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

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

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

9 44 01 05

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

HÀ NỘI - 2020


Công trình được hoàn thành tại:
Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
1. PGS.TS Hồ Quang Quý
2. PGS.TS Bùi Văn Sáng

Phản biện 1: PGS. TS Nguyễn Quang Hùng
Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự

Phản biện 2: PGS.TS Đỗ Trọng Tuấn
Đại học Bách khoa Hà Nội
Phản biện 3: TS Tạ Chí Hiếu
Học viện Kỹ thuật Quân sự

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ họp tại Viện
Khoa học và Công nghệ quân sự vào hồi ……..h……ph, ngày…...tháng.….
năm 2020.

Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự.
- Thư viện Quốc gia Việt Nam.


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án: Ngày nay tương thích điện từ trường
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 nước 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 như các tàu
ngầm, tàu chiến, máy bay chiến đấu…, ở đó không gian hệ thống rất
hạn chế nhưng số lượng các thiết bị điện, điện tử có thể rất lớn và hoạt
động đồng thời. Chính vì vậy, đảm bảo tương thích điện từ trường
(Electromagnetic Compatibility-EMC) cho các thiết bị vô tuyến điện tử
(VTĐT) là vấn đề hết sức cấp thiết. Lĩnh vực khoa học này cần được

quan tâm hơn do sự gia tăng mạnh về số lượng và quy mô của các thiết
bị điện - điện tử. Chính vì vậy tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu giải
pháp đánh giá và đảm bảo tƣơng thích điện từ trƣờng cho các thiết
bị vô tuyến điện tử” với mục tiêu và nội dung như trình bày sau đây.
2. Mục tiêu: 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.
3. Đối tƣợng nghiên cứu: 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 được sử dụng phổ biến hiện nay.
4. Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu về lý thuyết EMC, phân tích các
phương pháp đã áp dụng hiện nay trong hệ thống và trên các thiết bị
VTĐT trong nước và nước 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, tương tác về
điện từ trường 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.


2
5. Nội dung nghiên cứu: Nghiên cứu các giải pháp đám bảo tương
thích điện từ trường cho thiết bị VTĐT, tập trung vào phương pháp che
chắn điện từ và ước lượng khoảng cách. Nghiên cứu đánh giá xác suất
gián đoạn hoạt động của hệ thống vô tuyến dưới tác động của nguồn
nhiễu gần nhất thay thế cho tác động tổng công suất nhiễu.
6. Phƣơng pháp nghiên cứu: Phương 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 nước, vận dụng lý thuyết
truyền sóng vô tuyến điện, lý thuyết trường 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.
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: Các nhận xét và kết luận của luận án
đưa ra dựa trên cơ sở phân tích bằng toán học, được kiểm chứng bằng
thực nghiệm và mô phỏng, đảm bảo độ tin cậy, góp phần hoàn thiện
phương pháp đảm bảo EMC cho thiết bị VTĐT. Phương pháp che chắn
điện từ và ước lượng 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. Phương pháp đánh giá xác suất gián đoạn hoạt động của hệ
thống VTĐT dưới tác động của nguồn nhiễu gần nhất thay thế cho tác
động của tổng công suất nhiễu góp phần đơn giản hóa phương pháp
đảm bảo EMC cho thiết bị VTĐT. Đây là hai nội dung mang tích mới,
có ý nghĩa khoa học. Kết quả tính toán, thực nghiệm và mô phỏng kiểm
chứng trong luận án góp phần hoàn thiện phương 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 được và phù hợp với các tiêu chuẩn
EMC, nâng cao sự họađộ tin cậy của thiết bị.
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 chương: Chương 1. Tổng quan về giải pháp
đánh giá và đảm bảo EMC cho thiết bị vô tuyến; Chương 2. Đề xuất
giải pháp đảm bảo EMC khi thiết kế thiết bị VT; Chương 3. Đề xuất
giải pháp đánh giá nguồn nhiễu gần nhất thay cho tổng công suất nhiễu.

3
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO VÀ
ĐÁNH GIÁ 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
Tương 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 trường điện
từ cụ thể và không tạo ra nhiễu vượt quá tiêu chuẩn qui định đối với các
thiết bị khác [51].
1.1.2. Đặc trƣng EMC của thiết bị vô tuyến
Khi giải quyết các vấn đề liên quan đến tương thích điện từ trường
EMC của thiết bị vô tuyến, có nhiều tham số và đặc trưng của máy thu
vô tuyến (MT), máy phát vô tuyến (MF) và ăng-ten được sử dụng để
đánh giá EMC. Những đặc trưng và tham số này mô tả các tính chất
nhất định của các thiết bị nói trên, xuất 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].
1.2. Một số giải pháp đảm bảo EMC cho thiết bị vô tuyến
Để đảm bảo EMC cho các phần tử, khối và thiết bị vô tuyến, nhiều
giải pháp đã thực hiện và mang lại những kết quả nhất định. Các
phương pháp cơ bản để hạn chế hoặc loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu trong
các mạch của thiết bị là: bọc kim, nối đất, lọc, cân bằng, cách ly, phân
bố và định hướng dây dẫn trong không gian, điều chỉnh trở kháng của
mạch… [4], [51]. Các hình 1.7, 1.8, 1.9 thể hiện các phương pháp hạn
chế nhiễu trong mạch điện.
1.2.1. Giải pháp che chắn điện từ
Khi các thiết bị vô tuyến điện tử trở nên phức tạp, yêu cầu giảm tác
động của nhiễu càng trở nên cần thiết. Một phương pháp được sử dụng
phổ biến nhất áp dụng cho các khối hoặc toàn bộ thiết bị điện tử là che

chắn điện từ trường sử dụng các hộp kim loại [6]. Che chắn điện từ là
một giải pháp rất hữu ích và thông dụng để đảm bảo EMC đối với các
phần tử và toàn bộ thiết bị.

Hình 1.10. Tác dụng của phương pháp che chắn điện từ


4
Hiệu quả che chắn (SE [dB]) của một vỏ bọc kim có thể được thể
hiện dưới dạng tổng của sự phản xạ (R [dB]), sự hấp thụ (A [dB]) và
phản xạ nhiều lần (B [dB]) như sau [48] :
SE [dB] = R [dB] + A [dB] + B [dB]
(1.8)
1.2.2. Giải pháp ƣớc lƣợng khoảng cách
Một phương pháp khác được sử dụng là ước lượng khoảng cách giữa
các thành phần của một thiết bị điện tử. Phương pháp này dựa trên
nguyên lý là khi một sóng điện từ lan truyền trong không gian, cường
độ tín hiệu sẽ suy giảm theo khoảng cách [47].

Hình 1.12. Phương pháp nghịch đảo khoảng cách

E ( R' )[dB]  E ( R)[dB]  20lg(

R
)
R'

(1.10)

1.2.3. Các giải pháp khác

1.3. Các mô hình đánh giá nhiễu thiết bị vô tuyến
1.3.1. Mô hình thống kê công suất cực đại của nhiễu
Trong mạng TTDĐ thường sử dụng máy thu (MT) và máy phát
(MP) trong hai dạng trạm là trạm di động (MS) và trạm gốc (BS), tạo
thành các dạng HTVT cơ sở cho hai dạng này. Trong [4] khảo sát 4 mô
hình, hình 1.20 là dạng mô hình đặc trưng ta lựa chọn để phân tích.
MP(MS)
MT(BS)

r
Rc

D
MS

BS
MP(BS)j

MT(MS)j

Hình 1.20. Mô hình thống kê


5
1.3.2. Một số mô hình đánh giá khác
1.4. Nhận xét và bàn luận về các giải pháp EMC cho các thiết bị
VTĐT
Tương thích điện từ trường được các nước thực sự quan tâm vào
những năm 70 - 80 của thế kỷ 20. Từ những năm 80, các nước như Mỹ,
Liên Xô cũ, Nhật Bản,… đã xây dựng những tiêu chuẩn về EMC khi sử

dụng tài nguyên điện từ như phổ tần số, mật độ bố trí các cấu kiện điện
tử, độ nhạy máy thu, công suất máy phát,…
Hiện nay, cả nước ta mới có một vài phòng đo tương thích điện từ
trường EMC tại một số cơ quan đơn vị trọng yếu như: Cục Tần số
VTĐ/Bộ Thông tin và Truyền thông; Viện Đo lường Quốc gia (VMI)/
Tổng cục TC-ĐL-CL/Bộ KH và CN; Cục Tiêu chuẩn - Đo lường - Chất
lượng/BTTM/BQP. Hiện nay, một số trường như Đại học Bách khoa Hà
Nội, Học viện Bưu chính Viễn thông, Đại học Đà Nẵng đã có một số đề
tài liên quan đến nghiên cứu EMC như phân hoạch tần số, đo nhiễu bức
xạ điện từ trường từ các phần tử thu, phát, an ten - phide,…Ví dụ: ở Đại
học Đà Nẵng, TS Tăng Tấn Chiến đã có những công trình nghiên cứu
cấp Bộ “Nghiên cứu xây dựng mô hình ghép để mở rộng dải thông của
tế bào TEM” năm 2016 [2]; “Mô phỏng sự truyền của trường điện từ
bằng phương pháp TLM” năm 2002 [3].
Tuy nhiên, có thể khẳng định đến thời điểm này vẫn cần rất nhiều
những nghiên cứu về EMC cho phần tử, khối chức năng, thiết bị VTĐT,
hệ thống VTĐT cụ thể, còn thiếu các nghiên cứu ở trong nước về những
giải pháp, mô hình đánh giá và các chỉ tiêu về EMC cho phần tử, khối,
phương tiện VTĐT đảm bảo được EMC khi thiết kế chế tạo thiết bị,
mạng vô tuyến, nhất là trong lĩnh vực quân sự.
1.5. Bài toán xây dựng giải pháp đánh giá và đảm bảo tƣơng thích
điện từ trƣờng cho các thiết bị vô tuyến
1.5.1. Đặt bài toán
Từ những phân tích trên đây, bài toán đặt ra và giải quyết trong luận
án là: Nghiên cứu, đề xuất các giải pháp đánh giá và đảm bảo tương
thích điện từ trường cho các thiết bị vô tuyến điện tử. Thực nghiệm mô
phỏng thống kế trên máy tính và thử nghiệm phần cứng dựa trên các
đặc trưng về EMC của các thiết bị VTĐT để phân tích, đánh giá các kết
quả nghiên cứu và đề xuất các giải pháp đảm bảo EMC.
1.5.2. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu và giới hạn của bài toán

Với bài toán đã đặt ra, luận án xác định đối tượng nghiên cứu là các
giải pháp đảm bảo EMC của các thiết bị vô tuyến điện. Do đó, phạm
vi nghiên cứu của luận án sẽ tập trung vào phương pháp đánh giá, đảm


6
bảo EMC cho thiết bị VTĐT. Từ đó đề xuất giải pháp, mô hình đánh
giá và đảm bảo EMC cho các thiết bị VTĐT theo các đặc trưng EMC
dựa trên các thông số đầu vào của thiết bị.
1.5.3. Phƣơng pháp, nội dung nghiên cứu và hƣớng giải quyết
Bài toán được giải quyết dựa trên việc vận dụng lý thuyết trường
điện từ và truyền sóng, lý thuyết xác suất thống kế và tính toán giải tích
để xây dựng các mối liên hệ toán học, đề xuất một số giải pháp trong
bài toán đánh giá đảm bảo EMC. Thực hiện kiểm chứng, đánh giá kết
quả bằng mô phỏng trên máy tính và thử nghiệm thuật toán EMC trên
phần cứng.
1.6. Kết luận chƣơng 1
Dựa trên các kết quả nghiên cứu tổng quan trong chương 1, có thể
rút ra một số nhận xét như sau:
1. Đảm bảo tương thích điện từ trường EMC là rất quan trọng cho
hoạt động tin cậy, đúng tham số của các thiết bị điện, điện tử và các
phần tử cấu thành. Để nội dung nghiên cứu EMC đạt hiệu quả cần nắm
chắc thiết kế, chức năng của thiết bị, phần tử, các nguồn nhiễu tác động.
2. Thiết bị điện, điện tử rất đa dạng về chủng loại, kết cấu, chức
năng và ngày càng đổi mới về công nghệ chế tạo, nên một giải pháp
tổng thể đảm bảo EMC cho tất cả các chủng loại thiết bị là khó khả thi.
Chính vì vậy các công trình nghiên cứu về EMC mang tính đặc thù cho
từng trường hợp cụ thể là rất cần thiết và mang tính thời sự.
3. Với những lý do nêu trên hướng nghiên cứu của luận án giới hạn
ở các nội dung: che chắn điện từ cho phần tử và ước lượng khoảng cách

cho các khối trong thiết bị vô tuyến, đề xuất giải pháp đảm bảo EMC
khi thiết kế thiết bị VTĐT, đề xuất mô hình toán học đánh giá thống kê
nhiễu điện từ, trong đó đánh giá nguồn nhiễu gần nhất thay cho tổng
công suất nhiễu. Đây là những nội dung mới sẽ được nghiên cứu ở
chương 2 và 3 của luận án.


7
Chƣơng 2. ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO EMC KHI
THIẾT KẾ THIẾT BỊ VÔ TUYẾN
Với những nghiên cứu và phân tích về EMC trong chương 1, luận án
đề xuất giải pháp đảm bảo EMC khi thiết kế các thiết bị vô tuyến điện
tử trên cơ sở áp dụng phương pháp che chắn điện từ (bọc kim) kết hợp
với phương pháp ước lượng khoảng cách giữa các khối, từ đó làm cơ sở
cho việc xây dựng mô hình đảm bảo EMC khi thiết kế thiết bị vô tuyến.
2.1. Đề xuất giải pháp
2.1.1. Đặt vấn đề
Các phương pháp bảo đảm EMC nêu trong mục 1.2 đều có những ưu
và nhược điểm riêng. Luận án sẽ đề cập đến việc bảo đảm EMC cho
thiết bị điện tử có một hoặc nhiều khối có sẵn, tức là không can thiệp
vào quá trình thiết kế mạch hoặc khối. Do vậy, luận án đề xuất giải
pháp kết hợp phương pháp bọc kim và phương pháp ước lượng khoảng
cách giữa các khối nhằm cải thiện EMC cho thiết bị vô tuyến điện tử.
2.1.2. Mô hình thực hiện
Bài toán được thực hiện với một hộp bọc kim thứ nhất bằng nhôm
(lý do chọn vật liệu trong mục 2.2.1) có kích thước 16 cm x 10 cm x 3
cm, độ dày lớp vỏ là 2 mm. Nguồn bức xạ được đặt bên trong hộp bọc
kim thứ nhất thông qua cáp đồng trục có trở kháng 50 Ω và dây đồng có
đường kính 0,16 cm để đảm bảo phân phối đều bức xạ điện từ bên trong
hộp như hình 2.1 [31]. Một hộp bọc kim thứ 2 có kích thước 10 cm x 10

cm x 3 cm bằng nhôm được đặt cách hộp bọc kim thứ nhất một khoảng
cách là d.

Hình 2.1. Mô hình hộp bọc kim
2.2. Phân tích giải pháp đề xuất
2.2.1. Giải pháp bọc kim
Với hộp bọc kim tác giả lựa chọn, độ dày lớp vỏ bọc kim là 2 mm,
vật liệu làm vỏ bọc kim là nhôm có  r = 1 và  r = 0,61 (với tần số trên


8
500 kHz) [48]. Hiệu quả che chắn của phương pháp bọc kim tính toán
theo (2.1) được thể hiện trên hình 2.2.

Hình 2.2. Hiệu quả che chắn theo lý thuyết của hộp bọc kim nhôm
Ta có thể thấy trong hình 2.2, khi sử dụng lớp vỏ bọc kim nhôm có
độ dày 2 mm và xét trong dải tần số của tiêu chuẩn CISPR-22 là từ 30
MHz đến 1 GHz [43] thì hiệu quả che chắn rất lớn (hơn 1000 dB).
2.2.2. Giải pháp ƣớc lƣợng khoảng cách
Trong trường xa cường độ phát xạ của sóng vô tuyến được giả định
tỉ lệ nghịch với khoảng cách như (2.7):

R
)
R'
R
 L  dB   E R '  dB   E  R   dB   20lg  ' 
R 
E ( R' )[dB]  E ( R)[dB]  20lg(

(2.7)

 

(2.8)

Hiệu quả suy giảm của giải pháp ước lượng khoảng cách được
tính toán theo công thức (2.8) được thể hiện trong bảng 2.3.
Bảng 2.1. Độ suy giảm theo lý thuyết của giải pháp ước lượng khoảng cách
Khoảng cách (cm)
3
4
5
6
7
8

Độ suy giảm L (dB)
3,52
6,02
7,96
9,54
10,88
12,04


9
9
13,06
10

13,98
15
17,50
20
20,00
30
23,52
50
27,96
2.2.3. Giải pháp kết hợp
Sau khi phân tích 2 phương án trên, luận án kết hợp cả 2 giải pháp là
bọc kim và ước lượng khoảng cách giữa các hộp bọc kim. Độ suy giảm
tín hiệu điện từ khi kết hợp 2 giải pháp nêu trên là tổng độ suy giảm khi
áp dụng từng giải pháp. Trước tiên, sóng điện từ có cường độ E1 (dB)
phát xạ ra không gian sẽ bị suy giảm SE (dB) khi đi qua lớp vỏ bọc kim.
Sau đó, sóng điện từ sẽ tiếp tục bị suy giảm L (dB) theo khoảng cách
truyền đi. Công thức (2.11) thể hiện giá trị suy giảm A (dB) khi kết hợp
2 giải pháp trên như sau:
E2 [dB] = E1 [dB] – SE[dB] – L[dB]
(2.9)
=> E1[dB] – E2[dB] = SE[dB] +L[dB]
(2.10)
=> A[dB] = SE[dB] + L [dB]

(2.11)

Độ suy giảm của giải pháp đề xuất tính theo công thức (2.11) được
thể hiện trong bảng 2.4.
Bảng 2.2. Độ suy giảm theo lý thuyết của giải pháp đề xuất
Khoảng

Tổng độ suy giảm A (dB)
cách
1 MHz 20 MHz 50 MHz 100 MHz 500 MHz
(cm)
3
270,74
996,42
1533,82
2138,02
4672,02
4
273,24
998,92
1536,32
2140,52
4674,52
5
275,18
1000,86 1538,26
2142,46
4676,46
6
276,76
1002,44 1539,84
2144,04
4678,04
7
278,10
1003,78 1541,18
2145,38

4679,38
8
279,26
1004,94 1542,34
2146,54
4680,54
9
280,28
1005,96 1543,36
2147,56
4681,56
10
281,20
1006,88 1544,28
2148,48
4682,48
15
284,72
1010,40 1547,80
2152,00
4686,00
20
287,22
1012,90 1550,30
2154,50
4688,50
30
290,74
1016,42 1553,82
2158,02

4692,02
50
295,18
1020,86 1558,26
2162,46
4696,46


10
2.3. Mô phỏng giải pháp đề xuất
Luận án sẽ thực hiện mô phỏng hiệu quả của phương pháp bọc kim
và phương pháp ước lượng khoảng cách bằng phần mềm CST.
2.3.1. Mô phỏng giải pháp bọc kim
2.3.2. Mô phỏng giải pháp ƣớc lƣợng khoảng cách
2.3.3. Mô phỏng kết hợp hai giải pháp
Tiếp theo, luận án kết hợp cả 2 phương pháp là bọc kim và ước
lượng khoảng cách giữa các hộp bọc kim.

Hình 2.13. Mô phỏng giải pháp đề xuất trên CST
Hình 2.14 minh chứng cho cường độ điện trường do nguồn bức xạ
nằm trong hộp bọc kim 1 gây ra đo tại lớp vỏ của hộp bọc kim thứ 2 khi
khoảng cách d thay đổi từ 3 cm, 4 cm, 10 cm và 15 cm (với cùng lỗ
hổng và khe hở trên lớp vỏ).

Hình 2.14. Cường độ điện trường tại lớp vỏ hộp bọc kim thứ 2


11
2.4. Thử nghiệm trên mạch thực tế
Sau khi phân tích lý thuyết và mô phỏng, luận án sẽ thực hiện đo

trên các mạch thực tế để khẳng định hiệu quả của giải pháp kết hợp
phương pháp bọc kim và ước lượng khoảng cách trên mạch thực tế như
hình 2.15.

Hình 2.15. Hình ảnh đo kiểm trên mạch thực tế (Phụ lục 2)

Hình 2.22. Mạch dao động và mạch nguồn
đặt cách nhau d (cm) không che chắn
Khoảng cách d (cm) được thay đổi với các giá trị khác nhau là 2 cm,
3 cm, 4 cm, 5 cm, 6 cm, 7 cm, 8 cm, 9 cm và 10 cm. Thử nghiệm cho
thấy kết quả ảnh hưởng của điện từ trường giữa hai khối mạch giảm đi
nhiều nhất khi 2 mạch được bọc kim và đặt cách nhau 10 cm.


12

Hình 2.23. Cường độ tín hiệu trường hợp mạch nguồn và mạch dao động đặt
cách nhau 10 cm, không có che chắn bọc kim
Kết quả nhận được thể hiện trong hình 2.20 (hai mạch không bọc
kim và đặt cạnh nhau) và trong hình 2.24, hình 2.25, (hai mạch được
bọc kim đặt gần nhau và đặt cách nhau 10 cm), hình 2.26 (so sánh sự
suy giảm điện từ của bọc kim và không bọc kim) cho ta thấy sự thấy độ
suy giảm của tín hiệu điện từ khi áp dụng giải pháp đề xuất so với
trường hợp không áp dụng phương pháp đảm bảo EMC là khoảng 2530 dB.

Hình 2. 24. Mạch dao động và mạch nguồn
được bọc kim đặt cách d (cm)


13

Hình 2.25. Cường độ tín hiệu trường hợp đặt cách nhau 10 cm

Hình 2.26. So sánh sự suy giảm điện từ trường
khi sử dụng bọc kim và thay đổi khoảng cách (số liệu trích từ phụ lục 3)
Dựa vào các kết quả tính toán theo lý thuyết, kết quả mô phỏng và
kết quả thực nghiệm trong các trường hợp nêu trên, chúng ta có thể
nhận thấy các giải pháp đảm bảo EMC đã nêu như bọc kim, ước lượng
khoảng cách hay kết hợp 2 giải pháp đều có tác dụng làm suy giảm các
tín hiệu điện từ không mong muốn phát ra trong thiết bị điện tử. Các
giải pháp bọc kim hay ước lượng khoảng cách đều có những ưu nhược
điểm riêng biệt, chúng ta đánh giá từng giải pháp và đánh giá kết hợp cả
hai giải pháp cùng một lúc.


14
2.5. Đề xuất giải pháp đảm bảo EMC khi thiết kế thiết bị VTĐT
Bắt đầu
- Xác định chức năng và thông
số kỹ thuật của TBVTĐT
- Các tham số ảnh hưởng ai
- Tiêu chuẩn đảm bảo EMC btci

Điều chỉnh nguyên
lý mạch điện

Thiết kế sơ đồ
nguyên lý TBVTĐT

Điều chỉnh nguyên

lý mạch điện

Phân chia khối theo ảnh
hưởng ai và chức năng

Khối n

Khối 2

Khối 1
Không đạt
ai ≤ btci ?

Thực hiện che chắn
điện từ khối

Đạt
Không đạt
ai ≤ btci ?

Điều chỉnh khoảng
cách phần tử

Đạt
Đạt

ai ≤ btci ?

Chế thử khối

Không đạt

Từ tất cả các khối

Giải pháp
bổ sung khác

Chế thử TBVTĐT
Thực hiện che chắn
điện từ với TBVTĐT

Điều chỉnh khoảng
cách các khối

Giải pháp
bổ sung khác

Không
đạt

ai ≤ btci ?

Không
đạt

Không
đạt

Đạt

Không
đạt
ai ≤ btci ?

Đạt

ai ≤ btci ?

Không
đạt

Đạt
ai ≤ btci ?

Đạt

Chế tạo
TBVTĐT
Kết thúc

ai ≤ btci ?

Đạt

Hình 2.27. Lưu đồ thiết kế thiết bị VTĐT đảm bảo EMC
2.6. Kết luận chƣơng 2
Luận án đã thực hiện giải pháp kết hợp giữa phương pháp bọc kim
và phương pháp ước lượng khoảng cách giữa các khối của thiết bị vô
tuyến. Tác giả đã thực hiện mô phỏng bằng phần mềm CST và thử
nghiệm mạch thực tế, hiệu quả của giải pháp góp phần giảm đáng kể

cường độ bức xạ, bảo đảm làm việc đúng chức năng và không phá vỡ
chức năng của thiết bị khác khi sử dụng. Từ kết quả thực nghiệm, luận
án đề xuất một quy trình thiết kế đảm bảo EMC cho thiết bị vô tuyến có
áp dụng giải pháp kỹ thuật kết hợp phương pháp bọc kim và phương
pháp ước lượng khoảng cách giữa các khối của thiết bị vô tuyến điện tử.


15
Chƣơng 3. ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐÁNH GIÁ NGUỒN NHIỄU
GẦN NHẤT THAY CHO TỔNG CÔNG SUẤT NHIỄU
Dựa trên các kết quả nghiên cứu trong các chương trước và một số
phương pháp đánh giá và đảm bảo EMC cho các thiết bị vô tuyến,
chương 3 sẽ đề xuất mô hình đánh giá thống kê nguồn nhiễu gần nhất
và đảm bảo EMC cho các thiết bị vô tuyến điện tử. Thực nghiệm mô
phỏng thống kê trên máy tính với các tham số giả định về các mô hình
đánh giá, đảm bảo EMC để phân tích, đánh giá hiệu quả, độ tin cậy của
thuật toán và đưa ra một số khuyến nghị, đề xuất.
Bằng trực quan, ta có thể thấy rằng nguồn nhiễu có công suất mạnh
nhất sẽ ảnh hưởng lớn nhất đến xác suất gián đoạn hoạt động (như đã
phân tích ở mục 3.1), do đó tác giả của luận án đã tập trung phân tích
tác động của nguồn nhiễu mạnh nhất để xác suất gián đoạn hoạt động
đó nhận được công thức dạng rút gọn. Kết quả phân tích và mô phỏng
có thể thấy rằng ở xác suất gián đoạn hoạt động nhỏ nhận được giá trị
xác suất theo công suất nguồn nhiễu mạnh nhất và tổng công suất nhiễu
là như nhau (theo kết quả nghiên cứu ở chương 3 của luận án).
Xét một số bộ phát (Tx) và bộ thu (Rx) dạng điểm được đặt ngẫu
nhiên trên một vùng giới hạn nhất định của không gian Sm làm mô hình
nhiễu của mạng không dây ở tầng vật lý, m = {1, 2, 3} là số chiều
không gian (1-D, 2-D hoặc 3-D).

Hình 3.1. Minh họa vùng không gian địa lý
Vùng không gian nhỏ (vùng lân cận của nút), vùng không
gian lớn (không gian mở rộng quanh nút không chồng chéo nhau)
và vùng không gian mạng.
Xác suất để nhiều hơn một bộ phát rơi vào dS là không đáng kể, P(k
> 1, dS) << P(k = 1, dS) khi dS → 0. Theo các giả định này, xác suất
của k máy phát rơi vào vùng S được đưa ra bởi phân bố Poát-xông:


16
P(k , S ) 

e N N k
k!
(3.1)



trong đó, N   dS là số lượng trung bình của các máy phát rơi
S

vào khu vực S.
3.1. Đề xuất giải pháp đánh giá nguồn nhiễu gần nhất
Từ mô hình mạng và hệ thống đã nghiên cứu, luận án xét máy thu vị
trí cố định (ví dụ: trạm cơ sở của một người dùng nhất định) và một số
bộ phát nhiễu nằm ngẫu nhiên có cùng công suất Pt (ví dụ: các thiết bị
di động người dùng khác). Để đơn giản hóa biểu diễn toán học luận án
giả định rằng gl = gs = 1 (tham số liên quan đến kênh truyền pha-đinh
chưa xét đến trong luận án), nghĩa là chỉ tham số ga được đưa vào trong
tính toán. Luận án cũng giả định rằng các anten phát và thu là đẳng

hướng và xem xét các tín hiệu nhiễu nằm ở đầu vào của bộ thu.
Luận án định nghĩa tỷ số nhiễu/tạp (INR) da (còn được gọi là dải
động [17]) trong toàn bộ tín hiệu nhiễu thông qua tín hiệu mạnh nhất tại
đầu vào Rx (trong vùng gián đoạn hoạt động nhỏ, tổng công suất nhiễu
bị ảnh hưởng bởi sự đóng góp của tín hiệu mạnh nhất):
da = Pa1/P0
(3.3)
Khi mật độ không gian trung bình của các nguồn phát xạ là hằng số,
ρ = const, biểu thức (3.6) và (3.7) được đơn giản hóa dưới dạng:
m/v


 N max 
 Pa
 
t
v
 Fd ( D)  exp cm  
   exp  m / v 
 P0 D  

 D 



 N max 
m N max
exp
 m / v 
 f d ( D) 

v D m / v 1
 D 


(3.8)

m
trong đó c1 = 2, c2 = π và c3 = 4π/3, N max  cm Rmax
 là số lượng
nguồn phát xạ trung bình trong hình cầu bán kính Rmax được gọi “vùng

nhiễu đủ” hay vùng nhiễu tiềm ẩn. Khi Rmax = r(1) =  Pa
t  / P0 D 

1/

thỏa mãn Pa(Rmax) = P0, tức là máy phát nằm ở ranh giới “vùng nhiễu
đủ” tạo ra tín hiệu (đến máy thu) bằng mức tạp âm.
Các máy phát nằm ngoài vùng này tạo ra các tín hiệu yếu hơn đối
với máy thu nên được bỏ qua trong tình huống hạn chế nhiễu. Trên hình


17
3.2, vùng nhiễu đủ thỏa mãn: R ≤ Rmax, nghĩa là Pa(R) ≥ P0 = Pa(Rmax),
hay nói cách khác đây là vùng có công suất nhiễu vượt quá mức tạp âm
máy thu; khi đánh giá mạng dựa theo tổng công suất nhiễu thì chỉ có
các nhiễu trong khu vực này được xem xét.

Hình 3.2. Minh họa vùng nhiễu quanh nút trên phạm vi mạng
Với định nghĩa về xác suất gián đoạn hoạt động ở trên theo công

suất nhiễu lớn nhất tương tự như với tổng công suất nhiễu, luận án đưa
ra định lý dưới đây.
Định lý 1. Xét xác suất gián đoạn hoạt động trong (3.11). Tại vùng
gián đoạn hoạt động thấp, nó hội tụ đến xác suất gián đoạn hoạt động
được xác định thông qua tổng công suất nhiễu, tức là:

lim
x 

Pr

 P
i

ai

 1

x

Pr Pa1  x

(3.13)

3.1.1. Trƣờng hợp tất cả các tín hiệu nhiễu hoạt động (k = 1)
Luận án xét trường hợp đầu tiên k = 1, tức là tất cả các tín hiệu nhiễu
đang hoạt động. Xác suất gián đoạn hoạt động có thể được đánh giá
bằng biểu thức (3.6) và (3.11). Từ quan điểm thực tế, luận án quan tâm
đến dải xác suất gián đoạn hoạt động Pout << 1, tức là thông tin có độ
tin cậy cao. Xét trường hợp khi Fd(D) → 1 và sử dụng phép khai triển

chuỗi MacLaurean e N  1  N , trong đó N là số lượng trung bình các
máy phát trong vùng nhiễu hoạt động, khi đó biểu thức (3.9) được đơn
giản hóa thành:
(3.20)
Pout  N  
 dV
V  r ( D )

Khi ρ = const nhận được:

Pout  N max D m/ v

(3.21)


18
Để xác nhận tính chính xác của phép xấp xỉ trong (3.13) và các biểu
thức cho hàm phân bố tích lũy và hàm mật độ xác suất của INR, luận án
thực hiện các phép mô phỏng Monte-Carlo (MC). Hình 3.3 đưa ra một
số kết quả đại diện đường cong hàm phân bố tích lũy CCDF
(Complementary Cumulative Distribution Function), bao gồm đường
cong xác suất INR theo công suất nguồn nhiễu lớn nhất (biểu thức
(3.8)) và dạng xấp xỉ của nó (3.21), và đường cong xác suất INR theo
tổng công suất nhiễu [16], [17], [18], [19], [20]. Cũng lưu ý rằng xác
suất gián đoạn hoạt động được đánh giá thông qua tổng công suất nhiễu
và thông qua công suất nguồn nhiễu lớn nhất là như nhau tại vùng gián
đoạn hoạt động nhỏ. Ngoài ra phép xấp xỉ trở nên chính xác rất cao khi
xác suất Pout ≤ 0.1. Theo đó, những kết quả nhận được hoàn toàn phù
hợp với định lý 1.

a) v = 2

b) v = 4
Hình 3.3. Đường cong xác suất CCDF của INR với các tham số: m = 2
(2-D), P0 = 10−10, Pt = 1, ρ = 10−5


19
3.1.2. Trƣờng hợp (k - 1) nguồn nhiễu gần nhất bị loại bỏ
Giả định rằng (k - 1) nguồn nhiễu gần nhất được loại bỏ thông qua
một số phương pháp (ví dụ: bằng cách xử lý tại máy thu hoặc sự phân
bổ tài nguyên). Trong trường hợp này, áp dụng các biểu thức (3.9),
(3.10) và biểu thức (3.20) có thể được tổng quát thành:

1 k 1  N max 
Pout  N   m v 
k!
k ! D 

k

(3.24)

1 k
Pout ,1  Pout ,1 , trong đó Pout ,1 là xác
k!
suất gián đoạn hoạt động với k = 1 (xem biểu thức (3.13)). Trong vùng
xác suất gián đoạn hoạt động nhỏ Pout ,1 << 1 và Pout << Pout ,1 , có nghĩa
là có lợi ích đáng kể từ việc loại bỏ (k - 1) nguồn nhiễu mạnh nhất, có tỷ
lệ theo hàm mũ với k.

Từ đó có thể biểu diễn Pout 

Hình 3.4. Đường 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 (3.24),
ν = 4, m = 2, N max = 100, Rmax = 103.
Hình 3.4 minh họa trường hợp này. Lưu ý rằng xác suất gián đoạn
hoạt động theo công suất nhiễu cực đại và theo tổng công suất nhiễu là
giống nhau ở vùng gián đoạn hoạt động thấp.
3.1.3. Loại bỏ một phần (k - 1) nguồn nhiễu gần nhất
Theo [22], người ta cũng có thể xét trường hợp loại nhiễu không lý
tưởng (đây là trường hợp trong thực tế), khi (k - 1) nguồn nhiễu gần
nhất bị suy giảm bởi hệ số 0 ≤ α ≤ 1 (để công suất nhiễu là αPai, 1 ≤ i ≤
(k - 1) trong đó α = 0 tương ứng với trường hợp lý tưởng (loại bỏ hoàn


20
toàn) và α = 1 tương ứng với trường hợp không loại bỏ. Nguồn nhiễu
gần nhất chi phối xác suất gián đoạn hoạt động được đưa ra bởi:
(3.30)
Pout   m v N max D m v ,   0
Xét một tình huống khác, trong đó (k - 2) nguồn nhiễu gần nhất bị
loại bỏ hoàn toàn (ví dụ, nhờ vào sự phân bổ tài nguyên thích hợp, phân
chia theo tần số hoặc thời gian) và nguồn nhiễu thứ (k - 1) bị loại bỏ
một phần (ví dụ: bằng cách xử lý tại máy thu), khi này k ≥ 3. Trong
trường hợp này có thể dễ dàng chỉ ra rằng nguồn nhiễu thứ (k - 1) nằm ở
vùng tiệm cận vùng nhiễu tiềm năng và xác suất mạng gián đoạn được
xác định:

Pout 

 ( k 1) m v  N max 


(k  1)!  D m v 

k 1

,  0

(3.31)

Hình 3. 5. Đường 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).
3.1.4. Trƣờng hợp theo tổng công suất nhiễu
Nếu tổng công suất nhiễu được sử dụng để xác định xác suất mạng
gián đoạn, kết quả sẽ nhận được hoàn toàn tương tự ở vùng gián đoạn
nhỏ, như được chỉ ra bởi định lý sau (tương đương với Định lý 1).
Định lý 2: Xét xác suất gián đoạn trong (3.24). Tại vùng gián đoạn
thấp, xác suất gián đoạn được xác định thông qua tổng công suất nhiễu,
tức là:


21

N

Pr  Pai  x 
 1

lim  i k
x  Pr  P  x
ak

(3.35)

và do đó phép xấp xỉ nhận được:

N

Pr  Pai  x   Pr Pak  x , đối với x lớn
 i k


(3.36)

Hình 3.5 thể hiện kết quả từ định lý 2 thông qua mô phỏng MonteCarlo. Lưu ý rằng định lý này cũng áp dụng khi loại bỏ một phần nhiễu
và do đó các xác suất gián đoạn mạng ở biểu thức (3.30), (3.31) cũng
được áp dụng với tổng công suất nhiễu.

Hình 3.6. Đường cong xác suất CCDF của da
với các tham số: v = 4, m = 2 (2-D), P0 = 10−10, Pt = 1, ρ = 10−5
Hình 3.6 đưa ra các kết quả mô phỏng Monte-Carlo cho đường cong
CCDF của da theo công suất nguồn nhiễu lớn nhất và dạng xấp xỉ của
nó, và đường cong xác suất theo tổng công suất nhiễu [16], [17], [18],
[19], [20].
3.2. Ảnh hƣởng của pha-đinh đến xác suất gián đoạn hoạt động
Trên cơ sở mô hình mạng và hệ thống trong phần đầu của chương,
trong phần này, luận án phân tích sự ảnh hưởng của hiệu ứng pha-đinh
đến xác suất gián đoạn hoạt động, từ đó cung cấp thêm về các cơ chế

22
tạo nhiễu cũng như sự tác động của chúng. Luận án có thể chứng minh
rằng tổng công suất nhiễu bị chi phối bởi công suất gây nhiễu gần nhất
đối với lớp các hiệu ứng pha-đinh, cụ thể cho từng trường hợp. Điều
này cũng giống như trường hợp một số nguồn nhiễu gần nhất bị loại bỏ.
3.2.1. Ảnh hƣởng của pha-đinh loại Rayleigh
Khi chưa xét đến yếu tố kênh truyền pha-đinh (có thể xem rằng gl =
gs = 1), xác suất mà tỉ số INR vượt quá giá trị D là Pr{da > D} = Pr{r1 <
r(D)} = F1(r(D)) sao cho Pa(r(D)) = P0D thì hàm phân bố tích lũy của
da (mục 3.1):



Fd ( D)  1  Pr da  D  exp  N ( D)



(3.37)

Do xác suất gián đoạn hoạt động theo công suất nhiễu cực đại và
theo tổng công suất nhiễu là giống nhau ở vùng gián đoạn hoạt động
thấp (trong mục 3.1), nên hình 3.7 minh họa kết quả chỉ kết quả theo
tổng công suất nhiễu. Như quan sát trên hình 3.7, khi k = 2 (nguồn
nhiễu gần nhất bị khử) xác suất gián đoạn hoạt động giảm rất nhanh so
với k = 1 (khi không khử nhiễu), nghĩa là hiệu suất mạng tăng lên đáng
kể.

Hình 3.7. Đường 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.
Hình 3.8 minh họa kết quả so sánh của mô hình đề xuất theo công
suất nguồn nhiễu gần nhất với mô hình theo tổng công suất có tính đến
tác động của pha-đinh loại Rayleigh. Sự tăng theo hàm mũ của Pout theo


23
k là được bảo toàn dưới tác động của pha-đinh, cũng như sự ảnh hưởng
rõ nét của nguồn nhiễu gần nhất trong vùng có xác suất gián đoạn hoạt
động nhỏ. Khi Pout ≤ 1 thì xác suất gián đoạn theo công suất nguồn
nhiễu gần nhất và theo tổng công suất là như nhau. Hiệu ứng ngưỡng là
rõ ràng và tỉ số nhiễu/tạp xấu là D0 = 34 dB.

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 dưới tác động pha-đinh loại Rayleigh với các tham số

v  4, m  2, N max  50, Rmax  103
3.2.2. Ảnh hƣởng của pha-đinh chuẩn log và pha-đinh kết hợp
3.2.3. Ảnh hƣởng của lớp rộng phân bố pha-đinh
3.3. Kết luận chƣơng 3
Luận án đã sử dụng công suất của nguồn nhiễu gần nhất thay cho
tổng công suất nhiễu làm thống kê cho xác suất mạng gián đoạn hoạt
động và cho mật độ mạng, xây dựng mối tương quan giữa chúng cho
việc tương thích lựa chọn tham số cho những chiến lược xây dựng
mạng. Các tình huống loại nhiễu khác nhau cũng được phân tích để cải
thiện xác suất mạng gián đoạn hoạt động.