Volume 14 n3 09

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42

Educação & Tecnologiaa r t i g o

Julião César Moreira Sales1

Sandro Magalhães Malta2

Maria Inês Martins3 Ana de Oliveira Rodrigues4

Este trabalho apresenta um procedimento para avaliação de blindagem eletromagnética através de medição de campos eletromagnéticos em laboratório, baseado nas normas especificadas pelo padrão IEEE Std-299-1997, revisado em 2006, “IEEE Standard Method for Measuring the Effectiveness of Electromagnetic Shielding Enclosures” (IEEE, 1997) (IEEE, 2007). São propostas adaptações para a realidade dos laboratórios de ensino de Eletromagnetismo, em particular do Centro Universitário de Belo Horizonte (UNI-BH) e da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais (PUC Minas), como alternativas de baixo custo aos materiais e métodos sugeridos pela norma. São ainda apresentadas as validações das medições através de comparação com solução analítica. O comportamento da blindagem medida com esse procedimento mostra-se coerente, evidenciando a dificuldade de blindagem de campos de baixa frequência e o aumento da eficiência da blindagem com o aumento da frequência. Conclui-se que o procedimento desenvolvido mostra-se adequado como alternativa de baixo custo aos métodos apresentados nos padrões internacionais.

Palavras-chave: Blindagem; Campos Eletromagnéticos; Medições Laboratoriais.

1 Engenheiro de Telecomunicações, Consultor em Telecomunicaçãoes (Redes Móveis) da Radiocell Engenharia. [email protected] 2 Mestrando em Engenharia PUC Minas. Professor substituto do CEFET-MG. Professor UNIPAC, campus Bom Despacho. [email protected] Doutora em Educação. Professora do Programa de Mestrado em Ensino de Ciências e Matemática da PUC Minas. [email protected] Residente de Pós-Doutorado Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da UFMG. [email protected]

INTRODUÇÃO

Ondas eletromagnéticas são produzidas pela variação no tempo de campos elétrico e magnéticos. Para a região de campo distante no espaço livre, esses campos são perpendiculares entre si e perpendiculares à direção de propagação.

Frequência é o termo que define a taxa com que os sinais de telecomunicações e as correntes elétricas se

alteram. É uma unidade de medida ligada a um fenômeno periódico que se repete num dado intervalo de tempo, e é dada pela Eq.(1). As faixas de frequência são definidas conforme a Tabela I.

[Hz] (1)

Na equação 1, f = frequência [Hz], c = velocidade da luz no vácuo = 3 x 108 [m/s] e λ= comprimento de onda [m]

Recebido em: 16/10/2007; aceito em: 21/2/2009. Educ. Tecnol., Belo Horizonte, v. 14, n. 3, p. 42-51, set./dez. 2009

Development of reliable procedures to evaluate electromagnetic shielding efficiency adapted to resources commonly available to teaching Electromagnetic Laboratories

This work presents a procedure to evaluate electromagnetic shielding efficiency using field measurements of electromagnetic fields based on IEEE Std-299-1997 and its revised version of 2006, “IEEE Standard Method for Measuring the Effectiveness of Electromagnetic Shielding Enclosures” [IEEE, 1997] [IEEE, 2007]. Adaptations to resources commonly available at Electromagnetic Laboratories, especially the laboratories at Centro Universitário de Belo Horizonte (UNI-BH) and at Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais (PUC Minas) are proposed as an alternative to the high cost procedures suggested by the standard. The results are validated through comparisons with analytical solutions. Measurements of shielding efficiency obtained using the proposed procedure show the difficulty in shielding low frequency fields and the consequent rise in the shielding efficiency as the frequency observed is higher. It is concluded that the proposed procedure can be used as a low cost alternative to the procedures presented in the international standard.

Keywords: Shielding; Electromagnetic Fields; Measurements.

Desenvolvimento de procedimentos de medição da eficiência de blindagem eletromagnética adaptados aos

laboratórios de ensino de Eletromagnetismo

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43Educação & Tecnologia

TABELA I: ESPECIFICAÇÃO DAS FAIXAS DE FREQÜÊNCIA [STIMAC, 2007].

Sigla Descrição Faixa de Freqüência

ULF Frequência Ultra Baixa Menor que 3Hz

ELF Frequência Extra Baixa 3 – 3000 Hz

VLF Frequência Muito Baixa 3 – 30 kHz

LF Baixa Frequência 30 – 300 kHz

MF Média Frequência 0,3 – 3 MHz

HF Alta Frequência 3 – 30 MHz

VHF Frequência Muito Alta 30 – 300 MHz

UHF Frequência Ultra Alta 0,3 – 3 GHz

SHF Frequência Super Alta 3 – 30 GHz

EHF Frequência Extremamente Alta 30 – 300 GHz

A frequência é um dos principais fatores que caracterizam uma onda eletromagnética. Ondas eletromagnéticas irradiadas por equipamentos podem causar interferência eletromagnética, comprometendo o funcionamento de outros equipamentos, podendo inclusive causar danos irreparáveis. A área do conhecimento que estuda esse tipo de interação denomina-se compatibilidade eletromagnética (CEM).

As soluções adotadas para evitar esses efeitos indesejáveis são diferentes se a fonte de interferência for de baixa frequência e ou de alta frequência. De maneira geral, a interferência eletromagnética pode ser atenuada pelo emprego de blindagens eletromagnéticas, cuja finalidade é, de um lado, proteger os equipamentos dos efeitos da radiação eletromagnética exterior ou, por outro lado, proteger o meio ambiente dos efeitos da radiação eletromagnética gerada pelo equipamento.

O material utilizado em uma blindagem eletromagnética deve apresentar bom índice de absorção, característica especialmente importante para baixa frequência, bem como apresentar bom índice de reflexão, característica especialmente importante para alta frequência. Os materiais ferromagnéticos são os mais utilizados em ambos os casos.

Para testar a eficiência dessas blindagens, deve-se adotar um procedimento para medição do campo eletromagnético com e sem a blindagem, validado para diversas frequências por meio de medições laboratoriais. Estes procedimentos podem ser utilizados para avaliar se os níveis de irradiações observados em locais de trabalho estão em conformidade com as normas estabelecidas por lei, ou estão compatíveis com os níveis aceitos por equipamentos.

Para o desenvolvimento desse procedimento existe o padrão internacional IEEE Std-299-1997 (IEEE, 1997) e sua revisão, o IEEE Std-299-2006 (IEEE, 2007). Entretanto, esse padrão exige a utilização de materiais de alto custo, nem sempre acessíveis.

2 OBJETIVOS

O objetivo deste trabalho é apresentar um procedimento para avaliação de blindagem eletromagnética por meio de medição de campos eletromagnéticos em laboratório de ensino.

Esse procedimento foi baseado nas normas especificadas pelo padrão IEEE Std-299-1997, revisado em 2006, “IEEE Standard Method for Measuring the Effectiveness of Electromagnetic Shielding Enclosures” (IEEE, 1997) (IEEE, 2007), que serão adaptadas para a realidade dos laboratórios do Centro Universitário de Belo Horizonte (UNI-BH) e da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais (PUC Minas).

Alternativas de baixo custo são oferecidas, com validação das medições obtidas.

3 METODOLOGIA

3.1 Calibração dos Equipamentos

Para realizar os testes de eficiência de blindagem, foram seguidos os procedimentos propostos pelos padrões IEEE Std 299-1997 (IEEE, 1997) e sua revisão, o padrão IEEE Std 299-2006 (IEEE, 2007) que detalham a utilização de vários equipamentos para a medição de blindagem eletromagnética.

A primeira etapa consiste em testes dos equipamentos para verificar se os medidores de campos elétrico e magnético para baixa frequência estão funcionando corretamente. Pela lei de Ampère, o campo magnético gerado por um fio infinito, ou seja, quando comprimento do fio é muito maior do que a distância do fio ao ponto em que se deseja conhecer o valor do campo magnético, é dado pela Eq.(2) (HAYT, 2003):

(2)

Na equação 2, I é a corrente (em ampères) que flui no fio e Ρ é a distância (em metros) de um ponto qualquer ao fio. Essa formulação assume que o fio é infinito.

Para se obter maior precisão nos resultados, deve-se fazer o cálculo do campo magnético considerando o comprimento real do fio. A condição de fio finito é mostrada na Figura 1.

Educ. Tecnol., Belo Horizonte, v. 14, n. 3, p. 42-51, set./dez. 2009

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44

Educação & Tecnologia

Fig.1 – Configuração de um fio finito.

O campo magnético gerado pelo fio no ponto P é então dado pela Eq.(3) (HAYT, 2003), onde α1 e α2 são os ângulos apresentados na Fig.1 e estão em radianos:

(3)

Essas equações são comparadas aos valores medidos em laboratório com os medidores disponíveis, de forma a verificar a confiabilidade dos resultados.

3.2 Frequências de Teste

Dentro da faixa de 9kHz a 20MHz, os padrões do IEEE recomendam a faixa de 14MHz a 16MHz para testes de campo magnético devido à menor possibilidade de falha nessa faixa de frequência. Além disso, o padrão recomenda o teste em frequências de interesse especial, como fontes conhecidas de interferência eletromagnética.

Utilizando esta recomendação e o alcance dos materiais disponíveis nos laboratórios, foi definido um conjunto de frequências para teste:

a)60Hz - Extra Baixa Freqüência (ELF), de 3Hz a 3kHz - freqüência da rede e possível causa de interferências eletromagnéticas causadas por equipamentos comerciais;

b)12,5KHz - Frequência Muito Baixa (VLF), de 3KHz a 30KHz - valor intermediário dentro da faixa de VLF;

c)150KHz - Baixa Frequência (LF), de 30KHz a 300KHz - valor intermediário dentro da faixa de LF;

d)150MHz - Alta Frequência (HF), de 3MHz a 300MHz - valor intermediário dentro da faixa de HF.

e)60MHz – Frequência Muito Alta (VHF), de 3MHz a 300MHz - valor máximo obtido pelos equipamentos disponíveis no laboratório da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais (PUC Minas);

f)200MHz - Frequência Muito Alta (VHF), de 3MHz a 300MHz - valor mínimo obtido pelos equipamentos disponíveis no laboratório do Centro Universitário de Belo Horizonte (UNI-BH) na faixa de VHF;

g)450MHz - Frequência Muito Alta (VHF), de 3MHz a 300MHz - valor intermediário dentro da faixa de VHF;

h)900MHz - Frequência Muito Alta (VHF) - valor de transmissão de telefonia celular analógica e possível causa de interferências eletromagnéticas;

i)1.8GHz - Frequência Ultra Alta (VHF), de 300MHz a 3GHz, valor de transmissão de telefonia celular digital e possível causa de interferências eletromagnéticas.

Não foram escolhidas frequências na faixa de média (MF – de 300KHz a 3MHz), pois não havia geradores e antenas nos laboratórios disponíveis para gerar esta faixa de frequência.

3.3 Medição de Blindagem em Baixa Freqüência

Os padrões IEEE Std 299-1997 e IEEE Std 299-2006 descrevem a metodologia para o cálculo da eficiência de uma blindagem para uma simples barreira (por exemplo, uma tela) (IEEE, 1997) e (IEEE, 2007).

Para esta faixa de freqüência, o arranjo experimental é composto de uma fonte geradora de campo magnético (fora da blindagem) constituída de um loop de 30cm de diâmetro conectado a um gerador de sinal capaz de prover a corrente necessária no loop e, um loop receptor (dentro da blindagem), também de 30 cm de diâmetro, conectado a um analisador de espectro ou algo similar, capaz de medir a amplitude do sinal dentro da blindagem.

O campo magnético fora da blindagem, chamado de campo de referência H1, deve ser medido por um loop, de 30cm de diâmetro, distante 60cm do centro do loop gerador. Ambos os loops devem permanecer coplanares, cada um deles conectado ao seu respectivo dispositivo (gerador ou medidor) por meio de um cabo blindado eletrostaticamente isolado. A Figura 2 mostra a localização correta dos dispositivos geradores e medidores de campo magnético.

( Pα1α2

I

P



O comportamento não linear devido à alta permeabilidade ferromagnética da área delimitada deve ser considerado antes da medição do desempenho da blindagem, pois um campo magnético muito intenso satura materiais magnéticos, causando erro na medida desse campo. Esse comportamento não linear pode ser determinado posicionando os loops, gerador e o receptor, em lados opostos perto do centro geométrico da figura anterior a fim de medir a eficiência da blindagem em função da intensidade da fonte.

A saída do gerador deve ser incrementada a cada 10 dB, sendo que se a eficiência da blindagem decair mais do que aproximadamente 2 dB, o nível intermediário das medidas pode ser feito. Esses resultados devem ser analisados graficamente para a determinação do maior nível permitido para um desempenho linear (dentro de ± 1 dB).

Essas medidas devem estar de acordo com a Figura 2, com os loops (transmissor e receptor) espaçados de 30 cm da blindagem e coplanares em um plano perpendicular à blindagem. Para cada frequência e localização, a saída do gerador deve ser mantida no mesmo valor usado para medir o campo magnético de referência.

Durante a medição, um loop (normalmente o transmissor) deve permanecer numa posição fixa, enquanto que o outro (normalmente o receptor) deve ser reorientado e deslocado (fisicamente, deve varrer no mínimo um quarto comprimento da junção no outro lado e deve estar sempre coplanar com o loop transmissor).

Além disso, deve-se procurar e anotar um pior caso de medida, pois o valor máximo medido deve ser utilizado para determinar a eficiência da blindagem. Considera-se aceitável posicionar os loops de forma aproximadamente coplanar para procurar o pior caso de

medida, mas a medida da eficiência deve ser feita com o loops coplanares.

Embora loops sejam dispositivos de baixo custo, o tamanho dos loops disponíveis não são necessariamente os exigidos pela norma. Na seção de resultados, são apresentadas medições com diversos tamanhos de loop para demonstrar que a utilização de loops com diferentes tamanhos não interfere significativamente nas medições, podendo, portanto, ser adotado, sem a necessidade de compra de novos equipamentos.

3.4 Medição de Blindagem em Média Frequência

O padrão IEEE Std 1997 e sua revisão em 2007 recomendam a utilização de antenas específicas para essa faixa de frequência, bem como indicam diversos cuidados a serem tomados na frequência de ressonância (em MHz), dada pela Eq.(10): (IEEE, 1997). Nesta frequência, não devem ser feitas medições, pois os valores apresentam distorções devido a essa ressonância.

(10)

Na equação 10, “a’ é a altura da blindagem e “b” é a largura. Para esse projeto, a frequência de ressonância é então dada pela Eq.(11).

(11)

Fig. 2 - Localização correta dos instrumentos utilizados para medir a eficiência (SE) de uma blindagem. Fonte: IEEE Std 299-2006.

Shielded cable

Frequency source/amplifi er

Attenuator Detector

Shielded cable

0,3 m diameterelectrostaticallyshielded loop

0,3 m diameterelectrostaticallyshielded loop

Inner shielding surface

Outer shielding surface

0,3 m0,3 m


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46


Assim, para a frequência intermediária foi selecionada a blindagem apenas para a frequência de 60MHz, que é próxima ao valor da frequência de ressonância, mas não próxima demais.

O custo das antenas específicas para essa frequência é alto, significando que este trabalho apresenta medições com a antena geradora e receptora utilizadas nas medições para baixa frequência.

3.5 Medição de Blindagem em Alta Frequência

O padrão IEEE Std 1997 e sua revisão em 2007 recomendam a utilização de antenas do tipo corneta para essas medições. Entretanto, o tamanho das antenas e das linhas de transmissão (guias de onda) para essa faixa de frequência são dependentes da frequência, o que significaria ter uma antena para cada frequência medida.

Como esses equipamentos apresentam alto custo, apresentamos neste trabalho uma adaptação da norma que considera a utilização de duas antenas telescópicas, cujo comprimento foi ajustado em meio comprimento de onda (λ/2) para cada frequência de interesse. Antenas telescópicas apresentam baixo custo e podem ser utilizadas para uma grande gama de frequências, dependendo apenas dos valores de tamanho mínimo (totalmente fechada) e tamanho máximo (totalmente estendida), que correspondem ao valor máximo e mínimo de frequência a ser medida.

Como mencionado anteriormente, definiu-se como frequências de medição para esta faixa de freqüência, os valores 200MHz (HF), 450MHz, 900MHz e 1.8GHz (VHF). Essas frequências, dentro da faixa que a antena telescópica disponibiliza, fornecem, e abrangem as frequências utilizadas pela telefonia celular (900MHz e 1.8GHz), fontes frequentes de interferência eletromagnética.

A distância entre as antenas foi de 1m. A Tabela II mostra os parâmetros utilizados para cada frequência de medição, em que f é a frequência, e hr é o comprimento da antena telescópica, igual a meio comprimento de onda (λ/2).

TABELA II: PARÂMETROS PARA MONTAGEM DAS MEDIÇÕES.

Medição F Hr

1 200 MHz 75 cm

2 450 MHz 33,33 cm

3 900 MHz 16,67 cm

4 1800 MHz 8,33 cm

4 RESULTADOS

4.1 Testes dos Equipamentos

4.1.1 Teste de Calibração

O teste de funcionamento do medidor de campo elétrico e magnético de baixa frequência foi realizado considerando-se o campo magnético gerado por fio esticado de 1,57 m (fio que estava disponível no laboratório), no qual circulava uma corrente de 3A, comparado com valores calculados analiticamente, conforme detalhado na Metodologia. A Tabela III mostra os resultados dos campos magnéticos calculados e os valores medidos em função da distância P.

TABELA III: VALORES DO CAMPO MAGNÉTICO CALCULADO PARA O FIO INFINITO, PARA O FIO

FINITO E MEDIDO EM LABORATÓRIO.

P (CM)H

(Infinito)H

(Finito)H

(medido) Erro

(Infinito)Erro

(Finito)

10 4,77 A/m 4,74 A/m 4,55 A/m 0,25 A/m 0,19 A/m

15 3,18 A/m 3,13 A/m 2,90 A/m 0,28 A/m 0,23 A/m

20 2,39 A/m 2,31 A/m 1,92 A/m 0,47 A/m 0,39 A/m

25 1,91 A/m 1,82 A/m 1,38 A/m 0,53 A/m 0,44 A/m

30 1,59 A/m 1,49 A/m 1,06 A/m 0,53 A/m 0,43 A/m

35 1,36 A/m 1,25 A/m 0,84 A/m 0,52 A/m 0,41 A/m

40 1,19 A/m 1,06 A/m 0,68 A/m 0,51 A/m 0,38 A/m

45 1,06 A/m 0,92 A/m 0,57 A/m 0,49 A/m 0,35 A/m

50 0,95 A/m 0,81 A/m 0,48 A/m 0,48 A/m 0,33 A/m

55 0,87 A/m 0,71 A/m 0,42 A/m 0,45 A/m 0,29 A/m

60 0,79 A/m 0,63 A/m 0,36 A/m 0,44 A/m 0,27 A/m

Na Tabela 3, percebe-se que o erro entre os valores medidos e calculados diminui devido à consideração do comprimento do fio. A Fig.3 mostra os valores dos campos apresentados na Tabela 3.

Fig. 3 - Valores de campo magnético.



A Fig.3 indica que a curva característica foi a mesma para os valores calculados e os valores medidos. Em relação aos erros de medição, verificou-se menor erro considerando o comprimento em comparação com a aproximação de fio infinito. Observa-se ainda que o erro cometido na medição foi praticamente constante (em torno 0,5 A/m), podendo ser associado a fatores tais como campo de fundo e calibração do medidor.

Como o interesse da medição encontra-se na relação entre os campos, com e sem blindagem, o erro constante de 0,5 A/m passou a ser considerado nas medições, não sendo crítico no cálculo da eficiência e, portanto, não afetando o resultado final.

4.1.2 Teste de medição com diferentes loops

Os padrões do IEEE sugerem que a geração do campo magnético seja obtida através de um loop de 30 cm de diâmetro, sem especificar o número de espiras, sendo que o loop medidor deve ser idêntico ao loop gerador. No laboratório, há disponíveis dois loops de 40 cm de diâmetro, um de 20 cm de diâmetro e o medidor utilizado (HI 3604), que tem 20 cm de diâmetro. Devido à facilidade de transporte e à utilização do HI 3604, há preferência em sua utilização na medida da eficiência de uma blindagem eletromagnética para baixa frequência. Para isso, serão necessários testes com os loops geradores de 40 cm e 20 cm de diâmetro disponíveis no laboratório e com o loops medidores, o HI 3604 e o de 40 cm de diâmetro, a fim de verificar se os resultados seriam compatíveis com os dos loops sugeridos pelos padrões do IEEE.

O objetivo deste teste foi mostrar que as dimensões físicas do HI 3604 não interferem no resultado final, caso a medição seja feita com um loop de 20 cm de diâmetro. Isso significa que resultado será o mesmo tanto se for utilizado o medidor HI 3604 quanto um loop de 30 cm de diâmetro (recomendado pelos padrões do IEEE).

A montagem realizada em laboratório obedece ao esquema descrito no padrão, detalhado na Fig.4. A distância entre os centros do loop gerador e do HI 3604 foi de 42 cm. Essa distância foi escolhida por ser coincidente com o centro do loop receptor de 40 cm de diâmetro.

Figura 4: Circuito utilizado para fazer testes nos loops gerador e receptor.

Utiliza-se a Eq.(4) para o cálculo do campo magnético no centro deste loop e verificar se sua compatibilidade com o medido pelo HI 3604.

(4)

O valor de campo magnético medido pelo HI 3604 foi de 8A/m. Com o auxílio de um amperímetro, determinou-se que o valor da corrente induzida no loop receptor foi de 84μA. Assim, o campo magnético no centro desse loop é a diferença entre o campo magnético gerado pelos loops gerador e receptor. Para estes, os campos são dados, respectivamente, pelas Equações (5) e (6), enquanto que o campo magnético total é obtido por meio da Eq.(7).

(5)

(6)

(7)

Percebe-se que a medida do campo magnético gerado pelo loop de 40 cm de diâmetro não difere com a utilização de um loop de 40 cm de diâmetro ou o medidor de campo HI 3604. A próxima etapa consiste na substituição do loop gerador de 40 cm de diâmetro por um de 20 cm de diâmetro, verificando se o resultado medido pelo HI 3604 é compatível com o resultado esperado.

A montagem feita neste teste é idêntica à mostrada na Fig.4 com o loop gerador de 20 cm de diâmetro e a distância entre os centros dos loops de 22 cm. O campo magnético gerado pelo loop gerador é dado pela Eq.(8) (HAYT, 1993):

(8)

O campo magnético medido pelo HI 3604 foi de 14,40 A/m. Percebe-se que os valores medidos e calculados estão muito próximos (erro de 1,6%) e, com isso, conclui-se que o HI 3604 é adequado para a medição do campo gerado por estes loops na avaliação da blindagem eletromagnética.

4.1.3 Teste de linearidade

É necessário determinar qual a faixa de frequência em que o medidor se comporta linearmente (DR). Para isso, foi feita outra montagem em laboratório, em que

_~

Loop de 10espiras

+

HI 3604

12 Ω

R1

v


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48


o campo foi aumentado linearmente (pelo aumento da tensão e, consequentemente, da corrente), sendo que a tomada de dados foi realizada em uma posição fixa.

A Fig.5 mostra o valor calculado (“H calculado’’); o valor real (“H real’’), considerado como o valor medido menos o valor de campo ambiente, e o erro observado. Mais uma vez o erro foi praticamente constante, em torno de 0,5A/m, como observado anteriormente no teste de funcionamento. Esse teste do DR demonstra o comportamento linear do medidor dentro da faixa de teste usada, possibilitando sua utilização nas medições pretendidas.

Fig. 5 – Teste de linearidade

4.2 Resultados em Baixa Frequência

Conforme detalhado na metodologia, foram escolhidas as frequências 60Hz (VLF), 12,5kHz, 150KHz e 15MHz para medir a eficiência de uma blindagem eletromagnética em baixa frequência.

As medições foram realizadas no laboratório de eletromagnetismo da PUC-Minas, sendo que as montagens dos equipamentos seguiram as orientações dos padrões IEEE std-299-1997 e IEEE std-299-2006. Embora esses padrões considerem loops de 30 cm de diâmetro, foi mostrado anteriormente que o resultado não difere com a utilização de loops de 20 cm, disponíveis no laboratório. A Fig.6 mostra a montagem realizada no laboratório.

Fig. 6: Medição do campo residual em 60Hz.

A medição de campo foi feita inicialmente com os equipamentos desligados para coletar o valor de campo residual no ambiente. Esse valor de campo medido pelo HI 3604 foi 0,048 A/m que é aproximadamente o valor de erro do medidor detectado nos testes anteriores. Reiteramos que esse valor não influenciará no resultado final, pois o foco da medida está na relação entre os valores de campo, com e sem a blindagem.

Foi então aplicado ao loop gerador (10 espiras) uma corrente de 4A e o valor lido de campo de referência H1 foi de 0,525 A/m. A blindagem a ser verificada foi criada através do posicionamento de uma tela metálica de 2 metros de altura e 3,50 metros de largura entre as antenas transmissora e receptora, como mostra a Figura 7.

Figura 7: Medição da blindagem em 60Hz.

O campo magnético , lido após a blindagem, foi de 0,511 A/m. Assim, a eficiência da blindagem é dada pela Eq.(9) (IEEE, 1997) (IEEE, 2007).

(9)

Procedimentos idênticos foram mantidos para as frequências de 12,5kHz, 125kHz e 15MHz r, trocando apenas o loop receptor por um de 20 cm de diâmetro,10 espiras conectado a um analisador de espectro. A mudança do loop receptor foi necessária em função da faixa de resposta em frequência do HI 3604, que vai de 50Hz a 1kHz (Holaday).

Os resultados das medições para as frequências de 12,5 kHz, 125kHz e 15 MHz são resumidos na Tabela IV, em que são apresentadas as magnitudes do sinal em dBm, sem e com blindagem, e a respectiva eficiência da blindagem para aquela determinada frequência.



TABELA IV: BLINDAGEM EM 60HZ, 12,5 KHZ,150KHZ E 15MHZ

Frequência Sem Tela Com Tela Blindagem

60Hz -27,12 dBm -27,09 dBm -0,03 dB

12,5kHz -54 dBm -53,9dBm -0,11 dB

150kHz -61,5dBm -61,5dBm 0 dB

15MHz -36,5dBm -45dBm -8,5dB

A Tabela 4 mostra a atenuação significativa da tela apenas a partir de 15 MHz. Essa dificuldade na blindagem de campos de baixa frequência é esperada, inclusive porque abaixo desta frequência a tela se encontra em região de campo próximo [BALANIS, 1992].

4.3 Resultados em Frequência Intermediária

Os sinais de referência medidos foram de -28dBm e -45dBm, antes e depois da blindagem. Com isso a eficiência da blindagem observada pode ser calculada pela Eq.(12), mostrando que esta tela começa a apresentar uma boa eficiência para frequências maiores. A Figura 8 apresenta um gráfico com os valores medidos para baixa frequência e frequência intermediária.

(12)

Fig. 8 – Blindagem em baixa frequência e frequência intermediária

4.4 Resultados em Alta Frequência

Duas antenas telescópicas foram alinhadas no laboratório de Eletromagnetismo do Centro Universitário de Belo Horizonte (UNI-BH). Os equipamentos utilizados foram: duas bases giratórias da marca Bit9; um analisador de espectro IFR modelo 2397, um gerador Agilent modelo 8648 e duas antenas telescópicas. A blindagem a ser medida foi gerada pelo posicionamento de uma tela metálica de 1,00m de altura por 2,30m de largura, tipo peneira, entre a antena transmissora e a antena receptora.

As medições foram realizadas em quatro diferentes frequências, 200MHz, 450Mhz, 900MHz e 1.8GHz. Em todas as medições, as antenas telescópicas estavam

alinhadas no mesmo nível e possuíam o mesmo comprimento. A antena transmissora foi conectada ao gerador que irradiava a uma potência de 10dBm e a antena receptora foi conectada ao analisador de espectro para medição da potência. A Figura 9 apresenta essa montagem.

Fig. 9 – Medição da blindagem em alta frequência

As Figuras 10 a 13 apresentam os resultados das medições gravadas diretamente pelo analisador de espectro sem a tela (esquerda) e com a tela (direita), mostrando o efeito da blindagem.

Fig. 10 - Efeito da blindagem na frequência de 200 MHz.


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50


Fig. 11 - Efeito da blindagem na frequência de 450 MHz.

Fig. 12 -: Efeito da blindagem na freqência de 900MHz.

Fig. 13 - Efeito da blindagem na freqüência de 1.800 MHz.

A Tabela V e a Fig. 14 detalha os resultados obtidos, mostrando como esperado, a curva de eficiência da blindagem à medida que a frequência cresce.

TABELA V: BLINDAGEM EM ALTA FREQUÊNCIA.

Freqüência Sem Tela Com Tela Blindagem

200 MHz -55,91 dBm -62,50 dBm -6,59 dB

450 MHz -35,33 dBm -45,12 dBm -9,79 dB

900 MHz -42,15 dBm -55,00 dBm -12,85 dB

1800 MHz -50,35 dBm -64,52 dBm 14,17 dB

Fig.14 - Blindagem para alta frequência



5 DISCUSSÃO DOS RESULTADOS

Os resultados obtidos mostram que os testes feitos nos equipamentos as medições de eficiência de blindagem eletromagnética com o procedimento desenvolvido apresentam resultados coerentes.

Os testes mostram que o campo ambiente pode ser medido e desconsiderado nas medições, evitando o uso de câmaras anecoicas de alto custo. As comparações com soluções analíticas validam as medições com equipamentos simples, como loops, evitando o uso de equipamentos de geração e medição de campo.

Nota-se a dificuldade de blindagem de campos de baixa frequência, e conseqüente aumento da eficiência da blindagem com o aumento da frequência.

6 CONCLUSÃO

Foi apresentado um procedimento para avaliação de blindagem eletromagnética por meio de medição de campos eletromagnéticos em laboratórios de ensino.

Esse procedimento basea-se nas normas especificadas pelo padrão IEEE Std-299-1997, revisado em 2006, “IEEE Standard Method for Measuring the Effectiveness of Electromagnetic Shielding Enclosures” (IEEE, 1997) (IEEE, 2007), adaptado para a realidade dos laboratórios do Centro Universitário de Belo Horizonte (UNI-BH) e da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais (PUC Minas).

São oferecidas lternativas de baixo custo aos materiais e métodos sugeridos pela norma, como a utilização da mesma antena para medições em baixa frequência e frequência intermediária, bem como a substituição de antenas do tipo corneta por antenas telescópicas, com custo muito menor.

Foram apresentadas as validações das medições através da comparação com a respectiva solução analítica. O comportamento da blindagem encontra-se coerente e as curvas estão dentro dos padrões esperados para campos de baixa e alta frequência, indicando que o procedimento desenvolvido mostra-se como uma alternativa de baixo custo aos métodos apresentados nos padrões internacionais.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao Centro Universitário de Belo Horizonte, (UNI-BH) e à Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais (PUC Minas) pela disponibilização de equipamentos e laboratórios de Eletromagnetismo em que as medições foram feitas, bem como pelo apoio ao desenvolvimento desta pesquisa.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

BALANIS, C. A. Antenna theory: analysis and design. New York: J. Wiley & Sons, 1992.

BUCK, J. A.; HAYT JR, W. H. Eletromagnetismo. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC Editora, 2003.

HOLADAY Industries Inc. Hi-3604 User’s manual.

IEEE Standard Method for Measuring the Effectiveness of Electromagnetic Shielding Enclosure. IEEE Power Engineering Society Sponsored by the IEEE Electromagnetic Compatibility Committee. 1997.

IEEE Std 299-2006 (Revision of IEEE Std 299-1997): IEEE Standard Method for Measuring the Effectiveness of Electromagnetic Shielding Enclosure. IEEE Power Engineering Society Sponsored by the IEEE Electromagnetic Compatibility Committee. 2007.

STIMAC, T. Definition of frequency bands (VLF, ELF... etc.). Disponível em http://www.vlf.it/frequency/bands.html. Visitado em 25 de Setembro de 2007.


Volume 14 n3 09

Documents

Transcript of Volume 14 n3 09