(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 TRƢỜNG NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐÁNH GIÁ VÀ ĐẢM BẢO TƢƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ TRƢỜNG CHO CÁC THIẾT BỊ VƠ TUYẾN ĐIỆN TỬ LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội - 2020 luan an iv BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHỊNG HàVÀ NộiCƠNG - 2020NGHỆ QN SỰ VIỆN KHOA HỌC 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 điện tử Mã số: 44 01 05 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS HỒ QUANG QUÝ PGS TS BÙI VĂN SÁNG Hà Nội - 2020 luan an iiii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các nội dung, số liệu kết trình bày luận án hoàn toàn trung thực chƣa có tác giả cơng bố cơng trình khác, liệu tham khảo đƣợc trích dẫn đầy đủ Hà nội, ngày 02 tháng năm 2020 TÁC GIẢ LUẬN ÁN Nguyễn Đức Trƣờng luan an iiiv LỜI CẢM ƠN Luận án đƣợc thực Viện Khoa học Công nghệ quân sự/Bộ Quốc phịng Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Hồ Quang Quý, PGS.TS Bùi Văn Sáng, thầy tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ, trang bị phƣơng pháp nghiên cứu, truyền đạt kinh nghiệm, kiến thức khoa học kiểm tra, đánh giá kết suốt q trình nghiên cứu hồn thiện luận án Tôi xin trân trọng cảm ơn Viện Khoa học Cơng nghệ qn sự, Phịng Đào tạo/Viện KH CNQS, Viện Điện tử/ Viện KH CNQS sở đào tạo, Cục Tiêu chuẩn - Đo lƣờng - Chất lƣợng/BTTM tạo điều kiện thuận lợi, hỗ trợ, giúp đỡ tơi suốt q trình học tập, nghiên cứu thực luận án Tôi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành tới thầy, cơ, nhà khoa học, đồng nghiệp bạn bè thuộc Viện Khoa học Công nghệ quân sự, Viện Điện tử, Cục TC-ĐL-CL, Khoa Vô tuyến Điện tử/Học viện KTQS giúp đỡ, hỗ trợ nhiều thời gian qua Tôi xin dành lời cảm ơn đặc biệt đến gia đình, vợ, con, bạn bè, dịng họ, ngƣời đồng hành, động viên chỗ dựa mặt, giúp tơi vƣợt qua khó khăn để có đƣợc kết nhƣ ngày hơm TÁC GIẢ Nguyễn Đức Trƣờng luan an iii MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC BẢNG ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ x MỞ ĐẦU CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP ĐÁNH GIÁ VÀ ĐẢM BẢO EMC CHO THIẾT BỊ VÔ TUYẾN 1.1 Khái niệm đặc trƣng EMC thiết bị vô tuyến 1.1.1 Khái niệm chung 1.1.2 Đặc trƣng EMC thiết bị vô tuyến 1.2 Một số giải pháp đảm bảo EMC cho thiết bị vô tuyến 14 1.2.1 Giải pháp che chắn điện từ 15 1.2.2 Giải pháp ƣớc lƣợng khoảng cách 18 1.2.3 Các giải pháp khác 22 1.3 Các mơ hình đánh giá nhiễu thiết bị vô tuyến 24 1.3.1 Mơ hình thống kê cơng suất cực đại nhiễu 24 1.3.2 Một số mơ hình đánh giá khác 26 1.4 Nhận xét bàn luận giải pháp EMC cho thiết bị VTĐT 32 1.5 Bài toán xây dựng giải pháp đánh giá đảm bảo tƣơng thích điện từ trƣờng cho thiết bị vô tuyến 36 1.5.1 Đặt toán 36 1.5.2 Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu giới hạn toán 36 1.5.3 Phƣơng pháp, nội dung nghiên cứu hƣớng giải 37 1.6 Kết luận chƣơng 38 CHƢƠNG II ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO EMC KHI THIẾT KẾ THIẾT BỊ VÔ TUYẾN 39 2.1 Đề xuất giải pháp 39 2.1.1 Đặt vấn đề 39 luan an iv 2.1.2 Mơ hình thực 40 2.2 Phân tích giải pháp đề xuất 41 2.2.1 Giải pháp bọc kim 41 2.2.2 Giải pháp ƣớc lƣợng khoảng cách 47 2.2.3 Giải pháp kết hợp 49 2.3 Mô giải pháp đề xuất 50 2.3.1 Mô giải pháp bọc kim 50 2.3.2 Mô giải pháp ƣớc lƣợng khoảng cách 54 2.3.3 Mô kết hợp hai giải pháp 55 2.4 Thử nghiệm mạch thực tế 57 2.5 Đề xuất giải pháp đảm bảo EMC thiết kế thiết bị VTĐT 63 2.6 Kết luận chƣơng 66 CHƢƠNG III ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐÁNH GIÁ NGUỒN NHIỄU GẦN NHẤT THAY CHO TỔNG CÔNG SUẤT NHIỄU 68 3.1 Đề xuất giải pháp đánh giá nguồn nhiễu gần 72 3.1.1 Trƣờng hợp tất tín hiệu nhiễu hoạt động 77 3.1.2 Trƣờng hợp (k - 1) nguồn nhiễu gần bị loại bỏ 80 3.1.3 Loại bỏ phần (k - 1) nguồn nhiễu gần 83 3.1.4 Trƣờng hợp theo tổng công suất nhiễu 85 3.2 Ảnh hƣởng pha-đinh đến xác suất gián đoạn hoạt động 87 3.2.1 Ảnh hƣởng pha-đinh loại Rayleigh 87 3.2.2 Ảnh hƣởng pha-đinh chuẩn log pha-đinh kết hợp 92 3.2.3 Ảnh hƣởng lớp rộng phân bố pha-đinh 93 3.3 Kết luận chƣơng 95 KẾT LUẬN 97 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO 100 luan an v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT r Khoảng cách, [m] λ Bƣớc sóng, [m] Z Trở kháng sóng, [Ω] E Điện trƣờng, [V/m] H Từ trƣờng, [V/m] S Véc tơ Poiting, [W/m2] SE Hiệu che chắn, [dB] R Độ suy giảm phản xạ, [dB] A Độ suy giảm hấp thụ, [dB] B Độ suy giảm phản xạ nhiều lần, [dB] Dgh Bán kính hình trịn mơ hình mạng vơ tuyến, [m] Ncl số lƣợng cluster CSc Diện tích cluster, [m2] n Chỉ số suy hao sóng điện từ P2 Cơng suất tín hiệu đầu vào máy thu, [W] P1 Thế đƣờng vô tuyến, [W] Gth Hệ số khuếch đại anten thu Gph Hệ số khuếch đại anten phát N Số tín hiệu đầu vào Пmax cơng suất bề mặt, [W] Emax cƣờng độ điện trƣờng điểm thu, [V/m] Pmax cơng suất tín hiệu, [W] Petr Công suất xạ đẳng hƣớng tƣơng đƣơng (EIRP) , [W] Ptr Công suất cấp cho anten phát, [W] Ga Hệ số khuếch đại anten Cν Hằng số luan an vi Dim dải động tự xuyên điều chế, [m] Dds dải động tự máy thu, [m] Rmax Bán kính lớn nhất, [m]  ( , R) Hàm tọa độ cực  ( , , R) Hàm tọa độ cầu pk( N  V ) xác suất mà nguồn phát k rơi vào vùng thể tích  V N V Số nguồn phát xạ trung bình k Số nguồn phát xạ  độ từ thẩm tƣơng đối vật liệu  độ dẫn điện tƣơng đối vật liệu t độ dày lớp vỏ bọc kim, [cm] m Số chiều không gian da Tỉ số nhiễu tạp D Khoảng cách máy thu máy phát, [m] Dx1 Các miền thời gian, [s] V Thể tích, [m3] ΔV’ Vi phân thể tích, [m3] B(V ') Xác suất điểm thể tích, [%] N tb Số tín hiệu trung bình nằm dải thông Pthuc.te Công suất nhiễu thực tế, [W] Ptap Công suất tạp âm, [W] η Hệ số tạp tƣơng đƣơng Ptap Công suất tạp âm nội bộ, [W] P n  Cơng suất tín hiệu nhiễu, [W] Knkcy Hệ số nhiễu không cố ý ktg Hệ số chọn lọc thời gian luan an vii IC Vi mạch INR Tỉ số nhiễu tạp n Các số nguyên MT Máy thu vô tuyến MF Máy phát vô tuyến IEC Uỷ ban Kỹ thuật Điện Quốc tế CISPR Tƣơng thích điện từ - Yêu cầu thiết bị gia dụng, dụng cụ điện BTS Trạm thu phát sóng di động MS Trạm di động BS Trạm gốc CDMA Đa truy nhập phân chia theo mã TDMA Đa truy nhập phân chia theo thời gian VTĐ Vô tuyến điện EMC Tƣơng thích điện từ trƣờng EMI Bức xạ điện từ EMS Độ nhạy cảm điện từ PTVT Phƣơng tiện vô tuyến CCDF Hàm phân bố tích lũy NKCY Nhiễu khơng 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 lơ gic có lập trình BTTM Bộ tổng tham mƣu BQP Bộ Quốc Phòng luan an viii TEM Phƣơng pháp camera TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN/QS Tiêu chuẩn Quân Việt Nam MIL STAND Tiêu chuẩn quân Mỹ DS Trải phổ FH Nhảy tần EIRP Công suất xạ tƣơng đƣơng PCB Mạch in nhiều lớp không dẫn điện luan an 105 [48] Leland H Hemming,“Architectural Electromagnetic Shielding Handbook: A Design and Specification Guide”, The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., 1992 [49] “EMxpert EHX User Manual”, EMSCAN Tiếng Nga: [50] Михайлов, А.С Справочник по расчету электромагнитных экранов / А.С Михайлов – М : Энергоатом изд-во, 1988 – 244 с [51] Апорович А.Ф “Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств” Минск “Бестпринт” 2003 [52] Н.А Малков, А.П Пудовкин, “Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств”, Тамбов: Изд-во Тамб.гос техн ун-та, 2007 – 88 с – 100 экз – ISBN 978-5-8265-0659-2 [53] С.П Куксенко, А.М Заболоцкий, А.О Мелкозеров, Т.Р Газизов , “Новые Возможности Системымоделирования электромагнитной совместимости TALGAT”, Доклады ТУСУРа, № (36), июнь 2015 [54] Князев А.Д “Элементы Теории и Практики обеспепения Электромагнитной совместимое радиоэлетронных средсть” м, радио и свиязь, 1984 - 336 c [55] Егороь Е И , Калашникоь Н.И; Михайлоь А.С Использование “Радиочастотного спектра и Непреднамеренные Помехи” - М : радио и свиязь, 1983 - 400 с [56] Михайлоь А.С Измерение Параметров ЭМС РЭС - М ; свиязь, 1990 - 200 с [57] Гост 23611-79, “Совместимоеть радиоэлектронных средсть электромагнитная” Термины и определения [58] Волин М.Л “Паразитные професы в радиоэлектронной аппаратуре”, M: радио и свиязь, 1991 luan an 106 [59] Волошин В И “Метод приближенной оценки электрон - магнитной совместимоти комплеся радиосредсть”, - радиотехника, 1986, No11 [60] “Рдиотехника”, 2008, No4, 36-47 стр [61] “Радиотехника”, 2010, No6, 19-28 стр [62] “Радиотехника”, 2010, No7, 54-68 стр [63] Иванов, В.А Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств /В.А.Иванов, Л.Я.Ильинский, М.И.Фузик.-К.:Техника, 1983.120с [64] Князев, А.Д Элементы теории и практики электромагнитной местимости радиоэлектронных средств - М.Радио и связь, 1984.336 с luan an PHỤ LỤC Sơ đồ mạch nguồn mạch dao động Hình P1.1 Sơ đồ nguyên lý mạch dao động Hình P1.2 Sơ đồ mạch in mạch dao động luan an Hình P1.3 Sơ đồ mạch in 3D mạch dao động Hình P1.4 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn luan an Hình P1.5 Sơ đồ mạch in mạch nguồn Hình P1.6 Sơ đồ mạch in 3D mạch nguồn luan an PHỤ LỤC Các khối nhôm sử dụng để che chắn luan an PHỤ LỤC Các kết đo thử nghiệm Bảng P3.1 Dữ liệu đo mạch nguồn Tần số (MHz) Biên độ (dbμV) 57 72 10 62 15 55 20 48 27 71 30 74 50 56 Bảng P3.2 Dữ liệu đo mạch dao động Tần số (MHz) Biên độ (dbμV) 70 69 10 75 15 72 20 78 27 80 30 81 50 79 Bảng P3.3 Dữ liệu đo mạch nguồn đƣợc bọc kim Tần số (MHz) Biên độ (dbμV) 48 65 10 57 15 52 luan an 20 43 27 65 30 66 50 51 Bảng P3.4 Dữ liệu đo mạch dao động đƣợc bọc kim Tần số (MHz) Biên độ (dbμV) 62 64 10 71 15 66 20 73 27 72 30 75 50 71 Bảng P3.5 Dữ liệu đo mạch nguồn mạch dao động đặt cạnh không che chắn Tần số (MHz) Biên độ (dbμV) 72 84 10 72 15 70 20 78 27 81 30 86 50 73 luan an Bảng P3.6 Dữ liệu đo mạch nguồn mạch dao động đặt cách cm không che chắn Tần số (MHz) Biên độ (dbμV) 69 79 10 70 15 68 20 75 27 76 30 80 50 69 Bảng P3.7 Dữ liệu đo mạch nguồn mạch dao động đặt cách 5cm không che chắn Tần số (MHz) Biên độ (dbμV) 61 69 10 68 15 62 20 66 27 67 30 71 50 63 Bảng P3.8 Dữ liệu đo mạch nguồn mạch dao động đặt cách 10 cm không che chắn Tần số (MHz) Biên độ (dbμV) 55 60 luan an 10 56 15 57 20 55 27 58 30 62 50 52 Bảng P3.9 Dữ liệu đo mạch nguồn mạch dao động đƣợc bọc kim đặt cạnh Tần số (MHz) Biên độ (dbμV) 65 74 10 65 15 60 20 68 27 72 30 75 50 65 Bảng P3.10 Dữ liệu đo mạch nguồn mạch dao động đƣợc bọc kim đặt cách 10 cm Tần số (MHz) Biên độ (dbμV) 46 48 10 43 15 41 20 42 27 45 30 46 50 41 luan an PHỤ LỤC Các kết mô Phƣơng pháp bọc kim Bảng P4.1 đến bảng P4.4 thể liệu mô kiểm tra EMC CST với khoảng cách m theo tiêu chuẩn CISPR-22 với tín hiệu xạ điện từ không đƣợc che chắn với trƣờng hợp có lỗ hổng có kích thƣớc lần lƣợt cm x 1,5 cm, cm x cm cm x 0,5 cm (Hình 2.9) Bảng P4.1 Không che chắn Tần số (MHz) Cƣờng độ điện trƣờng (dBμV/m) 50 51,917 100 64,166 300 83,089 500 92,196 800 100,988 1000 105,334 Bảng P4.2 Hộp bọc kim có khe hở cm x 1,5 cm Tần số (MHz) Cƣờng độ điện trƣờng (dBμV/m) 50 7,258 100 27,968 300 56,618 500 69,098 800 79,883 1000 84,702 luan an 10 Bảng P4.3 Hộp bọc kim có khe hở cm x cm Tần số (MHz) Cƣờng độ điện trƣờng (dBμV/m) 50 -4,432 100 16,313 300 44,947 500 57,382 800 68,051 1000 72,732 Bảng P4.4 Hộp bọc kim có khe hở cm x 0,5 cm Tần số (MHz) Cƣờng độ điện trƣờng (dBμV/m) 50 -26,876 100 -6,135 300 22,484 500 34,891 800 45,493 1000 50,108 Bảng P4.5 đến P4.8 thể kết mô CST cƣờng độ điện trƣờng vị trí cách lớp vỏ hộp bọc kim cm trƣờng hợp che chắn sử dụng hộp bọc kim có kích thƣớc lỗ hổng cm x 1,5 cm, cm x cm cm x 0,5 cm (Hình 2.10) Bảng P4.5 Khơng che chắn Tần số (MHz) Cƣờng độ điện trƣờng (dBμV/m) 50 120,245 100 120,110 300 119,174 500 121,026 800 129,081 1000 133,681 luan an 11 Bảng P4.6 Hộp bọc kim có khe hở cm x 1,5 cm Tần số (MHz) Cƣờng độ điện trƣờng (dBμV/m) 50 69,819 100 76,039 300 87,236 500 93,633 800 99,954 1000 103,100 Bảng P4.7 Hộp bọc kim có khe hở cm x cm Tần số (MHz) Cƣờng độ điện trƣờng (dBμV/m) 50 58,096 100 64,316 300 75,504 500 81,874 800 88,105 1000 91,056 Bảng P4.8 Hộp bọc kim có khe hở cm x 0,5 cm Tần số (MHz) Cƣờng độ điện trƣờng (dBμV/m) 50 31,156 100 42,372 300 53,535 500 59,874 800 66,045 1000 69,935 luan an 12 Phƣơng pháp ƣớc lƣợng khoảng cách Bảng P4.10 thể liệu mơ tín hiệu điện từ theo khoảng cách khác nhau, từ cm, cm, cm,… đến 50 cm (Hình 2.12) Bảng P4.10 Cƣờng độ điện trƣờng (dBμV/m) theo khoảng cách Khoảng Tần số (MHz) cách (cm) 50 100 300 500 800 1000 156,588 156,585 156,555 156,498 156,386 156,345 148,444 148,434 148,336 148,159 147,881 147,957 142,080 142,061 141,869 141,547 141,330 142,178 136,862 136,831 136,523 136,078 136,520 138,794 132,455 132,409 131,971 131,494 133,360 136,919 128,649 128,586 128,014 127,689 131,517 135,703 125,304 125,222 124,526 124,628 130,150 134,754 122,322 122,219 121,425 122,269 129,213 133,930 10 119,632 119,507 118,661 120,514 128,439 133,180 15 109,101 108,854 109,229 116,302 125,483 130,082 20 101,364 101,055 105,218 114,161 123,258 127,723 30 87,371 90,803 102,522 110,704 119,829 124,743 50 83,610 88,669 98,679 104,756 112,962 118,821 Kết hợp phƣơng pháp Bảng P4.11 thể cƣờng độ điện trƣờng nguồn xạ nằm hộp bọc kim gây đo lớp vỏ hộp bọc kim thứ khoảng cách d luan an 13 thay đổi từ cm, cm, 10 cm 15 cm (với lỗ hổng khe hở vỏ) (Hình 2.14) Bảng P4.11 Cƣờng độ điện trƣờng (dBμV/m) kết hợp phƣơng pháp Khoảng Tần số (MHz) cách (cm) 50 100 300 500 800 1000 57,422 63,699 75,265 81,885 88,360 91,661 52,368 58,654 70,271 76,924 83,430 86,726 10 47,252 53,682 66,116 73,268 79,921 82,874 15 43,011 49,187 61,565 68,863 75,823 78,721 119,174 121,026 129,081 133,681 Không che chắn 120,245 120,110 luan an ... khoảng cách khối Đề xuất giải pháp đánh giá, đảm bảo EMC cho thiết bị vô tuyến, xây dựng mô hình đánh giá đảm bảo tƣơng thích điện từ tiến hành thiết kế, chế tạo thiết bị vô tuyến 2) Đề xuất giải pháp, ... vô tuyến để xác định phƣơng pháp đánh giá đơn giản, thích hợp Đối tƣợng nghiên cứu luận án Luận án sâu nghiên cứu, phân tích giải pháp đánh giá, đảm bảo EMC cho khối thiết bị vô tuyến, đánh giá. .. Xuất phát từ lý trên, nghiên cứu sinh chọn đề tài cho luận án tiến sĩ ? ?Nghiên cứu giải pháp đánh giá đảm bảo tƣơng thích điện từ trƣờng cho thiết bị vô tuyến điện tử? ?? Kết nghiên cứu luận án đóng