Nghiên cứu giải pháp đánh giá và đảm bảo tương thích điện từ trường cho các thiết bị vô tuyến điện tử

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
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

Hà Nội - 2020

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

Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử
Mã số:

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


i ii
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


i

iv

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
rλ

ZE
HS

Khoảng cách, [m]
Bƣớc sóng, [m]
Trở kháng sóng, [Ω]
Điện trƣờng, [V/m]

SE

Từ trƣờng, [V/m]

RA

Véc tơ Poiting, [W/m2]

B

Hiệu quả che chắn, [dB]
Độ suy giảm do phản xạ, [dB]

Dgh

Độ suy giảm do hấp thụ, [dB]

Ncl

Độ suy giảm do phản xạ nhiều lần, [dB]

CSc

n P2

Bán kính hình tròn mô hình mạng vô tuyến, [m]

số lƣợng cluster
Diện tích cluster, [m2]

P1

Chỉ số suy hao sóng điện từ

Gth

Công suất tín hiệu ở đầu vào máy thu, [W]

Gph

Thế năng của đƣờng vô tuyến, [W]
Hệ số khuếch đại anten thu

N

Hệ số khuếch đại anten phát

Пmax

Số tín hiệu đầu vào

Emax
P

P

công suất bề mặt, [W]
cƣờng độ điện trƣờng tại điểm thu, [V/m]
công suất của tín hiệu, [W]
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] Hàm tọa độ

 (α,

R)

 (α,θ,

R)

p k( N∆ V )

cực
Hàm tọa độ cầu
xác suất mà nguồn phát k sẽ rơi vào trong
vùng thể tích ∆V

N

Số nguồn phát xạ trung bình

k

Số nguồn phát xạ

µ

độ từ thẩm tƣơng đối của vật liệu

σ

độ dẫn điện tƣơng đối của vật

t

liệu là độ dày lớp vỏ bọc kim,

m

[cm] Số chiều không gian Tỉ số

∆V

da

nhiễu trên tạp
Khoảng cách giữa máy thu và máy phát, [m]

D
Dx1
V

Các miền thời gian, [s]
Thể tích, [m3]

ΔV’

Vi phân của thể tích, [m3]

B(∆V ')

Xác suất điểm trong thể tích, [%]
Số tín hiệu trung bình nằm trong dải thông

N
tb

Pthuc.te
Ptap

Công suất tạp âm, [W]
Hệ số tạp tƣơng đƣơng

η
Ptap
P

Công suất nhiễu thực tế, [W]

Công suất tạp âm nội bộ, [W]
Công suất của các tín hiệu nhiễu, [W]

∑n

Knkcy
ktg

Hệ số nhiễu không cố ý

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 σr và độ từ thẩm µr 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), P 0

= 10−10, Pt = 1, ρ = 10−5 .......................................................................................
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
N max

= 2,

= 100, Rmax = 103. ................................................................................ 81

N max

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,

=

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). ............................................

Hình 3.6. Đƣờng cong xác suất CCDF của da với các tham số: v = 4, m = 2 (2N max
−10

D), P0 = 10 , Pt = 1, ρ = 10−5.............................................................................
Hình 3.7. Đƣờng cong xác suất CCDF của d a 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,

= 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.


7

Tƣơng thích điện từ (EMC)

Bức xạ điện từ (EMI)

Các
nhiễu dẫn:
- Dòng nhiễu;
- Điện áp
nhiễu

Hình 1.1. Các khái niệm chính về tương thích điện
từ Trường điện từ
Theo định nghĩa [1], thì trƣờng điện từ là trạng thái đặc biệt của vật chất,
nhờ có nó mà các hạt mang điện có thể tƣơng tác đƣợc với nhau. Các nguyên
nhân vật lý của sự tồn tại trƣờng điện từ liên quan đến hiện tƣợng điện trƣờng
E thay đổi theo thời gian sẽ sinh ra từ trƣờng H và từ trƣờng biến đổi sinh ra
điện trƣờng xoáy; cả hai thành phần E và H thay đổi không ngừng và trƣờng nọ
sinh ra trƣờng kia. Trƣờng điện từ liên quan đến hạt mang điện (đứng yên hay
chuyển động). Khi các hạt tích điện chuyển động nhanh dần thì trƣờng điện từ
'tách khỏi" chúng và tồn tại độc lập dƣới dạng sóng điện từ, vốn không bị mất đi
khi không còn nguồn (thí dụ, sóng vô tuyến không mất đi khi dòng trong anten
phát ra nó không còn). Các sóng điện từ đƣợc đặc trƣng bởi bƣớc sóng, ký hiệu
là λ . Nguồn, vốn phát ra bức xạ, tạo ra các dao động điện từ, đƣợc đặc trƣng
bởi tần số f.


8

Đặc điểm quan trọng của trƣờng điện từ là sự phân chia nó thành hai loại

trƣờng vùng "gần" và vùng "xa". Trong vùng "gần" (hay còn gọi là vùng cảm
r < 3λ
ứng), ở cự ly

trƣờng điện từ có thể đƣợc coi ở trạng thái tĩnh. Tại đó, nó

nhanh chóng suy yếu theo khoảng cách, tỷ lệ nghịch với r 2 hay r3 . Trong vùng
gần của bức xạ, sóng điện từ chƣa đƣợc hình thành. Để đặc trƣng cho trƣờng
điện từ, các phép đo điện trƣờng xoay chiều và từ trƣờng xoay chiều đƣợc thực
hiện một cách tách biệt. Trƣờng trong vùng cảm ứng đƣợc dùng để tạo thành
phần động của trƣờng (sóng điện từ), là nguồn gốc sinh ra bức xạ. Hình 1.2 đƣa
ra 3 trƣờng hợp về sự thay đổi của trở kháng sóng Z=E/H theo r, với đƣờng 1, 2 là
trƣờng vùng gần, đƣờng 3 ứng với trƣờng xa.
Z, Ω
104
103

102

Hình 1.2. Phân chia trường vùng gần và vùng xa
Vùng "xa" đó là vùng, trong đó tồn tại sóng điện từ, bắt đầu từ khoảng
cách r > 3λ . Trong vùng "xa" của bức xạ có mối liên hệ giữa E và H: E=377H,
trong đó hệ số 377 là trở sóng của chân không, đơn vị đo là Ω. Vì thế, theo quy
luật, ngƣời ta chỉ đo E. Đối với trƣờng điện từ ở tần số trên 300 MHz, ngƣời ta
thƣờng đo mật độ dòng năng lƣợng điện từ hay vector Poiting (đƣợc ký hiệu
bằng chữ S, đơn vị đo là W / m2 ).
Nhiễu điện từ


Các nhiễu điện từ xuất hiện từ các hiện tƣợng tự nhiên hay do các quá

trình kỹ thuật. Ví dụ nhiễu tự nhiên có thể là hiện tƣợng phóng điện trong khí


9

quyển (các xung điện từ xuất hiện khi va đập của chớp) hay phóng điện tĩnh điện
(trong bán dẫn). Trong thiết bị công nghiệp, nguồn nhiễu chủ yếu là các quá
trình đảo mạch trong các mạch điện, vốn liên quan tới các thay đổi rất nhanh của
dòng và điện áp, mà kết quả là xuất hiện các nhiễu điện từ tuần hoàn hay ngẫu
nhiên. Tác động của các nhiễu này có đặc trƣng cảm ứng (dƣới dạng dòng điện
hay điện áp trong dây dẫn) hay đặc trƣng bức xạ (dƣới tác động của điện
trƣờng xoay chiều).
Các dạng biễu diễn tín hiệu nhiễu:
Các nhiễu có đặc trƣng tuần hoàn hay không tuần hoàn trong khoảng thời
gian xác định có thể đƣợc biểu diễn bằng toán học dƣới dạng tổng các tín hiệu
hình sin và cosin với tần số và biên độ khác nhau. Trên hình 1.3 trình bày các
dạng điển hình của tín hiệu nhiễu và cách thể hiện phổ của chúng.
Các nhiễu tuần hoàn
Dải hẹp

Miền
thời
gian

Miền
tần
số

Hình 1.3. Các dạng nhiễu khác nhau trong miền tần số và miền thời
gian 1.1.2. Đặc trƣng EMC của thiết bị vô tuyến

Khi giải quyết các vấn đề liên quan đến tƣơng thích điện từ trƣờng EMC
của thiết bị vô tuyến, có nhiều tham số và đặc trƣng của máy thu vô tuyến (MT),
máy phát vô tuyến (MF) và ăng-ten đƣợc sử dụng để đánh giá EMC. Những đặc
trƣng và tham số này mô tả các tính chất nhất định của các thiết bị nói trên, xuất


10

phát từ quan điểm của nhiễu điện từ và khả năng ngăn chặn chúng. Cụ thể, trong
phạm vi của luận án có thể xem xét những nội dung sau đây trong số các đặc
tính về EMC [4], [5], [51].
Đặc trưng thống kê phân bố nhiễu điện từ
Theo [4], [51] tình huống điện từ (THĐT) đƣợc hiểu là tập hợp tất cả các
loại bức xạ đƣợc tạo thành do sự hoạt động đồng thời của các phƣơng tiện vô
tuyến (PTVT) và các nguồn nhiễu không cố ý khác tại điểm đặt thiết bị thu của
hệ thống vô tuyến (HTVT) đang xét. Các loại nguồn nhiễu đa dạng về đặc tính
tần số-thời gian-năng lƣợng và số lƣợng nguồn nhiễu. Việc hiểu các tính chất
riêng của từng loại nhiễu là rất cần thiết trong việc đánh giá tác động của nhiễu
lên thiết bị vô tuyến đặt gần nguồn nhiễu và cần thiết trong việc tìm các biện
pháp chống nhiễu hiệu quả. Trong công trình thứ nhất (bài báo số 1) tác giả đã
đƣa ra và phân tích sự tác động của nhiễu điện từ mạnh đến sự hoạt động của
một thiết bị vô tuyến. Bài báo đã đƣa ra mô hình đánh giá độ bền của máy thu
vô tuyến dƣới tác động của nhiễu điện từ mạnh, giúp cho việc xác định các tác
động của nhiễu điện từ đƣợc chính xác.
Để giải quyết bài toán EMC cần phải xây dựng mô hình THĐT và áp
dụng giải pháp xác suất thống kê để xem xét. Mô hình này giúp cho luận án có
cách nhìn tổng quát về tác động của nhiễu điện tử.

R

MT
D
MP

Hình 1.4. Mô hình tình huống điện từ khu vực
Trên hình 1.4 là mô hình lý thuyết của THĐT. Mô hình bao gồm máy phát
và máy thu đặt cách nhau một khoảng D, thiết bị thu sẽ nhận tín hiệu có