASSIFICAÇÃO DAS INTERFERÊNCIAS AUTOMOTIVAS
As principais interferências automotivas são descritas de acordo com a Tabela abaixo, na qual
também estão indicadas as causas e fontes mais comuns das respectivas interferências.
Classificação Causas Fontes
Emissão Conduzida
- CE -
Sinais transientes ou contínuos,
que são emitidos pelas fontes e
conduzidos através dos cabos e
interferem com os sistemas
eletrônicos embarcados.
Alternadores, sistema de
ignição micro controladores,
motores elétricos, sistema
PWM, etc.
Emissão Irradiada
- RE -
Energia EM irradiada do
veículo (ou componentes) para
o espaço livre que interfere nos
sistemas externos, como rádio,
TVs, radares, etc., ou nos
componentes embarcados do
veículo.
Cabeamento, sistema de vela de
ignição, micro controladores,
etc.
Imunidade à Condução
- CI -
Sinais transientes ou contínuos,
que são recebidos pelos
sistemas eletrônicos
embarcados por condução
através dos cabos.
Alternadores, sistema de
ignição, micro controladores,
motores elétricos, sistema
PWM, etc.
Imunidade à Radiação
- RI -
Energia EM irradiada de fontes
externas que perturbam o
sistema eletrônico embarcado
do veículo.
Radar, sistemas de transmissão
e comunicação, celulares.
Descarga Eletrostática
- ESD -
Transferências de cargas entre
diferentes potenciais que
influenciam na funcionalidade
da eletrônica embarcada.
Ocorrem durante o manuseio,
montagem e manutenção de
componentes eletrônicos ou
pelos conjuntos rotativos do
veículo.
Cintos, conjuntos rotativos,
bombas de combustível, corpo
humano, raios, etc.
Tabela 2.3: Classificação das Interferências Automotivas
55
2.12 Eletrônica embarcada VS. Suscetibilidade Eletromagnética
Com a demanda progressiva por veículos confortáveis, seguros e inteligentes, e que
apresentem alta performance para o bem-estar do usuário, se faz necessário o aumento do
emprego da eletrônica e com isto o aumento da demanda por processadores com desempenho
cada vez mais complexos, originando-se assim o desenvolvimento de unidades de comando
mais sofisticadas.
Porém, na mesma proporção, verifica-se que estes sistemas se tornam mais
suscetíveis aos campos eletromagnéticos, sendo este um dos principais motivos do hardware
interno dos módulos serem desenvolvidos de modo a aumentar a robustez destes componentes
com relação ao EMC, pois estes módulos apresentam placas de circuito impresso com alta
densidade de integração de componentes eletrônicos.
O gráfico da Figura 2.12, mostra que na medida que a imunidade eletromagnética do
sistema aumenta a sua susceptibilidade diminui também, porém de forma não linear.
Figura 2.12: Gráfico: Susceptibilidade Vs. Imunidade de Sistemas Eletrônicos automotivos
Com o alto número de componentes nas placas de circuito impresso, gera-se a
necessidade de muitas trilhas que são implementadas em camadas da placa de circuito impresso.
Elas funcionam, em último caso, como antenas captadoras de campos eletromagnéticos.
56
2.13 Características de desempenho das Unidades de Controle no veículo
Algumas das características que afetam negativamente o desempenho das unidades de
controle (Módulos Eletrônicos) em relação à EMI nos veículos são:
A-Redução da amplitude dos níveis lógicos dos circuitos[22].
B- Para maior velocidade de processamento, o padrão TTL foi substituído pelo C-
MOS.A menor distância entre o valor Máximo e o mínimo do nível lógico torna o sistema mais
veloz, entretanto mais suscetível a ruídos [22].
C-Aumento das frequências dos processadores ou dos sinais dos periféricos. Esta
alteração gera maior acoplamento em altas frequências, que nada mais é que a transferência de
energia eletromagnética de um componente a outro, minimizando o efeito a IEM [22].
2.14 Minimização dos efeitos da interferência eletromagnética em circuitos eletrônicos
que compõem o veículo:
Seguem, abaixo, algumas formas de minimizar os efeitos das interferências
eletromagnéticas em circuitos elétricos e eletrônicos que compõem o veículo[22]:
1-Usar o conceito de sinais em modo diferencial com uma linha de alta impedância;
2-Utilizar um capacitor shunt conectado entre as duas linhas do modo diferencial;
3-Para sinais em modo diferencial com uma linha de baixa impedância, utilizar um
indutor em série, em cada linha do modo diferencial;
4-Para sinais em modo comum com uma linha de alta impedância, utilizar um capacitor
shunt conectado em cada uma das linhas para o aterramento;
5-Para sinais em modo comum, com uma linha de baixa impedância, utilizar um indutor
em série em cada linha do modo diferencial;
57
2.15. Otimização do acoplamento Indutivo entre os circuitos eletrônicos de um veículo,
para minimização dos efeitos da Interferência Eletromagnética
O efeito acoplamento Indutivo entre os circuitos eletrônicos que compõem um veículo,
é muito prejudicial quando estiver sob interferência eletromagnética, podendo comprometer o
bom funcionamento dos mesmos, para tanto utilizam-se algumas técnicas com o intuito de
minimizar este efeito como as enumeradas abaixo[22]:
1- Utilizar par trançado nos condutores elétricos, para prevenir que campos de baixa e
alta frequência se acoplem em áreas definidas do sistema;
2-Utilizar blindagem nos condutores, para evitar interferências elevadas em regiões
definidas do veículo;
3-Utilizar blindagem completa no sistema (Placas metálicas ao redor de unidades de
controle e seus condutores), para evitar os efeitos causados pela condução de ruídos gerados
pelo motor de partida ou ventiladores de refrigeração em sistemas sensíveis;
4-Utilizar cabo exclusivo, conectado diretamente à bateria, para evitar efeitos causados
pela indução de ruído gerado por válvulas e atuadores sensíveis;
5-Separar os cabos dos atuadores utilizados em sensores e protocolos de comunicação,
para evitar os efeitos causados pela indução de ruídos gerados por válvulas e outros atuadores
em sinais de sensores;
6-Ratear os cabos dos sensores próximos aos condutores de aterramento
Existem algumas normas - padrão para testes de EMC em veículos, sendo que cada
montadora de veículo possui as suas próprias normas específicas, de certa forma, derivadas das
normas padronizadas. Os limites e procedimentos de ensaio especificados destinam-se a prover
controle apropriado de emissões radiadas de veículos, bem como emissões radiadas e
conduzidas nos módulos com características de curta e de longa duração.
58
2.16 Agências Reguladoras de Compatibilidade Eletromagnética (EMC)
Engenheiros de todo mundo gostariam de testar seus produtos, apenas uma vez, com
relação a compatibilidade eletromagnética, utilizando um único conjunto de normas e
colocando um único selo sobre os produtos, que lhes permitiriam ser vendidos em todo o
mundo. Infelizmente, essa aspiração não vai se tornar realidade a curto ou médio prazo. Ao
contrário, esse procedimento está se tornando ainda mais complexo, à medida que as empresas
buscam novas oportunidades de vendas globais em diversos países. Os desafios nem sempre
são técnicos e, cada vez mais, são aumentados pelas agências reguladoras em escritórios de
governos, para os quais os produtos são destinados a muitos fusos horários de distância do
fabricante. Sobre tal aspecto, cada país ou região mantém o seu direito de determinar [25]:
1-Se EMC é um aspecto de cumprimento obrigatório que deve ser concluído antes de
colocar produtos no mercado;
2-A identificação da entidade que terá jurisdição sobre a regulação de EMC;
3-Determinação dos requisitos técnicos que devem ser cumpridos - se apenas as
emissões (EMI), ou ambas as emissões e imunidade (EMC);
4-Identificação dos padrões exigidos;
5-Procedimentos de conformidade e arquivamentos;
6-Determinação de quais relatórios de ensaios serão aceitos;
7-Especificação de quaisquer selos (permissão de venda) que devem ser aplicados;
A primeira tarefa é identificar os países nos quais os produtos serão comercializados, e
então determinar os requisitos de conformidade EMC (se houver) e que devem ser atendidos.
Países ou regiões que regulam EMC de produtos normalmente empregam um ou mais dos três
procedimentos abaixo, para determinar a conformidade com os requisitos nacionais ou
regionais, e o processo em particular pode depender do tipo de produto [25].
59
Verificação - o produto é testado de acordo com a norma de EMC requerida e levado ao
mercado, tendo os selos regulatórios adequados e/ou declarações de verificação sob
responsabilidade do fabricante ou importador.
Declaração de Conformidade - o fabricante ou responsável declara a conformidade do
produto de acordo com as normas pertinentes. Algumas jurisdições exigem testes em
laboratórios credenciados, como dos USA, enquanto outros não o fazem. O produto pode,
então, precisar ser registrado com o regulador de EMC (Austrália, por exemplo) ou não (EUA,
por exemplo). O selo regulatório e informações ao usuário são parte do processo.
Certificação - o relatório de ensaio de um laboratório credenciado ou reconhecido,
juntamente com outras informações técnicas sobre o produto, é apresentado a um terceiro
independente para verificação frente aos requisitos. Se o produto está de acordo, é certificado
e numerado pelo regulador. O produto pode então ostentar o selo da certificadora.
No Brasil, o Conselho Nacional de Trânsito (CONTRAN [30]) é o órgão máximo
normativo, consultivo e coordenador da política nacional de trânsito, que determina as normas
de EMC a serem cumpridas, exigindo um registro de aprovação do veículo por parte dos
fabricantes. Os fabricantes se auto certificam e informam no processo de registro a aprovação
do veículo, de acordo com as normas estabelecidas. Produtos de rádio e telecomunicações são
certificados e homologados (uma aprovação administrativa) pela Agência Nacional de
Telecomunicações (ANATEL[31]) e EMC é um requisito para aprovação. Ambas as emissões
e imunidade são necessárias para equipamentos de telecomunicações, onde as normas de
referência são IEC.
Utilizando-se softwares de Simulação eletromagnética, podem-se antever possíveis
problemas que somente iriam ser constatados após montagem de protótipos juntamente com a
realização dos primeiros testes de desenvolvimento e validação. As correções observadas e
necessárias de serem implementadas durante o desenvolvimento e validação do veículo se
tornam tão maiores quanto mais avançada estiver a fase do projeto em seu cronograma, e
consequentemente maiores serão os custos. Como solução para este problema, e com objetivo
principal de otimizar custos durante a fase desenvolvimento e validação do veículo, além de se
conseguir prever eventuais problemas de EMC, antes mesmo da construção de protótipos
utilizados para os testes, utilizam-se algumas ferramentas de simulação para interferência
Eletromagnética.
60
3. Simulação Eletromagnética
3.1 Fases do Processo de Modelagem e Simulação de um veículo
A Figura 3.1mostra de modo simplificado todas as etapas a serem cumpridas para
realizar a simulação de um veículo, desde a preparação do modelo, configuração dos parâmetros
de simulação até os resultados simulados.
Figura 3.1: Fases do Processo Modelagem, Setup de parâmetros e Simulação em veículo[24]
A-Preparação do Modelo
O automóvel é criado num ambiente virtual, conhecido globalmente como um ambiente
constituído de softwares CAD (Computer Aided Design), onde ele é detalhado num ambiente
3D desde suas partes mecânicas como (chassis, carrocerias, motor, acabamento, chicote) até o
posicionamento dos módulos e sensores eletroeletrônicas dentro do veículo.
Esse modelo virtual é “importado” dentro de um software específico de análise do tipo
CAE (Computer Aided Engineering), onde ele é transformado num modelo matemático
chamado de Modelo de Elementos Finitos[24].
61
B-Parâmetros de Simulação
Nesta etapa da simulação, é possível determinar as condições de contorno às quais o
modelo será submetido, como: frequência e amplitude do campo eletromagnético, entre outras.
Finalmente, isso resultará num “mapa” 3D, onde é possível verificar as frequências e as
respectivas amplitudes do campo magnético/elétrico em qualquer posição do veículo, inclusive
nos componentes elétricos e desta maneira, durante a fase de desenvolvimento, alterar rotas de
chicotes bem como também reposicionar módulos eletrônicos dentro do veículo, em localidades
menos agressivas, de acordo com o mapa de campo eletromagnético levantado do veículo
através das simulações[24].
Depois de configurar a representação geométrica da estrutura real de veículos e antenas
no ambiente do software de simulação, pode-se dar início aos passos para obtenção dos
resultados finais.
C-Resultados
Nesta etapa ocorre a discretização do espaço real, ou seja, a configuração da malha, que
é um processo automatizado em grande parte dos softwares comerciais modernos, no qual se
inclui o HFSS da ANSYS. Apesar do elevado grau de automação, a malha definida pelo
software pode precisar ser verificada ou modificada manualmente, como em regiões de portas
de excitação ou em partes do modelo com muitos detalhes, em que se faz necessário um
refinamento maior do volume para se obter uma melhor confiabilidade dos resultados.
Na sequencia o software cria as matrizes do sistema modelado, baseado nas informações
geométricas da malha e no método de cálculo escolhido, para a resolução das equações de
Maxwell [2]. Depois que todas as matrizes requeridas forem criadas e o sistema matricial for
montado, o terceiro passo é iniciado, ou seja, a solução do sistema algébrico finito [36] Dentro
do contexto definido para essa dissertação, as grandezas a serem calculadas são basicamente a
do campo elétrico E (V/m), para o ponto de prova definido no interior do veículo, de acordo
com o procedimento de teste de EMC realizado no INPE[34], e o parâmetro S para as antenas
bicônica que foram modeladas e utilizadas nas simulações. Ambas as grandezas foram
calculadas ao longo da faixa de frequências correspondente a cada teste, de modo a evidenciar
a correlação entre simulações e medições[24].
62
3.2 Método de simulação do ambiente eletromagnético veicular
Uma ferramenta de apoio ao projeto e análise da compatibilidade em veículos é a
simulação eletromagnética, na qual as Equações de Maxwell básicas do eletromagnetismo são
resolvidas numericamente em um computador. Contudo, em virtude das elevadas dimensões de
automóveis e da complexidade geométrica, a tarefa deve ser executada com um solver (software
de cálculo) eletromagnético adequado, sob pena de ser necessário um longo tempo de simulação
e um computador excessivamente potente (em termos de quantidade de memória RAM). Entre
os diferentes métodos de solução numérica de problemas desse porte, destaca-se a solução no
domínio tempo, onde as equações eletromagnéticas são resolvidas em passos de tempo muito
pequenos e finalmente fornecem a solução final.
Finalmente, isso resultará num “mapa” 3D, onde é possível verificar a amplitude do
campo magnético/elétrico em qualquer posição do veículo, inclusive nos componentes
elétricos, como mostra a figura 3.2 abaixo:
Figura 3.2: Método de análise virtual "simulação" do ambiente eletromagnético [14]
63
3.3 Exemplo de simulação de um automóvel realizado no domínio tempo[14]
Neste caso, o modelo de um automóvel completo é importado no formato
denominado STL. Este padrão de CAD descreve uma estrutura tridimensional com o uso de
triângulos. Após a importação do modelo do veículo, o setup de simulação é informado ao
software, onde as condições eletromagnéticas do ensaio são informadas, tais como forma de
excitação, nível de campo desejado e frequência do sinal de interesse.
Posto isso, o automóvel é simulado estando sobre um plano metálico em campo aberto.
A forma de excitação é de uma onda plana, conforme a Figura 3.3 ilustra. Esta onda plana
representa uma situação real, uma onda cujo transmissor estaria distante, tal como um
transmissor de rádio ou então de celular. Ela possui um espectro que vai de DC a 2.5 GHz,
cobrindo assim faixas comuns que poderiam causar interferências no automóvel, como rádios,
TV, linhas de transmissão de energia, celular e WiFi. Setup de simulação: o modelo do
automóvel é excitado por uma onda plana.
Figura 3.3: Simulação - Veículo recebendo uma onda plana [13]
O objetivo, com esta simulação computacional, é obter a distribuição de campo dentro
do automóvel para que seja possível avaliar quais frequências são mais perigosas, além de
definir quais áreas do veículo seriam submetidas aos mais altos valores de campo –
denominados “pontos quentes (hot spots). ”O exemplo de simulação completa citado no item
3.2 requereu 1 hora e 10 minutos em um computador com 2 Gbytes de RAM.
Como exemplo de resultado possível de ser visualizado na Figura 3.4, podemos ver o
campo elétrico resultante em um plano de corte que passa próximo do motorista, nas
frequências de 900 MHz (faixa de celular) e 2,45 GHz (WiFi).
64
Observa-se que existem algumas áreas internas onde o campo é mais intenso. Seriam
posições que o projetista analisaria com mais cuidado, no sentido de evitar o posicionamento
de algum sensor/atuador mais sensível.
A Figura 3.4 apresenta um resultado semelhantemente interessante, para a frequência
de100 MHz (faixa de FM), onde é possível visualizar que exatamente nesta frequência existe
uma área de alta intensidade de campo junto ao banco do motorista, igualmente se verificou-se
nas frequências de 900 MHz (faixa de celular) e 2,45 GHz (WiFi).
Figura 3.4: Simulação - Distribuição do campo eletromagnético no veículo [14]
A análise detalhada do ambiente eletromagnético em veículos se torna mais e mais
necessária. Juntamente com técnicas de medida de laboratório, simulações computacionais
auxiliam na correta avaliação do ambiente eletromagnético. Estas simulações, se
adequadamente realizadas, apresentam a vantagem de serem mais baratas e rápidas do que
longas e dispendiosas medidas em câmaras eletromagnéticas.
65
3.4 Ferramentas Computacionais
Como apresentado anteriormente, os fenômenos eletromagnéticos presentes nos ensaios
de suscetibilidade são governados pela equação de onda generalizada que é obtida diretamente
das equações de Maxwell [2].
A equação de onda generalizada é uma equação diferencial parcial de segunda ordem,
cuja solução analítica só é possível para problemas de geometrias simples que apresentam
alguma simetria. Até a década de 60, a modelagem Eletromagnética era feita basicamente
utilizando ferramentas analíticas e algumas vezes com o auxílio de calculadoras mecânicas.
Posteriormente, com o avanço dos computadores e linguagens de programação,
foram sendo desenvolvidas rotinas computacionais para a solução dos problemas
eletromagnéticos. Atualmente, várias são as técnicas numéricas capazes de solucionar
problemas eletromagnéticos. Essas técnicas podem ser divididas em dois grupos principais:
1-Técnicas aplicadas às equações na forma diferencial e
2-Técnicas obtidas através da modelagem dos fenômenos a partir de equações integrais.
Existem alguns Softwares dedicados a realizar simulações e análise de distribuição
eletromagnética; estes por sua vez podem adotar diferentes técnicas matemáticas para realizar
a análise dos modelos matemáticos dos veículos.
A seguir, estão descritas algumas técnicas que podem ser adotadas pelo Software, para
análise e resolução das equações de Maxwell em análise do modelo matemático do veículo.
3.5 Técnicas Diferenciais
As técnicas numéricas diferenciais, ou métodos de domínio, são técnicas muito
utilizadas na solução de problemas fechados, por apresentarem uma formulação simples mesmo
para problemas compostos por materiais heterógenos, não-lineares ou anisotrópicos. Para a
solução de problemas abertos, é necessário que o domínio seja limitado por uma fronteira
fictícia onde é imposta uma Condição de Contorno Absorvente (ABC) ou uma camada de
material perfeitamente casado (PML). Como principais representantes dos métodos de domínio,
pode-se destacar o método de diferenças finitas e o método de elementos finitos.
66
3.6 Método de Diferenças Finitas
O método de diferenças finitas (FDM) tem sido aplicado na solução de várias equações
diferenciais parciais, dentre elas, as que governam os problemas eletromagnéticos de irradiação
e espalhamento. O Método de diferenças finitas é, talvez, a técnica mais antiga aplicada à
solução de equações diferenciais parciais sendo muito utilizado ainda nos dias atuais.
O FDM é de fácil implementação computacional, sendo capaz de tratar problemas não-
lineares e anisotrópicos, entretanto, para representar geometrias Irregulares é necessária uma
estrutura computacional mais complexa. Por este motivo, o FDM não foi adotado para modelar
problemas apresentados neste trabalho.
3.7 Método de Elementos Finitos
O método de Elementos Finitos (FEM) constitui um método numérico poderoso para a
solução de equações diferenciais parciais. Esse método surgiu com o intuito de resolver
problemas da mecânica de estruturas, sendo rapidamente aplicado em várias outras áreas.
A principal vantagem deste método ante os demais, como, por exemplo, O Método de
Diferenças Finitas (FDM), é o fato de que os elementos utilizados pelo FEM na discretização
do domínio permitem uma melhor representação da geometria do problema, principalmente
quando esse é composto de vários materiais diferentes, cuja interface de separação entre os
meios não seja suave.
A ideia básica do método de elementos finitos consiste em subdividir o domínio do
problema em vários pequenos subdomínios (elementos), em que a variável de interesse é
aproximada por funções de interpolação conhecidas.
O problema, originalmente expresso por uma equação diferencial parcial, é
transformado em um sistema de equações algébricas, no qual a matriz dos coeficientes é
esparsa, podendo, em alguns casos, ser simétrica e positivamente definida.
67
3.8 Técnicas integrais
As técnicas integrais foram criadas para solucionarem problemas físicos a partir de uma
modelagem em termos de equações integrais. Esses métodos são muito utilizados na solução
de problemas de irradiação e modelagem de antenas, por tratarem de maneira eficiente os
problemas abertos, sendo a condição de radiação incorporada naturalmente.
Além disto, tais métodos necessitam apenas sincretizar as superfícies de separação dos
objetos, reduzindo assim o problema em uma dimensão. Entretanto, a formulação através de
equações integrais é mais complexa do que as desenvolvidas para as técnicas diferenciais,
fazendo com que estes métodos sejam aplicados basicamente a problemas lineares homogêneos
e isotrópicos. Dentre as técnicas integrais, pode-se destacar o Método dos Momentos (MOM)
e o Método de Equações Integrais de Fronteira (BEM).
3.9 Método dos Momentos (MOM)
O Método dos Momentos, proposto originalmente por Harrington, transforma a equação
integral, que governa um dado problema, em um sistema de equações algébricas através da
aproximação da incógnita usando funções de base, as quais são multiplicadas escalarmente por
funções de ponderação. O tipo de função de base escolhida influência nos resultados, podendo
uma escolha apresentar melhor resultado do que outra.
3.10 Método de Equações Integrais de Fronteira
Originado na universidade de Southampton, o método BEM surgiu da aplicação das
técnicas de elementos finitos na solução de equações integrais, apresentando basicamente as
mesmas vantagens do MOM. Por utilizarem as mesmas funções de bases, o método de
elementos finitos e o método de equações integrais permitem a construção de Métodos híbridos
FEM-BEM, para a solução de problemas que apresentem domínios complexos envoltos por um
material ilimitado, linear, homogêneo e isotrópico como o espaço livre. Entretanto, o custo
computacional elevado exige o uso de técnicas apropriadas para a construção e solução do
sistema matricial que aumentam bastante a complexidade do algoritmo, especialmente quando
comparado com o FEM separadamente.
68
3.11 Considerações
A formulação eletromagnética apresentada descreve o comportamento dos campos
elétrico e magnético em qualquer problema eletromagnético. Dependendo das características
do problema, encontrar os campos elétrico e magnético que satisfaçam as equações de Maxwell,
as condições de contorno e as condições de interface impostas pelo domínio, só é possível com
o auxílio de métodos computacionais. Dadas as características dos métodos apresentados, não
é possível afirmar qual o melhor método a ser utilizado na modelagem dos ensaios de
suscetibilidade eletromagnética. Enquanto, os métodos diferenciais possuem dificuldade em
representar toda região que envolve os objetos presentes no ensaio (antena e obstáculo); os
métodos integrais, por sua vez, possuem dificuldade de modelar objetos compostos de
diferentes meios materiais. Como a complexidade do modelo do veículo necessária para
descrever de maneira satisfatória o comportamento o campo ainda é desconhecido, os métodos
integrais podem ser incapazes de modelar corretamente o problema.
A escolha do FEM como o método adotado nesse trabalho para a modelagem do
problema se deve à sua capacidade de representar regiões complexas (podendo, em princípio,
representar um modelo detalhado do objeto espalhador) e à existência de programas de domínio
público para representar a geometria dos objetos em termos dos elementos utilizados na
formulação FEM. Na formulação necessária para a aplicação do FEM na solução dos problemas
de espalhamento e irradiação presentes nos ensaios de suscetibilidade, verifica-se que,
dependendo do número de elementos necessários para representar todo o domínio, a solução do
problema utilizando o FEM pode tornar-se inviável.
3.12. Adotando software HFSS para Simulações
O software HFSS é um simulador de campo eletromagnético de onda completa (EM)
de alto desempenho para modelagem 3D volumétrica de dispositivos passivos que aproveita a
interface gráfica familiar do Microsoft Windows. Ele integra simulação, visualização,
modelagem de sólidos, e automação em um ambiente fácil de aprender onde as soluções para
seus problemas 3D (EM) são obtidos com rapidez e precisão.
O HFSS emprega o Método dos Elementos Finitos (FEM), meshing adaptável e gráficos
para dar-lhe uma performance inigualável e conhecimento para todos os seus problemas 3D.
69
O HFSS pode ser usado para calcular parâmetros-S, frequência de ressonância, e
Campos elétricos e utiliza o sistema de simulação interativa, cujo elemento básico de malha é
um tetraedro. Isso permite resolver qualquer geometria arbitrária 3D, especialmente aqueles
com curvas complexas e formas, em uma fracção do tempo que seria necessário utilizar outras
técnicas.
O nome HFSS significa “High Frequency Structure Simulator”. A Ansoft foi pioneira
no uso do Método dos Elementos Finitos (FEM) para simulação EM através do
desenvolvimento / implementação de tecnologias tais como os elementos do vector tangencial
finitos, malhas adaptativas, e Sweep de frequências. Na indústria, Ansoft HFSS é uma
ferramenta geralmente escolhida devido a sua alta produtividade de pesquisa, desenvolvimento
e prototipagem virtual.
O Software HFSS utiliza uma técnica numérica chamada de Método dos Elementos
Finitos (MEF). Este é um procedimento em que uma estrutura é subdividida em muitas
subseções menores chamadas elementos finitos.
Os elementos finitos utilizados pelo HFSS são tetraedros, e toda a coleção de tetraedros
é chamada de uma rede. Para que seja encontrada uma solução para os campos dentro dos
elementos finitos, é necessário que esses campos estejam inter-relacionados, de modo que as
equações de Maxwell sejam satisfeitas através das fronteiras inter-elemento.
70
4. Parte experimental: Teste em câmera semi-anecóica do INPE
4.1 Equipamentos utilizados para testes de Imunidade Irradiada (RI) de
Compatibilidade Eletromagnética (EMC) automotivo – INPE
Abaixo o descritivo de todos os equipamentos utilizados para realizar o teste de
Imunidade Irradiada no INPE.O Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE [34]) é
acreditado pela Coordenação Geral de Acreditação do Inmetro (CGCRE [33]) e certificado de
acordo com a norma ABNT NBR ISO/IEC 17025 - Requerimentos Gerais para Laboratórios
de Ensaio e Calibração - sendo apto a realizar os testes de EMC no Brasil e tido como referência
pelos fabricantes de automóveis do país, na busca da certificação neste tipo de teste. Com base
na lista de equipamentos utilizados no INPE [34] nos testes de imunidade à radiação, Tabela
4.1, tem-se a relação de equipamentos utilizados durante a realização do teste de
Compatibilidade Eletromagnética no INPE [34].
Tabela 4.1: – Equipamentos utilizados pelo INPE nos testes de RI[34]
4.2 Geradores
Dois geradores de sinais são utilizados durante os testes de imunidade à radiação
automotiva no INPE [34], para avaliar a faixa de frequência de 1,5 MHz a 2 GHz. O modelo
SML01 cobre a faixa de frequências até 1 GHz e o SMR40 entre 1 GHz e 2 GHz, Figura 4.2
ambos fabricados pela R&S [37].
Figura 4.2 – Geradores de sinais SML01 à esquerda e SMR40 à direita [37]
71
4.3 Amplificadores
Três amplificadores de sinais são utilizados durante os testes de imunidade à radiação
automotiva no INPE [34], para avaliar a faixa de frequência de 1,5 MHz a 2 GHz. O modelo
10.000L cobre a faixa de frequências até 100 MHz; o 2000W entre 100 MHz e 1 GHz, Figura
4.3, ambos fabricados pela AR [38], e o AS0102-400 que cobre entre 1 GHz e 2 GHz, fabricado
pela MILMEGA [39].
Figura 4.3 – Amplificadores 10.000L à esquerda e 2000W à direita [34][35]
4.4 Sensor de Campo Elétrico
Dois sensores de campo elétrico são utilizados durante os testes de imunidade à radiação
automotiva no INPE [34] para avaliar o nível do campo elétrico para faixa de frequência de 1,5
MHz a 2 GHz. O modelo HI-4422 cobre a faixa de frequências até 1 GHz e o HI-4455 entre 1
GHz e 2 GHz, como mostrado na Figura 4.4, ambos fabricada pela ETS [36].
Figura 4.4 – Sensores de campo elétrico HI-4422 à esquerda e o HI-4455 à direita [36]
72
4.5 Medidores de Potência
Um outro dispositivo utilizado durante os testes de imunidade à radiação automotiva no
INPE[34] é o medidor de potência, para avaliar a potência irradiada pela antena na faixa de
frequência de 1,5 MHz a 2 GHz, O modelo NRVD cobre toda a faixa de frequências desejada,
Figura 4.5, e é fabricado pela R&S [37].
Figura 4.5: Medidor de potência NRVDN[37]
4.6 Sensores de Potência
Dois sensores de potência são utilizados durante os testes de imunidade à radiação
automotiva no INPE [34] para avaliar a faixa de frequência de 1,5 MHz a 2 GHz. O modelo
URV5-Z2 cobre a faixa de frequências até 1 GHz e o NRV-Z15 entre 1 GHz e 2 GHz, como
mostra a Figura 4.6, ambos fabricados pela R&S [37].
Figura 4.6 – Sensores de potência URV5-Z2 à esquerda e o NRV-Z15 à direita [37]
73
4.7 Antena bicônica
Na sua forma mais simples, a antena bicônica, normalmente um dipolo, consiste de dois
elementos em forma de cones unidos no centro, o ponto de excitação, pelo vértice de cada cone.
Sua forma mais popular simula um cone utilizando vários cabos lineares simetricamente
dispostos. Estes cabos podem ter saídas sem terminação, como no caso da Figura 4.7 que mostra
a bicônica utilizada em testes de EMC no INPE [34], ou podem ter um cabo perimetral que liga
suas extremidades. Devido as suas características, antenas bicônica são normalmente utilizadas
no teste de imunidade à radiação automotivo para avaliar a faixa de frequência
de 30 MHz a 100 MHz [32].
Figura 4.7: Antena bicônica 3159 utilizada no INPE [34]
74
4.8 Teste veicular na câmara semi-anecóica do INPE
A ideia deste experimento é apresentar a correlação de compatibilidade Eletromagnética
entre o teste prático realizado em um veículo na câmara semi-anecóica do INPE, e um teste
simulado nas mesmas condições através de um modelo matemático do veículo carregado no
Software dedicado à análise eletromagnética chamado HFSS.
A correlação iniciou-se com um teste de compatibilidade Eletromagnética (EMC)
realizado em um veículo Celta, na câmara semi-anecóica do Instituto Nacional de Pesquisas
Espaciais (INPE), na cidade de São José dos Campos, SP.
A Figura 4.8 mostra a planta e a elevação de uma câmara semi-anecóica com um veículo
no seu interior pronta para realização do teste de imunidade radiada, de acordo com a norma
ISO11451-2, que serve como referência para realização de teste automotivos.
Figura 4.8: Veículo dentro da câmara semi-anecóica do INPE[20]
1-Absorvedores blindados 2- Material absorvedor de RF
3-Dinamômetro sobre mesa giratória 4-Antena
5-Sala Climatizada de amplificadores 6-Sala de Controle
75
4.9 Setup do Teste de Imunidade irradiada na câmara semi-anecóica
A Figura 4.9 abaixo mostra o SETUP utilizado para realizar o teste prático de Imunidade
Irradiada na câmara semi-anecóica do INPE, de acordo com a ISO 11451-2
Figura 4.9: Setup do Teste de Imunidade com veículo dentro da câmara semi-anecóica[20]
1-Absorvedores 2-Gerador de RF
3-Amplificador de Potência 4-Acoplamento bidirecional
5-Medidor de Potência 6-Coxial
7-Dispositivo gerador de campo
Apesar de o teste ter sido realizado para várias faixas de frequências como pede a norma
ISO11451-2, para nossa correlação entre teste prático e simulado no software HFSS da ANSYS,
foi utilizada apenas a parte do teste que compreende a faixa de frequência de 30-100 MHz com
campo eletromagnético de 70V/m.
Inicialmente foi realizado o SETUP conforme a norma ISO 11451-2, quando foi
colocado sobre o painel do veículo um sensor Isotrópico. A função deste sensor é medir o nível
do campo eletromagnético na coordenada veicular no qual se encontra o painel de Instrumento,
quando o veículo for submetido a um campo 70V/m (ver setup 4.9). O gerador foi ajustado para
fazer uma varredura de frequências na faixa de 30-100 MHz com nível de 70V/m e passos de
100Hz, e para cada passo, o sensor realizava uma aquisição da medida do campo sobre o painel
de instrumentos do veículo, resultando a curva da Figura 5.1.1
76
5. Veículo Celta: Correlação entre testes práticos e simulados Software HFSS
A Figura 5.0 mostra o campo eletromagnético gerado pela antena bicônica 3159 no
interior da câmara semi-anecóica vazia, durante o início do teste prático.
Características do campo eletromagnético gerado:
-Faixa de frequência de 30 MHZ -100 MHZ
-Nível de 70 V/m com polarização vertical e modulação CW e AM 80%
Este campo eletromagnético foi calibrado inicialmente sem veículo no interior
da câmara semi-anecóica, para garantir que, o nível do campo ajustado no gerador seja o mesmo
valor de campo realmente irradiado pela antena sobre o veículo, pois se a calibração fosse
realizada com o veículo no interior da câmara, o sensor iria medir além do campo gerado pela
antena, o campo gerado também devido as reflexões causadas pela presença do veículo,
causando uma imprecisão no campo a ser gerado conforme a norma ISO 11451-2 estabelece.
Figura 5.0: Campo eletromagnético aplicado ao veículo – Swap 30MHz-100MHz – 70V/m
77
5.1 Curva de medição de Campo sobre o Painel de Instrumentos do veículo
Para tal, foi inserido um veículo Celta dentro da câmara semi-anecóica do INPE,
preparamos o Setup de acordo com a ISO 11451-2 e foi realizada a medida de Campo sobre o
painel de Instrumento do veículo, através de um sensor Isotrópico colocado sobre o mesmo,
como mostra a Figura 5.1
Figura 5.1: Sensor posicionado sobre o painel do veículo durante teste na câmara no INPE
O gráfico da figura 5.1.1 mostra a medida do campo eletromagnético sobre o painel de
instrumentos do veículo em função da frequência, quando o mesmo foi submetido ao campo
gerado pela antena de 70V/m para uma faixa de frequências de 30 á 100 MHz com polarização
vertical e modulação CW e AM 80%
Figura 5.1.1: Medida sobre o cluster do veículo durante teste em câmara semi-anecóica
78
5.2 Campo elétrico gerado pela antena bicônica 3159, simulado no Software HFSS
Antes de realizar a simulação do teste de imunidade irradiada do veículo Celta dentro
de uma câmara semi-anecóica, foi realizado o modelamento da antena utilizada no teste prático
e posteriormente carregou-se este modelo no ambiente do Software HFSS, e desta forma,
garantiu-se que o campo simulado da antena bicônica fosse o mais próximo possível do campo
gerado pela mesma na prática. A antena utilizada no teste prático foi uma “Antena bicônica
3159” “cujo “data sheet ” é mostrado no apêndice C.
A seguir Figura: 5.2, temos simulado no Software HFSS, o campo eletromagnético
gerado através da Antena bicônica 3159, dentro da câmara semi-anecóica sem veículo.
Figura 5.2: Simulação – Nível do campo elétrico gerado pela antena bicônica 3159
dentro da câmara semi-anecóica sem nenhuma matemática (nenhum carro)
5.3 Simulação realizada no veículo Celta
Após o modelamento da antena bicônica 3159 de forma obter através da simulação com
o software HFSS o sinal mais representativo possível em relação ao sinal gerado pela antena
no teste prático, iniciou-se a simulação do veículo Celta. Para tanto, foi inserido o modelo
matemático do veículo Celta dentro do ambiente deste Software, para posterior simulação,
79
como mostra a Figura 5.3, onde o SETUP utilizado foi o mesmo adotado no teste prático, na
câmara semi-anecóica do INPE, de acordo com a ISO11451-2.
A Figura 5.3 mostras no ambiente do software HFSS o veículo Celta dentro de uma
câmera semi-anecóica, indicando o posicionamento da Ponta de prova, “Sensor para medir o
campo eletromagnético” bem como o campo eletromagnético incidente sobre o veículo, para
uma faixa de frequências de 30 - 100 MHz. Lembrando que, no teste prático, este sinal é
ajustado em um gerador de sinais o qual é aplicado a um amplificador de potência e irradiado
pela antena bicônica sobre o veículo em teste.
Figura 5.3: Representação no software HFSS de um Veículo em teste dentro de uma
câmara semi-anecóica sob incidência de uma onda plana de 70V/m
Para realizar a simulação acima, dentro do ambiente do Software HFSS, foi considerado
que o campo elétrico, era gerado a uma distância de 3 metros em relação ao veículo em teste,
com o valor de 70V/m, e também fornecido ao software as coordenadas, nas quais o sensor de
campo foi colocado sobre o painel de instrumentos do veículo em teste.
80
A Figura 5.3.1 mostra modelo do veículo discretizado, utilizado para realizar as
simulações e posicionamento do sensor de medida de campo eletromagnético no modelo.
Figura 5.3.1: Localização do sensor de campo eletromagnético sobre o painel do veículo
5.4. Abaixo temos o resultado do teste prático na câmara semi-anecóica do INPE, onde
mostra a resposta do Sensor medido sobre o painel do veículo
Figura 5.4: Medida sobre o painel do veículo durante teste na câmara semi-anecóica
81
Quando o veículo é testado quanto à susceptibilidade a radiação, todos os sistemas são
ensaiados de uma só vez. O veículo é colocado em uma câmara semi-anecóica com
dinamômetros sob as rodas (rolamentos para simular movimento), de modo a ser capaz de
tracionar o motor do veículo. Os veículos complexos demandam muito tempo para serem
testados, a câmara fornece arrefecimento a ar forçado para o motor e um sistema de extração
de gases de escape. Durante o tempo em que os testes são realizados, nenhuma pessoa pode
estar dentro das câmaras, devido às elevadas amplitudes dos campos eletromagnéticos gerados.
O veículo é, então, monitorado por câmeras de vídeo que são colocados no interior da câmara
semi-anecóica e o sinal é enviado para a sala de controle através de cabos de fibra ótica, onde
é supervisionado por técnicos [9].
5.5 Simulação do campo eletromagnético no veículo com Software HFSS
Abaixo, na Figura: 5.5, temos simulado no Software HFSS, o campo eletromagnético
gerado sobre o painel dentro do veículo, quando aplicado um campo incidente igual ao da
Figura 5.2(Igual ao teste prático realizado na câmara semi-anecóica do INPE)
Figura 5.5: Simulação considerando o sensor de campo (Probe) sobre o painel do veículo
Observa-se que as ressonâncias verificadas nas frequências de 75 MHz e 82 MHz no
teste prático do INPE (Figura 5.4), no teste simulado se situou na frequência de 90 MHz. Esta
diferença provavelmente deve-se a imprecisão do modelo matemático carregado no software
HFSS utilizado na simulação.
82
6. Veículo Agile-GM: Correlação entre testes práticos e simulados com o Software HFSS
Na sequência, temos uma 2ª Correlação entre testes práticos e simulados com o Software
HFSS, onde a simulação foi realizada em um veículo “GM - AGILE” e para esta simulação foi
aproveitado o modelamento da antena bicônica 3159 realizado para a simulação do veículo
Celta anteriormente.
Inicialmente realizamos a simulação com o Software HFSS, carregando o modelo
matemático do veículo AGILE, considerando o chassi externo, faróis dianteiros, pneus e todas
as partes de polietileno, porém sem considerar as janelas, assoalho e bancos do veículo.
Nesta condição, a matemática não contempla alguns elementos como algumas
geometrias, principalmente partes que são necessárias para a definição desta cavidade
ressonante do veículo, visto no teste prático realizado na câmara semi-anecóica no INPE, onde
se verificou uma primeira ressonância na frequência de 75MHz com um campo de 125V/m e
uma segunda ressonância em 91MHz e campo de 200V/m como mostrado no gráfico da
Figura 6.1.1.
A Figura 6.1mostra o veículo durante o teste prático na câmara semi-anecóica do INPE
de São José dos Campos.
Figura 6.1: Veículo Agile durante de teste prático de EMC na câmara semi-anecóica INPE
83
6.1. Teste Prático em veículo realizado na câmara semi-anecóica INPE
Analisando os resultados obtidos no teste prático experimentalmente na Câmera
semi-anecóica do INPE, observamos uma forte ressonância por volta da frequência 75MHz
com campo de 125V/m e outra ressonância em 91MHz com campo de 200V/m. Esta
ressonância deve-se à cavidade formada pela carroceria do veículo.
Para esse teste, foi aplicado um nível de Campo Elétrico de 70V/m, para uma faixa de
frequência de 30 a 100 MHz, em passo de 100Hz.
Figura 6.1.1: Medida sobre o painel do veículo, durante teste em câmara semi-anecóica
6.2 Simulação do campo eletromagnético sobre o painel do veículo com Software
HFSS, com Modelo Matemático considerando chassi externo, faróis dianteiros, pneus e todas
as partes de polietileno sem considerar janelas, assoalho e bancos do veículo.
A Figura 6.2.0 abaixo mostra o veículo utilizado na simulação, considerando o modelo
matemático sem janelas, assoalho e bancos. Para esta primeira simulação foram considerados
apenas chassi externo, faróis dianteiros, pneus e todas as partes de polietileno.
Figura 6.2.0: Modelo matemático veículo “Agile” sem considerar janelas, assoalho e bancos
84
Diversas simulações foram realizadas, iniciando com uma onda plana incidente para
uma faixa de frequência de 30 á 100 MHz com um nível de 70V/m. Para simular e medir o
valor do campo eletromagnético no veículo, foi considerado um sensor colocado
(Sonda Isotrópica) sobre o painel de Instrumentos, conforme o Setup da figura 6.2.1
Figura 6.2.1: Modelo veículo “ GM-Agile” sob incidência de uma onda plana
Nesta 1ª simulação realizada utilizando modelo matemático considerando o chassi
externo, faróis dianteiros, pneus e todas as partes de polietileno, sem considerar janelas,
assoalho e bancos do veículo, não observamos as ressonâncias verificada no teste prático
realizado na câmara semi-anecóica do INPE (Figura 6.1.1).
Verificamos também que o valor do campo elétrico aumenta como função da
frequência, como mostra o gráfico da figura 6.2.2
Sonda Isotrópica (Medidor de campo eletromagnético)
85
Teste Simulado no Software HFSS para o mesmo Setup realizado no teste prático
Figura 6.2.2: Simulação com Modelo do veículo considerando chassi externo, faróis
dianteiros, pneus e todas as partes de polietileno sem considerar Janelas,
assoalho e bancos do veículo
A Figura 6.2.3 mostra outro tipo de representação do resultado da medida de campo
eletromagnético, que mostra a distribuição do campo eletromagnético no veículo no modo
transversal. Os maiores valores de campo eléctrico é observado perto do centro da antena e
sobre as partes condutivas do veículo (para-brisa dianteiro).
Figura 6.2.3: Simulação-Distribuição do campo elétrico no veículo considerando o
chassi externo, faróis dianteiros, pneus e todas as partes de polietileno
sem janelas, assoalho e bancos do veículo
86
6.3 Simulação com Modelo Matemático do veículo considerando chassi externo, faróis
dianteiros, pneus e partes de polietileno adicionando assoalho e sem janelas e bancos
Nesta segunda simulação, foi considerado o chassi externo, faróis dianteiros, pneus e
todas as partes de polietileno adicionando apenas o assoalho e sem janelas e sem bancos no
modelo matemático do veículo para carregar no Software HFSS, e assim tentarmos aproximar
a matemática ao máximo com a geometria real do veículo, buscando assim criar a cavidade
ressonante que se verifica na prática, como mostra a Figura 6.1.1
Figura 6.3.0: Modelo do veículo “Agile” considerando o chassi externo, faróis
dianteiros, pneus e todas as partes de polietileno mais assoalho e sem
janelas e bancos
Incluindo se o assoalho condutivo do veículo, gera-se uma cavidade ressonante oco, ou
mais especificamente, uma estrutura de metal fechado que confina o campo eletromagnético.
As frequências de ressonância para uma cavidade retangular de guia de onda são
calculadas usando a equação 3:
Onde m, n e l são os números dos modos e a, b e d são o altura, largura e profundidade
do guia de ondas retangular, “c” é a velocidade da luz no vácuo e “μr” e “εr” são
permeabilidade relativa e permitividade do enchimento da cavidade, respectivamente, em nosso
caso o ar.
O gráfico figura 6.3.1 mostra o campo eléctrico simulado sobre o painel de instrumentos
do veículo considerando o modelo com chassi externo, faróis dianteiros, pneus e todas as partes
de polietileno adicionando assoalho e sem janelas sem bancos, nesta nova condição verifica-se
o aparecimento de uma ressonância na frequência de 71MHz e campo de 80V/m, onde está
ressonância foi também verificado no teste prático com valores de 75MHz e campo de 125V/m
87
Figura 6.3.1: Simulação considerando o modelo com chassi externo, faróis dianteiros,
pneus e todas as partes de polietileno adicionando assoalho e sem janelas
sem bancos
Abaixo a Figura 6.3.2, outra representação do resultado que mostra distribuição do
campo eletromagnético no veículo como um todo e ao redor do mesmo. Observa-se um campo
eléctrico na transversal seção na frequência de ressonância (71 MHz). A intensidade do campo
elétrico aumenta devido à presença do piso, perto do local da sonda isotrópica no painel de
instrumentos e na parte inferior do veículo entre o chão e o plano de terra condutor.
Figura 6.3.2: Simulação-Distribuição de campo eletromagnético com modelo do veículo
considerando o chassi externo, faróis dianteiros, pneus e todas as partes de
polietileno adicionando assoalho e sem considerar janelas e bancos
88
6.4 Modelo Matemático considerando o chassi externo, faróis dianteiros, pneus e todas
as partes de polietileno adicionando assoalhos + bancos e sem janelas do veículo
Na sequência, realizamos a terceira simulação, considerando adição dos assoalhos mais
os bancos e sem janelas, no modelo matemático do veículo composto pelo chassi externo, faróis
dianteiros, pneus e todas as partes de polietileno para carregar no Software HFSS, e assim
tentarmos aproximar a matemática ao máximo com a geometria real do veículo. Assim
obtivemos um resultado um pouco mais próximo com o experimental; observou-se o
aparecimento de uma ressonância em 93MHz com um nível de 205V/m verificado também no
teste prático com valores de 91MHz e campo de 200V/M (aproximando do experimental), e a
ressonância verificado anteriormente em 71MHz foi amplificada de 80V/m para 105 V/m.
Figura 6.4.0: Modelo veículo “Agile” considerando o chassi externo, faróis dianteiros,
pneus as partes de polietileno adicionando assoalhos e bancos e sem janelas
Na simulação obtivemos um resultado um pouco mais próximo com o experimental,
onde pode se ver na Figura 6.4.1 a geração de uma forte ressonância a 93MHz e a ressonância
verificada em 71MHz foi amplificada com a adição dos bancos.
Figura 6.4.1: Simulação com modelo matemático do veículo completo, considerando
chassi externo, faróis dianteiros, pneus e todas as partes de polietileno
adicionando (assoalhos + bancos) e sem janelas
89
Abaixo outra representação que mostra distribuição do campo eletromagnético no
veículo como um todo e ao redor do mesmo, considerando os assoalhos e bancos.
Na Figura 6.4.2 verifica-se detalhes do campo elétrico na ressonância a 93 MHz,
mostrando forte campos entre os assentos e o teto do veículo. Por isso, é possível concluir que
as partes condutoras no interior do veículo são importante a ser considerado, uma vez que pode
criar ressonâncias que afeta fortemente o campo elétrico.
Figura 6.4.2: Simulado-Distribuição do campo eletromagnético no veículo
Considerando modelo matemático com chassi externo, faróis dianteiros, pneus e todas
as partes de polietileno adicionando (assoalho + bancos) e sem janelas
6.5 Modelo Matemático considerando o chassi externo, faróis dianteiros, pneus e todas
as partes de polietileno adicionando assoalhos + bancos e com janelas do veículo
Na quarta e última configuração do veículo simulada foi considerado o modelo
matemático completo do veículo, composto pelos chassi externo, faróis dianteiros, pneus e
todas as partes de polietileno além do assoalho e bancos do veículo, e para termos um resultado
mais próximo possível dos resultados experimentais e aumentarmos ainda mais esta
similaridade, devemos utilizar uma matemática fiel à geometria real, foi adicionado também
todas as janelas (Para-brisa frontal e traseiro e janelas laterais) do veículo.
90
Observa-se que a inclusão das janelas não cria nova ressonância e apenas ligeiramente
afeta o comportamento do nível do Campo elétrico atenuando o mesmo de 205 V/m para
195V/m como mostra a Figura 6.5.0
Figura 6.5.0: Curva do teste Simulado considerando no modelo matemático completo
com chassi externo, faróis dianteiros, pneus e todas as partes de
polietileno adicionando (assoalho + bancos + janelas)
A Figura 6.5.1 mostra a curva levantada durante o teste prático realizado na câmara semi-
anecóica do INPE
Figura 6.5.1: Curva levantada no teste prático realizado na câmara semi-anecóica do INPE
91
Observando-se e comparando a curva simulada final da figura 6.5.0 onde se considerou
o modelo matemático completo do veículo, com a curva da Figura 6.5.1 levantada no teste
prático na câmara semi-anecóica do INPE, verifica-se que a correlação entre o teste simulado e
o teste prático apresenta um bom grau de representatividade, apresentando uma aproximação
satisfatória entre o teste prático e a simulação do mesmo,
6.6 Exemplo de simulação considerando simetria do modelo matemático do veículo
O tempo de simulação do veículo Agile-GM para o modelo completo foi de 13 minutos
e 27 segundos, usando um máximo de 920 MB de RAM. Quando se realiza simulações com o
Software HFSS,verifica-se que o tempo para completar a simulação do veículo depende de
como o modelo matematico é carregado no software,originando assim 2 opções de simulação:
-Simulação realizada considerando a simetria do modelo matemático do veículo
-Simulação realizada sem considerar a simetria do modelo matemático do veículo
(considerando o veículo como todo)
Observa-se que quando a simulação é realizada baseada somente na simetria do veículo,
o tempo de simulação é praticamente 3 vezes menor.
Tempo: 4min 57 segundos
Figura 6.6.0: Simulação considerando modelo matemático completo com simetria do veículo
92
6.7 Exemplo de simulação não considerando simetria do modelo matemático do veículo
Tempo: 14min 30 segundos
Figura 6.7.0: Simulação não considerando no modelo matemático a simetria do veículo
93
7. Sensor Isotrópico colocado sobre o teto do veículo
Como última etapa desta correlação, durante o teste prático realizado na Câmera semi-
anecóica no INPE, posicionamos o sensor de campo (Sonda Isotrópica) sobre o teto do veículo,
lado esquerdo, como mostrado na Figura 7.0, e realizamos a medida de campo, sobre o teto do
veículo, quando a antena bicônica 3159 irradia um campo de 70V/m para uma faixa de
frequência de 30MHz a 100MHz.
Figura 7.0: Setup para medida de campo elétrico sobre o teto do veículo na câmara anecóica
Na Figura 7.1 abaixo, tem-se o gráfico obtido durante o teste prático na câmara semi-
anecóica do INPE para o setup do item 7 acima.
Figura 7.1: Medida de campo elétrico sobre o teto do veículo na câmara semi-anecóica
Sensor de medida de campo
94
Posteriormente, realizamos a simulação com o software HFSS, considerando o mesmo
setup usado no teste prático do item 7, obtendo-se o gráfico abaixo
Figura 7.2: Medida de campo elétrico sobre o teto do veículo simulado no software
HFSS considerando chassi externo, faróis dianteiros, pneus e todas as partes de polietileno mais
assoalho e bancos e janelas
No gráfico da Figura 7.1 (Teste Prático) observa-se que quando o sensor Isotrópico foi
posicionado no teto do veículo (lado esquerdo), o campo neste ponto oscilava de uma maneira
constante entre 150 e 250 V/m, portanto uma resposta bem diferente de quando o sensor foi
posicionado no interior do veículo, e a carroceria do veículo funcionava como cavidade
ressonante.
O gráfico da Figura 7.2 mostra a simulação do mesmo teste considerando as mesmas
condições com o sensor no mesmo ponto do teste prático (Sobre o teto do veículo lado
esquerdo). Nesse caso, a resposta do sensor para a simulação, foi bem diferente do teste prático
, pois para a simulação não foi considerado o modelo matemático do veículo e nem da câmara
o qual o veículo se encontrava, pois, o sensor foi posicionado fora do veículo.
Para ambos os casos, teste prático e simulado, a resposta do sensor foi referente a
múltiplas reflexões no interior da câmara, na simulação por não considerar nenhum modelo
matemático e no teste prático devido o sensor está fora do veículo e não ter o chassi do veículo
configurando uma cavidade ressonante.
95
8. Conclusões
A correlação entre o teste de compatibilidade eletromagnética realizado na câmara semi-
anecóica do INPE e o teste simulado através do software HFSS da Ansys apresentada nesta
dissertação, descreveu a influência das variáveis a serem consideradas em um teste prático e
simulado bem como a simulação do veículo propriamente dito.
Para a geração do modelo veicular e configuração dos parâmetros de simulação
eletromagnética, foi utilizada a Técnica de Integração Finita dentro do ambiente do software
HFSS-ANSYS, para posterior execução das simulações de imunidade à radiação do modelo
veicular proposto, sendo então os resultados confrontados com os testes físicos (testes práticos)
realizados anteriormente na câmara semi-anecóica do INPE para a faixa de frequência de 30 a
100 MHz com nível de campo de 70V/m.
Na correlação completa entre o teste prático e o simulado foi escolhido o veículo
marca/modelo GM “Agile”, para o qual foram realizadas várias simulações, onde para cada
simulação foi considerado um incremento no modelo matemático do veículo de modo a
verificar a influência de cada variável do veículo na correlação final durante as simulações.
Para a primeira simulação, considerou no modelo matemático do veículo com chassi
externo, faróis dianteiros, pneus e todas as partes de polietileno, porém as janelas e para brisas
frontais e traseiros e também piso condutor do veículo não foram considerados.
Nesta condição observou-se que o campo eléctrico na simulação cresce em função de
frequência, como observado na Figura 6.2.2, e mostra não haver ressonância na resposta.
Observa-se também que o campo eléctrico a 100 MHz na Figura 6.2.3, apresenta valores mais
elevados perto do centro da antena e nas bordas dos elementos condutores do veículo (Para-
brisa dianteiro).
Na segunda simulação incluiu-se o piso condutor do veículo, criando uma cavidade
ressonante oca, ou mais especificamente, uma estrutura de metal em grande parte fechada que
confina o campo eletromagnético em uma determinada faixa de frequência.
96
A frequência de ressonância para um guia de onda de cavidade retangular é calculada
utilizando a equação abaixo:
Onde: “m”, “n” e “L” são os números dos modos e, “a” “d” “b” e são os da altura,
largura e profundidade do guia de ondas retangular, “c” é a velocidade da luz no vácuo e “Mr”
e “Er” são constantes de permeabilidade e permissividade do enchimento da cavidade,
respectivamente, no nosso caso, o ar.
O campo elétrico obtido através da simulação para esta segunda configuração é
mostrado na Figura.6.3.1, onde uma ressonância é observada a 71 MHz. Para se obter está
frequência de ressonância na prática, necessitaria de uma onda retangular que tenha
aproximadamente as seguintes dimensões em metros: a = 3, b = 4 e d = 4. Estas dimensões são
relativamente maiores do que as dimensões do veículo. No entanto, estes valores foram obtidos
por uma equação que considera uma cavidade retangular e completamente blindada, que
claramente não é o caso do veículo, que apresenta uma complexa geometria, e não é
completamente blindado.
Por esta razão, uma ferramenta para soluções numérica tal como ANSYS HFSS
TM é necessária para este tipo de análise. A Figura 6.3.2 mostra o campo elétrico, na transversal
seção, na frequência de ressonância (71 MHz). A intensidade do campo elétrico aumenta devido
à presença do piso condutor, especialmente perto do local da sonda isotrópica, no painel de
instrumentos e na parte inferior do veículo entre o chão e o plano de terra condutor.
A terceira simulação incluiu os assentos (bancos) do veículo, o que cria uma forte
ressonância a 93 MHz, conforme observado na Fig. 6.4.1; não só uma nova ressonância é
criada, mas a ressonância a 71 MHz foi igualmente amplificada com a inclusão dos assentos, e
o campo elétrico mostrado na figura. 6.4.2 aponta detalhes da ressonância a 93 MHz,
identificando fortes campos entre os assentos e o teto do veículo. Por isso, é possível concluir
que as partes condutoras dentro do veículo são importantes elementos a serem considerados em
uma simulação, uma vez que podem criar ressonâncias que afetam fortemente o campo elétrico.
97
E por último realizamos a quarta simulação considerando o modelo matemático
completo do veículo, composto pelo chassi externo, faróis dianteiros, pneus e todas as partes
de polietileno além do assoalho e bancos do veículo, e para termos um resultado mais próximo
possível dos resultados experimentais e aumentarmos ainda mais esta similaridade, foi
adicionado também todas as janelas (Para-brisa frontal e traseiro e janelas laterais) do veículo.
Observa-se que a inclusão das janelas (Para-brisa frontal e traseiro e janelas laterais) do
veículo não cria nova ressonância, e apenas afeta ligeiramente o comportamento do nível do
Campo elétrico atenuando o mesmo de 205 V/m para 195V/m como mostra a Figura 6.5.0
Analisando os resultados obtidos na quarta etapa da simulação do veículo “Agile” onde
se considera o modelo matemático mais representativo possível considerando o chassi externo,
faróis dianteiros, pneus e todas as partes de polietileno mais as janelas e piso condutor e bancos
do veículo observa-se que a curva resposta da simulação se aproxima muito da curva resposta
obtida no teste prático realizado em uma câmara semi-anecóica do INPE como mostrado na
Figura 6.5.1,mostrando assim uma boa representatividade na correlação realizada entre teste
prático e o simulado através do software HFSS.
Notou-se através das simulações realizadas que as partes metálicas são responsáveis
pelas ressonâncias do campo elétrico medido na sonda Isotrópica colocada no painel de
instrumentos do veículo. Quando se considera elementos dielétricos como as janelas resulta em
pequenos deslocamentos de frequência e afeta ligeiramente a magnitude do campo elétrico para
as frequências apresentadas neste trabalho (30 MHz a100 MHz), apresentando um impacto
muito pequeno sobre os resultados. Porém para as frequências mais elevadas, a parte dielétrica
pode ter um impacto mais relevante, e precisa-se quantificar a influência para todo range de
frequências.
A realização de um teste experimental de compatibilidade eletromagnética em um
veículo possui um custo elevado além do tempo levado para realizar o teste do mesmo,
requerendo ainda um protótipo físico do veículo mais representativo possível e infraestrutura
complexa, como sondas isotrópicas calibrados, antenas, geradores e amplificadores de alta
performance além da estrutura física de uma câmara semi-anecóica extremamente cara.
98
A simulação para mesma configuração de veículo pode ser realizada através do
Software HFSS da ANSYS em menos de 14 minutos, utilizando menos de 1GB de RAM,
requerendo apenas o modelo matemático do veículo (Este modelo geralmente é disponibilizado
meses antes do primeiro protótipo físico construído) e também as características técnicas da
antena para gerar o modelo matemático da mesma.
Assim, a utilização de simulações numéricas para análise EMC está se tornando uma
abordagem muito atraente para as montadoras e fornecedores de autopeças, porém existem
alguns aspectos que são relevantes e podem influenciar nas simulações como:
1-A simplificação do modelo do veículo, que exclui alguns componentes como
bancos, chicotes elétricos, módulos, entre outros pormenores, conjuntamente com as
especificações das propriedades dos materiais metálicos e dielétricos definidos sem perdas
nesse trabalho;
2-As reflexões das ondas eletromagnéticas tanto no teste quanto no modelo,
que podem alterar significativamente os valores de campo medidos e simulados captados pelas
pontas de prova. Nota-se ainda que embora seja aplicado um campo elétrico de 70 V/m, o pico
observado chega a atingir 150 V/m no ensaio proposto, fato que indica a forte influência das
reflexões das ondas eletromagnéticas nos resultados de testes;
Como contribuições provenientes deste trabalho, podem ser ressaltadas:
A- Análise da simulação eletromagnética aplicada a veículos automotores, visando
antever a performance de EMC veicular, provendo aos engenheiros informações que lhes
garantam desenvolver o melhor produto já na fase inicial de projeto, reduzindo assim o tempo
de desenvolvimento e reengenharia, e consequentemente levando a uma redução de custos em
protótipos e testes de validação.
B- Análise da modelagem veicular e das antenas bicônicas, tornando possível a
obtenção de melhores resultados no ambiente de simulação.
C- Contribuição ao processo de aprendizado de modelagem e simulação de EMC que,
embora haja um número relativamente grande de publicações nesta área, possui pouca literatura
99
direcionada à aplicação automotiva, não condizendo com a importância do tema, visto que se
trata de um item de alta criticidade na validação elétrica veicular.
D- Compilação das diretivas e normas específicas de EMC para a área veicular.
Como sugestões para trabalhos futuros, podem ser indicadas:
A- Investigar o quanto o aumento da representatividade dos modelos, tanto do veículo
quanto das antenas, irá influenciar nos resultados de campo elétrico quando comparados aos
apresentados neste trabalho.
B- Estudar a inclusão de elementos passivos, como cabeamentos ou peças estruturais, e
eventuais elementos ativos, como circuitos amplificadores de antenas ou PCB de módulos,
estendendo a análise eletromagnética para o conjunto funcional completo do veículo.
C- Investigar a inclusão da modelagem da câmara semi-anecóica, através de seus
elementos absorventes, no ambiente de simulação.
100
˜ ˜
Referências Bibliográficas
[1] Mehl M. L. Ewaldo - Do Transistor ao Microprocessador
Site: http://www.hardware.com.br/guias/historia-informatica/transistor.html
[2] Introdução à Compatibilidade Eletromagnética, Prado, Eduardo Soares P. 16
[3] SANTOS (2002), Considerações do ambiente eletromagnético urbano na análise
De interferências em veículos automotores, Tese de mestrado, Universidade Federal
de São Paulo- USP, São Paulo, Brasil.
[4] GM classification electrical subsystems for Global vehicles
[5] CST Computer Simulation Technology – CST website, disponível em:
http://www.cst.com/Content/Applications/Markets/EMC_EMI.aspx
[6] Clayton R. Paul, “Eletromagnetismo para Engenheiros – com aplicações”. Editora
LTC, 2004, pg. 14.
[7] General Motors. GMW 3097: Especificações Gerais para Componentes
Elétricos/Eletrônico, Compatibilidade Eletromagnética (EMC). Normas deTeste,2014
[8] General Motors. GMW 3091: Especificações para veículos e sistemas
Elétricosautomotivos, Compatibilidade Eletromagnética (EMC). Normas de Teste,2014
[9] Leonardo Alvarenga (2003), Correlação de medidas de campos eletromagnéticos
Irradiados em câmaras semi- anecóicas de grande porte e dimensões reduzidas,
Proposta técnica projeto. FIAT S.A. Betim- MG. Brasil.
[10] Sameer Sisir K Das,“EMI Problems and EMC Standards for Automotive
Vehicles”, SAE India, 2003-28-0011, janeiro 2003.
101
[11]PIRES, R. S. da S. Investigação
de uma Nova Metodologia para Ensaios de Suscetibilidade
Eletromagnética em Veículos Automotivos. Tese (Exame de Qualificação) — Univers
idade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, Brasil, 2005
[12] BENJAMIM, G. Requisitos e métodos de ensaios de compatibilidade
eletromagnética para setor automotivo, In 8º Seminário sobre eletrônica aplicada á
Mobilidade “ Compatibilidade Eletromagnética” São Paulo: AEA – Associação
Engrenharia Automotiva,2006
[13] BRAGAZZA, B.D. | (Org) Treinamento Bosch Modulo 6: Controller Area
Network (CAN).EAS31, Versão 3,2012
[14] Revista Saber Eletrônica – setembro 2013-
http://www.sabereletronica.com.br/artigos/1347-compatibilidade-eletromagntica-em-
automeveis
[15] Terence Rybakova and Mark Steffka, “Automotive Electromagnetic Compatibility
(EMC)”. Kluwer Academic Publishers, 2004.
[16] Assis Jr, A.L.; WATANABE, F.Y.; CRUZ Jr, AO “Compatibilidade
eletromagnética em veículos n 8º Seminário sobre Eletrônica aplicada á Mobilidade
“Compatibilidade Eletromagnética” São Paulo: AEA – Associação Brasileira de
Engenharia Automotiva, 2006.
[17]BARTHUS, Marcus. Perspectivas de Ensaios de Compatibilidade Eletromagnética
para aIndústria Automotiva. II Seminário de Compatibilidade Eletromagnética e Aval
iação de Conformidade, Porto Alegre, 2012. 79 p.
[18] Juliano F. Mologni, Markus Kopp, Arnaud Colin, Marco A. R. Alves, e Edmundo
S. Braga, “Full Vehicle Electromagnetic Simulation using the Hybrid Finite Element
Boundary Integral Approach”. XX SAE Brazil International Congress and Exhibition,
SP – 2011.
102
[19] Wen-Jiao Liao, Baertlein, B.A., Gilmore, W., “The role of grounding in automotive
EMC”, IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Seattle, WA,
USA, Agosto. 2-6, 1999, vol. 2, p. 745-750.
[20] ISO 11452 “Road vehicles – Electrical disturbances by narrowband radiated
Electromagnetic energy Component test methods”
Part 1: General and definitions (CD ISO11452-1: 2002).
[21] ISO 11451 “Road vehicles – Electrical disturbances by narrowband radiated
Electromagnetic energy – Vehicle test methods”.
Part 1: General and definitions (ISO11451-1: 2010).
Part 2: Off vehicle radiation source (ISO11451-2: 2010).
Part 4: Bulk current injection (ISO11451-4: 1st Edition 2010).
[22] Livro: Eletrônica embarcada, Guimarães Alexandre, págs. 265,266,267
[23]General Motors Corporation, “EMC: Introduction to EMC for
DesigningEngineers,” GM University Engineering College, Michigan - USA, 2006
[24] Analise de modelagem e Simulação Eletromagnética aplicado a testes de EMC em
veículos – Michel Gavião
[25] T. Jarvis, “’e’ is for Automobile Electronics”. Disponível em:
http://www.radiocad.co.uk/files/5413/6921/7109/AutoElectronics.pdf
[26] Dieter Frohlich, “Directive 2004/104/EC vs 95/54/EC”, Electromagnetic
Interference and Compatibility (INCEMIC), 2006 Proceedings of the 9th International
Conference on IEEE.
[27] Siemens Product Lifecycle Management Software Inc. Disponível em:
http://www.plm.automation.siemens.com/en_us/products/nx/
[28] Altair Engineering, Inc. Disponível em:
http://www.altairhyperworks.com/Product,7,HyperMesh.aspx
103
[29] Scott Stanton, e Ravenstahl, “Simulation-Driven Design for Hybrid and Electric
Vehicles”,http://www.ansys.com/staticassets/ANSYS/staticassets/resourcelibrary/artic
le/AA-V4-I1-Simulation-Driven-Design-for-Hybrid-and-Electric-Vehicles.pdf
[30] Conselho Nacional de Trânsito – CONTRAN. Disponível em:
http://www.denatran.gov.br/contran.htm
[31] Agência Nacional de Telecomunicações – ANATEL. Disponível em:
http://www.anatel.gov.br/Portal/exibirPortalInternet.do
[32] Federal Communications Commission - FCC. Disponível em: http://www.fcc.gov/
[33] Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia - INMETRO. Disponível
em: http://www.inmetro.gov.br/
[34] Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – INPE. Disponível em:
http://www.inpe.br/
[35] Franciscus Jozua van Dam, “A stripline antenna for radiated immunity testing”,
Dissertação de Mestrado, University of Twente, 27-10-2011.
[36] Site ETS-Lindgren, disponível em: http://www.ets-lindgren.com/
[37] Site R&S Rohde&Schwarz, disponível em: http://www.rohde-schwarz.com/
[38] Site AR INPC, disponível em: http://www.ar-amps.com/
[39] Site Milmega, disponível em: http://www.milmega.co.uk/
[40] Thomas Weiland, Martin Timm, and Irina Munteanu, “A Practical Guide to 3-D
Simulation”, IEEE Microwave Magazine, pp. 62-75, Dezembro 2008.
104
Apêndice A
O Espectro eletromagnético de ondas
Comprimento de onda
É a distância que uma única frequência senoidal leva para completar o ciclo de
360°[Paul,2006]
ƛ=c/f Onde:
ƛ=Comprimento de onda em metros
C=Constante da velocidade da luz no espaço livre
F=Frequência da onda em Hz
105
Apêndice B
Antenas
As Antenas são elementos fundamentais em sistemas de transmissão e recepção para
qualquer tipo de sinal e consequentemente também na realização de testes físicos de
compatibilidade eletromagnética em veículo. Uma estação transmissora ou uma fonte de
irradiação de sinais será tão eficiente quanto mais eficiente for sua antena.
Na realidade toda e qualquer transmissão ou irradiação de sinais (ondas
eletromagnéticas) é função do casamento entre um transmissor e uma antena acoplada ao
mesmo. O conceito mais adequado para Antena é: “Elemento pertencente a um sistema de
transmissão e/ou recepção de sinais que tem como função radiar/captar ondas eletromagnéticas
na forma de energia entre um meio confinado (uma linha de transmissão) e um meio não
confinado (livre).
Nesta linha de raciocínio, pode-se facilmente avançar no conceito e afirmar que uma
antena pode ser considerada um transdutor de ondas eletromagnéticas entre meios com
propriedades distintas de propagação de energia.
Uma antena adapta a impedância entre a linha coaxial de transmissão de saída de um
TX (50 Ohms) impedância do espaço livre (120 Ohms ou 377 Ohms)
A maneira como a adaptação de energia acontece, define propriedades
fundamentais das antenas, pois:
1-Pode se dar de forma controlada ao longo do espaço, ao redor da antena de onde surge
o conceito de diagrama de radiação tridimensional.
2- Pode se dar com maior ou menor eficiência em uma dada direção, comparativamente
a uma antena de referência (de onde surge o conceito de ganho).
3-Pode se dar numa faixa de frequência maior ou menor (de onde surge o conceito de
largura de faixa).
4- Pode se dar com maior ou menor perda de energia (de onde surge o conceito de
VSWR).
106
5-Pode se dar em uma determinada orientação de propagação do campo elétrico em
detrimento de outra orientação (de onde surge o conceito de polarização).
A principal propriedade de uma antena é o seu diagrama de radiação, pois é a
propriedade com um apelo intuitivo mais imediato e que traduz o comportamento da antena
quanto à sua capacidade de distribuir espacialmente (ao seu redor) a energia aplicada em seus
terminais de entrada. O diagrama de radiação é a representação gráfica da distribuição espacial
das propriedades de radiação da antena, tomadas sobre uma superfície imaginária no espaço
chamada de “esfera de radiação”, onde a antena em análise está hipoteticamente disposta no
seu centro. As principais grandezas representadas num diagrama de radiação são:
- Potência
- Intensidade de campo
- Fase
-Polarização
Logo, para cada uma das propriedades acima, podemos associar um diagrama de
radiação espacial específico, também chamado de diagrama de radiação tridimensional (3D),
que represente graficamente como a potência, intensidade de campo, fase e polarização se
distribuem ao redor da antena.
Para fins de projeto e com maior aplicação na prática, restringe-se, entretanto, a
publicação apenas para os diagramas de radiação de potência e de intensidade de campo,
representados graficamente no formato polar ou no formato retangular e utilizando escala com
passo linear ou escala com passo em dB. (Obs.: Em figuras posteriores, serão evidenciadas as
diferenças entre utilizar escala com passo linear e escala com passo em dB, bem como as
diferenças entre usar o formato polar ou retangular). O que ocorre na prática é uma
simplificação, isto é, especificam-se apenas os cortes (ou fatias da esfera de radiação) principais
do diagrama 3D da antena. Estes cortes principais são os cortes de azimute (horizontal) e os
cortes de elevação (vertical), os quais efetivamente são empregados em projeto, conforme
apresentados a seguir:
107
Corte de Azimute (Horizontal) e de elevação (Vertical)
Observando acima, se imaginarmos a antena posicionada no centro de um sistema de
coordenadas (x,y,z) onde o eixo x está perpendicular ao plano da figura (portanto um eixo
saindo da figura em nossa direção), podem-se definir dois cortes principais na esfera imaginária
que envolve a antena e associar cada um destes cortes ao sistema de coordenadas (x,y,z), quais
sejam:
Corte de azimute = fatia da esfera de radiação onde as propriedades de radiação da
antena são verificadas no plano (x, y) ou, intuitivamente, no plano horizontal;
Corte de elevação = fatia da esfera de radiação onde as propriedades de radiação da
antena são verificadas no plano (z, y) ou, intuitivamente, no plano vertical.
Mais precisamente, se denominamos o ângulo (θ) como sendo o ângulo tomado entre o
eixo z e o vetor formado da origem do sistema de coordenadas (x,y,z) até um ponto qualquer
sobre a esfera de radiação e chamamos ângulo (ϕ) o ângulo tomado entre o eixo x e o vetor
formado da origem do sistema de coordenadas (x,y,z) até um ponto qualquer sobre a esfera de
radiação, podemos ampliar a definição do parágrafo anterior e afirmar que o corte de azimute
é qualquer corte da esfera de radiação onde o ângulo (θ) permanece fixo (normalmente em 90
graus) e o ângulo (ϕ) varia. Similarmente, podemos dizer que o corte de elevação é qualquer
corte da esfera de radiação onde o ângulo (ϕ) permanece fixo (normalmente em 0 graus) e o
ângulo (θ) varia. Portanto, deve estar sólido o conceito de que o diagrama de radiação horizontal
de uma antena é o diagrama do corte de azimute tomado do diagrama de radiação 3D, bem
como o diagrama de radiação vertical de uma antena é o diagrama do corte de elevação tomado
do diagrama de radiação 3D. Este entendimento leva à conclusão imediata de que os formatos
de representação polar e retangular, que mencionamos no início desta figura, nada mais são do
108
que variações da representação gráfica 2D, ou seja, no “plano do papel”, dos diagramas de
radiação horizontal e vertical da antena.
Representação na forma polar e retangular da irradiação de uma antena
Nas figuras acima, na parte superior ao centro, um diagrama representado no formato
retangular, onde o eixo vertical (abcissa) indica a intensidade de campo normalizada [0,1], o
eixo horizontal (ordenada) indica o setor angular de análise. Observando este diagrama,
verificamos que, por exemplo, para o ângulo 90 graus a intensidade de campo é máxima (igual
a 1) e para os ângulos 60 e 120 graus, a intensidade de campo é nula (igual a 0).
Na parte inferior à esquerda, temos agora um outro diagrama representado no formato
polar, onde as linhas radiais (tomadas do centro da circunferência até o círculo externo)
representam o ângulo de análise e o raio associado (ponto de intersecção da radial com o
diagrama) representa a intensidade de campo normalizada [0,1], sendo 1 o valor da intensidade
de campo associada ao círculo externo. Observando este diagrama, verificamos que, por
exemplo, nas radiais 0, 45 e 90 graus, tem-se intensidade de campo máxima e que para a radial
300 graus, a intensidade de campo é apenas 0,2. Se afirmarmos que o diagrama retangular
representa o diagrama de radiação de elevação e o diagrama polar representa o diagrama de
radiação de azimute de uma mesma antena, reconheceremos facilmente estes dois diagramas
anteriores como cortes do diagrama 3D desta antena, mostrados na parte inferior à direita da
figura.
Embora o diagrama de radiação de qualquer antena seja fisicamente um diagrama
espacial, a representação por intermédio dos dois cortes principais: Azimute (também chamado
de diagrama horizontal), e Elevação (também chamado de diagrama vertical) deste diagrama
espacial traduzem com bastante fidelidade o comportamento das propriedades de radiação da
109
antena, mas é sempre importante lembrar que se trata de simplificações necessárias e impostas
para fins de projeto.
Qualquer análise mais minuciosa ou completa que se deseje realizar sobre as
propriedades de radiação de uma antena deve contemplar as propriedades do seu diagrama 3D.
Não se deve concluir, portanto, que a antena estará completamente caracterizada quanto ao seu
diagrama de radiação, analisando-se somente os seus cortes principais. Qualquer antena pode
ser classificada (e rapidamente caracterizada), tomando-se como base somente as propriedades
do seu diagrama de radiação, em duas categorias bem distintas de funcionamento: Antenas
Direcionais e Antenas Omnidirecionais.
As definições são autoexplicativas: por direcional subentende-se aquela antena capaz
de radiar / receber ondas eletromagnéticas com eficiência variável em função da direção; por
omnidirecional subentende-se a antena que não é direcional. Na prática, entretanto, uma antena
omnidirecional será, via de regra, direcional em um dos seus cortes, quer seja ele o corte de
azimute ou de elevação, pois se a antena fosse omnidirecional em ambos os cortes, estaria se
aproximando de um radiador ideal (também denominado isotrópico), o qual não é realizável.
Como exemplo de uma antena que, de acordo com a sua utilização, pode ser classificada como
direcional ou omnidirecional, tomemos o “dipolo”. Posicionando o dipolo sobre o sistema de
coordenadas (x, y, z) onde ele se encontra sobre o eixo z, observando o diagrama 3D e
recorrendo às definições anteriores dos cortes principais do diagrama 3D (figura 2) de uma
antena, podemos afirmar:
1. Quanto ao corte de Azimute (ou diagrama de radiação horizontal): o corte de azimute
é obtido tomando-se uma “fatia” do diagrama 3D paralela ao plano xy do sistema de
coordenadas (x, y, z); esta fatia está representada no canto superior direito da figura e
notadamente verifica-se tratar de um diagrama omnidirecional (mesma intensidade de campo
em todas as direções).
2. Quanto ao corte de Elevação (ou diagrama de radiação vertical): o corte de elevação
é obtido, tomando-se uma fatia do diagrama 3D paralela ao eixo zy (o eixo zx também poderia
ser utilizado) do sistema de coordenadas (x, y, z); esta fatia está representada no canto inferior
direito da figura e notadamente verifica-se tratar de um diagrama direcional (intensidade de
campo nula sobre o eixo z).
110
Se provocássemos uma rotação de 90 graus no dipolo, isto é, se ele estivesse
posicionado sobre o eixo x, o diagrama de azimute seria direcional e o diagrama de elevação
seria omnidirecional. Na prática, o uso do termo omnidirecional não requer que a intensidade
de campo seja constante ao redor da antena; aceita-se e classifica-se o diagrama de uma antena
como omnidirecional, se a variação de intensidade de campo for menor do que 3 dB (no caso
de empregar-se escala linear e intensidade de campo normalizada, e isto significa aceitar a
variação do diagrama entre os valores 1 e 0,7).
Qualquer que seja o diagrama de radiação de uma antena que se pretenda analisar /
especificar, quer seja ele o diagrama horizontal ou vertical, sempre é possível identificar e/ou
classificar os lóbulos de radiação deste diagrama, que nada mais são do que partes do próprio
diagrama com características específicas, senão vejamos. A figura 4 apresenta um diagrama
representado em formato retangular (não importa saber se este diagrama é horizontal ou
vertical), no qual partes bem características e representativas das propriedades de radiação da
antena são colocadas: os lóbulos, como são conhecidas essas partes do diagrama e que são
classificados em:
Diagrama de radiação: formato retangular, mostrando os lóbulos: principal, secundários
e traseiro.
Lóbulo principal: define o ângulo ou setor também chamado de meia potência, pois é
neste lóbulo que a antena irá concentrar a maior parte de sua energia (se empregadas
intensidades de campo normalizada e escala linear, o ângulo de meia potência corresponde ao
arco onde o campo é maior ou igual a 0,707 ou 0,707*0,707=0,5 no caso de potência);
Lóbulos secundários: por exclusão, são os demais lóbulos que não o principal. A
importância dos lóbulos secundários é verificar como a antena está distribuindo a energia ao
seu redor, fora da área de principal interesse de cobertura, sendo útil para a determinação dos
nulos ou regiões do diagrama onde se terá intensidade de campo reduzida;
111
Lóbulo traseiro: é o lóbulo secundário posicionado atrás ou na direção oposta do
lóbulo principal da antena, e define o que se denomina de relação “frente- costa” da antena, que
é uma medida útil para se saber da capacidade de “isolação” da antena quando operando no
modo de recepção, ou da sua direcional idade, quando operando no modo de transmissão. A
extração destes parâmetros de um diagrama de radiação permite entender melhor a sua
aplicação, bem como ajuda bastante na especificação preliminar de uma antena, quando não se
dispõe de uma ideia clara e completamente especificada do tipo de diagrama pretendido. A
figura 5 exibe um outro diagrama de radiação.
Diagrama de Irradiação de uma antena
Nesta figura, o diagrama em vermelho do tipo direcional representa o diagrama vertical
(corte de elevação) e o diagrama em preto do tipo omnidirecional representa o diagrama
horizontal (corte de azimute) de uma mesma antena; o diagrama representa a intensidade de
campo normalizada. Na figura 5, a escala apresentada tem passo de 1 dB/div. não permitindo
visibilidade dos lóbulos secundários do diagrama vertical realçando a “circularidade” (menor
do que 3 dB) do diagrama horizontal. Na figura 6, temos um diagrama de radiação com escala
linear. Nela, a escala varia de 0 até 1 com passo 0,1/div, sendo normalmente empregada em
projetos.
Diagrama de radiação de uma antena com escalar linea
112
Apêndice C
Abaixo Data Sheet da Antena Bicônica 3159
Figura: Antena bicônica 3159
Especificações Elétricas:
Abaixo pode se ver a especificação técnica da antena bicônica 3159
-Faixa de frequência: 30MHz- 100MHz
-Potência de entrada máxima RF máxima: 15Kw
-Ângulo de cobertura/altura e polarização facilmente ajustáveis
-VSWR: 2:1 típico
-VSWR: 4:1 máximo
113
Abaixo o Setup realizado para levantar experimentalmente a curva de resposta da antena
bicônica 3159, para polarização vertical e considerando uma potência de entrada de 15Kw
Polarização Vertical:
A seguir a curva de resposta da Antena bicônica 3159 para diferentes distâncias e frequências:
1-Diagrama de radiação da Antena Bicônica 3159
Frequência 30MHz
Distância = 5 metros
114
2-Diagrama de radiação da Antena Bicônica 3159
Frequência 60MHz
Distância = 5 metros
3-Diagrama de radiação da Antena Bicônica 3159
Frequência 80MHz
Distância = 5 metros
115
4-Diagrama de radiação da Antena Bicônica 3159
Frequência 100MHz
Distância = 5 metros
116
APÊNDICE D
MEDIÇÕES DE PICO, QUASE-PICO E MÉDIA
Existem três tipos de detectores de uso comum em medições de emissões de rádio
frequência: pico, quase-pico e média. As características são diferentes para cada faixa de
frequências (ver Apêndice B) e são definidos na norma CISPR16.
Emissões de interferências são raramente contínuas em um nível fixo. Um sinal de
portadora, por exemplo, pode ser modulado em amplitude e ambas, portadora e emissões em
banda larga, podem ser pulsadas. Os três tipos de detectores fornecem diferentes níveis de
medidas, dependendo do sinal que for medido (Figura D.1) [16].
Figura D.1 – Medidas de Pico (P), Quase-Pico (QP) e Média (M) para diferentes sinais [16]
Pico (P)
Um detector de pico responde quase instantaneamente ao valor de pico do sinal e a
descargas. Se o receptor reside em uma única frequência, a saída do detector de picos irá seguir
o envelope do sinal (contorno aparente do sinal formado pelos sucessivos valores de pico).
Devido a esse comportamento, às vezes, é chamado de detector de envelope.
Figura D.1 – Medidas de Pico (P), Quase-Pico (QP) e Média (M) para diferentes sinais [16]
117
Quase-Pico (QP)
O detector de quase-pico é um detector de pico com moderada carga e tempos de
descarga. Este detector foi desenvolvido e recomendado para uso comum pela CISPR, uma vez
que foi observado que pela ponderação das constantes de tempo do detector de pico, uma
melhor correlação poderia ser encontrada entre as leituras do receptor EMI e as perturbações
de transmissão ouvidas pelo ouvido humano. Isto significa que os detectores de quase-pico
foram estabelecidos com referência ao ouvido humano. Foi notado que a interferência em
baixas frequências por repetição de pulso é subjetivamente menos irritante na recepção de rádio
que a interferência em altas frequências por repetição de pulso. Por consequência, um tipo de
emissão por pulsos será tratado de forma mais moderada por uma medição de quase-pico do
que por uma medição de pico. Uma desvantagem do detector de quase-pico é a demora para se
obter um resultado exato, uma vez que a medição deve permanecer em cada frequência por
mais tempo do que os tempos de carga de quase-pico e de descarga. Uma vez que a intenção
dos testes baseados na CISPR historicamente tem sido a de proteger os usuários de voz e dados
do espectro de rádio, a CISPR coloca consideravelmente ênfase na utilização do detector de
quase-pico.
Média (M)
O detector de médias, como o seu nome indica, mede o valor médio do sinal. No caso
em que o sinal é contínuo, o detector de média medirá um valor igual ao detector de pico, mas
nos casos em que o sinal é pulsado ou modulado, o nível médio será inferior ao pico.
118
APÊNDICE E
Requisitos gerais para veículos automotores
A fim de conter as emissões eletromagnéticas dos veículos e aumentar a imunidade às
interferências internas e externas dos mesmos, muitos países e fabricantes de automóveis têm
formulado normas de EMC específicas para assegurar a compatibilidade eletromagnética dos
sistemas automotivos. Em geral, as normas de EMC automotivos podem ser classificadas como
normas de emissão e normas de imunidade.
As normas de emissão especificam a tensão máxima de rádio frequência que um veículo
pode induzir em linhas de potência ou dados, ou ainda irradiar para o espaço aberto. As normas
de imunidade especificam a energia eletromagnética que o veículo deve suportar. As principais
normas automotivas globalmente utilizadas são listadas a seguir [14] [6]: - 40 –
ISO 11451 – “Métodos de testes de veículos para distúrbios elétricos a partir de energia
eletromagnética irradiada de banda estreita”.
ISO 7637 – “Distúrbios elétricos a partir de condução e acoplamento”.
ISO 10605 – “Veículos rodoviários - Métodos de testes para distúrbios elétricos a partir
de descargas eletrostáticas”.
A gravidade dos modos de falhas ISO é classificada de A até E como segue:
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- Classe A: todas as funções de um dispositivo ou sistema funcionam conforme projeto
durante e após a exposição à interferência.
- Classe B: todas as funções de um dispositivo ou sistema funcionam conforme projeto
durante a exposição, no entanto, uma ou mais funções podem operar além da tolerância
especificada. Todas as funções retornam automaticamente para dentro dos limites normais após
a exposição ser removida. Funções de memória devem permanecer como na classe A.
- Classe C: uma ou mais funções de um dispositivo ou sistema não funcionam conforme
projeto durante a exposição, mas retornam automaticamente à operação normal após a
exposição ser removida.
- Classe D: uma ou mais funções de um dispositivo ou sistema não funcionam conforme
projeto durante a exposição e não retornam à operação normal até que a exposição seja
removida e o dispositivo ou sistema seja religado por uma ação simples do usuário.
- Classe E: uma ou mais funções de um dispositivo ou sistema não funcionam conforme
projeto durante e após a exposição, e não podem retornar ao funcionamento adequado sem
reparação ou substituição do dispositivo ou sistema.
-IEC CISPR 12 – “Veículos, barcos e motores de combustão interna - Características de
perturbações de radiofrequência - Limites e métodos de medição para a proteção de receptores
não integrados ao veículo”.
-IEC CISPR 25 – “Veículos, barcos e motores de combustão interna - Características de
perturbações de radiofrequência - Limites e métodos de medição para a proteção de receptores
integrados ao veículo”.
-72/245/EEC – “Interferência de Rádio (EMC) de Veículos”.
-Regulação ECE 10 – “Prescrições uniformes relativas à homologação de veículos no
que diz respeito à compatibilidade eletromagnética”.
Normas SAE abrangem tanto os componentes quanto o veículo como um todo além de
seus respectivos métodos de ensaio, assim como suas referências, a ISO e CISPR. As normas
SAE de EMC tendem a se aproximar da ISO nos testes de imunidade (susceptibilidade) e da
CISPR nos testes de emissão, buscando uma clara harmonização.
