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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC

PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

JONES EDUARDO EGYDIO

ANÁLISE DE INTERFERÊNCIAS ELETROMAGNÉTICAS EM

SISTEMAS MULTIMÍDIA COM BLUETOOTH EM VEÍCULOS

AUTOMOTORES

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

SANTO ANDRÉ – SP

2014

UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC

PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

JONES EDUARDO EGYDIO

ANÁLISE DE INTERFERÊNCIAS ELETROMAGNÉTICAS EM

SISTEMAS MULTIMÍDIA COM BLUETOOTH EM VEÍCULOS

AUTOMOTORES

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

SANTO ANDRÉ – SP

2014

Dissertação apresentada ao Curso de Pós-graduação da Universidade Federal do ABC, como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica. Orientador: Prof. Dr. Álvaro Batista Dietrich Coorientador: Prof. Dr. Marcelo Bender Perotoni

Este exemplar foi revisado e alterado em relação à versão original, de acordo com as observações levantadas pela banca no dia da defesa, sob responsabilidade única do autor e com a anuência de seu orientador.

Santo André, ___ de _________________ de 2014.

Assinatura do autor ______________________________________________

Assinatura do orientador __________________________________________

i

Dedicado à minha família.

ii

AGRADECIMENTOS

Ao Prof. Dr. Alvaro Batista Dietrich pela oportunidade de realizar este trabalho,

além da orientação, estimulo e condução do mesmo. Agradeço-lhe ainda pela

paciência e confiança durante nossas conversas ao longo do desenvolvimento da

pesquisa.

Ao Prof. Dr. Marcelo Bender Perotoni pelo auxilio incondicional principalmente

nos aspectos computacionais e na realização dos ensaios utilizados nesse trabalho e

a sua disposição em compartilhar seus amplos conhecimentos.

Ao Prof. Dr. Stilante Koch Manfrin pelo auxílio dado na realização dos ensaios

mostrados nesse trabalho e suporte com seus essenciais comentários e sugestões

para se obter os resultados esperados.

Aos colegas Michel Gavião e Daniel Pinheiro Carlesimo pela amizade e apoio

durante todo este período em que compartilhamos as idas e vindas a UFABC.

Aos colegas Eng. José Reis e Eng. Sérgio Carriel pelo apoio e suporte aos

equipamentos de medida e amostras de cabeamento (chicote elétrico) utilizados

durante a realização dos ensaios.

Ao meu colega de trabalho e professores da Escola de Engenharia Mauá Prof.

Dr. Thiago Antonio Grandi de Tolosa e Prof. Dr. Hector Alexandre Chaves Gil pelo

fundamental apoio para conclusão desse trabalho.

Aos Srs. Eng. Roberto Pereira Ramos, Eng. Attila Budavari, Eng. Eduardo

Almeida e Eng. Felipe Vilasboas pelo incentivo e confiança pela busca do título de

mestre em engenharia elétrica.

Aos meus amigos e familiares pela paciência e palavras apoio durante os

períodos de ensaios e elaboração desse trabalho.

Por fim, agradeço a Deus por seu incansável trabalho a favor de nossas vidas.

iii

“O que sabemos não é muito. O que não sabemos é imenso.”

Pierre Simon Laplace

(23 de Março de 1749 - 5 de Março de 1827)

“Tenho a impressão de ter sido uma criança brincando à beira-mar, divertindo-me

em descobrir uma pedrinha mais lisa ou uma concha mais bonita que as outras,

enquanto o imenso oceano da verdade continua misterioso diante de meus olhos.”

Sir Isaac Newton

(04 de Janeiro de 1643 - 31 de Março de 1727)

iv

RESUMO

Com a crescente utilização da eletrônica embarcada nos veículos atuais em produção,

surgiu uma preocupação sobre os efeitos causados por campos eletromagnéticos em

módulos e sistemas eletrônicos. Esses campos podem ser gerados por fontes

intencionais, como por exemplo, uma emissora de rádio ou devido a uma fonte não

intencional, isto é, um campo gerado pelo funcionamento de outro sistema eletrônico,

pelo próprio módulo ou pelo cabeamento utilizado para a conexão elétrica desses

dispositivos.

Desta forma, o objetivo desse trabalho é avaliar a intensidade de um campo

eletromagnético irradiado pelo próprio veículo em seu interior, na região onde

geralmente é instalado o rádio/GPS ou sistema multimídia e verificar a possibilidade

deste campo interferir no funcionamento do Bluetooth.

Alguns ensaios foram conduzidos e os campos irradiados pelo veículo em

determinadas situações de funcionamento foram medidos. Ademais, utilizando o

software de simulação CST (Computer Simulation Technology), realizou-se uma

proposta para a abordagem de modelamento computacional dessas medidas na

região do painel de instrumentos do veículo.

Os resultados obtidos nos ensaios mostraram que o sistema elétrico do veículo não

produz campos ou ruídos eletromagnéticas que possam interferir no funcionamento

do Bluetooth. Também verificou-se que o CST pode ser utilizado como uma importante

ferramenta de modelagem computacional.

Portanto, esse trabalho fornece requisitos para um refinamento dos processos de

medição e simulação dos efeitos de EMC (Electromagnetic Compatibility) e constata

que há alternativas para redução de recursos financeiros de forma direta e na

agilidade de se obter diferentes cenários de simulação.

Palavras chave: Campos eletromagnéticos, software simulação, EMC.

v

ABSTRACT

With the increasing use of electronics in current production vehicles, a concern about

the effects caused by electromagnetic fields in modules and electronic systems

emerged. These fields can be generated by intentional sources, such as a broadscast

transmitter or due to an unintentional source, i.e., a field generated by the operating

system, for itself or other electronic cabling used for the electrical connection of these

devices.

Thus, the aim of this study is to evaluate the intensity of an electromagnetic field

radiated by the vehicle itself within, the region where the radio / GPS or multimedia

system is usually installed and consequently the possibility of this field interfered with

Bluetooth.

Tests were conducted and the radiated fields in certain operating situations were

measured. Moreover, using the simulation software CST (Computer Simulation

Technology), there was a proposal for early computational modeling of such measures

on the vehicle instrument panel area.

The test obtained results showed that the vehicle's electrical system does not produce

noise or electromagnetic fields that can interfere with existing Bluetooth operation.

Furthermore, it was found that the CST could be used as an important tool of computer

modeling.

Therefore, this work provides requirements for a refinement of current procedures on

the measurement and simulations. It points out directions for alternatives on the cost

reduction related to these studies, as well as agility different simulation scenarios

.

Keywords: Electromagnetic Fields, simulation software, EMC.

vi

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1: Exemplo de estudo de simulação para dimensionamento de antenas [15]. . 7

Figura 2: Exemplo de estudo de simulação para dimensionamento de antenas [15]. . 8

Figura 3: Modelo de um sistema sob o ponto de vista de EMC [3]. .......................... 10

Figura 4: Susceptibilidade vs. Imunidade [3]. ............................................................ 11

Figura 5: Formas de interferência eletromagnética [18]. ........................................... 12

Figura 6: Conceito de Componente e Sistema [3]. .................................................... 14

Figura 7: Conceito de Ponto de Radiador Isotrópico [3]. ........................................... 15

Figura 8: Antena Bicônica [21]. ................................................................................. 17

Figura 9: Antena Piramidal (Horn) [22]. ..................................................................... 17

Figura 10: Antena LPDA [22]. .................................................................................... 17

Figura 11: Esquema de ensaio previsto na CISPR 12 [23]. ..................................... 18

Figura 12: Gerador de Campo E-H [23]. .................................................................. 18

Figura 13: Fator de Antena: a) Função de Transferência; b) Circuito Geral; c) Circuito

Equivalente [29]. ........................................................................................................ 20

Figura 14: Comparação da discretização da geometria pelo Método das Diferenças

Finitas (a) e Método dos Elementos Finitos (b) [35]. ................................................. 24

Figura 15: Aplicação do método FE-BI [38]. .............................................................. 25

Figura 16: Comparativo entre FEM e FE-BI [38]. ...................................................... 26

Figura 17: Antena Far-field Pattern a = 90º [38]. ................................................... 26

Figura 18: Exemplo de aplicação da Técnica de Integração Finita no Domínio do

Tempo [41]. ............................................................................................................... 29

vii

Figura 19: Aproximação de uma geometria pelo método PBA. ................................. 31

Figura 20: Aproximação de uma geometria pelo método PBA. ................................. 32

Figura 21: Primeiro rádio lançado para automóveis [49]. .......................................... 37

Figura 22: Crescimento da aplicação de sistemas elétricos e eletrônicos embarcados

[50]. ........................................................................................................................... 38

Figura 23: Processo de desenvolvimento de produto [55]. ....................................... 43

Figura 24: Curvas de custo durante o processo de desenvolvimento de um produto

[56]. ........................................................................................................................... 44

Figura 25: Região de instalação do módulo de Bluetooth. ........................................ 46

Figura 26: Subsolo do Bloco A – Campus UFABC Santo André. .............................. 48

Figura 27: Fases das medições. ............................................................................... 50

Figura 28: Região de medições. ................................................................................ 51

Figura 29: Esquema simplificado da Arquitetura Elétrica do veículo usado nos

ensaios [15]. .............................................................................................................. 53

Figura 30: Instalação do módulo de Bluetooth. ......................................................... 54

Figura 31: Ponta de prova instalada no interior do veículo. ...................................... 55

Figura 32: Equipamentos montados para medição na Etapa 2 e Etapa 3. ............... 56

Figura 33: Segunda tentativa de medição na Etapa 2 e Etapa 3. ............................. 56

Figura 34: Configurações do RFEX para medição na Etapa 1 (200MHz à 6GHz). ... 57

Figura 35: Configurações do RFEX para medição na Etapa 2 (2KHz à 200MHz). ... 57

Figura 36: Sequência das Etapas de medição. ......................................................... 58

Figura 37: Resultados dos testes da Sequência 1 – Field Strenght [V/m]. ................ 63

viii









Figura 46: Resultados dos testes da Sequência 10 – Field Strenght [V/m]. .............. 67

Figura 47: Resultados dos testes da Sequência 1 – Field Level [dB µV/m]. ............ 68









Figura 56: Resultados dos testes da Sequência 10 – Field Level [dB µV/m]. .......... 72

Figura 57: Resultados dos testes da Etapa 2 - > Sequência 1 – Field Strength [V/m].

.................................................................................................................................. 73

ix


.................................................................................................................................. 74

Figura 59: Resultados dos testes da Etapa 2 - > Sequência 3 e Sequência 4 – Field

Strength [V/m]. ......................................................................................................... 74

Figura 60: Resultados dos testes da Etapa 2 - > Sequência 1 – Field Level [dB

µV/m]. ........................................................................................................................ 75

Figura 61: Resultados dos testes da Etapa 2 - > Sequência 2 – Field Level [dB

µV/m]. ........................................................................................................................ 75

Figura 62: Resultados dos testes da Etapa 2 - > Sequência 3 e Sequência 4 – Field

Level [dB µV/m]. ....................................................................................................... 76

Figura 63: Resultados dos testes da Etapa 3 – Field Level [dB µV/m]. ..................... 77

Figura 64: Resultados dos testes da Etapa 3 (refinado) – Field Level [dB µV/m]. .... 77

Figura 65: Resultados dos testes da Etapa 3 (refinado) – Field Level [dB µV/m]. .... 78

Figura 66: Antenas posicionadas no interior do veículo. ........................................... 80

Figura 67: Pulso gerado por um gerador. .................................................................. 81

Figura 68: Pulsos gerados pelos dois geradores. ..................................................... 82

Figura 69: (a) Exemplos de circuitos compostos por pares trançados; (b) Exemplo

cabo RG58 ................................................................................................................ 84

Figura 70: Suporte do painel de instrumentos preparado para simulação. ............... 85

Figura 71: Modelamento do circuito par trançado. .................................................... 86

Figura 72: Especificação do cabo utilizado. .............................................................. 86

Figura 73: Sinal de excitação do cabo. ..................................................................... 87

Figura 74: Detalhe da ponta de medição de campo. ................................................. 88

x

Figura 75: Distribuição de valores de Campo Elétrico obtidos da simulação. ........... 88

Figura 76: Campo Elétrico simulado. ........................................................................ 89

Figura 77: Modelo geométrico já discretizado da parte externa do veículo. .............. 89

Figura 78: Configuração simulada, considerando a parte externa do veículo e a

ponta de prova. ......................................................................................................... 90

Figura 79: Resultados da simulação, campo elétrico na frequência de 200 MHz. .... 90

Figura 80: Resultados da simulação, campo elétrico na frequência de 200 MHz. .... 91

Figura 81: Campo Elétrico simulado – após inserção da parte externa do veículo ... 91

Figura 82: Configuração do cabo RG58. ................................................................... 92

Figura 83: Resultados da simulação com RG58, campo elétrico na frequência de 200

MHz. .......................................................................................................................... 93


MHz. .......................................................................................................................... 93


MHz. .......................................................................................................................... 94


MHz na ponta de medição......................................................................................... 94

xi

LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Frequência, comprimento de onda e “quarto de onda” [3]. ........................ 16

Tabela 2: Frequência, Potência e tipos de antena utilizada nos ensaios de Imunidade

Radiada [23]. ............................................................................................................. 19

Tabela 3: Sequência das medidas. ........................................................................... 52

Tabela 4: Tabela de com os limites máximos para imunidade – ISO 11452-2 [60]. .. 59

Tabela 5: Tabela de com os limites máximos para distúrbios radiados – CISPR-25 [62].

.................................................................................................................................. 60

Tabela 6: Resultados das medições realizadas – Parte 1. ........................................ 61



xii

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas

ABS Anti-lock Braking System

BCM Body Control Module

CAN Controller Area Network

CFL Courant-Friedrich-Lewy Criterion

CISPR International Special Committee on Radio Interference

CST Computer Simulation Technology

ECM Engine Control Module

EEC European Electromagnetic Compatibility

EFPBA Enhanced Fast Perfect Boundary Approximation

EHF Extremely High Frequency

ELF Extremely Low Frequency

EMC Electromagnetic Compatibility

EMI Electromagnetic Interference

ESD Electrostatic Discharge

FCC Federal Communications Commission

FDTD Finite Difference Time Domain

FE-BI Finit Element Boundary Integral

FEM Finite Element Method

FIT Finite Integration Technique

FPBA Fast Perfect Boundary Approximation

GPS Global Position System

IEC International Electrotechnical Commission

INPE Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais

ISO International Organization for Standardization

LISN Line Impedance Stabilization Network

LPDA Log-periodic Dipole Array

LW Long Wave

MDF Método das Diferenças Finitas

MEF Método dos Elementos Finitos

xiii

MW Medium Wave

PBA Perfect Boundary Approximation

PWM Pulse-Width Modulation

RF Radio Frequência

rpm Rotações por minuto

SAE Society of Automobile Engineers

SW Short Wave

TDR Time Domain Reflectometer

TLM Transmission Line Matrix

UWB Ultrawide-Band

xiv

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO .............................................................................................................. 1

2 ESTUDOS DE EMC/EMI ............................................................................................. 5

2.1 Cenário atual e aplicação na indústria automobilística .......................................... 6

3 FUNDAMENTOS DE EMC/EMI ................................................................................. 9

3.1 Termos e definições ..................................................................................................... 9

3.2 Definição de Componente e Sistema. ..................................................................... 13

3.3 Antenas ........................................................................................................................ 15

4 MÉTODOS NUMÉRICOS ......................................................................................... 23

4.1 MEF e FE-BI. ............................................................................................................... 23

4.2 Métodos no domínio do tempo ................................................................................. 27

5 NORMALIZAÇÃO E PADRONIZAÇÃO .................................................................. 33

5.1 Descrição das normas e padrões ............................................................................ 33

6 EMC/EMI NA INDÚSTRIA AUTOMOBILÍSTICA ................................................... 37

7 PROBLEMA ESTUDADO, ENSAIOS E SIMULAÇÕES ...................................... 45

7.1 Definição do problema ............................................................................................... 45

7.2 Estratégia para abordagem do problema. .............................................................. 47

7.3 Estratégia para Medição de Campo Elétrico Irradiado no interior de um veículo

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

7.4 Fase 1: Medições, preparação e equipamentos .................................................... 50

7.5 Resultados obtidos e observações durante a Fase 1 ........................................... 59

7.6 Fase 2: Configurações de equipamentos e medições.......................................... 79

7.7 Resultados obtidos e observações durante a Fase 2 ........................................... 82

7.8 Proposta de modelagem e simulação dos ensaios realizados ........................... 83

xv

8 CONCLUSÕES ........................................................................................................... 97

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 101

APÊNDICE A ........................................................................................................................ 109

APÊNDICE B ........................................................................................................................ 111

APÊNDICE C ........................................................................................................................ 115

APÊNDICE D ........................................................................................................................ 117

1

1 INTRODUÇÃO

Atualmente, inúmeros dispositivos eletrônicos são empregados em funções

importantes no contexto dos atuais veículos automotores em produção. As aplicações

da eletrônica embarcada, termo utilizado para definir circuitos eletrônicos e software

que realizam funções específicas e que possuem dimensões reduzidas, estão

presentes desde sistemas de navegação (GPS - Global Position System) até no

acionamento da bolsa inflável do airbag em caso de colisão [1].

A evolução da eletrônica também permitiu o melhor aproveitamento no

funcionamento dos motores de combustão interna, com o aprimoramento de

aplicações como sensores e/ou atuadores e sistemas de entretenimento [1].

A maioria desses dispositivos eletrônicos está conectada e trocam informações

entre si por meio de uma rede de comunicação de dados [2]. Estes sinais somente

podem ser lidos e processados quando se utiliza uma interface analógica capaz de

capturá-los e transformá-los em informações para o processamento via software.

Contudo, um dos principais e mais conhecidos efeitos físicos que podem levar

esses dispositivos ao mau funcionamento são as interferências eletromagnéticas

(EMI) provenientes de fontes emissoras de ondas ou ruídos eletromagnéticos, como

antenas de rádio ou até mesmo de outro dispositivo eletrônico instalado no mesmo

ambiente [3].

Estas interferências eletromagnéticas podem causar inúmeros distúrbios em

sistemas eletrônicos de baixa potência. Um exemplo desse tipo de distúrbio é a

geração de ruído nos sinais que trafegam na rede CAN (Controller Area Network) do

automóvel, podendo ocasionar falhas na interpretação desses sinais. Estas falhas

podem ser intermitentes ou permanentes.

Portanto, um projeto robusto de engenharia eletrônica deve considerar a

localização desses dispositivos eletrônicos e o ambiente susceptível às interferências

2

eletromagnéticas ao qual eles estarão submetidos. Isto significa que, tanto as fontes

externas quanto as internas de ruídos eletromagnéticos devem ser analisadas.

É de consenso no meio de engenharia automotiva que para esse tipo de estudo

devem-se realizar ensaios para se averiguar a robustez desses sistemas eletrônicos.

Dependendo da etapa do desenvolvimento do projeto, caso alguma possível região

problemática seja identificada, o custo para reparar esse problema pode ser

expressivo, ou seja, da ordem de dez a vinte vezes maiores do que quando

comparado ao custo de uma mudança na etapa inicial do desenvolvimento [4] e [5].

Isto acontece pelo fato de envolver diversas áreas e peças que já podem estar

em etapas avançadas de desenvolvimento e validação, como por exemplo, nos

estágios de construção de moldes e máquinas necessários para produção do

hardware de um determinado componente.

Para minimizar os custos dessas mudanças imprevistas e garantir o perfeito

funcionamento dos sistemas eletrônicos automotivos, isto é, evitando ao máximo os

efeitos das interferências eletromagnéticas, uma alternativa é a utilização de

ferramentas de simulação capazes de gerar resultados com um grau de precisão

aceitável pela indústria. Portanto, esses limites precisam ser definidos por

especificações técnicas e ensaios.

Neste contexto, as análises computacionais podem ser uma alternativa para

redução ou até substituição desses ensaios. Essas ferramentas de software podem

evitar gastos como o de transporte e/ou exportação de veículos para empresas ou

institutos que realizam tais testes.

Em todos os projetos de desenvolvimento de um produto são realizados

procedimentos de testes de validação de acordo com as especificações, demandando

um emprego de tempo e de recursos financeiros [4].

Para a realização destes testes de validação, em alguns casos, é necessário

exportar veículos para países com capacidade técnica e instrumental, deslocar

3

engenheiros para acompanhamento e orientação dos ensaios, ocorrendo um impacto

financeiro significativo no projeto.

O estudo de caso abordado e detalhado nesta dissertação está relacionado a

um problema encontrado na etapa inicial de desenvolvimento de um novo projeto de

um automóvel. Em uma determinada região do veículo foi previsto a instalação de um

sistema eletrônico de comunicação sem fio – Bluetooth.

Coincidentemente, nas proximidades desta região que receberá esse módulo

eletrônico, estão instalados os cabos que transportam potência e sinal para outros

dispositivos elétricos e eletrônicos, bem como outros módulos eletrônicos.

Assim, deve-se estudar a região e averiguar se há alguma interação entre o

campo irradiado por esses cabos e o módulo eletrônico, ou seja, se há risco de

interferência eletromagnética em torno dessa região [6].

Desta forma, foram realizados ensaios com o objetivo de medir o campo

irradiado no interior do veículo. Os ensaios foram divididos em lotes de três medições

respeitando uma sequência de funcionamento e acionamento de alguns itens elétrico-

eletrônicos do veículo. Os detalhes e resultados serão discutidos no Capítulo 7.

Adicionalmente, analisando o desenvolvimento de produtos em empresas da

área automotiva, nota-se que a utilização de ferramentas de simulação pode antecipar

alguns resultados que até então somente poderiam ser observados em ensaios.

Ademais, consegue-se uma economia de tempo, recursos financeiros, testes

de validação do produto e custo de modificação de ferramental dos componentes

envolvidos com a antecipação de mudanças estruturais [6].

Assim, a principal contribuição desse trabalho é a verificação da viabilidade da

utilização uma ferramenta computacional de simulação e modelagem, software CST

(Computer Simutation Technology) [7], para a determinação do campo irradiado no

ambiente interno do veículo.

4

Conceitos necessários para o entendimento desses fenômenos e suas

respectivas técnicas de estudo foram acrescentados no capítulo 2. Contudo, por não

fazer diretamente parte do escopo desse trabalho, não se utilizou um detalhamento

matemático complexo nesta etapa.

5

2 ESTUDOS DE EMC/EMI

Para estudos relacionados ao eletromagnetismo aplicado, deve-se

compreender e ter domínio dos fenômenos físicos e das avançadas técnicas

matemáticas utilizadas para solução desses problemas.

Por exemplo, pode-se analisar as equações de Maxwell na solução de

problemas de eletromagnetismo [8], [9] e [10]. Pelo ponto de vista algébrico, as

condições de contorno que são assumidas para a solução desses problemas

determinam a complexidade da solução. Do ponto de vista computacional, estas

condições de contorno se tornam um desafio para a correta abordagem de solução

do problema estudado.

Historicamente, os problemas envolvendo EMC começaram ser percebidos

juntamente com a evolução da microeletrônica [11]. Com a invenção do rádio em 1907

[12], as aplicações do eletromagnetismo começaram a ser difundidas na área das

telecomunicações. O surgimento das válvulas a vácuo, na década de 20 e 30, levou

os amplificadores utilizados para a transmissão a um novo patamar de potência,

podendo atuar em uma maior área geográfica [12].

Logo após o final da Segunda Guerra Mundial, os transistores foram inventados

e os circuitos eletrônicos começaram a ser desenvolvidos em dimensões cada vez

mais reduzidas, consumindo menos energia e ampliando o campo de aplicações da

microeletrônica. Alguns exemplos que continuam em frequente avanço: telefones

celulares, microprocessadores e circuitos embarcados utilizados na indústria

aeronáutica e automobilística.

Em contrapartida, essa evolução da microeletrônica produziu novas fontes de

emissão de ondas eletromagnéticas e os efeitos relacionados à EMC e EMI

começaram a interferir no funcionamento de alguns dispositivos eletrônicos, levando-

os a funcionar de forma equivocada e inesperada [13].

6

Assim, nos últimos anos, os efeitos eletromagnéticos observados em alguns

dispositivos por meio de ensaios e/ou acidentalmente começaram a ser objeto de

estudo nas mais variadas áreas onde a eletrônica é aplicada.

Atualmente, existem requisitos a serem cumpridos com o objetivo de reduzir os

efeitos danosos causados nos dispositivos eletrônicos por interferências

eletromagnéticas [14].

Estes estudos envolvem, além de ensaios, modelamentos computacionais com

o objetivo de se projetar e obter dispositivos robustos, isto é, capaz de permanecer

funcionais sob as condições extremas das especificações aos quais eles foram

projetados.

2.1 Cenário atual e aplicação na indústria automobilística

Nos atuais projetos em andamento na indústria automobilística, se faz uso de

métodos computacionais para solução de problemas relacionados ao

eletromagnetismo [14].

Contudo, alguns sistemas eletrônicos possuem especificações determinando

seu modo de funcionamento e validação, demandando testes específicos para a

finalização de seus projetos.

Inclusive, algumas empresas possuem normas internas para cálculo e

validação em situações, ambientes e mercados consumidores específicos. Isso ocorre

pela característica dos projetos serem globais, ou seja, um veículo é projetado em

determinado centro de engenharia, por exemplo, no Brasil, mas pode ser

comercializado em vários mercados consumidores, como Europa e Estados Unidos.

Um exemplo de aplicação é mostrado nas Figuras 1 e 2. Neste caso, para a

elaboração desses relatórios, utilizou-se uma ferramenta de software aplicada para o

7

dimensionamento de antenas. Com esse estudo, obteve-se o ganho e directividade

da antena utilizada em um modelo de veículos em comercialização de uma grande

montadora. Vale ressaltar que estes resultados eram confirmados experimentalmente

em uma câmara anecóica.

Figura 1: Exemplo de estudo de simulação para dimensionamento de antenas [15].

8

Figura 2: Exemplo de estudo de simulação para dimensionamento de antenas [15].

Utilizado o software CST, os resultados obtidos apresentaram um nível de

correção aos ensaios da ordem de mais de 90%. Ademais, ressalta-se a possibilidade

de testar diferentes geometrias de superfície e posicionamento da antena, realizando

comparativos entre os diferentes arranjos possíveis.

Desta forma, consegue-se um trabalho orientado a otimização, ou seja, na

procura de um ponto ótimo para o funcionamento do sistema avaliado levando em

consideração os custos e viabilidade técnica de implementação.

Em exemplos de sucesso como este descrito, verifica-se uma significativa

contribuição para a expansão na aplicação dessas técnicas matemáticas e

computacionais. Há um ganho de tempo e flexibilidade nas opções de testes

implicando em uma redução de recursos financeiros.

9

3 FUNDAMENTOS DE EMC/EMI

Alguns termos são geralmente utilizados para descrever os fenômenos e

efeitos causados por campos eletromagnéticos em sistemas eletrônicos. As definições

desses termos fundamentam entendimento de ensaios e estudos relacionados ao

assunto.

3.1 Termos e definições

O termo EMI (Electromagnetic Interference) pode ser definido como qualquer

emissão que coloca em risco o funcionamento de um dispositivo, degradando,

obstruindo ou interrompendo seriamente e de forma repetida qualquer transferência

de dados ou energia entre dispositivos [10].

O termo EMC pode ser definido como a capacidade de um sistema eletrônico

de funcionar corretamente em um ambiente susceptível a campos eletromagnéticos e

também de não provocar interferência em outros sistemas existes neste ambiente [3].

Logo, o objetivo de um sistema eletrônico do ponto de vista de EMC é ser imune

as emissões eletromagnéticas existentes e não provocar perturbações, isto é, ser uma

fonte de interferências eletromagnéticas, em outros sistemas. Esse conceito é

fundamental quando se analisa as aplicações automotivas [3].

Para ilustrar o conceito de sistema, a Figura 3 mostra dois dispositivos

eletrônicos instalados em um mesmo ambiente. O objetivo é ter ambos dispositivos,

Sistema A e Sistema B, funcionando de forma adequada, livre de qualquer distúrbio

eletromagnético causado por fontes internas e externas [3].

10

Figura 3: Modelo de um sistema sob o ponto de vista de EMC [3].

Verifica-se que há três elementos básicos a serem considerados do ponto de

vista de EMC: fonte, o meio e o receptor. Os receptores por sua vez podem ser

classificados de dois tipos: os intencionais e não intencionais [3].

Exemplos de receptores intencionais seriam os aparelhos de rádio e/ou

televisão. Eles aparelhos funcionam captando sinais eletromagnéticos transmitidos

pelas antenas de rádio/TV e transformando-os em imagens e sons.

Em relação ao receptor não intencional, pode-se mencionar um computador ou

algum outro tipo de dispositivo eletrônico que não trabalha em função de ondas

eletromagnéticas enviadas por uma fonte. Este é o modelo básico e inicial que é

utilizado na resolução e/ou redução de problemas relacionados à EMC. As estratégias

de avaliação nestes casos podem realizar variações da energia da fonte, adotar o

meio como um condutor radiado no ar, etc. [3].

Desta forma, define-se o conceito de imunidade ou susceptibilidade

eletromagnética. Este conceito refere-se à habilidade de um dispositivo eletrônico

funcionar, satisfatoriamente, em um ambiente sujeito a distúrbios eletromagnéticos

[16] e [17].

11

Na indústria automobilística, a imunidade e susceptibilidade são tratadas como

grandezas inversamente proporcionais [3]. Na Figura 4 verifica-se, por exemplo, que

um sistema eletrônico possui um elevado nível de susceptibilidade se possuir um

baixo nível de imunidade.

Assim, a imunidade trata um sistema eletrônico do ponto de vista de

funcionamento em um ambiente eletromagnético. Em contrapartida, susceptibilidade

analisa a capacidade de um sistema ser susceptível a interferências em um ambiente

eletromagnético, podendo apresentar falhas em seu funcionamento [3].

Ressalta-se que, tanto imunidade quanto susceptibilidade são apenas duas

formas de representar o mesmo conceito. Podem ser considerados pontos de vista

diferentes em relação ao mesmo assunto.

Figura 4: Susceptibilidade vs. Imunidade [3].

Um conceito fundamental em EMC diz respeito à forma pela qual a EMI se

propaga, conforme a Figura 5. Se os distúrbios interferentes são verificados em linhas

de transmissão, cabos, fios, etc., são definidos como EMI conduzida. Caso contrário,

se a EMI é devida ao acoplamento de campos eletromagnéticos radiados com o

dispositivo interferido, é definida como radiada [16] e [18].

12

Figura 5: Formas de interferência eletromagnética [18].

A definição anterior de EMC dão origem as quatro subdivisões seguintes [19]:

a. Emissão radiada;

b. Emissão conduzida;

c. Susceptibilidade radiada;

d. Susceptibilidade conduzida.

Sendo formas diferentes de representar o mesmo conceito [3], no projeto de

desenvolvimento de um veículo, é usual encontrar estudos mencionando o termo

imunidade ao invés de susceptibilidade.

Portanto, na indústria automobilística, os estudos de imunidade radiada

analisam a proteção de todos os sistemas eletrônicos internos a partir do ambiente

onde estão instalados e sob possíveis interferências causadas por outras fontes de

emissão presentes no interior do veículo [20].

A imunidade conduzida descreve e detalha a habilidade dos dispositivos

eletrônicos instalados em um veículo de tolerar as variações de carga, transientes e

13

chaveamentos provocados pelo acionamento de uma carga de potência expressiva,

como o acionamento do ventilador de resfriamento do motor, conhecido como ECF

(Engine Cooling Fan) [20].

A emissão radiada aborda os ruídos eletromagnéticos emitidos pelos sistemas

eletrônicos instalados nos veículos. Esses ruídos devem ser minimizados, utilizando

técnicas de design de circuitos por exemplo, para garantir a operação dos sistemas

instalados no próprio veículo e em outros veículos que eventualmente estejam nas

proximidades [20].

A emissão conduzida é geralmente causada pelo chaveamento de cargas

indutivas, emitindo ruídos pelos condutores de potência que as ligam [20].

3.2 Definição de Componente e Sistema.

O estudo de EMC é realizado quando sistemas eletrônicos são utilizados para

realização de uma ou mais funções. Não há problemas de EMC associados a uma

chave de acionamento dos vidros ou mesmo em um microprocessador isoladamente.

Problemas de EMC ocorrerem quando componentes estão em um sistema em

funcionamento e fazendo interface com o ambiente externo [3].

Define-se como componente uma entidade que que possui uma dimensão

física e que possui massa. Um transistor pode ser classificado como componente, pois

consegue-se definir seu tamanho, a massa e algumas das suas características

elétricas como número de ligações, cor ou forma [3].

Assim, tendo em vista a discretização de um componente, define-se um

sistema como a interação de alguns componentes conectados entre si e as suas

respostas à interface para um ambiente externo.

Pode-se dizer que o transistor é um elemento do "sistema de amplificação".

Isso significa que há uma interação com o meio ambiente onde está instalado, isto é,

14

o sinal de entrada, a operação do transistor e a energia enviada para fora (o sinal

amplificado). Um exemplo é mostrado na Figura 6. Tem-se um rádio que é composto

por vários componentes eletrônicos, formando um sistema [3].

Figura 6: Conceito de Componente e Sistema [3].

Consegue-se identificar a representatividade de um componente no sistema.

De fato, o sistema somente existirá quando alguns componentes estiverem ligados e

trocando informação entre si [3].

15

3.3 Antenas

Muitos problemas de EMC são resultados da energia que é transferida por

radiação a partir de uma fonte. Para entender essa radiação de energia, é útil fazer

uso a alguns princípios básicos de eletromagnetismo. Um desses princípios é o "ponto

de radiador isotrópico" de energia.

O "ponto de radiador isotrópico" é definido como um ponto que possui raio zero

e radia energia igualmente em todas as direções. Isto é mostrado na Figura 7 [3]:

Figura 7: Conceito de Ponto de Radiador Isotrópico [3].

As entidades que intencionalmente transferem energia por radiação são

chamadas de antenas. Elas possuem características que as diferenciam dos

radiadores isotrópicos [3].

Basicamente, os dois tipos de antena mais comuns usados são "quarto de

onda" e "meia onda" [3]. Estes nomes se referem ao fato de que suas dimensões

físicas se aproximarem de uma fração do comprimento de onda, a qual é determinada

a partir da velocidade de propagação e a frequência de operação [3].

Por exemplo, uma antena de “meia onda” utilizada para receber um sinal de

100 MHz mediria cerca de 1,5 m de comprimento. Para o mesmo sinal, uma antena

de “quarto de onda” mediria aproximadamente 0,75 m de comprimento. Estas são

referidas como “antenas omnidirecionais” e possuem a característica de irradiar em

um ângulo máximo de 90 graus [3].

16

Além da direcionalidade, outra característica das antenas é a impedância ou

resistência de radiação. Resistência de radiação significa a resistência efetiva que a

antena apresenta quando ligada a uma fonte. Uma antena de “meia onda” é

comumente utilizada e possui uma resistência de radiação de aproximadamente 73

ohms. Uma antena de “quarto de onda” tem uma resistência à radiação de

aproximadamente 37 ohms [3].

As antenas “quarto de onda” são regularmente utilizadas na telefonia celular

[3]. Podem operar como antenas de ELF (Extremely Low Frequency) (operam nas

frequências de 3,0 Hz a 30 GHz) ou como antenas de EHF (Extremely High

Frequency) (operam nas frequências de 30 GHz a 300 GHz). Conforme visto na

Tabela 1, há uma diminuição do tamanho da antena em função ao comprimento de

onda utilizado. Consequentemente, a frequência utilizada é inversamente

proporcional ao comprimento de onda, ou seja, quanto maior a frequência, menor o

comprimento de onda e dimensão da antena.

Tabela 1: Frequência, comprimento de onda e “quarto de onda” [3].

Frequência

[MHz]

Comprimento de onda

[metros]

“Quarto de onda”

[metros]

27 11.00 2.70

45 6.70 1.70

150 2.00 0.50

850 0.35 0.09

Quando se estudam as antenas utilizadas nos ensaios de validação do projeto

de um veículo (os ensaios de validação e suas características serão abordadas

posteriormente), verifica-se que esses componentes podem emitir ondas em

determinadas faixas de frequência. Nesse contexto as características de antenas

dipolo podem não ser suficientes, em termos de parâmetros tais como ganho, por

exemplo. Nesses casos, os três tipos mais utilizados são as Antenas Bicônicas,

Antenas Piramidais (Horn), e as Antenas LPDA (Log-periodic Dipole Array) mostradas

nas figuras 8, 9 e 10 respectivamente.

17

Figura 8: Antena Bicônica [21].

Figura 9: Antena Piramidal (Horn) [22].

Figura 10: Antena LPDA [22].

18

Conforme a CISPR-12, uma das normas de referência para validação e ensaios

em EMC/EMI, é definido um esquema de ensaio indicando a posição das antenas e

as faixas de frequência que devem operar – mostrada Figura 11 [23]. Um dos

requisitos mais importantes no EMC automotivo é o ensaio realizado para avaliar a

imunidade radiada.

Figura 11: Esquema de ensaio previsto na CISPR 12 [23].

Para as frequências de 100 KHZ – 30 MHz é utilizado um Gerador de Campo

E-H que trabalha suspenso por cabos não condutivos – mostrada na Figura 12. A

vantagem da utilização desse equipamento é o fato de poder ser ajustado em função

do tamanho do veículo a ser ensaiado [23].

Figura 12: Gerador de Campo E-H [23].

A cobertura de todas as faixas de frequência é feita por uma variação nos

sistemas de antenas, conforme apresentado na Tabela 2.

19

Tabela 2: Frequência, Potência e tipos de antena utilizada nos ensaios de Imunidade Radiada [23].

Frequência

[Hz]

Potência

[W] Tipo de Antena

100 K – 30 M 10 K Gerador de Campo E-H

30 – 100 M 10 K Bicônica de Alta Potência

100 – 1000 M 2 K Dual Ridge Guide Horn

1 – 1.8 G 250 – 550 Octave Horn

20 – 200 M 5 K Fore-shortened LPDA

200 – 1000 M 1 K LPDA Dual array

A utilização antenas ativas nas medições de emissões está em conformidade

com a CISPR 25. Estas medições devem considerar as influências causadas pela

estrutura passiva (em particular o tamanho do plano de terra) ou a determinação do o

melhor nível de ruído e amplificação (ganho). Ressaltando que esses ensaios são

realizados em câmaras anecóica e semi-anecóicas [24].

Para aplicações na área de EMC, a maneira mais utilizada para caracterizar as

propriedades de recepção de uma antena é a noção de fator de antena (AF – do inglês

antenna factor) [25], [26] e [27]. Assim, o termo fator de antena está intrinsecamente

relacionado ao uso de uma antena para medição de campos elétricos (ou

magnéticos). O fator de antena pode ser relacionado com os parâmetros tradicionais

de caracterização de antenas, tais como, ganho, directividade e abertura efetiva [28].

A definição do fator de antena (elétrico) pode ser entendida como a taxa da

intensidade de campo elétrico incidente (Einc) na superfície da antena receptora pela

tensão recebida (Vrec) nos terminais da antena [27], junto ao ponto de conexão do

sistema receptor.

𝐴𝐹 =

𝐸𝑖𝑛𝑐𝑉𝑟𝑒𝑐

(2-1)

20

Usualmente, um sistema receptor para medição de campo, por exemplo, um

analisador de espectro, é conectado aos terminais da antena por meio de um cabo

coaxial [29].

Conforme ilustrado na Figura 13 [29], o fator de antena pode ser entendido

como uma função de transferência de um sistema linear, assim como, em termos de

circuito equivalente. O fator de antena possui a unidade de 1/m que é derivado da

relação de 1 V/m por V (AF elétrico), mas geralmente para propósitos de notação, a

unidade de 1/m costuma ser suprimida. Ademais, para utilização da escala

logarítmica, os fabricantes de antena costumam fornecê-los como valores em decibéis

(dB).

Figura 13: Fator de Antena: a) Função de Transferência; b) Circuito Geral; c) Circuito Equivalente [29].

21

Na área de EMC, é comum expressar os valores de tensão e campo elétrico

relacionados a dBμV (decibel-microvolt). Portanto, tem-se:

𝐴𝐹𝑑𝐵 = 𝐸𝑖𝑛𝑐(𝑑𝐵𝜇𝑉/𝑚)-𝑉𝑟𝑒𝑐(𝑑𝐵𝜇𝑉) (2-2)

Logo, para obter o valor do campo elétrico incidente na antena basta utilizar a

expressão:

𝐸𝑖𝑛𝑐(𝑑𝐵𝜇𝑉/𝑚) = 𝑉𝑟𝑒𝑐(𝑑𝐵𝜇𝑉) + 𝐴𝐹(𝑑𝐵) (2-3)

A equação 2-3 é uma para converter a tensão registrada pelo analisador de

espectro (Vrec) nos valores de campo incidente na antena receptora (Einc). Sua

utilização para os casos em que o sistema de medição empregado possui a exata

configuração definida pelo fabricante conforme o teste de calibração do AF, isto é, até

o ponto de leitura utilizado no teste que geralmente envolve as perdas de acoplamento

da antena, dos conectores, e da atenuação do cabo coaxial fornecido com o conjunto

[29].

Para sistemas modificados que não seguem a configuração expressamente

definida pelo fabricante, como a utilização de cabos extensores ou atenuadores, as

perdas adicionais devem ser computadas (em dB) sempre como um valor positivo ao

lado direito da equação [29].

É importante ressaltar que os valores de AF podem variar dentro da faixa

frequência em que a antena foi projetada para operar. Por esta razão, é comum por

parte dos fabricantes, o fornecimento do fator de antena sob a forma de uma tabela

de correção (ou gráfico) dos valores em função da faixa frequência de operação da

antena.

Embora antenas do mesmo modelo possuam um comportamento semelhante

dentro da sua faixa de operação, os valores de fator de antena (ou fator de correção)

são específicos para cada uma delas, e obtidos a partir de ensaios de calibração

22

realizados pelo fabricante. A configuração utilizada nestes ensaios de calibração

define a limitação das aplicações da antena receptora [29] e [30].

Por fim, destaca-se que a análise aqui apresentada também pode ser obtida

para valores de campo magnético. Neste caso, é definido o fator de antena magnético

(AFm) a partir do campo magnético incidente, dado pela relação:

𝐴𝐹𝑚 =

𝐴𝑖𝑛𝑐𝑉𝑟𝑒𝑐

(2-4)

A unidade utilizada para o fator de antena magnético é o S/m, derivada da

relação A/m por V.

Em geral, a impedância dos aparelhos de medição de campo é de 50 Ω [31].

Dessa forma, o Fator de Antena pode ser calculado como descrito na equação 2-5:

𝐴𝐹 = 20 log(𝑓) − 𝐺𝑑𝐵 − 29,78 (𝑑𝐵) (2-5)

Onde:

- 𝑓 é a frequência sendo utilizada em MHz;

- 𝐺𝑑𝐵 é o ganho de potência da antena.

23

4 MÉTODOS NUMÉRICOS

4.1 MEF e FE-BI.

O MEF (Método de Elementos Finitos) tem sido utilizado por quase cinco

décadas para a solução de problemas eletromagnéticos [33]. Nos primeiros

desenvolvimentos, foi principalmente utilizado para a análise de problemas de

eletrostática e magnetostática.

Contudo, o método tem sido aplicado extensivamente para a análise de

problemas envolvendo geometrias bidimensionais e tridimensionais, especificamente

nas áreas de radiação e dispersão [32] e para campos eletromagnéticos estáticos [33].

Apesar das equações de Maxwell descreverem por completo o fenômeno físico

observado, a aplicação direta das equações em geometrias complexas é difícil, sendo

muitas vezes necessário recorrer a técnicas de cálculo numérico para se obter a

distribuição dos campos resultantes.

Uma metodologia inicialmente utilizada para estruturas menos elaboradas é o

MDF (Método das Diferenças Finitas) [34], por meio do qual se resolvem equações

diferenciais de uma determinada matriz, representada por uma malha.

O MDF pode ser utilizado para a solução de grande parte dos problemas com

geometrias simplificadas. Contudo, quando é necessário estudar o domínio para uma

geometria mais complexa, este método não é o mais adequado pelo fato de que a

discretização da geometria resulta em um processo complexo e, em muitos casos,

fora da forma ideal para cálculo, conforme exemplo mostrado na Figura 14.

O MEF foi inicialmente divulgado por volta dos anos 1960 [35], já então tendo

sido utilizado na área aeroespacial [36]. Os fundamentos básicos em métodos de

elementos finitos são muitas vezes extraídos de textos clássicos, baseados em

aplicações da engenharia civil e engenharia mecânica. Embora esses textos

proporcionem uma excelente estrutura para o método de elementos finitos, eles não

24

oferecem uma abordagem adequada para a solução de problemas bidimensionais e

tridimensionais envolvendo variações senoidais no espaço, problema este comum em

aplicações eletromagnéticas [32].

Os estudos a respeito da discretização de funções contínuas, por sua vez,

iniciaram-se apenas em 1943, pelo matemático Courant, seguindo a ideia de utilização

de elementos triangulares e o princípio da minimização de energia potencial em

estudos de torção em peças mecânicas [37].

Figura 14: Comparação da discretização da geometria pelo Método das Diferenças Finitas (a) e Método dos Elementos Finitos (b) [35].

Conforme se observa, o MEF apresenta maior precisão na resolução de

problemas com geometrias complexas, pois se compatibiliza melhor ao contorno da

geometria sob análise [35]. Por outro lado, possui algumas restrições como a

complexidade de cálculo e tempo de processamento computacional [38].

Desta forma, aplicações atuais utilizam técnicas computacionais avançadas

para resolução de problemas dessa natureza. Pode-se citar a técnica denominada FE-

BI (Finit Element Boundary Integral) [38].

O FE-BI é considerado um método híbrido. Em função de utilizar uma Equação

Integral (IE) como um limite de truncamento para o espaço utilizado no método de

elementos finitos. Esta combinação de paradigmas permite uma redução no volume

de processamento da solução, resultando em uma abordagem mais rápida e mais

eficiente [38].

25

Um exemplo da abordagem do método FE-BI pode ser visto na Figura 15.

Nesse caso, é mostrada uma aplicação abordando um ensaio definido pela ISO

11451-2. É possível identificar que o domínio utilizado para a aplicação possui a

Equação Integral bem definida. Ainda é possível observar que, abordando o problema

pelo método dos elementos finitos, o volume a ser processado de informações será

visivelmente maior [38].

A equação integral é utilizada como um limite de truncamento para o espaço

simulado. Assim, com a redução desse volume que seria calculado, obtém-se um

processo mais conciso e rápido. Vale ressaltar que a distância da antena até fronteira

determinada no método FE-BI pode ser arbitrariamente pequena. Isso implica em uma

redução significativa em termos de processamento.

Figura 15: Aplicação do método FE-BI [38].

A abordagem proposta pelo método FE-BI pode ser comparada

qualitativamente analisando o domínio das simulações, conforme Figura. 16 [38].

26

Figura 16: Comparativo entre FEM e FE-BI [38].

No exemplo da Figura 16, tem-se a modelagem de um veículo em uma câmara

anecóica sendo submetido ao teste de EMI conforme ISSO 14451-2. Muito embora o

ambiente a ser calculado tenha sido reduzido no método FE-BI, os resultados obtidos,

Figura 17, mostram que praticamente não há alterações na qualidade do resultado

obtido [38].

Figura 17: Antena Far-field Pattern a = 90º [38].

27

Neste comparativo entre os resultados obtidos pela técnica de elementos finitos

e FE-BI, conclui-se que ambos os processos podem ser utilizados, pois há uma visível

correlação nos resultados obtidos por técnicas diferentes. Contudo, a FE-BI possui o

benefício de ser mais rápido e necessitar de um menor poder de processamento dos

computadores que farão os cálculos dos resultados [38].

4.2 Métodos no domínio do tempo

O software de simulação utilizado nessa dissertação faz a utilização dos

seguintes métodos numéricos no domínio do tempo:

FIT (Finite Integration Technique);

FDTD (Finite Difference Time Domain);

TLM (Transmission Line Matrix).

Os métodos citados acima possuem as características de uma grade de

coordenadas cartesiana (hexaédrica cúbica ou cilíndrica circular) e um diagrama de

integração explícito no tempo [39].

Estes dois fatores estão intimamente relacionados. A grade de coordenadas

implica em uma estrutura de banda simples das matrizes do sistema na qual um

algoritmo pode ser aplicado [39]. Os campos são propagados através da estrutura

pelas multiplicações dos vetores das matrizes com um específico passo de tempo.

Assim, quanto maior for o passo de tempo, menor será o tempo de simulação.

O passo de tempo máximo possível é determinado pelo critério de Courant-

Friedrich-Lewy (CFL) [40]. Trata-se do tempo requerido para o sinal, que se propaga

a velocidade da luz, passar pela menor célula da malha no domínio de cálculo. Pode

ser mais ilustrativo pensar no critério CFL como uma maneira de forçar a informação

de uma célula da malha, a tocar em cada célula da malha vizinha, em cada passo de

tempo.

28

Os requisitos de memória e o tempo de simulação aumentam linearmente com

o aumento do número de pontos da malha. Devido a esta propriedade, os simuladores

no domínio de tempo são adequados para resolver estruturas eletricamente grandes

e ricas em detalhes, onde bilhões de incógnitas podem ser manipuladas e calculadas

[41].

Há outras abordagens no domínio do tempo que utilizam grades não ortogonais

e/ou diagramas de integração implícitos no tempo. Atualmente para micro-ondas e

RF, não há implementações comerciais disponíveis [42], [43].

Um algoritmo implícito sempre deve resolver um sistema de equações em um

determinado passo de tempo, mas na sequência o tamanho do passo de tempo pode

ser alterado para um valor maior, levando a diminuição do tempo de simulação [41].

O domínio do tempo oferece a possibilidade de estudo do comportamento

transiente das estruturas eletromagnéticas. Adicionalmente ao fato de poder ser

utilizado como um analisador de redes virtual, o simulador também pode funcionar

como um reflectômetro virtual no domínio do tempo (TDR – Time Domain

Reflectometer), tempos de atraso e degradação do sinal em linhas de transmissão

podem ser simulado diretamente [41].

Tanto os sinais como os campos podem ser estudados no domínio do tempo,

como por exemplo, os farfields transientes tornam-se cada vez mais importantes em

aplicações de UWB. Em dispositivos de múltiplas portas, cada porta pode ser excitada

individualmente com um sinal de tempo diferente e os campos simulados podem ser

monitorados apropriadamente.

A FIT, utilizada nas simulações deste trabalho pelo software CST, recebe este

nome por discretizar a forma integral, ao invés da diferencial, as equações de Maxwell

[41]. As incógnitas são definidas por:

a. Tensões elétricas, denotadas por en, nas extremidades da malha

discretizada;

29

b. Fluxos magnéticos, denotados por bn, sobre as faces da malha.

Por exemplo, para discretizar a lei de Faraday, Figura 18, em uma face da

malha, verifica-se que o lado esquerdo de (1) é a integral de linha do campo elétrico

(ou seja, uma tensão elétrica) ao longo da borda da face. Esta integral pode ser escrita

como uma soma algébrica das incógnitas da borda. O lado direito é a derivada é em

função do tempo (indicado por um ponto) do fluxo magnético através da face. Desta

forma, para qualquer malha fixa, ou seja, que já inclui um erro de discretização do

espaço, nenhum erro suplementar de discretização da equação é adicionado, quando

se passa da forma contínua para a discreta. Isto porque, com esta escolha de

incógnitas, a passagem de (1) para (2) baseia-se unicamente nas propriedades

matemáticas da integral [41].

Figura 18: Exemplo de aplicação da Técnica de Integração Finita no Domínio do Tempo [41].

30

Por outro lado, um erro de discretização das equações ocorrerá quando se

discretizar as relações de propriedades dos materiais [41]. Ao agrupar os coeficientes

+1 e -1 da soma algébrica em uma matriz C (a versão discreta do operador ‘curl’), e

as incógnitas elétricas e magnéticas em vectores e e b, uma matriz compacta

resultante é formada, que se assemelha a forma diferencial contínua da lei de Faraday

𝑐𝑢𝑟𝑙 = − , ou seja, ∇ × = −𝜕

𝜕𝑡.

Assim, todas as equações de Maxwell podem ser discretizadas com o FIT para

produzirem suas formas discretas em uma forma matricial compacta [44]. Os

operadores da matriz C, 𝐶 (operadores curl discretos) e S, 𝑆 (operadores divergente

discretos) são matrizes topológicas, contendo apenas 1, -1 e 0 como entradas. Em

uma grade cartesiana, o FDTD se equivale ao FIT [45].

Mesmo a versão moderna do método FEM utiliza exatamente a mesma forma

(6), Figura 18, das equações de Maxwell discretizadas [46]. A diferença entre o FEM

moderno e o FIT é somente na discretização das relações de propriedade dos

materiais [41].

Os métodos FIT, FDTD e TLM tradicionais, a célula da malha possui um

formato hexaédrico e é preenchida totalmente por um determinado material. Esse tipo

de aproximação é chamada de staircase (em escada).

Contudo, essa discretização pode dificultar a obtenção de uma exatidão ótima

na representação geométrica de muitos dispositivos, pois a maioria dos componentes

contêm características arredondadas. Como mostrado na Figura 19, uma malha

sendo aproximada pelo método staircase.

31

Figura 19: Aproximação de uma geometria pelo método PBA.

Para reduzir os erros gerados nos resultados, deve ser aplicado um

refinamento na malha utilizada na simulação. Métodos de conformação, tal como a

PBA (Aproximação de Contornos Perfeito) [47], melhoram a descrição geométrica,

sem comprometer a eficiência da memória de processamento [41].

O aumento do desempenho diz respeito não somente a um número menor de

células da malha, mas também a células maiores que implicam em um passo de

tempo maior.

O processo de convergência PBA é rápido e estável e pode ser seguramente

assumido que o aumento da densidade da malha irá melhorar a exatidão do resultado.

Esta afirmação não é verdadeira para aproximações em staircase onde a

convergência é lenta e não estável [41] . A Figura 20 mostra uma malha sendo

aproximada pelo método PBA.

32

Figura 20: Aproximação de uma geometria pelo método PBA.

Ainda com a preocupação de se obter melhores aproximações da geometria

dentro da grade cartesiana foram criados o FPBA (Fast Perfect Boundary

Approximation) (Fast PBA – PBA rápido) e o EFPBA (Enhanced Fast Perfect Boundary

Approximation – exatidão aumentada) [7].

Ambos visam melhorar a aproximação geométrica, aumentar a estabilidade e

a convergência do método de cálculo, diminuir o tempo e aumentar a correlação da

simulação.

As simulações na área automotiva demanda esse tipo de melhoria. Em geral,

os modelos utilizados são grandes e complexos demandando recursos de tempo e

computacional para processamento. Nas simulações a serem apresentadas neste

trabalho optou-se pelo EFPBA para garantir o melhor resultado possível em termos

de tempo de simulação e resultados calculados.

33

5 NORMALIZAÇÃO E PADRONIZAÇÃO

A preocupação com a EMC está além dos requisitos técnicos, já que o

crescente volume das relações comerciais internacionais fez crescer à necessidade

de criação de normas internacionais com o objetivo garantir o funcionamento

adequado dos produtos comercializados em diversos países.

5.1 Descrição das normas e padrões

Existem diferentes normas que regularizam ensaios para os cinco

subproblemas básicos de EMC [6], a saber:

a. emissão irradiada: verificação dos níveis de campos eletromagnéticos

irradiados pelo equipamento e que podem ser recebidos por outros

equipamentos causando interferência. Em geral é medido apenas o campo

elétrico e os limites são dados em dBµV/m. A faixa de frequências é de 30 MHz

a 40 GHz. A verificação é realizada medindo-se os campos elétricos irradiados

em uma câmara semi-anecóica ou em um campo de testes aberto [6];

b. emissão conduzida: são correntes elétricas que circulam pelo cabo de

alimentação do equipamento e chegam ao quadro de distribuição elétrica, onde

podem irradiar de maneira mais eficiente e causar interferência em outros

equipamentos; verificação dos limites é realizada com a introdução de uma Line

Impedance Stabilization Network (LISN) entre o equipamento testado e a rede

elétrica. A faixa de frequências para emissões conduzidas é de 450 kHz a 30

MHz. Os limites são dados em Volts [6];

c. suscetibilidade irradiada: verificação da capacidade de bom funcionamento do

equipamento em presença de campos eletromagnéticos externos [6];

d. suscetibilidade conduzida: verificação da capacidade de bom funcionamento

do equipamento em presença de ruído conduzido em seus cabos [6];

e. imunidade a descargas eletrostáticas (ESD - Electrostatic Discharge).

34

A especificação do procedimento de medição a ser realizado durante a

verificação de limites de emissão de um produto é tão importante quanto à própria

especificação dos próprios limites, isto porque se o procedimento não é bem

especificado, podem-se obter diferentes conjuntos de dados de medição para um

mesmo equipamento.

Cada norma que define limites de emissão conduzida e irradiada possui uma

regulação correspondente que define claramente como os dados precisam ser

medidos. Isso inclui o procedimento de teste, equipamento de teste, faixa de

passagem, antenas de teste, etc.

Há basicamente duas classes de exigências de EMC que são impostas aos

sistemas eletrônicos [6]:

a. Impostas por agências governamentais e,

b. Impostas pelo fabricante do produto.

As exigências governamentais são impostas, para controlar o nível de

interferência produzido pelo produto com a finalidade de controlar o grau de poluição

eletromagnética no ambiente.

A verificação da imunidade passou a ser relevante no setor de normalização

há apenas algumas décadas, principalmente devido a necessidade de proteção da

instrumentação de controle de processos industriais contra distúrbios provocados por

transmissores de radiofrequência (RF), principalmente rádios transmissores portáteis,

descargas eletrostáticas e transitórios.

As normas IEC 801.x (IEC, 1984), composta de quatro partes, publicada pelo

Comissão Internacional de Eletrotécnica, International Electrotechnical Commission

(IEC), foi durante alguns anos o documento fundamental no domínio da

suscetibilidade eletromagnética. Esta série foi substituída pela série IEC 61000-4-x,

composta de 12 partes referentes a testes de imunidade, que é atualmente

referenciada em famílias mais recentes de produtos e normas de EMC.

35

Embora as normas governamentais também regulem requisitos de imunidade,

tal preocupação é muito mais evidenciada nas exigências impostas pelos fabricantes,

que têm como principal objetivo a satisfação do cliente, visando à garantia de um

produto confiável e de qualidade [6].

Em 1933, um encontro da IEC, órgão internacional que promulga padrões a fim

de facilitar o comércio entre os países, em Paris, recomendou a formação do CISPR

(International Special Committee on Radio Interference), para tratar do emergente

problema de EMI.

O comitê produziu um documento detalhando o equipamento de medição para

determinar potenciais emissões de EMI. Encontros subsequentes do comitê

resultaram em várias publicações técnicas que tratam de métodos de medição e dos

limites de emissão recomendados. O CISPR não é um órgão regulatório, mas

simplesmente desenvolve padrões que quando adotados tornam-se o padrão para

aquele governo [6].

Em 1979, a Comissão Federal de Comunicações dos EUA, Federal

Communications Commission (FCC) publicou uma regulamentação que requer que

as emissões eletromagnéticas (conduzidas ou irradiadas) de todos os equipamentos

digitais estejam abaixo de certos limites. A faixa de frequências definida pela FCC

como radiofrequências vai de 9 kHz a 3000 GHz [6].

O objetivo desta regulamentação é tentar limitar a poluição eletromagnética do

meio ambiente evitando o número de casos de EMI. Como nenhum equipamento

digital pode ser vendido nos EUA se os seus níveis de emissões eletromagnéticas

alcançarem os limites impostos pela FCC, o assunto compatibilidade eletromagnética

gerou grande interesse entre os fabricantes de equipamentos eletrônicos comerciais,

desde computadores digitais até máquinas de escrever eletrônicas.

Em 1989, foi publicada a Diretiva 89/336/EEC para EMC, cujos requisitos

essenciais de proteção são a limitação das emissões para evitar rádio interferência e

a provisão de imunidade adequada a distúrbios eletromagnéticos para assegurar a

36

operação correta de todos os equipamentos em qualquer lugar. O escopo desta

diretiva se aplica a todos os equipamentos elétricos, de pequenos componentes a

sistemas de geração de potência e de tração. Inicialmente, as únicas exceções são

rádios transmissores, que exigem licença e equipamento de rádio amador. Outras

exceções existentes atualmente são os equipamentos que possuem sua própria

diretiva, como equipamentos médicos e veículos automotores [48].

A FCC divide os equipamentos digitais em duas classes:

a. Classe A: equipamentos para uso em ambiente comercial e industrial;

b. Classe B: equipamentos para uso em ambiente residencial.

Os limites impostos para equipamentos da Classe B são mais rigorosos que os

da Classe A porque se assume que o problema de interferência de um equipamento

em um ambiente industrial pode ser mais facilmente corrigido do que em um ambiente

residencial, onde a fonte de interferência e o dispositivo suscetível provavelmente

estão em maior proximidade.

Além disso, o proprietário de um equipamento em um ambiente residencial

provavelmente não possui conhecimentos técnicos nem os recursos financeiros para

corrigir o problema, diferentemente do proprietário de ambiente industrial.

No Brasil, o órgão responsável pela normalização técnica é a Associação

Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) possuindo normas que dizem respeito a EMC,

tanto para equipamentos elétricos e eletrônicos em geral, quanto para segmentos

específicos como o de equipamentos eletromédicos, redes internas de

telecomunicações em edificações e máquinas rodoviárias [6].

A regulamentação tornou a EMC um aspecto crítico na comercialização de

produtos eletrônicos. Se o produto não obedecer às normas de um país em particular,

ele não pode ser comercializado naquele país.

37

6 EMC/EMI NA INDÚSTRIA AUTOMOBILÍSTICA

A indústria automobilística também aproveitou o desenvolvimento da

eletrônica. A Motorola em 1930 lançou o primeiro rádio de uso em automóveis. Na

época, este rádio era vendido separadamente como um kit de instalação, mostrado

na Figura 21 [49].

Anos depois, a empresa inglesa Lucas Industries desenvolveu a primeira

ignição elétrica, usada em 1962 na Fórmula 1 e 1963 em um modelo da empresa

americana Pontiac [49].

Figura 21: Primeiro rádio lançado para automóveis [49].

Depois de 50 anos de desenvolvimento da eletrônica e da engenharia

automobilística, nota-se que a utilização de módulos eletrônicos tornou-se essencial

para o melhor funcionamento e nos quesitos que tangem a segurança do condutor e

passageiros [49].

Atualmente, um veículo pode conter mais de 90 microprocessadores, atuando

em funções como acionamento e controle de freios, controle de abertura e fechamento

das portas, acionamento das bolsas de airbag, etc. Este fato contribuiu para o

aumento da importância do estudo da compatibilidade eletromagnética na indústria

automobilística, conforme apresentado na Figura 22 [50].

38

Figura 22: Crescimento da aplicação de sistemas elétricos e eletrônicos embarcados [50].

No Reino Unido, os automóveis foram os primeiros produtos de mercado

submetidos a uma legislação específica de EMC [51]. O ruído impulsivo gerado pelo

sistema de ignição possuía amplitude suficiente para causar interferência em

aparelhos de televisão.

A redução do nível de emissões irradiadas para um nível aceitável foi

implementada, 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 [51].

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 na segurança pessoal, devem funcionar

perfeitamente, mesmo em ambientes poluídos eletromagneticamente [6].

39

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 [52].

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 relés [52].

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 [6].

As emissões irradiadas por um veículo surgem das seguintes fontes [52]:

a. Cabeamento automotivo funciona como uma antena, irradiando os

transitórios conduzidos;

b. sistemas eletrônicos que incorporam sinal lógico digital de alta velocidade,

como microprocessadores e seus componentes associados;

c. conversores CC/CC (choppers) eletrônicos, usados para controle de

velocidade de motores ou controle de luminosidade de lâmpadas (dimmers).

Visto que a intensidade de campo elétrico destas emissões irradiadas é da

ordem de µV/m ou mV/m, na maioria dos casos, o único problema provocado é

interferência no rádio do veículo [6]. Como a sensibilidade do rádio e a distância entre

40

a antena e a fonte de interferência é praticamente fixa, a única forma de prevenir a

interferência é limitar o nível das emissões irradiadas.

Os veículos automotivos estão sujeitos a um ambiente eletromagnético

bastante severo criado por vários transmissores fixos (como antenas de transmissão

de rádio) e móveis (telefones celulares, por exemplo). Embora transmissores fixos

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 instalados no veículo devem ter um nível de

imunidade aos campos eletromagnéticos irradiados, visto que os consumidores

esperam que seu automóvel trabalhe corretamente, mesmo em ambientes

eletromagneticamente severos [52].

Os campos eletromagnéticos podem se acoplar aos sistemas eletrônicos do

veículo diretamente, nas trilhas das placas de circuitos impressos ou no cabeamento

interno, ou ainda através do chicote de fios na carroceria do veículo. O processo de

acoplamento é altamente dependente da frequência de interesse. Abaixo de 20 MHz

o cabeamento da carroceria e os sistemas eletrônicos não agem como antenas

eficientes, porque eles são relativamente pequenos comparados com o comprimento

de onda da interferência [52].

Consequentemente, nenhum problema de suscetibilidade irradiada geralmente

ocorre nas frequências de radiodifusão (LW – Long Wave, MW – Medium Wave e SW

– Short Wave) ou até mesmo na frequência de transmissão da rede elétrica, apesar

dos campos irradiados intensos [52].

41

Na faixa de frequência de 20 MHz a 200 MHz o cabeamento da carroceria age

como uma antena razoavelmente eficiente, e correntes, em média da ordem de 1 mA

podem ser induzidas para cada volt/metro de intensidade de campo, sendo o

acoplamento dependente dos efeitos de ressonância e de blindagem oferecidos pela

carroceria do veículo. Acima de 200 MHz, as perdas elétricas do cabeamento

automotivo tornam-se consideráveis, fazendo com que estes deixem de funcionar

como antenas eficientes [52].

Contudo, o acoplamento direto nas placas de circuito impresso dos sistemas

eletrônicos pode acontecer, visto que suas dimensões são comparáveis a um quarto

do comprimento de onda do sinal interferente. Porém, como os circuitos eletrônicos

geralmente possuem altas perdas para frequências elevadas, dificilmente ocorrem

problemas práticos [51].

Estas características impulsionaram para criação de normas específicas de

teste e validação de componentes e subsistemas eletrônicos como a CISPR-12 e

CISPR-25 [53]. Atualmente, há um conjunto de normais que são observadas nos

projetos da indústria automobilística. O INPE, localizado na cidade de São José dos

Campos no interior de São Paulo, oferece testes de certificação nas seguintes normas

[54]:

a. CISPR 12 – Vehicles, motorboats and spark-ignited engine-driven devices

– Radio disturbance characteristics – Limits and methods of measurement:

aplicada a veículos, refere-se a emissões e imunidade irradiada;

b. CISPR 25 – Radio disturbance characteristics for the protection of receivers

used on board vehicles, boats, and on devices – Limits and methods of

measurement: aplicada a componentes, refere-se a imunidade irradiada;

c. ISO 11452 – Road vehicles – Component test methods for electrical

disturbances from narrowband radiated electromagnetic energy: aplicada a

componentes, refere-se a imunidade irradiada;

42

d. ISO 11451 – Road vehicles – Vehicle test methods for electrical

disturbances from narrowband radiated electromagnetic energy: aplicada a

veículos, refere-se a imunidade irradiada;

e. ISO 10605 – Test methods for electrical disturbances from electrostatic

discharge: aplicada a veículos e componentes, refere-se a descarga

eletrostática;

f. ISO 7637 – Road vehicles - Electrical disturbances from conduction and

coupling: aplicada a componentes, refere-se a imunidade conduzida;

g. SAE J551 – Performance Levels and Methods of Measurement of

Electromagnetic Radiation from Vehicles and Devices (30 to 1000 MHz):

aplicada a veículos, refere-se a emissões e imunidade irradiada;

h. SAE J1113 – Electromagnetic Susceptibility Measurement Procedures for

Vehicle Components (Except Aircraft): aplicada a componentes, refere-se a

emissões e imunidade irradiada.

No Brasil, a Comissão de Estudo em Eletrônica, em conjunto com o Grupo de

Trabalho de Interferência Eletromagnética do Comitê Brasileiro de Automotivo da

ABNT estão desenvolvendo normas referentes aos métodos de ensaios veiculares

tendo como referência a norma ISO-11451.

Assim, no processo de desenvolvimento de um automóvel, existe uma etapa

específica para testes de validação do produto conforme mostrado na Figura 23.

Durante essa etapa, são realizados ensaios nos laboratórios internos da empresa e

em institutos especializados [55].

Em casos onde há a obrigatoriedade legal do cumprimento de um requisito de

um mercado consumidor específico, tendo em vista que os projetos de engenharia

automotiva atuais possuem uma abrangência global, institutos internacionais são

acionados e veículos são exportados para realização dos ensaios [55].

43

Figura 23: Processo de desenvolvimento de produto [55].

Os ensaios de EMC realizados nesses institutos representam uma parcela

significativa dos custos da etapa de validação. É necessária a disposição de pelo

menos um veículo exclusivamente para estes testes além dos custos associados de

transporte.

De forma geral, conforme a Figura 24, caso algum problema de

desenvolvimento seja encontrado durante a fase de testes de validação do produto e

produção, os custos para solução final, respectivos teste e validação podem chegar a

patamares até vinte vezes superior em comparação a uma mudança na etapa de

conceito e desenvolvimento além do risco de atraso no lançamento do veículo [4], [5]

e [56].

Fase 0• Planejamento

Fase 1• Conceito e Desenvolvimento

Fase 2• Definição dos sistemas

Fase 3• Detalhamento do Design dos Sistemas

Fase 4• Testes e Refinamento

Fase 5• Início da produção

44

Figura 24: Curvas de custo durante o processo de desenvolvimento de um produto [56].

Fatores como custo de desenvolvimento e atrasos no cronograma do projeto

são suficientes para que a indústria automobilística busque alternativas para minimizar

as falhas durante a etapa de definições. Neste contexto, as formas de análises

computacionais e simulação de EMC/EMI podem ser alternativas atrativas a serem

adotadas durante a etapa de engenharia de produto [56].

45

7 PROBLEMA ESTUDADO, ENSAIOS E SIMULAÇÕES

7.1 Definição do problema

Durante a fase inicial do projeto de um veículo, torna-se difícil a determinação

de uma região susceptível aos efeitos de EMC/EMI. Isso ocorre devido à falta de

informação para a elaboração de diagramas elétricos. Há incertezas sobre as

interfaces entre conexões elétricas de peças mecânicas que apenas são definidas em

uma etapa posterior durante o processo de desenvolvimento.

Ademais, qualquer iniciativa de ensaio para estudos de EMC/EMI são

realizados em veículos que são montados em etapas avançadas de desenvolvimento

e validação do produto. Este fato indica que qualquer tipo de alteração de

posicionamento, fixação e/ou até mesmo de sistemas eletrônicos, em função de algum

problema de interferência eletromagnética pode levar a um aumento tanto do custo

quanto do tempo disponível [4], [5].

O problema em estudo nessa dissertação considerou um projeto de um novo

veículo durante uma etapa inicial de desenvolvimento.

A empresa contratada e responsável pelo desenvolvimento do módulo,

fabricação e testes de validação de um módulo de comunicação Bluetooth, detectou

um risco de mal funcionamento e possível perda de operação devido a interferências

causadas por campos eletromagnéticos produzidos no interior do veículo na faixa de

frequência de 2,0 à 2,45 GHz, isto é, faixa de operação do módulo de Bluetooth.

Conforme a Figura 25, nas proximidades onde o módulo será fixado, há

instalado o cabeamento (também chamado de chicote elétrico) que permite o tráfego

de sinais elétricos e alimentação de circuitos de potência elétrica.

46

Figura 25: Região de instalação do módulo de Bluetooth.

Caso essa região de instalação do módulo Bluetooth seja considerada crítica

em termos de incidência de campos e ruídos eletromagnéticos que podem ocasionar

interferências, uma estratégia para a solução do problema precisa ser elaborada. Isto

pode envolver investimentos no hardware eletrônico do módulo (alguma estratégia de

blindagem eletromagnética, por exemplo) ou a procura de uma outra região para

instalação.

Uma proposta de solução para esse problema seria desenvolver um

procedimento de análise computacional capaz de avaliar o campo emitido na região

em determinadas situações de funcionamento do veículo. Desta forma, tanto o módulo

de Bluetooth como as outras peças que estão instaladas nas proximidades poderiam

ser dimensionadas para serem robustas aos limites estabelecidos nas normas como

a CISPR-25 e a ISO 11452-2.

47

7.2 Estratégia para abordagem do problema.

Inicialmente, os procedimentos de simulação dependem de características e

condições de contorno bem definidas e de uma modelagem computacional avançada,

isto é, que considere o funcionamento do sistema elétrico em um determinado instante

de tempo. Assim, foi proposta e realizada uma estratégia de medição dos campos

eletromagnéticos no interior do veículo atualmente em produção.

Essa estratégia foi adotada pois, o sistema multimídia instalado no veículo

disponível para teste é o mesmo que será utilizado no projeto que está no escopo

desse estudo. Inclusive, as características elétricas e funcionais dos veículos são as

mesmas.

Sem dúvidas, esta foi uma importante consideração para se estudar o

problema. Devido ao fato de que, no veículo medido, todas as informações de

diagrama elétrico já são conhecidas e estão disponíveis. Assim, uma vez que o

processo de medição torna-se confiável e com resultados expressivos, a mesma

metodologia pode ser aplicada em outros veículos.

Ademais, esses ensaios serão muito importantes para a elaboração de

procedimentos e definição das condições de contorno para análises computacionais

além de fornecer uma resposta confiável ao fornecedor do módulo Bluetooth.

Desta forma, nesse trabalho serão mostrados os resultados obtidos pelo

processo de medição de campo na faixa frequência de 2,4 GHz à 2,45 GHz no interior

do veículo e medições realizadas no compartimento do motor na faixa de frequência

de 0 KHz à 110 MHz.

Esses resultados serão utilizados para se determinar uma região onde poderá

haver incidência de campos eletromagnéticos que possam afetar o funcionamento do

módulo de Bluetooth. Serão apresentados os primeiros passos para se elaborar um

processo de análise computacional capaz de gerar resultados confiáveis na etapa

inicial do projeto do veículo.

48

7.3 Estratégia para Medição de Campo Elétrico Irradiado no interior

de um veículo

Os ensaios realizados nos projetos automotivos com foco em EMC/EMI

buscam principalmente analisar a questão de imunidade a campos eletromagnéticos

em dispositivos eletrônicos. Em geral, para a realização desses ensaios há

necessidade da utilização de uma câmara anecóica, a definição de pontos de

interesse onde será medido o campo elétrico e o estabelecimento dos limites para

determinação dos valores aceitáveis [57].

Referenciando um procedimento de medição realizado pelo CEFET-MG,

UFMG, PUC e FIAT SA [57] e levando em consideração a falta de uma câmara

anecóica com capacidade de acomodar um veículo, foi necessário escolher um

ambiente para a realização dos ensaios que estivesse isento de interferências, como

antenas de redes de comunicação sem fio e sinais de telefones celulares.

Analisando os possíveis lugares com essa característica, chegou-se ao subsolo

do Bloco A do campus da UFABC Santo André, apresentado na Figura 26. Esse

espaço está situado entre dois grandes prédios do campus, praticamente não há sinal

da rede de telefonia móvel e a baixa movimentação de pedestres.

Figura 26: Subsolo do Bloco A – Campus UFABC Santo André.

49

O veículo utilizado nos ensaios, Chevrolet Prisma LTZ, estava equipado com

um sistema multimídia com comunicação Bluetooth fornecido pela LG – BYOM Versão

1. Esse sistema é compatível com os aparelhos celulares comercializados atualmente,

ou seja, que operam com sistemas operacionais IOs® e Android®.

Com essas informações, estabeleceu-se duas fases de ensaios como

mostrado na Figura 27.

A primeira fase consistiu em medições de campo no interior do veículo e

compartimento do motor em funcionamento e durante a partida.

A segunda fase consistiu em um ensaio de agressão com a finalidade de

descobrir em quais condições se poderia detectar uma falha na comunicação

Bluetooth entre o telefone celular e o sistema multimídia.

Contudo, vale ressaltar que a segunda etapa seria realizada caso nenhuma

incidência de interferência eletromagnética fosse encontrada na primeira etapa.

Em ambas as fases, as maiores dificuldades encontradas para a realização dos

ensaios foi a obtenção dos equipamentos necessários e, consequentemente, as

configurações adequadas para obtenção dos resultados.

50

Figura 27: Fases das medições.

7.4 Fase 1: Medições, preparação e equipamentos

Na preparação da Fase 1, foram consideradas duas regiões onde possíveis

fontes de interferências eletromagnéticas poderiam ocorrer: no interior do veículo e no

compartimento do motor, conforme apresentado na Figura 28. No interior do veículo,

há dispositivos instalados que podem funcionar como fontes de ruídos

eletromagnéticos, como microprocessadores e módulos eletrônicos. O compartimento

do motor, como já é de conhecimento da engenharia automotiva, emite ruídos na faixa

de FM, isto é, entre 86,6 MHz à 109,1 MHz [58], principalmente durante a partida do

veículo.

Desta forma, as medições de campo na Fase 1 foram divididas em 3 Etapas:

51

a. Etapa 1: medições do campo gerado no interior do veículo;

b. Etapa 2: medições do campo gerado no compartimento do motor;

c. Etapa 3: medições de campo gerado na partida no compartimento do motor;

Figura 28: Região de medições.

Historicamente, o compartimento do motor com o veículo em funcionamento é

uma região importante a ser analisada em termos de emissões. Isto acontece devido

a corrente elétrica necessária para gerar a faísca para o explosão da mistura

carburada (ar e combustível) no cilindro do motor.

Assim, em ambas as Etapas, foram realizadas as medições para cada modo

de funcionamento do veículo, como mostrado na Tabela 3. Mantendo-se as mesmas

condições de configuração de ensaio, isto é, a preparação dos equipamentos de

medição e realizando três medições para cada modo de funcionamento, assegurou-

se a eliminação de erros de leitura e procedimentos. Em todas as medições, as

configurações necessárias para a realização do ensaio eram devidamente verificadas.

52

Tabela 3: Sequência das medidas.

Etapas

Fase 1

Sequência

de medição

Qtde. de

Medidas

Modo de Funcionamento do Veículo

Descrição do ensaio

Inte

rio

r d

o V

eíc

ulo

1

1 3 Veículo desligado

2 3 Acionar Ignição

3 3 Veículo ligado (motor em funcionamento +/- 800 rpm)

4 3 Veículo ligado e Ligar Farol

5 3 Veículo e Farol Ligados + acionar Bluetooth

6 3 Veículo, Farol, Bluetooth ligados +acionar vidros elétricos

7 3 Desligar o veículo

8 3 Veículo, Farol e Bluetooth ligados (motor @ +/- 800 rpm)



Co

mp

art

ime

nto

do

Mo

tor 2

1 3 Veículo desligado

2 3 Acionar Ignição (motor em funcionamento +/- 800 rpm)



3 1 8 Medição de campo produzido na partida do veículo

Na etapa 3 foram realizadas oito medições. O objetivo foi conseguir avaliar e

capturar as interferências que poderiam existir no instante de partido do veículo.

Os modos de funcionamento foram determinados com um estudo detalhado

sobre a arquitetura elétrica do veículo submetido ao ensaio, conforme a Figura 29.

Cada módulo eletrônico entra em funcionamento sob determinadas condições.

Contudo, o instante de partida do motor, acionamento dos vidros elétricos e faróis

podem ser classificados como o principais eventos em termos de emissões com o

veículo em repouso, com motor em funcionamento ou desligado. Isso porquê alguns

módulos entram em funcionamento justamente na ignição do motor, como ECM

53

(Engine Control Module). A BCM (Body Control Module), por sua vez, entra em

funcionamento na abertura dos vidros e acionamento dos faróis.

Figura 29: Esquema simplificado da Arquitetura Elétrica do veículo usado nos ensaios [15].

Tendo em vista a definição da sequência das medições e do detalhamento de

cada etapa, elaborou-se uma lista de equipamentos a serem utilizados.

Parte desses equipamentos pertencem a UFABC, as pontas de prova usadas

na medição foram obtidos por empréstimo pela empresa Rohde & Schwarz e o

computador é de uso pessoal (todos os equipamentos estão relacionados no apêndice

D):

54

a. 1 computador com sistema operacional Microsoft Windows® instalado;

b. 1 Analisador de Espectro Rohde & Schwarz modelo FSL;

c. Conjunto de pontas de prova para medição de campo elétricos da Rohde

& Schwarz, sendo:

i. 1 ponta de prova para frequência de 2 kHz até 200 MHz – faixa de

frequência de FM;

ii. 1 ponta de prova para frequência de 200 MHz à 6 GHz – faixa de

operação do Bluetooth (2,45 GHz);

Ambos as pontas de provas utilizadas nesse ensaio fazem parte de um

conjunto de medição que funcionam com o Analisador de Espectro FSL e um software

para interpretação, captura de dados e organização de medições chamado R&S

RFEX® [59].

Na Etapa 1, o Analisador de Espectro FSL foi acomodado no banco traseiro do

veículo. Com a localização aproximada de instalação do módulo de Bluetooth, Figura

30, a ponta de prova de medição que opera até a frequência de 6 GHz foi posicionado

no console do veículo, Figura 31.

Figura 30: Instalação do módulo de Bluetooth.

55

Figura 31: Ponta de prova instalada no interior do veículo.

Na Etapa 2 e 3, o Analisador de Espectro foi instalado em uma bancada na

frente do veículo, conforme mostrado na Figura 32.

Para se determinar qual a ponta de prova indicada para a captura dos dados,

inicialmente foram realizadas algumas medições com a ponta de prova capaz de

captar um campo na frequência de 6 GHz.

A solução foi refazer as medições utilizando a ponta de prova capaz de medir

campos de 2 KHz à 200 MHz, conforme mostrado na Figura 33.

56

Figura 32: Equipamentos montados para medição na Etapa 2 e Etapa 3.

Figura 33: Segunda tentativa de medição na Etapa 2 e Etapa 3.

Utilizando o software RFEX, configurou-se a faixa de frequência onde as

medições das Etapas 1 e 2 foram realizadas, conforme as Figuras 34 e 35. O RFEX

foi configurado para salvar os histórico das medidas em arquivos de planilha no

computador pessoal usado nos ensaios.

57

Figura 34: Configurações do RFEX para medição na Etapa 1 (200MHz à 6GHz).

Figura 35: Configurações do RFEX para medição na Etapa 2 (2KHz à 200MHz).

Cada medição levou 30 segundos para ser finalizada. Durante esse período de

30 segundos, uma sequência de operação era realizada conforme detalhado na

Tabela 3 e um arquivo em formato de planilha eletrônica foi gerado. Por exemplo:

a. Etapa 1 (200MHz à 6GHz) → Sequência de Medição 1 → Modo de

funcionamento: medição veículo desligado → 3 Medições de 30 segundos

realizadas → 3 arquivos de planilha gerados;

58

b. Etapa 1 (200MHz à 6GHz) → Sequência de Medição 2 → Modo de

funcionamento: Acionar Ignição → 3 Medições de 30 segundos realizadas

→ 3 arquivos gerados;

Assim, todos os modos discriminados nas Etapas 1 e 2 e descritos na Tabela

3 foram executados 3 vezes. Em toda a sequência de medição, foram priorizados a

transição de cada evento descrito nos modos de funcionamento, isto é, objetivando

detectar alguma interferência eletromagnética no instante da ignição do veículo ou

acionamento do Bluetooth ou no acionamento dos faróis, etc.

O procedimento de medição da Fase 1 pode ser resumido em um fluxograma,

Figura 36:

Figura 36: Sequência das Etapas de medição.

59

7.5 Resultados obtidos e observações durante a Fase 1

A norma ISO 11452-2 estabelece os limites que os módulos eletrônicos

aplicados na indústria automobilística, militar e aeroespacial devem ser imunes. Em

função do tipo de aplicação, os limites são classificados em Níveis de Severidade,

Tabela 4. Aplica-se para todas as fontes de radiações eletromagnéticas emitidas na

faixa de frequência de 200 MHz a 18 GHz [60]. Estes limites podem variar conforme

acordos entre montadora e fornecedor do módulo.

Tabela 4: Tabela de com os limites máximos para imunidade – ISO 11452-2 [60].

Conforme as especificações internas da montadora do veículo usado nos

ensaios, o módulo de Bluetooth é classificado com o Nível de Severidade II. Contudo,

em função da faixa de frequência que será analisada, 2.45 GHz, o módulo deve ser

submetido a um campo igual ou superior à 600 V/m para completar os testes de

validação [61].

De acordo a CISPR-25, o valor máximo de distúrbios radiados pelos módulos

podem ser acordados entre a montadora de veículos e o fornecedor do módulo

eletrônico. Isso acontece em função de existir 5 classes de classificação que variam

conforme um acordo entre as partes [62]. Muito embora alguns valores de referência

são especificados na CISPR-25, Tabela 5.

60

Tabela 5: Tabela de com os limites máximos para distúrbios radiados – CISPR-25 [62].

Portanto, o módulo instalado nesse veículo deve atender os seguintes limites:

a. Imunidade a campos de até 600 V/m, isto é, manter-se em

funcionamento quando submetido a campos dessa magnitude;

b. Não emitir distúrbios radiados que excedam 68 dB (uV/m);

Desta forma, as medições discriminadas para e Etapa 1 e Etapa 2 foram

realizadas. Os resultados dos valores máximos e em RMS foram compilados nas

Tabelas 6, 7 e 8.

Foi adicionado, para melhor visualização, a tabela de resultados sem edições

no Apêndice C.

61

Tabela 6: Resultados das medições realizadas – Parte 1.


62


Os valores máximos encontrados nessas medições (0,0612 V/m e 95,7368 dB

µV/m) indicam que o não há indícios de geração de picos e campos eletromagnéticos

pelo sistema do veículo com intensidade de interferir o funcionamento do módulo

Bluetooth. Entende-se como “sistema do veículo” o cabeamento e outros módulos

eletrônicos que estão instalados e em funcionamento no interior do veículo.

A maior variação de campo (Field Level em dB µV/m) ocorreu quando se

acionou o módulo Bluetooth, configurando-o para procurar novos dispositivos para

conexão (Δ Field Level = 9,6160 dB µV/m).

Adicionalmente, consegue-se estudar os perfis dos campos medidos nos

gráficos apresentados nas Figuras 37 à Figura 64. Os resultados apresentados na

Etapa 1 correspondem a medição de frequência na faixa de frequência de 2,4 GHz à

2,5 GHz.

63

Figura 37: Resultados dos testes da Sequência 1 – Field Strenght [V/m].


64



65



66



67



68

Figura 47: Resultados dos testes da Sequência 1 – Field Level [dB µV/m].


69



70



71



72



73

Nos resultados apresentados nas figuras 37 à 56, constata-se a ausência de

sinais que possam ser considerados como interferências eletromagnéticas. Isso

significa que o sistema eletrônico do veículo, conforme as condições avaliadas, não

gerou nenhum campo eletromagnético com intensidade para intervir no

funcionamento do veículo. Esse fato foi constatado durante o experimento.

Após a realização da Etapa 1, isto é, medições que ocorreram no interior do

veículo, estudaram-se as interferências que poderiam ser produzidas no

compartimento do motor.

Em decorrência aos problemas apresentados em alguns rádios que eram

utilizados em aplicações automotivas na década de 80, onde era possível verificar

uma interferência no sinal de FM/AM em função da rotação do motor, o equipamento

de medição de campo foi configurado para realizar medidas na faixa de 86 MHz à 110

MHz. Os resultados mostram que, na faixa de frequência estudada, não houve

nenhuma incidência de picos, Figura 57 à Figura 70. Durante esse período, o rádio do

veículo medido não apresentou nenhuma perturbação em seu funcionamento.


74


Figura 59: Resultados dos testes da Etapa 2 - > Sequência 3 e Sequência 4 – Field Strength [V/m].

75

Figura 60: Resultados dos testes da Etapa 2 - > Sequência 1 – Field Level [dB µV/m].

Figura 61: Resultados dos testes da Etapa 2 - > Sequência 2 – Field Level [dB µV/m].

76

Figura 62: Resultados dos testes da Etapa 2 - > Sequência 3 e Sequência 4 – Field Level [dB µV/m].

Muito embora os resultados obtidos na Etapa 2 não apresentaram evidencias

de interferências eletromagnéticas, nos resultados da Etapa 3 conseguiu-se verificar

a existência de picos de campo durante a partida do veículo.

Os resultados apresentados na Figura 63 mostram que há uma discreta

perturbação em uma das medidas realizadas. Este mesmo resultado foi refinado e

apresentado na Figura 64.

77

Figura 63: Resultados dos testes da Etapa 3 – Field Level [dB µV/m].

Figura 64: Resultados dos testes da Etapa 3 (refinado) – Field Level [dB µV/m].

78

Contudo, durante a execução dos ensaios notou-se que havia outros picos de

interferência que não foram capturados. Isso aconteceu devido ao equipamento

utilizado nas medições não ser capaz de capturar e armazenar a variação do campo

em função do tempo. Assim, as medidas apresentadas nas Figuras 63 e 64

representam um instante específico no tempo.

As variações de campo vistas durante a partida do veículo puderam ser

capturadas em um vídeo. Algumas imagens foram geradas a partir desse vídeo e

mostradas na Figura 65. Nota-se que, a cada partida dada, havia uma perturbação de

campo na faixa de frequência de 10 MHz até 40 MHz.

Devido a frequência e a intensidade de campo medida, concluiu-se que essa

perturbação de campo não gera alterações no funcionamento do módulo de Bluetooth

e no funcionamento do rádio em geral.

Figura 65: Resultados dos testes da Etapa 3 (refinado) – Field Level [dB µV/m].

Em todos os procedimentos de medida constatou-se que o sistema elétrico do

veículo é capaz de gerar ruídos eletromagnéticos. Contudo, esses ruídos não foram

79

suficientes para provocar um mau funcionamento no módulo de Bluetooth, por

situarem-se em faixas de frequência fora da área de operação do Bluetooth.

Desta forma, constata-se que as especificações de projeto e os ensaios de

validação dos componentes e sistemas eletrônicos que são robustos e foram

devidamente determinadas com a finalidade evitar problemas de EMC e EMI.

7.6 Fase 2: Configurações de equipamentos e medições

Após a realização da Fase 1, onde não foram encontrados picos de campo

capazes de gerar interferências eletromagnéticas, notou-se que havia uma baixa

probabilidade de encontrar alguma falha no funcionamento do veículo. Assim, a Fase

2 foi elaborada para que uma falha de comunicação pudesse ser observada.

Conforme especificações do módulo de Bluetooth, a comunicação deve ser

consistente e não apresentar falhas com dispositivos compatíveis presentes no interior

do veículo na faixa de frequência de 2,4 GHz até 2,485 GHz [61].

Utilizando-se de duas antenas tipo Yagi (10 dB de ganho) que operam na

frequência de 2,45 GHz e dois geradores de sinal Agilent N9310A, ambos

equipamentos mostrados no apêndice D, configurou-se um cenário para a realização

dos ensaios de agressão.

O veículo submetido aos ensaios da Etapa 1 foi utilizado na Etapa 2. A Etapa

2 também foi realizada no subsolo do Bloco A do campus Santo André da UFABC.

Primeiramente, realizou-se um teste de conectividade dos aparelhos celulares

ao sistema multimídia do veículo. Dois aparelhos foram usados no ensaio, um com o

sistema operacional IOs® e outro com Android®.

80

Ambos aparelhos se conectaram ao sistema multimídia e nenhuma falha de

comunicação foi constatada. Foram realizadas tentativas de chamadas telefônicas e

a reprodução de arquivos de música.

Constatou-se que, mesmo a uma distância de aproximadamente 50 metros do

veículo, a comunicação entre os aparelhos telefônicos e sistema multimídia

mantinham-se integras, isto é, sem apresentar falhas de qualquer natureza.

Após a verificação de funcionamento dos aparelhos telefônicos usando

Bluetooth, as duas antenas foram posicionadas no interior do veículo, conforme a

Figura 66.

Figura 66: Antenas posicionadas no interior do veículo.

Um analisador de espectro R&S FS315, mostrado no apêndice D, foi utilizado

para se verificar os pulsos gerados pelo gerador de sina. Esse equipamento foi

posicionado no banco do passageiro, à direita do banco do condutor.

Os ensaios de agressão consistiram em emitir 10 pulsos por segundo (5 pulsos

por segundo para cada antena), não sincronizados, na faixa de frequência de 2.40

81

GHz à 2.48 GHz e uma potência inserida nos geradores de 20 dBm, conforme

mostrado nas Figuras 67 e 68.

Esses pulsos foram gerados de forma escalonada, isto é, primeiramente um

gerador foi utilizado para gerar 5 pulsos e foram direcionados para a região de

instalação do módulo de Bluetooth, conforme a Figura 66.

Assim, com apenas um gerador ligado, realizou-se as operações de conexão e

reprodução de arquivos musicais.

Figura 67: Pulso gerado por um gerador.

As mesmas operações foram repetidas posteriormente utilizando os dois

geradores ligados, gerando os 10 pulsos por segundo, conforme mostrado na Figura

68.

82

Figura 68: Pulsos gerados pelos dois geradores.

7.7 Resultados obtidos e observações durante a Fase 2

Realizando os testes de conectividade, constatou-se que a conexão ao sistema

multimídia e reprodução de arquivos de música, no interior do veículo, mantiveram-se

normais. Nenhum efeito de interferência eletromagnética foi detectado e as operações

foram realizadas com sucesso em um raio de 20 metros.

Com a utilização de um gerador emitindo 5 pulsos por segundo, uma vez

estabelecida a conexão entre os celulares e o sistema multimídia, constatou-se que a

integridade da conexão externa foi prejudicada, pois, a 10 metros de distância do

veículo era possível verificar falhas na reprodução de arquivos de música.

Com o acionamento dos dois geradores de sinal, dobrou-se a quantidade de

pulsos não sincronizados emitidos diretamente ao módulo de Bluetooth.

83

Realizando os mesmos testes de conectividade feitos anteriormente,

constatou-se que as operações de ligação telefônica, conexão ao sistema multimídia

e reprodução de arquivos de música, no interior do veículo, manteve-se normal.

A comunicação externa dos celulares com o sistema multimídia foi também

prejudicada neste ensaio. A uma distância de aproximadamente 1 metro do veículo,

verificou-se falhas na reprodução de arquivos de música e a perda da comunicação

entre os dispositivos.

Este fato não caracteriza uma falha no sistema de comunicação Bluetooth do

ponto de vista de aplicação e especificação. Isto porquê, mesmo com as duas antenas

gerando pulsos, os celulares conseguiram ser detectados e todas as operações

conseguiram ser realizadas no interior do veículo, conforme especificação da

montadora [61].

7.8 Proposta de modelagem e simulação dos ensaios realizados

Os ensaios realizados para medição dos campos gerados no interior do

veículo, no compartimento do motor e os testes de agressão dependem de um

ambiente adequado para a realização dos mesmos [63].

A utilização de câmaras anecóicas e/ou semi-anecóicas são fundamentais para

a minimização de ruídos que podem ser medidos e ser interpretados dos resultados

[63].

Assim, quando se estudam as condições de contorno necessárias para a

modelagem numérica desses ensaios, um fator importante é o conhecimento da

arquitetura elétrica do veículo e, evidentemente, o funcionamento detalhado do

sistema elétrico em diferentes instantes do tempo.

84

Analisando o cabeamento (chicote elétrico) instalado na região do painel de

instrumentos do carro, nota-se a complexidade encontrada para a determinação das

condições de contorno que representem um determinado instante de funcionamento

do veículo.

Outro fator que deve ser considerado é o desconhecimento das características

de sinal elétrico e potência elétrica que trafegam por esse cabeamento.

De fato, há uma variedade de circuitos que estão agrupados de forma aleatória

no cabeamento e que transportam correntes elétricas de intensidade diferentes,

dificultando a modelagem.

As especificações de módulos eletrônicos não determinam, por exemplo, a

impedância de entrada. Estas especificações restringem apenas a corrente elétrica

de consumo durante o funcionamento, características do pulsos PWM (quando há) e

a corrente elétrica consumida quando o módulo está em repouso (standby) devido ao

veículo estar desligado, chamado de corrente parasita. [19].

Contudo, com o objetivo de propor um início para essa modelagem, foi adotado

um conjunto de condições de contorno baseado no cabeamento e arquitetura elétrica

do veículo usado nos ensaios. Verificou-se que, os circuitos que aparecem em maior

quantidade são os pares trançados (Figura 69 – (a)).

Figura 69: (a) Exemplos de circuitos compostos por pares trançados; (b) Exemplo cabo RG58

(b) (a)

85

Contudo, é comum a utilização de cabos como o RG58, mostrado na Figura 69

– (b), para a conexão da antena utilizada pelo rádio.

Desta forma, realizou-se um comparativo entre os resultados de campo elétrico

utilizando um par trançado e um RG58 na mesma rota. Assim, foi possível identificar

o comportamento de diferentes cabos sob as mesmas condições de contorno e de

sinal de entrada.

Inicialmente, o suporte metálico utilizado para a fixação do cabeamento foi

modelado para ser usado no software CST Cable Studio, conforme a Figura 70.

Este processo consiste em particionar o componente em estudo em partes

menores, chamadas de elementos. O conjunto desses elementos formará um malha.

O software utiliza esta malha como dado de entrada para a realização dos cálculos.

Figura 70: Suporte do painel de instrumentos preparado para simulação.

86

Após a inclusão do suporte metálico, foi escolhido um circuito composto por um

par trançado. Esse circuito foi modelado de acordo com a sua fixação no suporte

metálico, apresentado na Figura 71.

De acordo com a especificação obtidas no diagrama elétrico, atribuiu-se a bitola

de 0,75 mm2 e o comprimento de 1,4 m, de acordo com a Figura 72.

Figura 71: Modelamento do circuito par trançado.

Figura 72: Especificação do cabo utilizado.

87

Para esse par trançado, foi atribuído sinal de excitação em forma de uma curva

gaussiana, mostrado na Figura 73. Este sinal poderia ser especificado conforme

necessidade do estudo em questão.

Figura 73: Sinal de excitação do cabo.

A faixa de frequência estipulada foi de 0 Hz à 200 MHz. Este limite foi escolhido

pela capacidade de processamento do computador utilizado nas simulações e pelo

fato da frequência utilizada nos rádios FM estar contida no intervalo de 86,6 MHz à

109,1 MHz [58].

Para a realização da simulação, foi atribuído uma ponta de medição de campo

elétrico justamente onde o módulo de Bluetooth será instalado.

Conforme as medições realizadas nos ensaios, a localização do ponto exato

para a coleta de medições, isto é, posicionamento da ponta de medição de campo, foi

extraída do desenho do veículo modelado, mostrado na Figura 74.

88

Figura 74: Detalhe da ponta de medição de campo.

Após a finalização da preparação necessária para a simulação, os primeiros

resultados foram obtidos, conforme pode ser visto na Figura 75.

Figura 75: Distribuição de valores de Campo Elétrico obtidos da simulação.

O campo elétrico observado na ponta de prova pode ser analisado na Figura

76. Verifica-se que há alguns picos faz frequências de 43 MHz e 135 MHz.

89

Figura 76: Campo Elétrico simulado.

Com o objetivo de verificar a influência da parte metálica externa do veículo,

isto é, da carroceria do veículo, foi realizada a modelagem geométrica do veículo

completo. Este objeto foi inserido na análise, conforme mostrado na Figura 77.

Figura 77: Modelo geométrico já discretizado da parte externa do veículo.

A ponta de prova foi mantida, como mostrada na Figura 78 e uma nova

simulação foi realizada, conforme mostrado nas Figura 79 e Figura 80.

90

Figura 78: Configuração simulada, considerando a parte externa do veículo e a ponta de prova.

Figura 79: Resultados da simulação, campo elétrico na frequência de 200 MHz.

91

Figura 80: Resultados da simulação, campo elétrico na frequência de 200 MHz.

Comparando os resultados obtidos com os da modelagem anterior, onde

apenas se considerou o suporte metálico para fixação do cabeamento, verifica-se que

o campo elétrico na ponta de prova permaneceu o mesmo, conforme a Figura 81.

Figura 81: Campo Elétrico simulado – após inserção da parte externa do veículo

92

Os resultados mostram que, no interior do veículo, o campo gerado e percebido

em um determinado ponto não se altera em termos da geometria metálica externa do

veículo.

Utilizando o um cabo RG58, configurou-se a mesma rota, isto é, comprimento

e posição espacial do par trançado analisado anteriormente, conforme a Figura 82, e

realizou-se os mesmos procedimentos de simulação utilizados para o cabo par

trançado.

Figura 82: Configuração do cabo RG58.

Mantendo-se a estrutura metálica para fixação do cabeamento, obteve-se os

resultados mostrados nas Figura 83 à Figura 86.

Nota-se que o campo elétrico medido na ponta de medição, mostrado na Figura

86, possui um pico de emissão (ponto de máximo), em 110 MHz.

93

Esse resultado é diferente ao encontrado na mesma simulação feita com o par

trançado. As diferenças podem ser associadas a geometria e composição dos cabos.

Figura 83: Resultados da simulação com RG58, campo elétrico na frequência de 200 MHz.


94


O resultado apresentado na Figura 86 não se altera com a presença da

carroceria metálica do veículo. Fato que foi constatado com a simulação realizada

anteriormente com o par trançado.

Figura 86: Resultados da simulação com RG58, campo elétrico na frequência de 200 MHz na ponta de medição.

Ademais, novos resultados poderiam ser obtidos variando o sinal de entrada.

Essa característica torna a ferramenta de simulação muito atrativa.

95

A devida utilização, ou seja, com condições de contorno determinadas em

termos do funcionamento do veículo, pode fornecer de forma rápida resultados que

podem ser utilizados durante a fase de desenvolvimento do veículo, evitando a

utilização de ensaios em câmeras específicas.

Em todas simulações foi utilizando uma estação de trabalho HPZ800, com 12

Giga bytes de memória RAM e com processar Intel Xeon E5620 com 8 núcleos de

processamento. O tempo médio de processamento para cada cabo na frequência de

200 MHz foi de 7 minutos.

97

8 CONCLUSÕES

O presente trabalho foi desenvolvido com o objetivo de se avaliar os efeitos de

possíveis interferências eletromagnéticas ocasionadas pelo cabeamento ou por algum

modulo eletrônico instalado no compartimento do motorista em sistemas multimídia

que utilizam Bluetooth.

Com mais de 70 ensaios realizados e utilizando uma ferramenta computacional

de simulação e modelagem, CST, conseguiu-se medir (via ensaios) e simular (via

software) o campo elétrico irradiado pelo cabeamento interno em diferentes regiões e

situações de funcionamento do veículo.

Vale ressaltar que ocorreram situações que dificultaram a realização dos

ensaios, como um local perfeitamente adequado para as medições, a disponibilidade,

treinamento e o acesso a materiais de apoio para a utilização dos equipamentos

utilizados. Contudo, essas dificuldades foram superadas e os ensaios foram

devidamente documentados.

Verificou-se que a ferramenta computacional, CST, é capaz de realizar

simulações para obtenção dos valores de um campo irradiado por uma corrente

atravessando um condutor na região interna do veículo.

Conseguiu-se comparar a emissão de dois tipos de cabos mais utilizados na

indústria automobilística. Verificou-se que, para as medições de campo no interior do

veículo, a presença de carroceria no modelo computacional foi irrelevante.

Esse fato implica que, em termos de análise numérica, essa carroceria poderia

ser suprimida do modelo. Tal implicação leva a um ganho no tempo de processamento

da simulação em função da redução de trabalho computacional.

É necessário um estudo detalhado dos sinais de entrada a serem utilizadas

para o cálculo do campo irradiado. Isso significa que deve-se conhecer em detalhes

98

as características elétricas do sinais e corrente elétrica que trafegam no cabeamento

do veículo sob as condições de funcionamento do veículo.

Essa informação é fundamental para a determinação das condições de

contorno a serem consideradas para a obtenção de resultados. Ademais, conforme

pode ser visto nos resultados obtidos com o CST e detalhados no Capítulo 7.8, a

determinação da radiação depende da localização e das características eletrônicas

dos módulos instalados. Lembrando que esses módulos podem ser comportar como

fontes de emissão de ruídos eletromagnéticos.

Na indústria automobilística há uma preocupação em relação ao

comportamento dos sistemas eletrônicos mediante aos efeitos de EMC/EMI. Muito

embora ensaios sejam realizados isoladamente nos componentes eletrônicos que

compõe a arquitetura elétrica dos veículos, ensaios devem ser realizados para

averiguação desses sistemas montados, objetivando a identificação de algum mau

funcionamento.

Portanto, a relevância desse trabalho para o desenvolvimento automotivo é

claramente constatada pela oportunidade de se aprimorar as técnicas de modelagem

para uma redução na utilização de ensaios de medição de campos eletromagnéticos.

Constata-se também, a robustez das especificações técnicas adotadas para os

componentes eletrônicos que foram testados de forma isolada.

Outra implicação dos resultados obtidos é a constatação da real possibilidade

da utilização de simulações computacionais para a determinação de regiões nos

veículos que possam se comportar como uma fonte de emissão eletromagnética.

Esses resultados podem ser utilizados na identificação de regiões que

necessitem da instalação de blindagens eletromagnéticas, como por exemplo, a

utilização de cabos blindados.

99

Mesmo não se podendo realizar as medições em condições ideais (em uma

câmera semi-anecóica e a pela falta de conhecimento das características dos sinais

elétricos que trafegam pelo cabeamento, por exemplo) constatou-se que seria

possível comparar os resultados experimentais e de simulação, mostrando a

viabilidade da abordagem descrita.

Algumas ressalvas precisam ser consideradas na obtenção dos resultados dos

ensaios e das simulações mostrados nesse trabalho:

i. O ambiente utilizado para as medições não estava totalmente livre de ruídos

de fundo. Isso implicou em um ruído nos valores medidos;

ii. É necessário identificar as piores condições de funcionamento em termos

de intensidade de campo irradiado e propor condições de contorno

adequadas para obtenção dos resultados. Nos ensaios, foram escolhidas

condições consideradas críticas de acionamento de módulos e transitórios

de corrente, como na ignição;

iii. Conforme o objetivo inicial do trabalho, constatou-se que a região escolhida

para a instalação do módulo de Bluetooth está em conformidade com as

condições necessárias para o bom funcionamento do mesmo.

Como sugestões para trabalhos futuros ou continuidade desse trabalho,

poderiam ser citados:

a. Estudar a forma de irradiação de campos em um cabeamento automotivo;

b. Estudar as características de sinais e intensidade de corrente elétrica em

determinados instantes de funcionamento do veículo;

c. Desenvolver uma ferramenta para extração de informações sobre o

cabeamento, como bitolas de cabos, conexões e tipos de circuitos para o

ambiente de simulação CST;

100

d. Elaborar especificações técnicas que permitam a modelagem dos módulos

eletrônicos utilizados como fontes emissoras de ruídos eletromagnéticos;

e. Realizar ensaios controlados e confrontar os resultados obtidos com os

resultados obtidos pela simulação;

f. Aperfeiçoar a abordagem descrita nesse trabalho, aumentando a

quantidade de simulações e medições, promovendo discussões dos

resultados em fóruns especializados;

g. Elaborar comparativos para determinação das regiões que devem ser

consideradas no modelamento. Esse passo ajudaria na identificação das

regiões desnecessárias para o modelo, tornando-o mais eficiente em

termos de tempo de processamento.

101

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[Online]. Disponível: http://www.rohde-schwarz.com/en/software/ts-emf/.

[Acesso em 16 Dezembro 2013].

[60] V. Rodriguez, “Automotive Component EMC Testing: CISPR 25, ISO 11452-2

and Equivalent Standards,” IEEE Electromagnetic Compatibility Magazine -

Volume 1, Quarter 1 2012.

[61] G. M. C. -. N. A. E. Standards, GM Worldwide Engineering Standards, Warren -

Michigan, 2012.

[62] International Special Commettee on Radio Interference, Internation Standard -

CISPR25, 3rd Edition, Geneva - Switzerland: IEC, 2008.

107

[63] L. A. L. Santos, Análise Experimental do Ensaio Veicular de Imunidade a Campos

Eletromagnéticos Radiados em Câmara Semi-Anecóica de Pequeno Porte, Belo

Horizonte - MG: UFMG - Universidade Federal de Minas Gerais, 2007.

[64] S. Marksell, EMC Aspects of PWM Controlled Loads in Vehicles., Department of

Industrial Electrical Engineering and Automation, Lund Unersity, 2004.

[65] ETS-Lindgren, “ETS-Lindgren - Antenna Datasheet,” ETS-Lindgren, [Online].

Disponível: http://www.ets-lindgren.com/pdf/3106B.pdf. [Acesso em 3 Outubro

2013].

109

APÊNDICE A

LISTA DE FREQUÊNCIAS

Banda de Transmissão de Rádio Frequência

(~ denota não contínuo ou aproximado)

Transmissão em AM 530 kHz – 1.75 MHz

Transmissão de TV 54 ~ 88.1, 174 – 216, 470 ~ 890 MHz

Transmissão em FM 86.6 – 109.1 MHz

Telefones celulares ~ 750, ~850, ~1700, ~1950, ~2100 MHz

Global Positioning System (GPS)

(não militar) 1567 – 1583 MHz

Rádio Digital via Satélite 2320 – 2345 MHz

Redes de computador wireless

(Bluetooth)

2400 – 2500 MHz

~ 5.8 GHz

TV via Satélite ~ 12 GHz

Links fixos ponto a ponto ~ 1, ~ 90 GHz

Tabela A.1 - Diferentes bandas de radiofrequência [58].

Banda de Frequência Designação Abreviação

3 – 30 kHz Very Low Frequency VLF

30 – 300 kHz Low Frequency LF

300 – 3,000 kHz Medium Frequency MF

3 – 30 MHz High Frequency HF

30 – 300 MHz Very High Frequency VHF

300 – 3,000 MHz Ultra High Frequency UHF

3 – 30 GHz Super High Frequency SHF

30 – 300 GHz Extremely High

Frequency EHF

Tabela A.2 – Designação das diferentes bandas de radiofrequência [58].

111

APÊNDICE B

CAMPO PRÓXIMO E DISTANTE (NEARFIELD AND FARFIELD)

Basicamente, três fatores determinam as características de um campo [64]:

i. Fonte;

ii. Meio que envolve a fonte;

iii. Distância entre a fonte e o ponto de observação.

Em um ponto próximo da fonte, as propriedades de campo são determinadas

pelas características da fonte. Distante da fonte, as propriedades do campo dependem

do meio através do qual o campo está propagando.

Portanto, o espaço em torno da fonte de radiação pode ser dividido em duas

regiões, o campo próximo e o distante (nearfield e farfield).

Uma aproximação comum é considerar as pequenas e grandes distâncias da

fonte em comparação com os comprimentos de onda da radiação. Desta forma, o

ponto importante é ser capaz de identificar a região de transição onde o campo

próximo (nearfield) passa a ser considerado como um campo distância (farfield).

Esta região de transição pode ser encontrada pela impedância da onda, que é

a razão entre o Campo Elétrico, E, e o Campo Magnético, H.

Assim, no campo distante a razão E/H é igual à impedância característica do

meio selecionado (por exemplo, E/H = 377 Ω para o ar ou o espaço livre). A região de

transição é então encontrada a uma distância da fonte de radiação:

r ≈λ

2 . π

Uma vez que esta região é de transição, campos próximos e campos distantes

(nearfield e farfield) devem estar a alguma distância a partir deste. Logo, define-se

que as regiões próximas e distantes devem ser da ordem de magnitude maior ou

menor do que esta distância de transição, isto é:

112

r𝑛𝑒𝑎𝑟 ≤ 0.1 ∙ (

λ

2 ∙ π)

r𝑓𝑎𝑟 ≤ 10 ∙ (λ

2 ∙ π)

Alguns autores utilizam uma linha direta com base no valor de r:

r ≤

λ

2 ∙ π → 𝑛𝑒𝑎𝑟 𝑓𝑖𝑒𝑙𝑑

r ≥ λ

2 ∙ π → 𝑓𝑎𝑟 𝑓𝑖𝑒𝑙𝑑

Uma vez que esta definição envolve o comprimento de onda da radiação, esta

torna-se dependente da frequência, Tabela A.1.

Frequência 𝛌

𝟐 ∙ 𝛑

30 kHz 1590 m

3 MHz 15.9 m

30 MHz 1.59 m

300 MHz 0.159 m

3 GHz 0.0159 m

Tabela B.1. Distâncias de transição de nearfield e farfield.

Na região de nearfield os campos elétricos e magnéticos devem ser

considerados separadamente uma vez que a razão entre estes não é constante. A

razão é determinada pelas características da fonte e a distância a partir da fonte até

onde o campo é observado.

Se a fonte possui alta corrente e baixa tensão, o nearfield é predominantemente

magnético, isto é, E/H < 377 Ω. Por outro lado, se a fonte possui alta tensão e baixa

corrente, o nearfield é principalmente elétrico, isto é, E/H > 377 Ω.

Para uma antena de cabo linear, a impedância da fonte é alta. Este tipo de

antena gera principalmente campo elétrico, o que implica que a impedância de onda

próxima da antena é alta.

113

À medida que a distância a partir da antena é aumentada, o campo elétrico

perde parte de sua intensidade, uma vez que gera um campo magnético

complementar.

A geração de um campo magnético implica que a impedância da onda a partir

de uma antena de cabo linear diminui com a distância e assintoticamente aproxima-

se da impedância de espaço livre no campo distante.

Este é um efeito a partir do fato que o campo elétrico de um dipolo elétrico

atenua a uma taxa de (1/r)3 (r = distância da fonte de radiação até o ponto onde o

campo é observado), enquanto que o campo magnético atenua a uma taxa de (1/r)2.

Quando um dipolo magnético, como uma antena em loop, é utilizado, o campo

produzido é principalmente magnético e a impedância de onda próxima à antena é

baixa. À medida que a distância da fonte aumenta, o campo magnético atenua a uma

taxa de (1/r)3 e o campo elétrico a uma taxa de (1/r)2. Isto implica que a impedância

da onda aumenta com a distância e aproxima-se da impedância do espaço livre.

No farfield, a impedância de onda é constante. Isso significa que ambos os

campos, elétrico e magnético, atenuam à mesma taxa, (1/r). Os campos elétricos e

magnéticos são ortogonais no farfield, formando, assim, uma onda plana. A potência

irradiada no farfield é fortemente dependente da impedância de entrada da antena.

115

APÊNDICE C

RESULTADOS DOS ENSAIOS REALIZADOS

Tabela C.1 – Resultados dos ensaios

117

APÊNDICE D

EQUIPAMENTOS USADOS NAS MEDIÇÕES

Figura D.187: Analisador de Espectro R&S FSL.

Figura D.288: Ponta de prova para medição na frequência de 2 KHz à 200 MHz.

118

Figura D.3: Ponta de prova para medição na frequência de 200 MHz à 6 GHz.

Figura D.4: Conjunto de Pontas de Prova para medição Rohde & Schwarz [59].

119

Figura D.5: Antenas usadas no ensaio.

Figura D.6: Antenas montadas para o ensaio.

120

Figura D.7: Geradores de sinal N9310.

Figura D.8: FS315 Analisador de Espectro.