Nghiên cứu phòng đo không phản xạ cho bức xạ điện từ

..

Lời cam đoan
Tơi xin cam đoan những gì được viết trong luận văn này là do sự tìm hiểu và

nghiên cứu của bản thân. Mọi kết quả nghiên cứu cũng như ý tưởng của các tác giả
khác, nếu có đều được trích dẫn từ nguồn gốc cụ thể.
Luận văn này cho đến nay chưa được bảo vệ tại bất kỳ một hội đồng bảo vệ
luận văn thạc sỹ nào và chưa được công bố trên bất kỳ một phương tiện thơng tin
nào.
Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về những gì mà tơi đã cam đoan trên đây.
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2015
Tác giả luận văn

Nguyễn H n Quân

2


Lời cảm ơn
Sau thời gian nghiên cứu và làm việc nghiêm túc, khẩn trương với sự giúp đỡ
hướng dẫn tận tình của TS. Phạm Thành Cơng cùng với sự chỉ bảo của các thầy,
cô trong viện điện tử viễn thông - đại học bách khoa hà nội. Luận văn “Nghiên cứu
phịng đo khơng phản xạ cho bức xạ điện từ” đã cơ bản hồn thành.
Tơi xin chân thành cảm ơn TS. Phạm Thành Cơng đã trực tiếp hướng dẫn
tơi hồn thành luận văn này.
Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể thầy, cô giáo trong viện
điện tử - viễn thông, viện đào tạo sau đại học - đại học bách khoa hà nội, đã tạo mọi
điều kiện tốt nhất cho tôi nghiên cứu, thực hiện, để hoàn thành luận văn đúng tiến
độ, cùng tập thể bạn bè đồng nghiệp đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tham gia đóng
góp nhiều ý kiến quý báu cho tác giả từ những công việc đầu tiên và trong suốt thời

gian nghiên cứu và hoàn thành luận văn này.
Tuy đã rất nỗ lực phấn đấu, nhưng do thời gian có hạn vì vậy luận văn khơng
tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế. Tác giả mong nhận được những ý kiến đóng
góp, bổ sung của hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp và bạn đọc để luận văn được
hoàn thiện hơn.
Tôi xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2015

3


Mục lục
Lời cam đoan….. ......................................................................................................... 2
Lời cảm ơn……. ......................................................................................................... 3
Mục lục………............................................................................................................ 4
Danh mục hình ảnh ..................................................................................................... 6
Mở đầu………… ........................................................................................................ 7
CHƯƠNG 1 -

Tổng quan về bức xạ điện từ ............................................................ 8

1.1

Sóng điện từ ................................................................................................... 8

1.2

Nguyên lý bức xạ sóng điện từ ...................................................................... 8

1.3

Vận tốc truyền lan sóng điện từ ................................................................... 10

1.4

Hệ phương trình maxwell ............................................................................ 15

CHƯƠNG 2 -

o đạc bức xạ sóng điện từ ............................................................ 21

2.1

Nguyên lý đo bức xạ điện từ ....................................................................... 21

2.2

Các tiêu chuẩn tương thích điện từ .............................................................. 21

2.3

hương thức đo bức xạ điện từ .................................................................... 24

2.3.1

Các thiết bị đo đạc ................................................................................24

2.3.2

Quy trình đo đạc ...................................................................................28

2.3.2.1

iều kiện thử nghiệm .....................................................................28

2.3.2.2

Thực hiện đo đạc ............................................................................29

CHƯƠNG 3 3.1

Thiết kế ph ng đo không phản xạ .................................................. 31

Các vật liệu hấp thụ sóng điện từ ................................................................ 32

3.1.1

Vật liệu polyme .....................................................................................32

3.1.2

Chất hấp thụ sợi thép đa tinh thể ..........................................................33

3.1.3

Vật liệu chiral........................................................................................33

3.1.4

Vật liệu tàng hình thơng minh ..............................................................33

3.1.5

Sơn tàng hình ........................................................................................33

3.1.6

Vật liệu nano .........................................................................................34

4


3.2

Cấu trúc ph ng đo không phản xạ ............................................................... 36

3.3

Các thiết bị sử dụng trong ph ng đo không phản xạ ................................... 40

3.3.1

Nguồn....................................................................................................40

3.3.2

Bộ thu ....................................................................................................41

3.3.3

Bộ cảm biến trường ..............................................................................42

3.3.4

Anten .....................................................................................................43

3.3.5

Các dụng cụ hỗn hợp ............................................................................47

3.4

Ch n sóng cho ph ng đo ............................................................................. 50

3.5

ề xuất mẫu ph ng đo không phản xạ ........................................................ 54

Kết luận……….. ....................................................................................................... 55
Tài liệu tham khảo ..................................................................................................... 56

5


Danh mục hình ảnh
Hình 1.1 ví dụ về mạch dao động tập trung ................................................................9
Hình 3.1 NSA trong một phịng ốp gỗ tồn bộ các mặt (phân cực ngang) ...............37
Hình 3.2 lược đồ một ph ng đảo mode hoặc một phòng dội âm ..............................37
Hình 3.3 anten thu a và sơ đồ tương đương thevenin của anten (b) ......................44
Hình 3. cặp anten (a) và 2 cổng anten tương đương của anten (b) .........................45

Hình 3. sơ đồ một mạch ổn định trở kháng đường dây lisn cơ bản. iện trở rn
biểu thị trở kháng đầu vào 0Ω ..............................................................................48
Hình 3. phát xạ truyền dẫn trong động cơ 3 pha .....................................................49
Hình 3. hồi đáp tần số của một quy mô băng thông 1-ghz với tỉ lệ mẫu 4-ghz ......50
Hình 3.

mơ hình kiểm tra cơ bản trong một phòng ch n .......................................52

6


Mở đầu
Ngày nay, trước sự phát triển của các ngành công nghiệp mà đặc biệt là
ngành công nghiệp điện tử, con người đã tạo ra rất nhiều các thiết bị, sản phẩm điện
tử thông minh phục vụ đời sống sinh hoạt và làm việc của họ. Tuy nhiên, điều đó
cũng đặt ra nhiều thách thức trong lĩnh vực đo và kiểm tra những bức xạ sóng điện
từ phát ra từ những thiết bị này. Việc đo kiểm phát hiện những bức xạ sóng điện từ
ngồi ý muốn là điều hết sức quan trong, nó giúp loại bỏ nhiễu tạp đảm bảo cho các
thiết bị hoạt động ổn định và đạt độ chính xác cao. Và để đạt được điều đó, người ta
cần nghiên cứu và chế tạo ra các ph ng do ch n sóng điện từ, nhằm loại bỏ một
phần hay hoàn toàn các yếu tố ngoại lai gây ảnh hưởng đến các thông số của phép
đo, cũng như đảm bảo các tiêu chuẩn về tương thích điện từ nhằm thu đươc kết quả
tốt nhất. Ứng dụng của ph ng đo khơng phản xạ sóng điện từ được sử dụng rất rộng
rãi trong cuộc sống, trong nhiều lĩnh vực khác nhau như khoa học, kinh tế hay an
ninh quốc ph ng... Từ những nhu cầu thực tiễn nêu trên, tác giả đã nghiên cứu để có
thể cung cấp những thông tin cần thiết cho phép đưa ra những lựa chọn tối ưu đối
với các kiểu ph ng ch n sóng điện từ. h ng đo sau khi hồn thiện phải được kiểm
tra để đảm bảo đạt được đúng hiệu suất mong muốn. Hay đơn giản như chỉ ra những
điểm khác nhau về hiệu suất hoạt động giữa các loại ph ng ch n sóng điện từ khác
nhau để đưa ra những lựa chọn đúng đ n nhất.

Chính vì vậy, việc chọn đề tài “Nghiên cứu phịng đo khơng phản xạ cho
bức xạ điện từ” nhằm giải quyết những yêu cầu, bài toán thực tế đặt ra là hết sức
cần thiết.

7


CHƯƠNG 1 - Tổn quan về bức xạ điện từ
1.1

n điện từ
Bức xạ điện từ (hay s n điện từ là sự kết hợp nhân vector của dao

động điện trường và từ trường vng góc với nhau, lan truyền trong khơng gian
như sóng. Sóng điện từ cũng bị lượng tử hố thành những "đợt sóng" có tính chất
như các hạt chuyển động gọi là photon.
Biểu diễn toán học về từ trường và điện trường sinh ra từ một nguồn biến đổi
chứa thêm các phần mô tả về dao động của nguồn, nhưng xảy ra sau một thời gian
chậm hơn so với tại nguồn.

ó chính là mơ tả tốn học của bức xạ điện từ. Tuy

trong các phương trình maxwell, bức xạ điện từ hồn tồn có tính chất sóng, đặc
trưng bởi vận tốc, bước sóng hoặc tần số , nhưng nó cũng có tính chất hạt.
Sóng điện từ di chuyển hay truyền theo hướng vng góc với hướng dao
động của cả vectơ điện trường E và từ trường B , mang năng lượng từ nguồn bức
xạ đến đích ở xa vơ hạn. Hai trường năng lượng dao động vng góc với nhau như
minh họa trên hình 2 và dao động cùng pha theo dạng sóng sin tốn học. Các vectơ
điện trường và từ trường khơng chỉ vng góc với nhau mà c n vng góc với
phương truyền sóng.

1.2 N u n l bức xạ s n điện từ
Về nguyên lý, bất kỳ hệ thống điện từ nào có khả năng tạo ra điện trường
hoặc từ trường biến thiên đều có khả năng bức xạ sóng điện từ. Tuy nhiên trong
thực tế sự bức xạ sóng điện từ chỉ xảy ra trong những điều kiện nhất định.
ể ví dụ ta xét một mạch dao động có kích thước rất nhỏ so với bước sóng.
Nếu đặt vào mạch một sức điện động biến đổi thì trong khơng gian của tụ điện sẽ
phát sinh một điện trường biến thiên, c n trong không gian của cuộn cảm sẽ phát
sinh một từ trường biến thiên. Những điện trường, từ trường này hầu như không bức
xạ ra ngoài mà bị ràng buộc bởi các phần tử trong mạch. D ng điện dịch chuyển
qua tụ điện theo đường ng n nhất trong không gian giữa hai má tụ điện nên năng

8


lượng điện trường bị giới hạn trong khoảng không gian ấy. C n năng lượng từ
trường tập trung chủ yếu trong một thể tích nhỏ trong l ng cuộn cảm. Năng lượng
của cả hệ thống sẽ được bảo toàn nếu khơng có tổn hao nhiệt trong các dây dẫn và
điện mơi của mạch.
Nếu mở rộng kích thước của tụ điện hình 1. b thì d ng điện dịch sẽ khơng
chỉ dịch chuyển trong khoảng không gian giữa hai má tụ điện mà một bộ phận sẽ
lan tỏa ra môi trường ngồi và có thể truyền tới những điểm nằm cách xa nguồn
nguồn điện trường là các điện tích biến đổi trên hai má tụ điện).
Nếu mở rộng hơn nữa kích thước của tụ điện hình 1. c, d thì d ng điện
dịch sẽ lan tỏa ra càng nhiều và tạo ra điện trường biến thiên với biên độ lớn hơn
trong khoảng khơng gian bên ngồi. Khi đạt tới một khoảng cách khá xa nguồn,
chúng sẽ thoát khỏi sự ràng buộc với nguồn, nghĩa là không c n liên hệ với các điện
tích trên hai má tụ điện nữa. Thật vậy, nếu ta quan sát các đường sức điện trường ở
gần tụ điện thì thấy chúng khơng tự khép kín mà có điểm b t nguồn là các điện tích
trên hai má tụ điện. Do đó giá trị của điện trường ở những điểm nằm trên đường sức

ấy sẽ biến thiên đồng thời với sự biến thiên của điện tích trên hai má tụ điện.

n 1.1 ví dụ về mạc dao động tập trung

9


Nhưng nếu xét một điểm m cách xa nguồn thì có thể thấy rằng tại một thời
điểm nào đó, điện trường tại m có thể đạt một giá trị nhất định trong lúc điện tích
trên hai má tụ điện biến đổi qua lại giá trị 0. Khi ấy các đường sức điện trường sẽ
không c n ràng buộc với các điện tích nữa mà chúng phải tự khép kín trong khơng
gian, nghĩa là đã hình thành một trường xốy. Theo quy luật của điện trường biến
thiên thì điện trường xốy sẽ tạo ra một từ trường biến đổi, từ trường này sẽ tiếp tục
tạo ra một điện trường xoáy, nghĩa là đã hình thành một q trình sóng điện từ.
hần năng lượng thốt ra ngồi và truyền đi trong khơng gian tự do được gọi
là năng lượng bức xạ hay năng lượng hữu công. hần năng lượng điện từ ràng buộc
với nguồn sẽ dao động ở gần nguồn, không tham gia vào việc tạo thành sóng điện
từ, được gọi là năng lượng vô công.
Ta nhận thấy rằng, một hệ thống bức xạ điện từ có hiệu quả là một hệ thống
mà trong đó điện trường hoặc từ trường biến thiên có khả năng thâm nhập được
nhiều vào khơng gian bên ngoài.

ể tăng cường khả năng bức xạ của các hệ thống,

ta cần mở rộng hơn nữa không gian bao trùm của các đường sức điện trường.
Dipole hertz là một cấu trúc bức xạ có hiệu quả. Nó được hình thành từ các hệ
thống điện từ nói trên với sự biến dạng hai tấm kim loại của tụ điện thành hai đoạn
dây dẫn mảnh và hai quả cầu kim loại ở hai đầu. Dipole hertz là một trong các
nguồn bức xạ đơn giản nhất và là phần tử để cấu trúc thành các anten dây phức tạp.

1.3 Vận tốc tru ền lan s n điện từ
Giả sử sóng điện từ truyền lan trong môi trường không tổn hao. Trong chế độ
dao động điều h a, giá trị tức thời của một trong các thành phần bất kỳ của vectơ E
hoặc H trên trục của hệ toạ độ vng góc sẽ có dạng:

 k  Aei (t  z )

(1.1)

Trong đó:
là tần số góc, ω = 2πf với f là tần số;
β là hệ số pha

10


đây, trục z được coi là hướng truyền sóng. Từ 1.1 ta thấy sự biến đổi pha
của trường dọc theo hướng truyền sóng được xác định bởi đại lượng ω – βz .
Từ đây ta xác định được vận tốc pha của sóng:

vf 

dz
dt

(1.2)

Như đã biết vận tốc pha chỉ đặc trưng cho quan hệ pha của các dao động điều
h a tại các điểm khác nhau của không gian khi các dao động ấy đã được sinh ra và
xác lập ở mọi nơi.

Giả sử ở điểm z = 0 có tín hiệu biến đổi theo thời gian với quy luật f t .
Khảo sát ở các điểm khác nhau trên trục z, khi t > 0, tín hiệu ấy có dạng như
thế nào. Nói cách khác, ta sẽ xác định hàm f t,z nếu biết hàm f t,0 và biết các đặc
tính của mơi trường mà sự truyền sóng xảy ra trong đó.
Áp dụng tích phân fourier:
1
f (t ,0) 
2



 A()e

it

d 



1



A( )e


it

d

(1.3)

0

Trong đó:
A ω là mật độ phổ của hàm f t
Theo 1.3 , hàm f t,0 là tổng của vô số các dao động điều h a với tần số ω

1
và biên độ 

A( )d
.

Nhưng khi dao động truyền lan dọc theo trục z, mỗi thành phần

1



A( )eit d

1

tương ứng với một sóng 

A( )ei (t   z ) d

.

Vì vậy hàm f t,z ở mỗi thời điểm bất kỳ của trục z có thể được biểu thị dưới
dạng:
f (t , z ) 

1



A( )e

0

i ( t   z )

d

; z≥0
11

(1.4)


Ta thấy rằng sự truyền tín hiệu theo một hướng cho trước có liên quan đến sự
lan truyền của tất cả các thành phần điều hồ của nó.
Vì hệ số pha β = 2π/λ là hàm số của tần số, nghĩa là β = β ω , nên tích phân
theo ω trong 1.
f (t , z ) 

có thể chuyển thành tích phân theo β.


1

Re  A(  )ei[ (  )t   z ) d 



(1.5)

0

Giả sử phổ thực của tín hiệu được giới hạn bởi các tần số min  0   và

0 ( 0 là tần số trung bình của phổ . Khi đó tích

max  0   , ngoài ra 

sẽ được lấy trong khoảng 0      0   , cịn tích phân

phân trong 1.

sẽ được lấy trong khoảng 0      0   , ở đây

trong 1.

0 

trị trung bình ứng với tần số trung bình 0 và vận tốc pha ở tần số ấy, 
đó 1.

0
v0 là giá

0 . Do

có dạng:
f (t , z ) 

1



0 

Re

  A( )e


i [ (  ) t   z )

d

0 

(1.6)

coi ω như hàm số của biến β, ta hãy khai triển chuỗi ω β thành chuỗi lũy
thừa theo   0 .

 (  )  0 

d
d

(    0 )  ...
0

Sau đó thay 1.

(1.7)
vào 1. . Với khoảng cách phân tích nhỏ, có thể chỉ cần

lấy hai số hàng đầu trong dãy khai triển 1. . Khi ấy tích phân 1.
f (t , z ) 

1



0 

Re



A(  )e





d


i 0 
(   0 )  t [ 0  (   0 )] z 
d



0





0 

 d

 


i
(   0 ) t (   0 ) z 
 i (0  0 z ) 0

d

0



 Re e
A(  )e
d 

 
0 




1

12

d

sẽ trở thành:


d
d
đây, d  0 là đạo hàm d  tại   0 .
Tiếp theo, ta đưa biến số tích phân mới     0 sẽ nhận được:
 d





i
t  z 
 i (0  0 z )

d

0


f (t , z )  Re e
A( )e
d 








1

Giả thiết A( ) là hàm liên tục, biến đổi chậm. Khi đó trong khoảng nhỏ

[ ,  ] nó có thể được coi là hằng số, bằng A( 0 ) . Trong trường hợp này:
 d





i
t  z 
 i (0  0 z )

 d 0

f (t , z )  Re e
A
(

)
e
d










1

 d 
 
sin 
t  z   
2

 
 d  0
 A(  0 )
cos(0t   0 z  0 )
d

tz
d 0

(1.8)

Trong đó:

0 là argumen của số phức A( 0 )
Vì  nhỏ nên hàm số:

 d 
 
sin 
t  z   
2
 
 d  0
F (t , z )  A(  0 )
d

tz
d 0

(1.9)

Sẽ là hàm biến đổi chậm theo biến số t và z. Vì vậy, có thể coi hàm số này là
biên độ của sóng cos(0t  0 z  0 ) . Với z = const, hàm f t,z sẽ là đường bao của
tín hiệu f t,z có phổ hẹp.

13


Từ 1.9 khi tăng thời gian, đường bao sẽ dịch chuyển theo trục z và cực đại

d
tz0
d

0
tại điểm
.
Vận tốc chuyển động theo trục z của cực đại này bằng:

vnh 

d
d

  0

(1.10)

vnh là vận tốc nhóm. Nó xác định vận tốc truyền lan của nhóm sóng hợp
thành tín hiệu.

Bây giờ, ta tìm quan hệ giữa vận tốc pha và vận tốc nhóm:

d  


d d   

dv f

 
2

d
d

Suy ra:

vnh 

d

d

vf
1

 dv f
v f d

(1.11)

dv f

Nếu vận tốc pha khơng phụ thuộc tần số: d

0

thì

vnh  v f

Trong vật lý, sự phụ thuộc của vận tốc pha với tần số dao động được gọi là
sự tán tần, c n mơi trường mà trong đó có xảy ra hiện tượng này được gọi là môi
trường tán tần.
Hệ thống định hướng mà chúng ta đang xét cũng có đặc tính trên:

vf 

v
f 
1   nh 
 f 

2

(1.12)

C n hệ số pha:

14

f 
2
 m 
  k  k     
f 1   nh 
 
v
 a 
 f 
2

2

2
c

2

2

(1.13)

Áp dụng 1.10 hoặc 1.11 đối với vận tốc nhóm:
 f 
vnh  v 1   nh 
 f 

Và

2

(1.14)

v f vnh  v 2

Như vậy, trong mơi trường khơng có đặc tính tán tần thì tín hiệu có dạng bất
kỳ sẽ truyền lan với vận tốc v và dạng của tín hiệu khơng bị biến đổi.

1.4 Hệ phươn trình maxwell
Giả thiết quá trình biến đổi điều hoà theo thời gian, nghĩa là theo quy luật
sinωt, cosωt hoặc viết dưới dạng phức ejωt. Nếu biểu thị dưới dạng số phức thì vectơ
tức thời của cường độ điện trường:

 





it
E  Re Eeit  E cos(t ) hoặc E  Re Ee  E sin(t )

ối với dao động điện từ phức tạp, ta có thể coi nó là tổng của vô số các dao
động điều h a, nghĩa là có thể áp dụng phép phân tích fourier để biểu thị.
Coi môi trường khảo sát đồng hướng và đẳng hướng, phương trình maxwell
ở dạng vi phân được viết dưới dạng:
e
rot H  i p E  J 



rot E  i H


e

divE 



divH  0


(1.15)

Trong đó:

E là vectơ cường độ điện trường (v/m)

15


H là vectơ cường độ từ trường (a/m)

 

 p   1  j
hệ số điện thẩm phức của môi trường
 


Ε là hệ số điện thẩm tuyệt đối của môi trường (f/m), với môi trường
chân không    0 

109
(f/m)
36

Μ là hệ số từ thẩm của môi trường (h/m)
Σ là điện dẫn suất môi trường (si/m)
e

2
J là vectơ mật độ d ng điện (a/m )

 e là mật độ khối của điện tích (c/m3)
Biết rằng nguồn tạo ra trường điện từ là d ng điện và điện tích. Nhưng trong
một số trường hợp, để dễ dàng giải một số bài toán của điện động lực học, người ta
đưa thêm vào hệ phương trình maxwell các đại lượng d ng và từ tích. Khái niệm
d ng từ và từ tích chỉ có tính chất tượng trưng vì chúng khơng tồn tại trong thiên
nhiên.
Hệ phương trình maxwell khi khơng có d ng điện và điện tích nhưng có
d ng từ và từ tích ngồi sẽ được viết dưới dạng:



m
rot E  i H  J 


divE  0



m
divH 



rot H  i p E

(1.16)

Trong đó:
J

m

là vectơ mật độ d ng từ (v/m2)

 m là mật độ khối của từ tích (vb/m3)

16


So sánh hai hệ phương trình 1.1

và 1.1

ta thấy chúng có dạng giống

nhau và thực chất chỉ khác nhau về vị trí của các vectơ E và H . Chúng ta có thể

nhận được một trong hai hệ nếu đã biết được hệ kia bằng cách thực hiện phép đổi
lẫn sau:
E  H ; H  E
e

m

m

J  J ; J  J

e

(1.17)

 e   m ;  m   e
 

Trường trên bề mặt vật dẫn điện lý tưởng phải thoả mãn điều kiện bờ:

Et  0


H n  0
 e
 J s  n  H t

(1.18)

Trong đó:

E t là thành phần tiếp tuyến của vectơ cường độ điện trường trên bề
mặt vật dẫn;

H n là thành phần pháp tuyến của vectơ cường độ từ trường trên bề
mặt vật dẫn;

H t là thành phần tiếp tuyến của vectơ cường độ từ trường trên bề mặt
vật dẫn;
e

J s là vectơ mật độ d ng điện mặt (a/m);

n là vectơ pháp tuyến ngoài của bề mặt vật dẫn.
Theo nguyên lý đổi lẫn 1.1

ta thấy trường trên bề mặt của vật dẫn từ lý

tưởng phải thõa mãn các điều kiện bờ sau:

17


H t  0


E n  0
 m
 J s   n  E t

(1.19)

m

J s là vectơ mật độ d ng từ mặt (v/m)
Trong trường hợp tổng quát hệ phương trình maxwell được viết:
e
rot H  i p E  J 

m 
rot E  i H  J


e


divE 



m

divH 



(1.20)

e

ể giải hệ 1.1 , người ta đưa ra một vectơ trung gian là vectơ thế điện A .
Theo

trong hệ 1.1

ta có thể viết
e

H  rot A

(1.21)

Vectơ trường điện của hệ 1.1
1

e

E   j A 

e

có thể biểu thị qua A :
e

j p

(1.22)

graddiv A

m

ể giải hệ 1.1 , người ta đưa ra vectơ thế từ A . Theo 3 của hệ 1.1 :
m

E  rot A

(1.23)
m

Tương tự, vectơ trường từ của hệ 1.20 được biểu thị qua A :
m

H   j p A 

1

m

j

graddiv A

(1.24)

Trường hợp nguồn trường bao gồm cả nguồn điện và nguồn từ:
e

E   j A 

1
j p

e

m

graddiv A  rot A

18

(1.25)


1

m

H   j p A 

j

m

e

graddiv A  rot A

(1.26)

Thay các giá trị E và H nhận được ở trên vào hai phương trình đầu của
1.20 ta nhận được phương trình sóng của các véctơ thế điện và từ:
e

e

 A  k 2 A  J
m

m

e

 A  k A  J
2

(1.27)

m

đây:
 A  graddiv A  rotrot A

k    p 


v

là hệ số sóng v là vận tốc pha của sóng trong mơi

trường
Các biểu thức 1.2

là các phương trình sóng khơng đồng nhất. Lời giải của

chúng có dạng ở thế chậm:
e ,m

A



 ikr
e ,m e
1
J
dV
4 V
r

(1.28)

Trong đó:
e

m

R là khoảng cách từ điểm xác định A hoặc A đến điểm nguồn,
nghĩa là đến điểm có d ng điện hoặc d ng từ trong thể tích v;
e

m

eikr là số hạng biểu thị sự chậm pha của vectơ thế A hoặc A ở
khoảng cách r đối với nguồn. Trong đó kr là góc chậm pha, k gọi là hệ số
sóng.
ối với chân khơng:

k  k0 


c



2

0

Với:
C = 3.

(m/s) là vận tốc ánh sáng trong chân không;

19


0 là bước sóng trong chân khơng.
Nếu d ng điện hoặc d ng từ phân bố trên mặt s thì các thế chậm sẽ được tính
theo cơng thức:

e ,m

A

 ikr
e ,m e
1

JS
dS
4 S
r

(1.29)

Nếu d ng từ hoặc d ng điện phân bố theo đường l thì:
e ,m

A

 ikr
e ,m e
1

J
dl
4 l
r

(1.30)

Sau khi tính tích phân 1.29 , 1.30 sẽ xác định được các vectơ thế A . Thay
các kết quả ấy vào 1.2 , 1.2

sẽ xác định được các vectơ E và H của trường.

20


CHƯƠNG 2 - Đo đạc bức xạ s n điện từ
2.1 N u n l đo bức xạ điện từ
Mọi vật thể đều phát ra bức xạ điện từ, do dao động nhiệt của các phân tử
hay nguyên tử hoặc các hạt cấu tạo nên chúng, với năng lượng bức xạ và phân bố
cường độ bức xạ theo tần số phụ thuộc vào ở nhiệt độ của vật thể, gần giống bức xạ
vật đen. Sự bức xạ này lấy đi nhiệt năng của vật thể. Các vật thể cũng có thể hấp thụ
bức xạ phát ra từ vật thể khác; và quá trình phát ra và hấp thụ bức xạ là một trong
các quá trình trao đổi nhiệt.
Trên cơ sở nguyên lý về bức xạ điện từ người ta chế tạo ra các thiết bị thu
bức xạ điện từ dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.

2.2 C c ti u chu n tươn th ch điện từ
Tương thích điện từ emc - electromagnetic compatibility) là khả năng hoạt
động thoả đáng của thiết bị hoặc hệ thống trong môi trường điện từ và không tạo ra
nhiễu điện từ quá mức làm ảnh hưởng đến hoạt động đúng của thiết bị khác trong
mơi trường đó.
Tương thích điện từ là thuật ngữ chỉ rõ đặc tính mà những thiết bị điện, điện
tử, tin học có được khi chúng vận hành tốt trong mơi trường có sự hiện diện của các
thiết bị khác hoặc có tín hiệu nhiễu từ mơi trường xung quanh chúng tác động vào.
ể thực hiện được điều này, ta phải dùng những kỹ thuật để tránh những hiệu ứng
không mong muốn mà nhiễu có thể gây ra. Nghiên cứu về tương thích điện từ là tìm

các biện pháp kỹ thuật dùng để xử lý các đặc tính trên. Tương thích điện từ được
hiểu là:
- Khơng được gây ra nhiễu vượt quá mức độ cho phép đối với sự hoạt động
bình thường của thiết bị vơ tuyến điện tử khác.
- Bản thân thiết bị đó phải làm việc bình thường khi các nguồn tín hiệu khác
đã làm việc.

21


* Có thể định nghĩa 3 kiểu cơ sở trong việc tác động qua lại giữa các hệ
thống
- Hiệu ứng do thiết bị này sinh ra tác động lên thiết bị khác, hiện tượng giao
thoa bên trong cùng một hệ thống.
- Hiệu ứng do môi trường xung quanh sinh ra tác động lên thiết bị.
- Hiệu ứng do thiết bị sinh ra tác động lên môi trường.
* Lĩnh vực TT T bao gồm những vấn đề sau:
- Phân tích cơ học cho ra những hiệu ứng nhiễu.
- Nghiên cứu sự truyền của nhiễu do bức xạ hoặc truyền dọc theo các đường
dây kim loại nối với các thiết bị.
- ịnh nghĩa các kiểu ghép khác nhau giữa các hệ thống điện, điện tử, tin học.
- Xác định các điều kiện đối với các kiểu ghép.
- ánh giá những hậu quả thực tế của nhiễu khi thiết bị vận hành.
- Dự đốn những tình huống xảy ra nhiễu, trong đó một số thiết bị sẽ không
vận hành đúng theo chuẩn.
- Sự lọc nhiễu tần số hoặc thời gian.
- Những phương tiện cho phép các thiết bị hoạt động không bị ảnh hưởng
của nhiễu.
- Tổng hợp những thiết bị dễ bị ảnh hưởng của nhiễu.
- Thiết lập các tiêu chuẩn để đưa ra các giá trị giới hạn có thể chấp nhận

được đối với máy phát và máy thu.
Như vậy mục đích của TT T là mang lại sự tương thích về hoạt động của
một hệ thống nhạy cảm với môi trường trường điện từ của nó cũng như các hiện
tượng nhiễu loạn có thể sinh ra từ hệ thống, một phần của hệ thống hoặc bởi từ các
nguồn bên ngoài. Từ đó đưa ra cách xử lý vấn đề:
- ặc tính hóa nguồn nhiễu và xác định các trường nhiễu có thể gây ra bức xạ.

22


- Nghiên cứu các kiểu ghép giữa nguồn gây nhiễu và hệ thống bị nhiễu.
- Mô phỏng và thử nghiệm các hiện tượng trên và tìm các giải pháp kỹ thuật
bảo vệ.
các nước phát triển, việc quản lý tương thích điện từ được quy định rõ
ràng. Các nhà sản xuất thiết bị điện và điện từ phải đảm bảo các sản phẩm của họ
thoả mãn những yêu cầu về tiêu chuẩn TT T cho các sản phẩm được xuất đi.

ây

là biểu thị trách nhiệm của nhà sản xuất đối với thị trường. Tại thị trường chung
châu âu eec và efta, nếu một loại sản phẩm nào bị chê trách về tiêu chí chất lượng
TT T thì sản phẩm đó bị loại khỏi thị trường. ể có sự chấp thuận phù hợp với tiêu
chí TT T, sản phẩm được cơ quan có thẩm quyền kiểm nghiệm và cấp chứng chỉ
về đo thử kiểm nghiệm có 2 nội dung:
- o thử sự phát xạ emission : thử sự phát xạ như sơ đồ hình 3-1. Sóng điện
từ do bản thân thiết bị cần đo thử qua dây cáp nối tín hiệu hoặc dây cấp nguồn bức
xạ ra không gian. Các nhiễu này thường là nhiễu liên tục.
-

o thử sự chống nhiễu immunity : sơ đồ đo như hình 3-1. Trong đó thiết

bị cần đo, chịu tác động có sóng chấn tử do một nguồn tạo sóng phát ra.

Hình 2-1 sơ đồ đo độ phát xạ
Trước kia, các quy định TT T chỉ quan tâm đến sự phát xạ điện từ, vì nó là
nguồn gốc gây ra các vấn đề nhiễu. Tuy nhiên gần đây các ủy ban quản lý về emc
chú ý tới hầu hết các vấn đề của tính chống nhiễu do các hiện tượng quá độ d ng
điện và điện áp, hiện tượng phóng điện tự nhiên xung sét . Tuy nhiên, khơng có
mức chính xác của “tính chống nhiễu” để cho biết là bị hỏng hoặc vẫn bình thường.
Sự phát triển của công nghệ anten đ i hỏi mức năng lượng, sự phát xạ và độ
nhạy cảm của chúng đối với trường điện từ ngày càng tăng.

23

ối với các thiết bị có


chỉ tiêu kỹ thuật cao thì các anten tích hợp sử dụng ngày càng phải g n với các
nguyên lý hoạt động điện từ của thiết bị và chúng có ảnh hưởng đến vấn đề TT T
của hệ thống. Tần số hoạt động ngày càng tăng và thời gian xử lý chuyển tiếp ngày
càng ng n làm tăng mức và phạm vi phổ bức xạ. Linh kiện thì giảm kích thước
nhưng lại tăng các chức năng tích hợp, hỗn hợp tương tự và số làm cho độ nhạy
cảm giữa các thành phần tăng lên.
Do đó, ngày nay vấn đề TT T phải được đặt lên trước hết.

ể phát triển

công nghệ anten thì cần phải có kiến thức về trường điện từ, nguyên lý hoạt động
của anten, thuộc tính bức xạ, nhiễu RF, công cụ quản lý emc…

2.3 Phươn thức đo bức xạ điện từ
2.3.1 C c thi t b đo đạc
Các loại thiết bị sau được khuyến nghị sử dụng trong phép đo đạc:
- Buồng k ông p ản xạ: phải có kích thước phù hợp để duy trì được trường
đồng nhất theo kích thước liên quan đến thiết bị được kiểm tra EUT . Có thể sử
dụng các mặt hấp thụ phụ trợ để giảm phản xạ trong buồng đo khơng được phủ
hồn tồn bằng vật liệu hấp thụ.
- Các bộ lọc EMI: phải đảm bảo các bộ lọc này không được gây hiệu ứng
cộng hưởng phụ trên các đường dây nối tới nó.
- máy p át tín iệu RF: có băng tần đáp ứng được yêu cầu và cho phép được
điều biên bằng một sóng hình sin tần số 1 KHz với độ sâu điều chế 0 %. Máy phát
tín hiệu RF có thể được điều khiển bằng tay ví dụ tần số, biên độ, chỉ số điều chế ,
hoặc trong trường hợp là máy phát tổng hợp RF, máy phát phải có khả năng lập
trình theo các kích thước bước phụ thuộc tần số và lập trình theo thời gian dừng.
Nếu cần thiết có thể phải sử dụng các bộ lọc thông thấp hoặc các bộ lọc
thông băng để ngăn các ảnh hưởng của nhiễu hài.
- Các bộ k uếc đại cơng suất: để khuếch đại tín hiệu không điều chế hoặc
điều chế cung cấp cho thiết bị anten đến mức trường cần thiết. Các hài do bộ
khuếch đại công suất tạo ra phải đảm bảo là bất kỳ cường độ trường nào được đo
24


trong vùng trường đồng nhất tại mỗi tần số hài phải thấp hơn tối thiểu là

dB so

với cường độ trường tại tần số cơ sở.
- Các anten tạo trường: là các anten biconical, anten log periodic, anten horn
hoặc các anten phân cực tuyến tính có khả năng thoả mãn những yêu cầu về tần số.
- Bộ cảm biến trường đẳng ướng của bất kỳ bộ khuếch đại và bộ ghép

quang điện nào có đủ khả năng miễn nhiễm đối với trường được đo, và có đường
nối bằng sợi quang tới thiết bị chỉ thị bên ngồi buồng đo. Cũng có thể sử dụng
đường truyền tín hiệu khác với bộ lọc thích hợp. hụ lục I trình bày một phương
pháp hiệu chỉnh các đầu d trường E.
- T iết bị p ụ trợ để g i các mức công suất cần thiết đối với cường độ trường
theo yêu cầu và để điều khiển việc tạo ra mức cường độ trường đó cho phép thử.
Cần phải chú ý để đảm bảo miễn nhiễm đủ cho thiết bị phụ trợ.
Mô tả phương tiện thử
Do độ lớn của cường độ trường được tạo ra, nên các phép thử phải được thực
hiện trong buồng có vỏ ch n tuân thủ theo quy định của các luật quốc tế và quốc gia
khác nhau để không gây can nhiễu tới các hệ thống thông tin vô tuyến. Ngoài ra,
hầu hết các thiết bị đo được sử dụng để thu thập dữ liệu đều rất nhạy với trường
điện từ xung quanh khi tiến hành phép thử miễn nhiễm, nên buồng có vỏ ch n tạo ra
“hàng rào” cần thiết giữa EUT và thiết bị đo. hải đảm bảo rằng việc đấu nối đi dây
qua buồng có vỏ ch n làm suy giảm thoả đáng cả nhiễu dẫn và nhiễu phát xạ và duy
trì được tính ngun vẹn của cơng suất đáp ứng và tín hiệu của EUT.
Thiết bị thử bao gồm một buồng thử có vỏ ch n với lớp phủ chất hấp thụ,
buồng thử phải đủ lớn để chứa được EUT và vẫn cho phép kiểm soát được cường
độ trường. Các buồng thử bao gồm các loại buồng không phản xạ hoặc buồng bán
phản xạ cải tiến. Các buồng có vỏ ch n phải chứa được các thiết bị tạo trường, thiết
bị giám sát và thiết bị kích thích EUT.
Buồng khơng phản xạ thường ít có hiệu quả tại các tần số thấp nên phải đặc
biệt quan tâm đến tính đồng nhất của trường tại các tần số này.

25


Hình 2-2 ví dụ về p ương tiện thử
Hiệu chuẩn trường điện từ
Mục đích của việc hiệu chuẩn trường là đảm bảo tính đồng nhất của trường

trên mẫu thử để đảm bảo có kết quả thử chính xác. Tiêu chuẩn này sử dụng khái
niệm vùng trường đồng nhất UFA), UFA là một mặt phẳng thẳng đứng giả thuyết
của trường, trong đó sự chênh lệch là nhỏ và chấp nhận được. Trong một thủ tục
hiệu chuẩn trường thông thường, phải chứng minh khả năng của phương tiện thử
và thiết bị thử để tạo ra vùng trường đồng nhất này. Khi đó, có được cơ sở dữ liệu
để thiết lập cương độ trường theo yêu cầu phục vụ phép thử miễn nhiễm. Hiệu
chuẩn trường coi là đạt nếu các bề mặt riêng lẻ kể cả cáp của EUT nằm hoàn toàn
trong vùng bao phủ của UFA.
Thực hiện hiệu chuẩn trường mà không có EUT. Trong thủ tục này, xác định
được mối quan hệ giữa cường độ trường nằm trong UFA và công suất đặt vào
anten. Trong khi thử, tính được cơng st yêu cầu dựa vào mối quan hệ này và giá
trị cường độ trường mục tiêu. Hiệu chuẩn được coi là đạt nếu cấu hình phép thử
khơng thay đổi trong tồn bộ phép thử, vì vậy phải ghi lại các cấu hình hiệu chuẩn

26