Symulacja elektromagnetyczna elementów ekranujących kuchenki mikrofalowej

| Automaticon 2016

Drzwiczki kuchenki mikrofalowej stanowią część wnęki grzejnej oraz umożliwiają dostęp do jej wnętrza. Szczelność drzwiczek nigdy nie jest idealna, więc pole elektromagnetyczne wycieka z kuchenki, zakłócając pracę innych urządzeń elektrycznych lub powodując przekroczenia limitów bezpieczeństwa poziomów mocy mikrofal oddziałujących na człowieka. Konstrukcja kuchenki musi więc spełniać wymagania odpowiednich norm środowiskowych określających gęstości energii pola w określonej odległość od kuchenki z uwagi na narażenie osoby obsługującej, a także musi spełniać wymagania EMC. W artykule opisano użycie symulacji elektromagnetycznej do projektowania skutecznych elementów ekranujących kuchenki mikrofalowej, zapewniających spełnianie tych standardów.

Symulacja elektromagnetyczna elementów ekranujących kuchenki mikrofalowej

Tabela 1. Limity ekspozycyjne dla kuchenek mikrofalowych

Zjawisko grzania mikrofalowego polega na oddziaływaniu pola elektromagnetycznego wielkiej częstotliwości na dielektryk stratny, w którym następuje zamiana energii pola na ciepło. Typowe zastosowania ogrzewania mikrofalowego obejmują gotowanie, suszenie i sterylizację.

Te pożyteczne efekty działania mikrofal mogą być niebezpieczne i destrukcyjne, jeśli pole elektromagnetyczne wydostanie się na zewnątrz zamkniętego obszaru wnęki grzejnej. Aby uniknąć obrażeń obsługi, kuchenki mikrofalowe powinny być dobrze ekranowane. Rządowe ciała regulacyjne w różnych krajach ustanawiają różne limity narażeń oraz różnie określają warunki ich wyznaczania (tab. 1).

Rys. 1. Wyciek pola ze słabo ekranowanej kuchenki mikrofalowej

Drugi powód do starań o poprawę ekranowania kuchenek mikrofalowych to kompatybilność elektromagnetyczna. Pole elektromagnetyczne wytwarzane przez kuchenkę też może docierać do innych urządzeń elektronicznych, zakłócając ich pracę lub nawet powodując ich trwałe uszkodzenia.

Sprawę komplikuje fakt, że większość kuchenek mikrofalowych pracuje w pobliżu częstotliwości 2,45 GHz w otwartym paśmie ISM powszechnie używanym w systemach komunikacji bezprzewodowej krótkiego zasięgu, takich jak Wi-Fi i Bluetooth. Pole wydostające się z kuchenki mikrofalowej może powodować znaczne zakłócenia pracy sieci wykorzystujących tego typu technologie bezprzewodowe.

Gdyby kuchenka mikrofalowa miała nieotwieraną komorę grzejną, jej ekranowanie byłoby trywialne. Jednak ze względów funkcjonalnych jest kilka miejsc potencjalnych wycieków, jak np. miejsce przylegania krawędzi drzwiczek do obudowy kuchenki lub okno w drzwiach kuchenki. Efekt nieszczelności drzwiczek i okna można zobaczyć na rys. 1.

Identyfikacja problemów związanych z ekranowaniem

Symulacja elektromagnetyczna oferuje kilka technik analizy właściwości elektromagnetycznych danego obiektu. Aby szybko określić kierunki, w których kuchenka promieniuje najwięcej energii, używa się wirtualnego monitora pola dalekiego. Charakterystyka promieniowania w polu dalekim może być wykorzystana do wskazania, które komponenty analizowanego urządzenia stanowią źródło przecieków (rys. 2).

Rys. 2. Rozkłady pól dla kuchenki z drzwiczkami ekranowanymi siatką z otworami o średnicy 1 i 6 mm. Promieniowanie jest wyraźnie wyższe dla otworów o większej średnicy

Jeżeli większość przecieków radiacyjnych występuje z tyłu kuchenki, może to oznaczać, że do poprawienia są uszczelki i łączenia blaszanych elementów obudowy. Jeśli maksima promieniowania występują z przodu, większym problemem są drzwi kuchenki.

Rys. 3. Rozkład gęstości mocy w odległości 5 cm od kuchenki

Po zlokalizowaniu głównego źródła wycieków wykorzystuje się analizę pola bliskiego i rozkładu gęstości mocy wokół kuchenki do dokładnej identyfikacji przyczyny problemów. Monitor gęstości mocy można zdefiniować na prostopadłościanie o ściankach odległych o 5 cm od obudowy kuchenki.

Taki sposób symulacji naśladuje rzeczywisty test kompatybilności i pozwala zlokalizować gorące punkty, w których występują przekroczenia dopuszczalnych gęstości mocy. Jak pokazuje rys. 3 wartości gęstości mocy z tyłu kuchenki są bliskie zeru, ale istnieje kilka miejsc z przodu, które emitują blisko wartości granicznej 5 mW/cm² (lub 50 W/m²).

Narzędzia symulacyjne pozwalają również analizować narażenia elektromagnetyczne, jakim poddawany jest człowiek, w pobliżu kuchenki mikrofalowej w sposób najbardziej zbliżony do warunków rzeczywistych. Wpływ pola elektromagnetycznego na organizm ludzki jest trudny do przewidzenia, gdyż struktury w ciele człowieka odbijają i skupiają energię mikrofal w skomplikowany sposób.

Rys. 4. Symulacja pola z użyciem modelu homogenicznego ciała ludzkiego

Zastosowanie do symulacji modelu ciała ludzkiego - jednorodnego modelu fantomowego lub heterogenicznego modelu typu voxel - pozwala obliczyć współczynnik pochłaniania właściwego energii SAR (Specific Absorption Rate). SAR jest miarą mocy pochłanianej przez ciało człowieka przy zalecanych wartościach granicznych, zależnych od rodzaju narażonej tkanki.

W typowych warunkach, gdy kuchenka mikrofalowa spełnia kryterium 5 mW/cm², nie ma problemu dla SAR wyznaczanego w odległości większej niż 5 cm. Jednak dla części ciała znajdujących się bardzo blisko kuchenki próg SAR może być już przekroczony.

Ekranowanie

Gdy źródło wycieku zostanie już zidentyfikowane, można próbować modyfikować konstrukcję elementów ekranujących w celu poprawienia skuteczności ekranowania. Artykuł pokazuje przeprowadzoną za pomocą symulacji elektromagnetycznej analizę i modyfikację dwóch elementów ekranujących - płetw uszczelniających drzwiczki i siatki okna kuchenki mikrofalowej.

Płetwy ekranujące

Rys. 5. Elementy ćwierćfalowego dławika ekranującego na krawędzi drzwiczek kuchenki mikrofalowej

Ponieważ uzyskanie idealnego uszczelnienia typu styk metal-metal pomiędzy drzwiami i obudową kuchenki jest trudne do realizacji, kuchenki mikrofalowe zawierają normalnie niewidoczną strukturę dławika ćwierćfalowego wykonaną z płetw (żeber) rozmieszczonych wzdłuż krawędzi drzwiczek (rys. 5).

Na częstotliwościach mikrofalowych elementy te działają jak elektryczne zwarcie, skutecznie blokując przenikanie mikrofal przez szczelinę między drzwiczkami i obudową kuchenki. Ponieważ mają one wykazywać rezonans na częstotliwości roboczej, powinny być starannie zaprojektowane dla zapewnienia optymalnej skuteczności ekranowania.

Aby wyznaczyć parametry konstrukcyjne gwarantujące najlepsze ekranowanie, elementy powinny być optymalizowane przy użyciu pełnofalowej symulacji elektromagnetycznej 3D. W tym przypadku nie ma potrzeby, aby symulować całą wnękę grzejną - płetwy można wydzielić z reszty modelu i symulować w przekroju prostokątnego falowodu z portami po obu stronach struktury ekranującej.

Rys. 6. Parametry konstrukcyjne płetwy dławika ekranującego

Dla portów tych obliczana jest transmisja mocy poprzez płetwy z użyciem parametrów macierzy rozproszenia [S], przy czym mała wartość S21 odpowiada dobremu ekranowaniu. Okresowość rozmieszczenia płetw dławika pozwala ograniczyć analizę do pojedynczej płetwy z zastosowaniem tzw. okresowych warunków brzegowych, co zmniejsza złożoność i skraca czas symulacji.

Kształt płetw opisują takie parametry, jak ich długość, szerokość, rozstaw oraz rozmiar szczeliny między zamkniętymi drzwiami a kuchenką. Parametry, które zostały uwzględnione w tym badaniu, przedstawiono na rys. 6. Przemiatanie wartości tych czterech parametrów zostało przeprowadzone w celu zbadania wpływu zmiany konstrukcji płetwy na skuteczność ekranowania. Metoda przemiatania parametrów daje informację o zależności między parametrami geometrycznymi struktury i jej własnościami elektromagnetycznymi oraz daje dobry punkt wyjścia do bardziej szczegółowej analizy i optymalizacji.

Jak pokazano na rys. 7, zmiana wymiarów płetw ma duży wpływ na ich skuteczność, a w szczególności może przesuwać ich częstotliwość rezonansową poza pasmo ISM. Kilka charakterystyk zostało wyróżnionych - wszystkie one mieszczą się w paśmie, ale reprezentują różne kombinacje wymiarów. To pozwala projektantowi na pewną swobodę w wyborze odpowiedniej geometrii.

Rys. 7. Wyniki wielokrotnej symulacji (przemiatania) dla różnych wartości parametrów dławika. Wyróżniono charakterystyki z minimum w paśmie pracy kuchenki

Optymalizacja to kolejna metoda parametryczna, która doskonale nadaje się do rozwiązywania problemów z ekranowaniem. O ile przemiatanie po parametrach przeszukuje równomiernie całą wielowymiarową przestrzeń ich wartości, o tyle optymalizacja próbuje znaleźć drogę do celu w sposób ukierunkowany i bardziej efektywny. Algorytmy optymalizacyjne mogą być lokalne lub globalne - optymalizator lokalny szuka minimum w rejonie danego punktu startowego, natomiast optymalizator globalny najpierw bada punkty rozproszone w całej przestrzeni wartości parametrów a następnie podąża do minimum.

Poszukiwana optymalna wartość jest zdefiniowana przy użyciu funkcji celu. W zależności od typu problemu, może to być poszukiwanie wartości maksymalnej lub minimalnej lub parametrów, które generują wynik najbliższy ustalonego celu. Funkcja celu może być określona w jednym punkcie lub w pewnym zakresie. W omawianym przykładzie celem jest minimalizacja parametru S21 na częstotliwości 2,45 GHz będącej środkową częstotliwością pasma pracy magnetronu kuchenki.

Wyniki z przemiatania wartości parametrów sugerują, że lokalna optymalizacja będzie w tym przypadku skuteczna - wyróżnione charakterystyki są w pobliżu optymalnej wartości, a odpowiadające im wartości parametrów są dość podobne. Po wybraniu odpowiedniej wartości początkowej (w tym przypadku przebieg nr 172) optymalizacja może być zastosowana do dokładnego dostrojenia właściwości konstrukcji.

Rys. 8. Parametr S21 dla optymalnej konstrukcji płetwy dławika drzwiczek kuchenki

Optymalizatorem zastosowanym w tym przypadku jest algorytm typu "Trust Region Framework" (TRF). To uniwersalny optymalizator lokalny odpowiedni do różnego rodzaju problemów. W celu przyspieszenia procesu optymalizacji algorytm TRF korzysta z informacji o wrażliwości definiowanej jako zmiana wartości parametru S w stosunku do zmiany wartości parametrów geometrycznych.

Dla problemów, w których wartość początkowa jest gorzej określona lub przestrzeń parametrów jest bardziej złożona, dobrą alternatywą jest algorytm optymalizacyjny typu "Covariance Matrix Adaptation Evolutionary Strategy" (CMA-ES). Jest to optymalizator globalny, więc wyniki jego działania są mniej zależne od wartości początkowych i podobnie jak TRF jest algorytmem bardzo uniwersalnym.

Wyniki optymalizacji pokazano na rys. 8. Dławik z płetwami o poprawionej konstrukcji daje w najlepszym przypadku tłumienie 80 dB oraz nie mniej niż 55 dB tłumienia w całym paśmie 2,4-2,5 GHz. Po zastosowaniu zmodernizowanego dławika w kompletnym modelu kuchenki uzyskano 6% spadek wartości maksymalnej gęstości mocy w odległości 5 cm w stosunku do pierwotnej konstrukcji.

Narzędzia symulacyjne CST

CST MICROWAVE STUDIO zawiera zestaw narzędzi do różnego typu obliczeń współczynnika SAR. Obejmują one obliczenia wartości punktowych, wartości średnich objętościowych lub wartości średnich dla całego wybranego organu. Narzędzia te pozwalają upewnić się, że wartości graniczne SAR są przekraczane przy użytkowaniu urządzeń elektrycznych.

Poprzez przemieszczanie modelu ciała człowieka i zmianę jego pozycji różne scenariusze mogą być poddawane ocenie. Dodatkowa symulacja termiczna z użyciem CST MPHYSICS STUDIO może być wykorzystana do weryfikacji stopnia nagrzewania się ciała człowieka z uwzględnieniem efektów biotermicznych.

Siatka ekranująca

Rys. 9. Wycinek siatki ekranującej z wyróżnioną pojedynczą komórką oraz skuteczność ekranowania w funkcji średnicy otworów

W celu przeciwdziałania wyciekowi promieniowania, kuchenki mikrofalowe zawierają metalową siatkę w oknie drzwiczek. Ta siatka ma przepuszczać światło widzialne jednocześnie zatrzymując promieniowanie mikrofalowe. Z punktu widzenia efektu działania siatka ta jest powierzchnią selektywną częstotliwościowo o właściwościach filtru górnoprzepustowego - "Frequency Selective Surface" (FSS).

Siatka działa jako ekran, ponieważ średnica otworów jest wielokrotnie mniejsza niż długość fali promieniowania mikrofalowego. To oznacza, że dla tych częstotliwości aproksymuje ona ciągłą warstwę metalu. Siatka stanowi również skuteczny ekran dlatego, że jest grubsza niż tzw. głębokość wnikania dla fal o częstotliwościach mikrofalowych. Częstotliwości optyczne mają znacznie krótsze długości fal, a więc przechodzą przez otwory w sposób niezakłócony.

Zaprojektowanie skutecznie ekranującej siatki sprowadza się do wyboru odpowiedniego rozmiaru i układu otworów. Bardzo drobne oczka siatki dają bardziej skuteczne ekranowanie, ale jednocześnie powodują dodatkowe trudności technologiczne w produkcji oraz ograniczoną widoczność spowodowaną małym rozmiarem otworów. Zastosowanie symulacji elektromagnetycznej w celu zbadania różnych wzorów siatki może pomóc projektantowi znaleźć optymalne rozwiązanie konstrukcyjne z punktu widzenia bezpieczeństwa, widoczności i technologii produkcji.

Rys. 10. Alternatywny projekt siatki ekranującej z otworami o dwóch średnicach zapewniający lepszą widoczność wnętrza kuchenki

Siatka może być symulowana przez użycie modelu pojedynczego otworu z periodycznymi warunkami brzegowymi. Parameteryzacja średnicy otworu (lub jego głębokości) i wykonanie przemiatania wartości parametrów pozwala wyrysować charakterystykę pokazującą, jak efekt ekranujący zmienia się z częstotliwością. Jak można zobaczyć na rys. 9, transmisja ostro spada, gdy zmniejsza się rozmiar oczka siatki.

To samo podejście można stosować do oceny skuteczności siatek o różnych układach oczek. Komórki elementarne mogą być rozłożone nierównomiernie, reprezentując alternatywne układy otworów siatki, a poszczególne elementy mogą być modyfikowane tak, aby symulować efekt różnych kształtów, jak na przykład naprzemienne rzędy dużych i małych otworów pokazane na rys. 10.

Podobnie jak to było w przypadku dławika ekranującego drzwiczek kuchenki, nowo zaprojektowana siatka została również zastosowana w kompletnym modelu kuchenki. Jak można było się spodziewać, mniejszy rozmiar otworów daje mniejsze wartości maksimum gęstości mocy. Dla otworów o promieniu 2,4 mm największa gęstość mocy w odległości 5 cm od frontu kuchenki wyniosła 4,7 mW/cm². Gdy promień został zmniejszony do 1 mm, największa gęstość mocy spadła do wartości 1,9 mW/cm².

Połączenie dwóch siatek, jak pokazano na rys. 10, dające siatkę hybrydową o otworach naprzemiennie r = 2,4 mm i 1 mm, pogarsza skuteczność ekranowania - największa gęstość mocy wzrasta do 5,6 mW/cm².

Podsumowanie

Przed uruchomieniem produkcji i wprowadzeniem kuchenki mikrofalowej do sprzedaży projektanci muszą zadbać, aby spełniała ona wymagania bezpieczeństwa i kompatybilności elektromagnetycznej EMC. Symulacja elektromagnetyczna wspiera proces projektowania elementów ekranujących, czyniąc łatwiejszym porównanie różnych możliwych konstrukcji i wybór najlepszej w danym przypadku.

Użycie metody przemiatania wartości parametrów oraz optymalizacji pozwala wyznaczać optymalne wymiary projektowanych elementów oraz podejmować właściwe decyzje w warunkach równoważenia przeciwstawnych wymagań konstrukcyjnych.

Marc Rütschlin
Opracowanie: Jarosław Kwiatkowski
CST AG

www.cst.com