luận án tiến sĩ 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 TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐÁNH GIÁ VÀ ĐẢM BẢO
TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ TRƯỜNG 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 TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐÁNH GIÁ VÀ ĐẢM BẢO
TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ TRƯỜNG CHO CÁC THIẾT

BỊ VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ

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

9440105

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

NGƯỜI HƯỚNG 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 chưa
có tác giả nào công bố trong bất cứ một công trình nào khác, các dữ liệu tham
khảo được trích dẫn đầy đủ.
Hà nội, ngày 02 tháng 9 năm
2020
TÁC GIẢ LUẬN ÁN

Nguyễn Đức Trường


i

iv

LỜI CẢM ƠN
Luận án được 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 hướng dẫn, giúp đỡ, trang bị phương 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 lường - Chất lượng/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 người đã luôn đồng hành, động viên và là chỗ dựa về mọi mặt, giúp tôi
vượt qua mọi khó khăn để có được kết quả như ngày hôm nay.
TÁC GIẢ

Nguyễn Đức Trường

iii
MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC CÁC BẢNG..................................................................................ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...............................................................................x
MỞ ĐẦU...............................................................................................................1
CHƯƠNG 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 trưng EMC của thiết bị vô tuyến.............................6
1.1.1. Khái niệm chung................................................................................. 6
1.1.2. Đặc trưng 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 ước lượng 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 tương thích điện từ
trường cho các thiết bị vô tuyến...................................................................... 36
1.5.1. Đặt bài toán....................................................................................... 36
1.5.2. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu và giới hạn của bài toán.................36
1.5.3. Phương pháp, nội dung nghiên cứu và hướng giải quyết.................37
1.6. Kết luận chương 1.................................................................................... 38
CHƯƠNG 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 ước lượng 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 ước lượng 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 chương 2.................................................................................... 66
CHƯƠNG 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. Trường hợp tất cả các tín hiệu nhiễu hoạt động................................77
3.1.2. Trường 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. Trường hợp theo tổng công suất nhiễu..............................................85
3.2. Ảnh hưởng của pha-đinh đến xác suất gián đoạn hoạt động....................87
3.2.1. Ảnh hưởng của pha-đinh loại Rayleigh............................................ 87
3.2.2. Ảnh hưởng của pha-đinh chuẩn log và pha-đinh kết hợp.................92
3.2.3. Ảnh hưởng của lớp rộng phân bố pha-đinh...................................... 93
3.3. Kết luận chương 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]
Bước sóng, [m]
Trở kháng sóng, [Ω]
Điện trường, [V/m]

SE

Từ trường, [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 lượng 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 đường 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]
cường độ điện trường tại điểm thu, [V/m]
công suất của tín hiệu, [W]
Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương
(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)

cực

(α,θ, R)

Hàm tọa độ cầu

p k( N∆ V )

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 tương đối của vật liệu

σ

độ dẫn điện tương 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 tương đương

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

Tương 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

Tương thích điện từ trường

EMI

Bức xạ điện từ

EMS

Độ nhạy cảm điện từ

PTVT

Phương 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 mưu

BQP

Bộ Quốc Phòng

viii
TEM

Phương 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 tương đương

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 ước lượng 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 tương thích điện từ......................................... 7
Hình 1.2. Phân chia trường 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 đường cong được 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 phương pháp lọc cao tần..............................................................15
Hình 1.10. Tác dụng của phương pháp che chắn điện từ....................................16
Hình 1.11. Độ hấp thụ của vỏ bọc kim............................................................... 17
Hình 1.12. Phương pháp nghịch đảo khoảng cách..............................................18
Hình 1.13. Các thành phần trường trong trường gần và trường 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 phương pháp cài đặt gioăng EMI với vỏ kim loại..................47
Hình 2.6. Cường độ điện trường mô phỏng trong CST...................................... 50
Hình 2.7. Cường độ điện trường của hộp có lỗ hổng..........................................51
Hình 2.8. Cường độ điện trường trên lớp vỏ của hộp bọc kim...........................51
Hình 2.9. Kiểm tra EMC các trường hợp khác nhau của hộp bọc kim...............52
Hình 2.10. Kết quả mô phỏng cường độ điện trường tại
vị trí cách hộp bọc kim 2 cm...............................................................................53
Hình 2.11. Mô phỏng phương pháp khoảng cách trên CST................................54
Hình 2.12. Đồ thị sự suy giảm của cường độ điện trường theo khoảng cách.....54
Hình 2.13. Mô phỏng giải pháp đề xuất trên CST.............................................. 55
Hình 2.14. Cường độ điện trường 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 được bọc kim............................................................... 58
Hình 2.18. Mạch dao động không bọc kim.........................................................58
Hình 2.19. Mạch dao động được bọc kim...........................................................59
Hình 2.20. Mạch dao động và mạch nguồn đặt cạnh nhau không che chắn.......59
Hình 2.21. Cường độ tín hiệu trường hợp mạch nguồn và................................. 59
Hình 2.22. Mạch dao động và mạch nguồn........................................................ 60
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....................................................60
Hình 2.24. Mạch dao động và mạch nguồn........................................................ 61
Hình 2.25. Cường độ tín hiệu trường hợp mạch dao động................................. 61
Hình 2.26. So sánh sự suy giảm điện từ trường..................................................61
Hình 2.27. Lưu 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. Đường cong xác suất CCDF của INR với các tham số: m = 2 (2-D), P 0

= 10−10, Pt = 1, ρ = 10−5 ....................................................................................... 79
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 (3.17), ν = 4, m
N max

= 2,

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

N max

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,

=

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. Đường 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............................................................................. 86
Hình 3.7. Đường 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 dưới 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 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 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 tập trung mật độ dày đặc và hoạt động đồng thời.
Chính vì vậy, đảm bảo tương thích điện từ trường 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 độ phức tạp của các thiết
bị điện - điện tử. Có thể tổng kết các nguy cơ trong thực tế được diễn giải sau
đây:
-

Số lượng các thiết bị VTĐT tăng lên rất lớn, đặc biệt là các thiết bị điện tử đặt
trên các phương 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 như 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 như

tự động điều khiển, kiểm tra, dự báo, liên lạc….ở các dạng tương tự và dạng số;
- Đặc biệt là các thiết bị quân sự thường là các hệ thống nhiều vị trí như
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 tương thích điện từ đã được nghiên cứu, thực hiện và
chuẩn hóa từ rất sớm, xuất phát từ việc đảm bảo chất lượng 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 phương tiện vô
tuyến điện tử phát triển rất nhanh cả về số lượng và chất lượng 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 được phần nào nhu cầu thực tế. Nội
dung nghiên cứu mở rộng cần được 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, đưa ra các điều kiện hoặc các nguyên tắc chung để đạt
được sự tương 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 tương thích điện từ vẫn còn chưa được 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 như chưa được phổ biến, mặc dù tất các các thiết bị
điện tử dân dụng nhập khẩu đến một số sản phẩm sản xuất trong nước đã được
thử nghiệm về EMC và phải đạt được các yêu cầu kỹ thuật đề ra. Trong lĩnh vực
quân sự, vấn đề EMC đã được 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 tương thích điện từ
như: 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 tư 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 tương 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 trường
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 tương thích điện từ trường 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 hướng nghiên
cứu tiếp theo, tiến tới làm chủ giải pháp kỹ thuật, hoàn thiện các phương pháp đo
tham số bức xạ điện từ trường 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 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 tượng 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 được sử dụng
phổ biến hiện nay.
4. Phạm vi nghiên cứu của luận án
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.


4

5. Phương pháp nghiên cứu của luận án

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.

6. Nội dung nghiên cứu của luận án
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.
7.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Ý

nghĩa khoa học: 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.
Ý

nghĩa thực tiễn: 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 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 chương:
Chương 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 trưng EMC
của các thiết bị VTĐT, phân loại các nguồn nhiễu cơ bản. Phân tích ưu, nhược
điểm của các phương pháp đảm bảo EMC cho thiết bị VTĐT của các tác giả
trong và ngoài nước, 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 phương án
nghiên cứu của luận án.
Chương 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 trưng 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.
Chương 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 dưới 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

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP ĐÁNH GIÁ VÀ ĐẢM
BẢO EMC CHO THIẾT BỊ VÔ TUYẾN
1.1. Khái niệm và các đặc trưng 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].
Theo tổng kết về các vấn đề liên quan đến tương thích điện từ trường
(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
được 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 được 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 hướng khác nhau
do sự đòi hỏi của việc phát triển các linh kiện điện tử sử dụng công nghệ mới,
nguồn nuôi thấp, kích thước nhỏ, bố trí mật độ cao trên một diện tích hạn chế, vi
mạch hóa, mô đun hóa theo chức năng, môi trường ứng dụng đa dạng. Chính vì
vậy, việc đánh giá thiết bị điện tử trên quan điểm tương 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 như độ nhạy của thiết bị điện tử
đối với tác động của nhiễu. Khi đó các đặc trưng của EMC có thể được xác định
trong dải tần 0 đến 400 GHz. Biểu đồ minh họa mối liên kết các khái niệm về
EMC được 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

Tương thích điện từ (EMC)

Bức xạ điện từ (EMI)

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

Các nhiễu
bức xạ :
- Điện trường;
- Từ trường;
- Điện từ
trường.

Độ nhạy cảm điện từ (EMS)

Tính ổn định
với các nhiễu
dẫn:
- Dòng nhiễu;
- Điện áp
nhiễu

Tính ổn định
với các nhiễu
bức xạ :
- Điện trường;
- Từ trường;
- Điện từ
trường.

Hình 1.1. Các khái niệm chính về tương thích điện
từ Trường điện từ
Theo định nghĩa [1], thì trường điện từ là trạng thái đặc biệt của vật chất,
nhờ có nó mà các hạt mang điện có thể tương tác được với nhau. Các nguyên
nhân vật lý của sự tồn tại trường điện từ liên quan đến hiện tượng điện trường E
thay đổi theo thời gian sẽ sinh ra từ trường H và từ trường biến đổi sinh ra điện
trường xoáy; cả hai thành phần E và H thay đổi không ngừng và trường nọ sinh
ra trường kia. Trường điện từ liên quan đến hạt mang điện (đứng yên hay chuyển
động). Khi các hạt tích điện chuyển động nhanh dần thì trường điện từ 'tách
khỏi" chúng và tồn tại độc lập dưới 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 được đặc trưng bởi bước sóng, ký hiệu là λ .
Nguồn, vốn phát ra bức xạ, tạo ra các dao động điện từ, được đặc trưng bởi tần
số f.


8

Đặc điểm quan trọng của trường điện từ là sự phân chia nó thành hai loại
trường vùng "gần" và vùng "xa". Trong vùng "gần" (hay còn gọi là vùng cảm
r < 3λ

ứng), ở cự ly

trường điện từ có thể được 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 chưa được hình thành. Để đặc trưng cho trường
điện từ, các phép đo điện trường xoay chiều và từ trường xoay chiều được thực
hiện một cách tách biệt. Trường trong vùng cảm ứng được dùng để tạo thành
phần động của trường (sóng điện từ), là nguồn gốc sinh ra bức xạ. Hình 1.2 đưa
ra 3 trường hợp về sự thay đổi của trở kháng sóng Z=E/H theo r, với đường 1, 2 là
trường vùng gần, đường 3 ứng với trường xa.
Z, Ω
104

2

103

3

377
102

1 Trường vùng gần

10

Trường vùng xa
(2π/λ)r

0,05

0,1

0,2

0,5

1

2

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, người ta chỉ đo E. Đối với trường điện từ ở tần số trên 300 MHz, người ta
thường đo mật độ dòng năng lượng điện từ hay vector Poiting (được ký hiệu
bằng chữ S, đơn vị đo là W / m2 ).
Nhiễu điện từ
Các nhiễu điện từ xuất hiện từ các hiện tượng tự nhiên hay do các quá
trình kỹ thuật. Ví dụ nhiễu tự nhiên có thể là hiện tượng 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 trưng cảm ứng (dưới dạng dòng điện
hay điện áp trong dây dẫn) hay đặc trưng bức xạ (dưới tác động của điện trường
xoay chiều).
Các dạng biễu diễn tín hiệu nhiễu:
Các nhiễu có đặc trưng tuần hoàn hay không tuần hoàn trong khoảng thời
gian xác định có thể được biểu diễn bằng toán học dưới 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
Dải rộng

Các nhiễu không tuần hoàn
Dải hẹp
Dải rộng

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 trưng 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

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) được hiểu là tập hợp tất cả các
loại bức xạ được tạo thành do sự hoạt động đồng thời của các phương 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 lượng và số lượng 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
đưa 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 đưa ra mô hình đánh giá độ bền của máy thu vô
tuyến dưới tác động của nhiễu điện từ mạnh, giúp cho việc xác định các tác động
của nhiễu điện từ được 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


11

ích trên nền N nguồn bức xạ từ các HTVT khác, trong trường hợp này gọi là N
nguồn nhiễu. Máy thu cần phải tách tín hiệu có ích từ tập hợp nhiễu trên. Cơ sở
cho việc tách tín hiệu là sự khác nhau của các tham số tín hiệu và tham số nhiễu.
Các tham số tín hiệu được chia thành tham số năng lượng và tham số phi năng
lượng. Mỗi tín hiệu có thể là tập hợp các tham số x1, x2, ..xn, mỗi giá trị này lại
có một miền tương ứng Dx1, Dx2, ..Dxn. Như vậy nguồn nhiễu có thể được biểu
diễn dưới dạng một điểm bên trong hình hộp n chiều (hình 1.5) với các cạnh
Dx1, Dx2,..Dxn, tọa độ của điểm đó được xác định bởi các tham số (x1, x2,..xn).
Nếu trong vùng không gian này của máy thu có N nguồn nhiễu thì bên trong
hình hộp này sẽ tương ứng với N điểm.

x1

Dx2
N

D

x3

x3

Dx1

x2

(x1,x2,x3)
x3

Hình 1.5. Phân bố các điểm ngẫu nhiên bên trong hình hộp n chiều
Tọa độ của các điểm là ngẫu nhiên, mật độ của chúng không đều và được
minh họa bằng hàm mật độ phân bố n chiều wn(x1, x2,..xn) của các tham số x1,
x2,..xn. Trong thực tế các tham số x1, x2,..xn không phụ thuộc nhau do hai yếu tố
cơ bản sau:
-

Các tham số phi năng lượng không phụ thuộc nhau theo môi trường vật lý và
theo phương pháp hình thành;
-

Miền thay đổi của các tham số được xem là hẹp Dx << x.