Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu giải pháp đánh giá và đảm bảo tương thích điện từ trường cho các thiết bị vô tuyến điện tử

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:133

Thêm vào BST

Báo xấu

28
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài nghiên cứu hoàn thiện các giải pháp đánh giá, đảm bảo EMC khi thiết kế, chế tạo thiết bị vô tuyến trên cơ sở che chắn điện từ và ước lượng khoảng cách các khối chức năng; nghiên cứu ảnh hưởng EMC của nguồn nhiễu gần nhất và tổng công suất nhiễu trong hệ thống vô tuyến để xác định phương pháp đánh giá đơn giản, thích hợp.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu giải pháp đánh giá và đảm bảo tương thích điện từ trường cho các thiết bị vô tuyến điện tử

iii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ NGUYỄN ĐỨC TRƢỜNG NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐÁNH GIÁ VÀ ĐẢM BẢO TƢƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ TRƢỜNG CHO CÁC THIẾT BỊ VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội - 2020
iv BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌCHàVÀ NộiCÔNG - 2020NGHỆ QUÂN SỰ NGUYỄN ĐỨC TRƢỜNG NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐÁNH GIÁ VÀ ĐẢM BẢO TƢƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ TRƢỜNG CHO CÁC THIẾT BỊ VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử Mã số: 9 44 01 05 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS HỒ QUANG QUÝ 2. PGS. TS BÙI VĂN SÁNG Hà Nội - 2020
iiii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các nội dung, số liệu và kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chƣa có tác giả nào công bố trong bất cứ một công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo đƣợc trích dẫn đầy đủ. Hà nội, ngày 02 tháng 9 năm 2020 TÁC GIẢ LUẬN ÁN Nguyễn Đức Trƣờng
iiiv LỜI CẢM ƠN Luận án đƣợc thực hiện tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự/Bộ Quốc phòng. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Hồ Quang Quý, PGS.TS Bùi Văn Sáng, các thầy đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ, trang bị phƣơng pháp nghiên cứu, truyền đạt kinh nghiệm, kiến thức khoa học và kiểm tra, đánh giá các kết quả trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Phòng Đào tạo/Viện KH và CNQS, Viện Điện tử/ Viện KH và CNQS là cơ sở đào tạo, Cục Tiêu chuẩn - Đo lƣờng - Chất lƣợng/BTTM đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, hỗ trợ, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu thực hiện luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các thầy, cô, các nhà khoa học, đồng nghiệp và bạn bè thuộc Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Viện Điện tử, Cục TC-ĐL-CL, Khoa Vô tuyến Điện tử/Học viện KTQS đã giúp đỡ, hỗ trợ tôi rất nhiều trong thời gian qua. Tôi xin dành lời cảm ơn đặc biệt đến gia đình, vợ, con, bạn bè, dòng họ, những ngƣời đã luôn đồng hành, động viên và là chỗ dựa về mọi mặt, giúp tôi vƣợt qua mọi khó khăn để có đƣợc kết quả nhƣ ngày hôm nay. TÁC GIẢ Nguyễn Đức Trƣờng
iii MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................... ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .............................................................................. x MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP ĐÁNH GIÁ VÀ ĐẢM BẢO EMC CHO THIẾT BỊ VÔ TUYẾN ............................................................................... 6 1.1. Khái niệm và các đặc trƣng EMC của thiết bị vô tuyến ............................. 6 1.1.1. Khái niệm chung ................................................................................. 6 1.1.2. Đặc trƣng EMC của thiết bị vô tuyến ................................................. 9 1.2. Một số giải pháp đảm bảo EMC cho thiết bị vô tuyến ............................. 14 1.2.1. Giải pháp che chắn điện từ ................................................................ 15 1.2.2. Giải pháp ƣớc lƣợng khoảng cách .................................................... 18 1.2.3. Các giải pháp khác ............................................................................ 22 1.3. Các mô hình đánh giá nhiễu thiết bị vô tuyến .......................................... 24 1.3.1. Mô hình thống kê công suất cực đại của nhiễu................................. 24 1.3.2. Một số mô hình đánh giá khác .......................................................... 26 1.4. Nhận xét và bàn luận về các giải pháp EMC cho các thiết bị VTĐT ...... 32 1.5. Bài toán xây dựng giải pháp đánh giá và đảm bảo tƣơng thích điện từ trƣờng cho các thiết bị vô tuyến ...................................................................... 36 1.5.1. Đặt bài toán ....................................................................................... 36 1.5.2. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu và giới hạn của bài toán ................. 36 1.5.3. Phƣơng pháp, nội dung nghiên cứu và hƣớng giải quyết ................. 37 1.6. Kết luận chƣơng 1 ..................................................................................... 38 CHƢƠNG II. ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO EMC KHI THIẾT KẾ THIẾT BỊ VÔ TUYẾN ....................................................................................... 39 2.1. Đề xuất giải pháp ...................................................................................... 39 2.1.1. Đặt vấn đề ......................................................................................... 39
iv 2.1.2. Mô hình thực hiện ............................................................................. 40 2.2. Phân tích giải pháp đề xuất ....................................................................... 41 2.2.1. Giải pháp bọc kim ............................................................................. 41 2.2.2. Giải pháp ƣớc lƣợng khoảng cách .................................................... 47 2.2.3. Giải pháp kết hợp .............................................................................. 49 2.3. Mô phỏng giải pháp đề xuất ..................................................................... 50 2.3.1. Mô phỏng giải pháp bọc kim ............................................................ 50 2.3.2. Mô phỏng giải pháp ƣớc lƣợng khoảng cách.................................... 54 2.3.3. Mô phỏng kết hợp hai giải pháp ....................................................... 55 2.4. Thử nghiệm trên mạch thực tế .................................................................. 57 2.5. Đề xuất giải pháp đảm bảo EMC khi thiết kế thiết bị VTĐT .................. 63 2.6. Kết luận chƣơng 2 ..................................................................................... 66 CHƢƠNG III. ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐÁNH GIÁ NGUỒN NHIỄU GẦN NHẤT THAY CHO TỔNG CÔNG SUẤT NHIỄU........................................... 68 3.1. Đề xuất giải pháp đánh giá nguồn nhiễu gần nhất.................................... 72 3.1.1. Trƣờng hợp tất cả các tín hiệu nhiễu hoạt động................................ 77 3.1.2. Trƣờng hợp (k - 1) nguồn nhiễu gần nhất bị loại bỏ ......................... 80 3.1.3. Loại bỏ một phần (k - 1) nguồn nhiễu gần nhất ................................ 83 3.1.4. Trƣờng hợp theo tổng công suất nhiễu ............................................. 85 3.2. Ảnh hƣởng của pha-đinh đến xác suất gián đoạn hoạt động .................... 87 3.2.1. Ảnh hƣởng của pha-đinh loại Rayleigh ............................................ 87 3.2.2. Ảnh hƣởng của pha-đinh chuẩn log và pha-đinh kết hợp ................. 92 3.2.3. Ảnh hƣởng của lớp rộng phân bố pha-đinh ...................................... 93 3.3. Kết luận chƣơng 3 ..................................................................................... 95 KẾT LUẬN ......................................................................................................... 97 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .................... 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 100
v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT r Khoảng cách, [m] λ Bƣớc sóng, [m] Z Trở kháng sóng, [Ω] E Điện trƣờng, [V/m] H Từ trƣờng, [V/m] S Véc tơ Poiting, [W/m2] SE Hiệu quả che chắn, [dB] R Độ suy giảm do phản xạ, [dB] A Độ suy giảm do hấp thụ, [dB] B Độ suy giảm do phản xạ nhiều lần, [dB] Dgh Bán kính hình tròn mô hình mạng vô tuyến, [m] Ncl số lƣợng cluster CSc Diện tích cluster, [m2] n Chỉ số suy hao sóng điện từ P2 Công suất tín hiệu ở đầu vào máy thu, [W] P1 Thế năng của đƣờng vô tuyến, [W] Gth Hệ số khuếch đại anten thu Gph Hệ số khuếch đại anten phát N Số tín hiệu đầu vào Пmax công suất bề mặt, [W] Emax cƣờng độ điện trƣờng tại điểm thu, [V/m] Pmax công suất của tín hiệu, [W] Petr Công suất bức xạ đẳng hƣớng tƣơng đƣơng (EIRP) , [W] Ptr Công suất cấp cho anten phát, [W] Ga Hệ số khuếch đại của anten Cν Hằng số
vi Dim dải động tự do xuyên điều chế, [m] Dds dải động tự do của máy thu, [m] Rmax Bán kính lớn nhất, [m]  ( , R) Hàm tọa độ cực  ( , , R) Hàm tọa độ cầu pk( N  V ) xác suất mà nguồn phát k sẽ rơi vào trong vùng thể tích  V N V Số nguồn phát xạ trung bình k Số nguồn phát xạ  độ từ thẩm tƣơng đối của vật liệu  độ dẫn điện tƣơng đối của vật liệu t là độ dày lớp vỏ bọc kim, [cm] m Số chiều không gian da Tỉ số nhiễu trên tạp D Khoảng cách giữa máy thu và máy phát, [m] Dx1 Các miền thời gian, [s] V Thể tích, [m3] ΔV’ Vi phân của thể tích, [m3] B(V ') Xác suất điểm trong thể tích, [%] N tb Số tín hiệu trung bình nằm trong dải thông Pthuc.te Công suất nhiễu thực tế, [W] Ptap Công suất tạp âm, [W] η Hệ số tạp tƣơng đƣơng Ptap Công suất tạp âm nội bộ, [W] P n  Công suất của các tín hiệu nhiễu, [W] Knkcy Hệ số nhiễu không cố ý ktg Hệ số chọn lọc thời gian
vii IC Vi mạch INR Tỉ số nhiễu tạp n Các số nguyên MT Máy thu vô tuyến MF Máy phát vô tuyến IEC Uỷ ban Kỹ thuật Điện Quốc tế CISPR Tƣơng thích điện từ - Yêu cầu đối với thiết bị gia dụng, dụng cụ điện BTS Trạm thu phát sóng di động MS Trạm di động BS Trạm gốc CDMA Đa truy nhập phân chia theo mã TDMA Đa truy nhập phân chia theo thời gian VTĐ Vô tuyến điện EMC Tƣơng thích điện từ trƣờng EMI Bức xạ điện từ EMS Độ nhạy cảm điện từ PTVT Phƣơng tiện vô tuyến CCDF Hàm phân bố tích lũy NKCY Nhiễu không cố ý FCC Ủy ban truyền thông Liên bang TBVT Thiết bị vô tuyến HTVT Hệ thống vô tuyến TTDĐ Thông tin di động TCĐT Tác chiến điện tử PLC Bộ điều khiển lô gic có lập trình BTTM Bộ tổng tham mƣu BQP Bộ Quốc Phòng
viii TEM Phƣơng pháp camera TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN/QS Tiêu chuẩn Quân sự Việt Nam MIL STAND Tiêu chuẩn quân sự Mỹ DS Trải phổ FH Nhảy tần EIRP Công suất bức xạ tƣơng đƣơng PCB Mạch in nhiều lớp và không dẫn điện
ix DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 2 1. Độ dẫn điện  r và độ từ thẩm r của một số vật liệu ....................... 43 Bảng 2.2. Hiệu quả che chắn theo lý thuyết của hộp bọc kim nhôm.................. 44 Bảng 2.3. Độ suy giảm theo lý thuyết của giải pháp ƣớc lƣợng khoảng cách.... 48 Bảng 2.4. Độ suy giảm theo lý thuyết của giải pháp đề xuất.............................. 49
x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Các khái niệm chính về tƣơng thích điện từ ......................................... 7 Hình 1.2. Phân chia trƣờng vùng gần và vùng xa ................................................ 8 Hình 1.3. Các dạng nhiễu khác nhau trong miền tần số và miền thời gian .......... 9 Hình 1.4. Mô hình tình huống điện từ khu vực................................................... 10 Hình 1.5. Phân bố các điểm ngẫu nhiên bên trong hình hộp n chiều ................. 11 Hình 1.6. Các đƣờng cong đƣợc xây dựng theo biểu thức Poat-xông ................ 13 Hình 1 7. Sơ đồ nối đất ....................................................................................... 14 Hình 1.8. Bọc kim dây dẫn.................................................................................. 15 Hình 1.9. Các phƣơng pháp lọc cao tần .............................................................. 15 Hình 1.10. Tác dụng của phƣơng pháp che chắn điện từ.................................... 16 Hình 1.11. Độ hấp thụ của vỏ bọc kim .............................................................. 17 Hình 1.12. Phƣơng pháp nghịch đảo khoảng cách ............................................. 18 Hình 1.13. Các thành phần trƣờng trong trƣờng gần và trƣờng xa..................... 19 Hình 1.14. Nguồn điện ........................................................................................ 20 Hình 1.15. Nguồn từ............................................................................................ 21 Hình 1.16. Sắp xếp các nhóm chức năng trên PCB ............................................ 22 Hình 1.17. Sắp xếp linh kiện theo dải tần và loại linh kiện ................................ 22 Hình 1.18. Cách ghép nối 2 khối bọc kim bằng cáp bọc kim ............................. 23 Hình 1.19. Sơ đồ bộ lọc EMI cơ bản cho nguồn AC ......................................... 24 Hình 1.20. Mô hình thống kê .............................................................................. 25 Hình 1.21. Phân bố các tín hiệu đầu vào ............................................................. 28 Hình 1. 22. Ranh giới áp dụng mô hình lan truyền sóng điện từ ....................... 30 Hình 1.23. Tầng tần số vô tuyến điển hình ......................................................... 32 Hình 2.1. Mô hình hộp bọc kim .......................................................................... 41 Hình 2.2. Hiệu quả che chắn theo lý thuyết của hộp bọc kim nhôm .................. 44 Hình 2.3. Hình dạng hộp che chắn ...................................................................... 46
xi Hình 2.4. Hiệu quả che chắn của vỏ bọc với khe ống dẫn sóng lục giác ........... 46 Hình 2.5. Một số phƣơng pháp cài đặt gioăng EMI với vỏ kim loại .................. 47 Hình 2.6. Cƣờng độ điện trƣờng mô phỏng trong CST ...................................... 50 Hình 2.7. Cƣờng độ điện trƣờng của hộp có lỗ hổng.......................................... 51 Hình 2.8. Cƣờng độ điện trƣờng trên lớp vỏ của hộp bọc kim ........................... 51 Hình 2.9. Kiểm tra EMC các trƣờng hợp khác nhau của hộp bọc kim............... 52 Hình 2.10. Kết quả mô phỏng cƣờng độ điện trƣờng tại vị trí cách hộp bọc kim 2 cm .............................................................................. 53 Hình 2.11. Mô phỏng phƣơng pháp khoảng cách trên CST ............................... 54 Hình 2.12. Đồ thị sự suy giảm của cƣờng độ điện trƣờng theo khoảng cách ..... 54 Hình 2.13. Mô phỏng giải pháp đề xuất trên CST .............................................. 55 Hình 2.14. Cƣờng độ điện trƣờng tại lớp vỏ hộp bọc ......................................... 56 Hình 2.15. Hình ảnh đo kiểm trên mạch thực tế (Phụ lục 2) .............................. 57 Hình 2.16. Mạch nguồn không bọc kim.............................................................. 58 Hình 2.17. Mạch nguồn đƣợc bọc kim ............................................................... 58 Hình 2.18. Mạch dao động không bọc kim ......................................................... 58 Hình 2.19. Mạch dao động đƣợc bọc kim ........................................................... 59 Hình 2.20. Mạch dao động và mạch nguồn đặt cạnh nhau không che chắn ....... 59 Hình 2.21. Cƣờng độ tín hiệu trƣờng hợp mạch nguồn và ................................. 59 Hình 2.22. Mạch dao động và mạch nguồn ........................................................ 60 Hình 2.23. Cƣờng độ tín hiệu trƣờng hợp mạch nguồn và mạch dao động đặt cách nhau 10 cm, không có che chắn bọc kim .................................................... 60 Hình 2.24. Mạch dao động và mạch nguồn ........................................................ 61 Hình 2.25. Cƣờng độ tín hiệu trƣờng hợp mạch dao động ................................. 61 Hình 2.26. So sánh sự suy giảm điện từ trƣờng .................................................. 61 Hình 2.27. Lƣu đồ thiết kế thiết bị VTĐT đảm bảo EMC .................................. 65 Hình 3.1. Minh họa vùng không gian địa lý ....................................................... 71 Hình 3.2. Minh họa vùng nhiễu quanh nút trên phạm vi mạng .......................... 74
xii Hình 3.3. Đƣờng cong xác suất CCDF của INR với các tham số: m = 2 (2-D), P0 = 10−10, Pt = 1, ρ = 10−5 ....................................................................................... 79 Hình 3.4. Đƣờng cong xác suất CCDF của INR đối với k = 1 (không loại bỏ), k = 2 (bộ nhiễu gần nhất bị loại bỏ) theo tổng công suất và xấp xỉ (3.17), ν = 4, m = 2, N max = 100, Rmax = 103. ................................................................................ 81 Hình 3.5. Đƣờng cong xác suất CCDF của INR khi loại bỏ một phần nhiễu từ nguồn gần nhất (k = 2) và xấp xỉ của nó với các tham số ν = 4, m = 2, N max = 100, Rmax = 103 và so sánh với các tình huống k = 1 (không loại bỏ nhiễu), với loại bỏ hoàn toàn nhiễu từ nguồn gần nhất (k = 2). ............................................ 84 Hình 3.6. Đƣờng cong xác suất CCDF của da với các tham số: v = 4, m = 2 (2- D), P0 = 10−10, Pt = 1, ρ = 10−5............................................................................. 86 Hình 3.7. Đƣờng cong xác suất CCDF của da đối với k = 1 (không khử nhiễu), k = 2 (bộ nhiễu gần nhất bị loại bỏ) theo tổng công suất và xấp xỉ với các tham số: ν = 4, m = 2, N max = 100, Rmax = 103. .................................................................. 90 Hình 3.8. Xác suất gián đoạn hoạt động đối với k = 1 (không khử nhiễu) và k = 2 (nguồn nhiễu gần nhất bị khử) theo công suất gần nhất và tổng công suất dƣới tác động pha-đinh loại Rayleigh với các tham số v  4, m  2, N max  50, Rmax  103 . 91
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Ngày nay tƣơng thích điện từ trƣờng (EMC: Electromagnetic compatibility) đã nhanh chóng trở thành một lĩnh vực quan trọng của ngành kỹ thuật phân tích mạch và kỹ thuật điện tử. Sự phát triển nhanh chóng đó là do mật độ sử dụng các thiết bị điện tử ngày càng cao, thêm vào đó hầu hết các nƣớc trên thế giới đã quy định các giới hạn về phát xạ nhiễu bức xạ và nhiễu truyền dẫn của các sản phẩm điện tử. Sự xuất hiện của nhiễu do các thiết bị điện, điện tử gây ra có thể làm giảm hiệu quả hoạt động của chính bản thân chúng và các thiết bị xung quanh, đặc biệt trong các thiết bị quân sự nhƣ tàu ngầm, tàu chiến, máy bay chiến đấu…, ở đó không gian hệ thống rất hạn chế nhƣng số lƣợng các thiết bị điện, điện tử tập trung mật độ dày đặc và hoạt động đồng thời. Chính vì vậy, đảm bảo tƣơng thích điện từ trƣờng cho các thiết bị vô tuyến điện tử (VTĐT) là vấn đề hết sức cấp thiết. Lĩnh vực khoa học này cần đƣợc quan tâm hơn do sự gia tăng mạnh về số lƣợng và độ phức tạp của các thiết bị điện - điện tử. Có thể tổng kết các nguy cơ trong thực tế đƣợc diễn giải sau đây: - Số lƣợng các thiết bị VTĐT tăng lên rất lớn, đặc biệt là các thiết bị điện tử đặt trên các phƣơng tiện cơ động; - Công suất của các máy phát VTĐ tăng lên, một số thiết bị có công suất phát lên tới vài chục đến hàng trăm MW; - Việc mở rộng dải tần số của rất nhiều thiết bị VTĐT nhƣ trong liên lạc băng rộng, thông tin di động…; - Sự quá tải về tần số công tác, mặc dù đã có phân hoạch tần số; - Tính đa dạng của các thiết bị VTĐT với nhiều chức năng khác nhau nhƣ tự động điều khiển, kiểm tra, dự báo, liên lạc….ở các dạng tƣơng tự và dạng số; - Đặc biệt là các thiết bị quân sự thƣờng là các hệ thống nhiều vị trí nhƣ thông tin, ra đa, chế áp điện tử,… làm việc liên tục tạo ra các nguồn nhiễu lớn
2 cho chính bản thân chúng và các thiết bị xung quanh; Mật độ bố trí các thiết bị trong một hệ thống dày đặc với không gian hẹp (máy bay; tàu chiến,…). Trên thế giới, vấn đề tƣơng thích điện từ đã đƣợc nghiên cứu, thực hiện và chuẩn hóa từ rất sớm, xuất phát từ việc đảm bảo chất lƣợng hoạt động của các linh kiện trên một bo mạch, các khối trong một thiết bị, các thiết bị trong một hệ thống và giữa các hệ thống với nhau. Tuy nhiên, hiện nay do các phƣơng tiện vô tuyến điện tử phát triển rất nhanh cả về số lƣợng và chất lƣợng cùng với sự tiến bộ của khoa học công nghệ, nên các tiêu chuẩn về EMC phải tiến hành nghiên cứu và bổ sung thêm mới có thể đáp ứng đƣợc phần nào nhu cầu thực tế. Nội dung nghiên cứu mở rộng cần đƣợc triển khai một cách bài bản vừa mang tính khoa học, vừa mang tính hệ thống. Nhiệm vụ cơ bản đầu tiên là nghiên cứu đề xuất mới các quy định, đƣa ra các điều kiện hoặc các nguyên tắc chung để đạt đƣợc sự tƣơng thích điện từ trên các thiết bị điện tử thế hệ mới. Mặt khác, phải xây dựng quy trình đề xuất những giải pháp đánh giá các thiết bị công nghệ mới đảm bảo hoạt động tin cậy và tính năng kỹ thuật. Ở Việt Nam khái niệm tƣơng thích điện từ vẫn còn chƣa đƣợc quan tâm đầy đủ và mới chỉ xuất hiện ở một số lĩnh vực khoa học kỹ thuật trọng điểm, còn trong đời sống xã hội hầu nhƣ chƣa đƣợc phổ biến, mặc dù tất các các thiết bị điện tử dân dụng nhập khẩu đến một số sản phẩm sản xuất trong nƣớc đã đƣợc thử nghiệm về EMC và phải đạt đƣợc các yêu cầu kỹ thuật đề ra. Trong lĩnh vực quân sự, vấn đề EMC đã đƣợc quan tâm hơn cả, nhất là trong thông tin và tác chiến điện tử. Đã có các phòng thử nghiệm EMC tại một số đơn vị trọng yếu, ban hành các bộ tiêu chuẩn quân sự Việt Nam về thử nghiệm tƣơng thích điện từ nhƣ: TCQS 044:2014/TĐC, TCQS 045:2014/TĐC…. Tuy nhiên để nghiên cứu về vấn đề EMC một cách hệ thống, khoa học thì cần phải đầu tƣ nhiều về tiềm lực khoa học, công nghệ và cơ sở vật chất mới có thể đánh giá toàn diện EMC cả về lý thuyết và thực nghiệm. Chính vì vậy việc nghiên cứu, xây dựng giải pháp đánh giá, đảm bảo tƣơng thích điện từ cho các thiết bị vô tuyến điện tử
3 bằng mô phỏng và thực nghiệm là hết sức cần thiết, nhất là trong môi trƣờng quân sự nơi đòi hỏi những yêu cầu khắt khe về khả năng chống nhiễu, độ tin cậy và đảm bảo tính năng kỹ chiến thuật của trang bị. Xuất phát từ những lý do trên, nghiên cứu sinh đã chọn đề tài cho luận án tiến sĩ “Nghiên cứu giải pháp đánh giá và đảm bảo tƣơng thích điện từ trƣờng cho các thiết bị vô tuyến điện tử”. Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ đóng góp thêm luận cứ khoa học trong nghiên cứu, đánh giá EMC, làm cơ sở mở ra hƣớng nghiên cứu tiếp theo, tiến tới làm chủ giải pháp kỹ thuật, hoàn thiện các phƣơng pháp đo tham số bức xạ điện từ trƣờng và đảm bảo EMC cho các thiết bị VTĐT. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Nghiên cứu hoàn thiện các giải pháp đánh giá, đảm bảo EMC khi thiết kế, chế tạo thiết bị vô tuyến trên cơ sở che chắn điện từ và ƣớc lƣợng khoảng cách các khối chức năng; nghiên cứu ảnh hƣởng EMC của nguồn nhiễu gần nhất và tổng công suất nhiễu trong hệ thống vô tuyến để xác định phƣơng pháp đánh giá đơn giản, thích hợp. 3. Đối tƣợng nghiên cứu của luận án Luận án đi sâu nghiên cứu, phân tích các giải pháp đánh giá, đảm bảo EMC cho các khối trong thiết bị vô tuyến, đánh giá tác động của nguồn nhiễu gần nhất đến thiết bị vô tuyến và các hệ thống vô tuyến hiện đang đƣợc sử dụng phổ biến hiện nay. 4. Phạm vi nghiên cứu của luận án Nghiên cứu về lý thuyết EMC, phân tích các phƣơng pháp đã áp dụng hiện nay trong hệ thống và trên các thiết bị VTĐT trong nƣớc và nƣớc ngoài, từ đó đề xuất các giải pháp hoàn thiện mới cả trong lý thuyết và thực tế. Nghiên cứu về EMC trong một hệ thống hoặc một thiết bị VTĐT cụ thể, tìm ra sự liên quan, tƣơng tác về điện từ trƣờng giữa các thiết bị trong một hệ thống và giữa các khối chức năng trong một thiết bị điện tử riêng biệt, mô phỏng kết quả nghiên cứu bằng phần mềm và rút ra kết luận.
4 5. Phƣơng pháp nghiên cứu của luận án Phƣơng pháp nghiên cứu dựa trên cơ sở thu thập thông tin, tài liệu, phân tích tổng hợp các công trình, bài báo khoa học đã công bố trên thế giới và trong nƣớc, vận dụng lý thuyết truyền sóng vô tuyến điện, lý thuyết trƣờng điện từ, xác suất thống kê và tính toán giải tích để xây dựng các mối liên hệ toán học giữa các phần tử và toàn bộ hệ thống. Đánh giá kết quả bằng phần mềm mô phỏng CST và Monte-Carlo trên máy tính và thử nghiệm trên phần cứng. 6. Nội dung nghiên cứu của luận án Nghiên cứu các giải pháp đám bảo tƣơng thích điện từ trƣờng cho thiết bị VTĐT, tập trung vào phƣơng pháp che chắn điện từ và ƣớc lƣợng khoảng cách. Nghiên cứu đánh giá xác suất gián đoạn hoạt động của hệ thống vô tuyến dƣới tác động của nguồn nhiễu gần nhất thay thế cho tác động tổng công suất nhiễu. 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học: Các nhận xét và kết luận của luận án đƣa ra dựa trên cơ sở phân tích bằng toán học, đƣợc kiểm chứng bằng thực nghiệm và mô phỏng, đảm bảo độ tin cậy, góp phần hoàn thiện phƣơng pháp đảm bảo EMC cho thiết bị VTĐT. Phƣơng pháp che chắn điện từ và ƣớc lƣợng khoảng cách các khối với các khuyến nghị rút ra từ thực nghiệm và mô phỏng giúp ích cho thiết kế, chế tạo thiết bị VTĐT. Phƣơng pháp đánh giá xác suất gián đoạn hoạt động của hệ thống VTĐT dƣới tác động của nguồn nhiễu gần nhất thay thế cho tác động của tổng công suất nhiễu góp phần đơn giản hóa phƣơng pháp đảm bảo EMC cho thiết bị VTĐT. Đây là hai nội dung mang tích mới, có ý nghĩa khoa học. Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả tính toán, thực nghiệm và mô phỏng kiểm chứng trong luận án góp phần hoàn thiện phƣơng pháp đảm bảo EMC cho thiết bị VTĐT. Từ những kết quả này, giúp cho việc thiết kế, chế tạo các thiết bị VTĐT mới đạt đƣợc và phù hợp với các tiêu chuẩn EMC, nâng cao độ tin cậy của thiết bị.
5 8. Bố cục của luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục các công trình đã công bố của luận án, tài liệu tham khảo và phụ lục, nội dung của luận án gồm 3 chƣơng: Chƣơng 1. Tổng quan về giải pháp đánh giá và đảm bảo EMC cho các thiết bị vô tuyến Trình bày những khái niệm chung về EMC, nghiên cứu đặc trƣng EMC của các thiết bị VTĐT, phân loại các nguồn nhiễu cơ bản. Phân tích ƣu, nhƣợc điểm của các phƣơng pháp đảm bảo EMC cho thiết bị VTĐT của các tác giả trong và ngoài nƣớc, phân tích các mô hình thống kê nhiễu tác động đến thiết bị VTĐT, rút ra những nhận xét và bàn luận, trên cơ sở đó lựa chọn phƣơng án nghiên cứu của luận án. Chƣơng 2. Đề xuất giải pháp đảm bảo EMC khi thiết kế thiết bị VTĐT Phân tích, đánh giá cơ sở lý thuyết, mô hình hóa đặc trƣng EMC của các khối trong một thiết bị vô tuyến, giải pháp che chắn điện từ, giải pháp khoảng cách. Tiến hành mô phỏng, đánh giá tác động của che chắn, khoảng cách đến EMC của các khối trong thiết bị VTĐT. Thử nghiệm mạch thực tế tại các phòng thí nghiệm để minh chứng cho kết quả mô phỏng, từ đó đề xuất giải pháp đảm bảo EMC khi thiết kế khối chức năng trong thiết bị vô tuyến. Chƣơng 3. Đề xuất giải pháp đánh giá nguồn nhiễu gần nhất thay cho tổng công suất nhiễu Phân tích mô hình thống kê về nhiễu trong các mạng vô tuyến, dựa trên mô hình kênh truyền thống và mô hình phân bố Poát-xông. Đề xuất mô hình toán đánh giá công suất nguồn nhiễu gần nhất thay cho tổng công suất nhiễu khi xác suất gián đoạn hoạt động nhỏ. Sử dụng công suất của nguồn nhiễu gần nhất làm thống kê cho xác suất gián đoạn hoạt động dƣới tác động của pha-đinh. Tiến hành mô phỏng các đề xuất bằng phần mềm mô phỏng Monte-Carlo để kiểm chứng và đánh giá các kết quả nghiên cứu.
6 CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP ĐÁNH GIÁ VÀ ĐẢM BẢO EMC CHO THIẾT BỊ VÔ TUYẾN 1.1. Khái niệm và các đặc trƣng EMC của thiết bị vô tuyến 1.1.1. Khái niệm chung Tƣơng thích điện từ là khả năng của thiết bị (điện, điện tử, vô tuyến điện) vận hành ổn định và đảm bảo các tham số trong môi trƣờng điện từ cụ thể và không tạo ra nhiễu vƣợt quá tiêu chuẩn qui định đối với các thiết bị khác [51]. Theo tổng kết về các vấn đề liên quan đến tƣơng thích điện từ trƣờng (EMC) trên thế giới [4], [5], [51] cho thấy: không có lý thuyết duy nhất cho EMC trong kỹ thuật vô tuyến, không có lý thuyết chung về EMC cho mạch vô tuyến, thiết bị vô tuyến và hệ thống vô tuyến, mặc dù một vài nhánh của chúng đƣợc dùng chung. Cơ sở của EMC cho mạch vô tuyến phải dựa trên kỹ thuật mạch; lý thuyết EMC cho các thiết bị vô tuyến phải xuất phát từ lý thuyết của các thiết bị này. Việc phân loại các bài toán EMC cũng nằm ở các mức độ khác nhau và cần đƣợc nghiên cứu kỹ trong kỹ thuật vô tuyến. Đây chính là lý do mà các nhà nghiên cứu về EMC vẫn tiếp tục theo đuổi theo nhiều hƣớng khác nhau do sự đòi hỏi của việc phát triển các linh kiện điện tử sử dụng công nghệ mới, nguồn nuôi thấp, kích thƣớc nhỏ, bố trí mật độ cao trên một diện tích hạn chế, vi mạch hóa, mô đun hóa theo chức năng, môi trƣờng ứng dụng đa dạng. Chính vì vậy, việc đánh giá thiết bị điện tử trên quan điểm tƣơng thích điện từ càng cần thiết hơn bao giờ hết. Các khái niệm chính về EMC bao gồm tác động của các nhiễu bức xạ, các nhiễu dẫn (vốn truyền lan theo dây dẫn), cũng nhƣ độ nhạy của thiết bị điện tử đối với tác động của nhiễu. Khi đó các đặc trƣng của EMC có thể đƣợc xác định trong dải tần 0 đến 400 GHz. Biểu đồ minh họa mối liên kết các khái niệm về EMC đƣợc trình bày trên hình 1.1 cho chúng ta thấy một cách trực quan, rõ ràng hơn về các thành phần EMC trong các thiết bị vô tuyến điện tử, hệ thống thông tin, mạng di động.