(Luận án) Nghiên cứu giải pháp đánh giá và đảm bảo tƣơng thích điện từ trƣờng cho các thiết bị vô tuyến điện tử

KháiniệmvàcácđặctrƣngEMCcủathiếtbịvôtuyến

Kháiniệmchung

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 vàkhôngtạoranhiễuvƣợtquátiêuchuẩnquiđịnhđốivớicácthiếtbịkhác[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 choEMC trong kỹ thuật vô tuyến, không có lý thuyết chung về EMC cho mạch vôtuyến, thiết bị vô tuyến và hệ thống vô tuyến, mặc dù một vài nhánh của chúngđƣợc dùng chung Cơ sở của EMC cho mạch vô tuyến phải dựa trên kỹ thuậtmạch;lýthuyếtEMCchocácthiếtbịvôtuyếnphảixuấtpháttừlýthuyếtc ủacác thiết bị này Việc phân loại các bài toán EMC cũng nằm ở các mức độ khácnhau và cần đƣợc nghiên cứu kỹ trong kỹ thuậtvô tuyến Đây chính là lý do màcác nhà nghiên cứu về EMC vẫn tiếp tục theo đuổi theo nhiều hướng khác nhaudo 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, vimạch hóa, mô đun hóa theo chức năng, môi trường ứng dụng đa dạng Chính vìvậy, việc đánh giá thiết bị điện tử trên quan điểm tương thích điện từ càng cầnthiếthơnbaogiờhết.

Các khái niệm chính về EMC bao gồm tác động của các nhiễu bức xạ, cácnhiễu dẫn (vốn truyền lan theo dây dẫn), cũng nhƣ độ nhạy của thiết bị điện tửđốivớitácđộngcủanhiễu.KhiđócácđặctrƣngcủaEMCcóthểđƣợcxácđịnhtrong dải tần 0 đến 400 GHz Biểu đồ minh họa mối liên kết các khái niệm vềEMC đƣợc trình bày trên hình 1.1 cho chúng ta thấy một cách trực quan, rõ rànghơn về các thành phần EMC trong các thiết bị vô tuyến điện tử, hệ thống thôngtin,mạngdiđộng.

Bứcxạđiệntừ(EMI) Độ nhạycảm điện từ(EMS)

Tính ổn địnhvới các nhiễudẫn:

Tính ổn địnhvới các nhiễubứcxạ:

Hình1.1.Cáckháiniệmchính vềtương thích điệntừ 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 nguyênnhânvậtlýcủasựtồntạitrườngđiệntừliênquanđếnhiệntượngđiệntrườngEthay đổi theo thời gian sẽ sinh ra từ trường H và từ trường biến đổi sinh ra điệntrường xoáy; cả hai thành phần E và

H thay đổi không ngừng và trường nọ sinhra trường kia Trường điện từ liên quan đến hạt mang điện (đứng yên haychuyển 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 đikhi không còn nguồn (thí dụ, sóng vô tuyến không mất đi khi dòng trong antenphátranó khôngcòn).Cácsóngđiệntừđƣợcđặc trƣngbởi bướcsóng,kýhiệu là N g u ồ n , v ố n p h á t r a b ứ c x ạ , t ạ o r a c á c d a o đ ộ n g đ i ệ n t ừ , đ ƣ ợ c đ ặ c t r ƣ n g bởi tần sốf. Đặcđiểmquantrọngcủatrườngđiệntừlàsựphânchianóthànhhailoạitrườngvùng

"gần"vàvùng"xa".Trongvùng"gần"(haycòngọilàvùngcảm ứng),ởcựly r  3  trườngđiệntừcóthểđượccoiởtrạngtháitĩnh.Tạiđó,nó nhanhchóngsuyyếutheokhoảngcách,tỷlệnghịchvới r 2 hay r 3 Trongvùng gần của bức xạ, sóng điện từ chƣa đƣợc hình thành Để đặc trƣng cho trườngđiện từ, các phép đo điện trường xoay chiều và từ trường xoay chiều được thựchiện một cách tách biệt Trường trong vùng cảm ứng được dùng để tạo thànhphần động của trường (sóng điện từ), là nguồn gốc sinh ra bức xạ. Hình 1.2 đưara3trườnghợpvềsựthayđổicủatrởkhángsóngZ=E/

H theor,vớiđường1,2làtrườngvùnggần,đường3ứngvớitrườngxa.

Vùng"xa"đ ó làvùng,trongđótồntạisóngđiệntừ,bắtđầutừkhoảng r3.Trongvùng"xa"củabứcxạcómốiliênhệgiữaEvàH:E77H, trong đó hệ số 377 là trở sóng của chân không, đơn vị đo là Ω].Vì thế, theo quyluật, người ta chỉ đoE Đối với trường điện từ ở tần số trên 300 MHz, người tathường đo mật độ dòng năng lượng điện từ hay vector Poiting (được ký hiệubằng chữS,đơnvị đolàW/m 2 ).

Các nhiễu điện từ xuất hiện từ các hiện tƣợng tự nhiên hay do các quátrìnhkỹthuật.Vídụnhiễutựnhiêncóthểlàhiệntƣợngphóngđiệntrongkh í

Các nhiễu tuần hoàn Các nhiễu không tuần hoàn

Dải hẹpDải rộngDải hẹpDải rộng

Miền tần số quyển(các xungđiệntừ xuấthiệnkhiva đậpc ủ a c h ớ p ) h a y p h ó n g đ i ệ n t ĩ n h điện( t r o n g b á n dẫn) Trongt h i ế t bịc ô n g nghiệp, nguồnnhiễu c h ủ y ế u l à c á c quá trình đảo mạch trong các mạch điện, vốn liên quan tới các thay đổi rất nhanhcủa dòng và điện áp, mà kết quả là xuất hiện các nhiễu điện từ tuần hoàn hayngẫu nhiên Tác động của các nhiễu này có đặc trƣng cảm ứng (dưới dạng dòngđiện hay điện áp trong dây dẫn) hay đặc trưng bức xạ (dưới tác động của điệntrườngxoaychiều).

Các nhiễu có đặc trƣng tuần hoàn hay không tuần hoàn trong khoảng thờigian xác định có thể được biểu diễn bằng toán học dưới dạng tổng các tín hiệuhình sin và cosin với tần số và biên độ khác nhau Trên hình 1.3 trình bày cácdạngđiểnhình củatínhiệu nhiễuvà cách thểhiệnphổcủa chúng.

Hình1.3.Cácdạng nhiễukhácnhautrongmiềntần sốvà miềnthời gian

ĐặctrƣngEMCcủathiếtbịvôtuyến

Khi giải quyết các vấn đề liên quan đến tương thích điện từ trườngEMCcủa thiết bị vô tuyến, có nhiều tham số và đặc trƣng của máy thu vô tuyến(MT),máy phát vô tuyến (MF) và ăng-ten đƣợc sử dụng để đánh giá EMC Những đặctrƣngvàthamsốnàymôtảcáctínhchất nhất địnhcủacácthiếtbịnói trên,xuất phát từ quan điểm của nhiễu điện từ và khả năng ngăn chặn chúng Cụ thể, trongphạm vicủa luận án có thể xem xét nhữngnội dungsau đây trong sốc á c đ ặ c tínhvềEMC[4],[5],[51]. Đặctrưngthốngkêphânbốnhiễu điệntừ

Theo [4], [51] tình huống điện từ (THĐT) đƣợc hiểu là tập hợp tất cả cácloại bức xạ được tạo thành do sự hoạt động đồng thời của các phương tiện vôtuyến (PTVT) và các nguồn nhiễu không cố ý khác tại điểm đặt thiết bị thu củahệ thống vô tuyến (HTVT) đang xét Các loại nguồn nhiễu đa dạng về đặc tínhtần số-thời gian-năng lƣợng và số lƣợng nguồn nhiễu Việc hiểu các tính chấtriêng của từng loại nhiễulà rất cần thiết trong việc đánh giá tác động của nhiễulên thiết bị vô tuyến đặt gần nguồn nhiễu và cần thiết trong việc tìm các biệnpháp chống nhiễu hiệu quả Trong công trình thứ nhất (bài báo số 1) tác giả đãđƣa ra và phân tích sự tác động của nhiễu điện từ mạnh đến sự hoạt động củamộtthiếtbịvôtuyến.Bàibáođãđƣaramôhìnhđánhgiáđộbềncủamáythuvô tuyến dưới tác động của nhiễu điện từ mạnh, giúp cho việc xác định các tácđộng củanhiễuđiệntừđược chínhxác. Đểgiải quyếtbàitoánEMC cần phải xây dựngmôhình THĐT vàá p dụng giải pháp xác suất thống kê để xem xét Mô hình này giúp cho luận án cócáchnhìntổngquátvềtácđộngcủanhiễuđiệntử.

N x3 D x1 x2 (x1,x2,x3) x3 ích trên nềnNnguồn bức xạ từ các HTVT khác, trong trường hợp này gọi làNnguồn nhiễu Máy thu cần phải tách tín hiệu có ích từ tập hợp nhiễu trên.

Cơ sởcho việc tách tín hiệu là sự khác nhau của các tham số tín hiệu và tham số nhiễu.Các tham số tín hiệu đƣợc chia thành tham số năng lƣợng và tham số phi nănglƣợng.Mỗitínhiệucóthểlàtậphợpcácthamsốx 1 ,x 2 , x n ,mỗigiátrịnàylạicó một miền tương ứngD x1 , D x2 , D xn Như vậy nguồn nhiễu có thể được biểudiễndướidạngmộtđiểmbêntronghìnhhộpnchiều(hình1.5)vớicáccạnhD x1 ,D x2 ,

D xn ,tọa độ của điểm đó đƣợc xác định bởi các tham số (x 1 , x 2 , x n ) Nếutrong vùng không gian này của máy thu cóNnguồn nhiễu thì bên trong hình hộpnàysẽtương ứng vớiNđiểm.

Tọa độ của các điểm là ngẫu nhiên, mật độ của chúng không đều và đƣợcminh họa bằng hàm mật độ phân bốnchiềuw n (x 1 , x 2 , x n )của các tham sốx 1 ,x 2 , x n Trong thực tế các tham sốx 1 , x 2 , x n không phụ thuộc nhau do hai yếu tốcơbảnsau:

- Các tham số phi năng lượng không phụ thuộc nhau theo môi trường vậtlývàtheophươngpháp hìnhthành;

Với các tham số không phụ thuộc nhau mật độ phân bốnchiều có thểđƣợc biểu diễn dưới dạng tích của các hàm mật độ một chiều theo các tham sốriêng biệtw n (x 1 , x 2 x n ) = w(x 1 ) w(x 2 ) w(x n ).Trong hình hộpnchiều thể tíchcủanócódạng: n

Có thể tách ra một thể tích nhỏΔV’V’ E 1[dB]–E 2 [dB]=SE[dB]+L[dB] (2.10)

=>A[dB]=SE[dB] +L[dB] (2.11) Độsuygiảmcủagiảiphápđềxuấttínhtheocôngthức(2.11)đƣợcthểhiện trongbảng2.4.

Bảng 2.4.Độsuygiảmtheo lýthuyết củagiảipháp đềxuất

TổngđộsuygiảmA(dB) 1MHz 20MHz 50MHz 100 MHz 500 MHz

Từ bảng 2.4 ta có thể thấy tổng độ suy giảm của giải pháp đề xuất tốt hơnsov ớ i c ủ a t ừ n g g i ả i p h á p r i ê n g l ẻ T u y n h i ê n , d o h i ệ u q u ả c h e c h ắ n t h e o l ý thuyếtcủahộpbọc kimtrongtrườnghợplýtưởng(kínhoàntoàn)rấtlớn(bảng r

2.2) Do vậy để đánh giá chính xác hơn, phần tiếp theo luận án sẽ sử dụng môphỏngvà thựcnghiệmđểđánhgiáhiệuquảcủa giảiphápđềxuất.

Môphỏng giải phápđềxuất

Luận án sẽ thực hiện mô phỏng hiệu quả của phương pháp bọc kim vàphươngphápướclượngkhoảngcáchbằngphầnmềmCST.Điềukiệnmôphỏngđượcsửd ụng gầnvớithựctếnhất nhƣsau:

- Hộpbọckimbằngnhômcó độdày2 mm,kích thước16cmx 10cmx 3 cm.Nhômcó

Mô hình thực hiện là một nguồn điểm bức xạ đƣợc đặt bên trong hộp bọckim có kích thước 16 cm x 10 cm x 3 cm, độ dày lớp vỏ 2 mm (kích thướctương tự hộp thực tế, nguồn điểm bức xạ được giả thiết là nguồn bức xạ củamạch dao động).Với trường hợp đầu tiên, giả sử hộp bọc kim được thiết kế lýtưởng, tức là không có các khe hở hoặc lỗ hổng trên lớp vỏ của hộp. Trườngđiện từ trong trường hợp này như thể hiện trong hình 2.6, khi thực hiện môphỏng trên CST, ta có thể nhận thấy không có tín hiệu nhiễu điện từ nào lọt rađƣợcbênngoàihộp bọckim(doSErấtlớn).

Hình2.6.Cường độđiệntrường môphỏngtrong CST

Tuy nhiên trên thực tế thì hộp bọc kim không thể kín hoàn toàn nhƣ vậymà luôn có các khe hở hay lỗ hổng để thông khí hoặc cho các cáp nguồn và cápkết nối vào/ra với các khối hoặc thiết bị khác Nếu lỗ hổng hoặc khe hở đƣợcthiết kế không thích hợp thì sẽ gây ra sự rò rỉ tín hiệu bức xạ vƣợt các giới hạncủa tiêu chuẩn EMC như CISPR-22 và gây ảnh hưởng không tốt ra môi trườngxung quanh.

Hình2.8.Cườngđộđiệntrường trên lớpvỏcủahộp bọckim

Tronghình2.7vàhình2.8làmôphỏngtrườnghợphộpbọckimcómộtlỗ hổng trên lớp vỏ có kích thước 1 cm x 0,5 cm Ta thấy rằng khi xuất hiện lỗhổngthìcáctínhiệubứcxạđãlọtrabênngoàihộpbọckimnhƣtronghình2.7

(bên trong hộp cường độ nhỏ nhất khoảng 100 dBμV/m còn các tín hiệu lọtV/m còn các tín hiệu lọt rangoài có cường độ nhỏ hơn, dưới 80 dBμV/m còn các tín hiệu lọtV/m) và đặc biệt là tại lỗ hổng trên lớpvỏ của hộp (hình 2.8, tại đây cường độ bức xạ là 100 dBμV/m còn các tín hiệu lọtV/m, cao hơn các vị tríkháctrênlớpvỏ của hộp,20- 60dBμV/m còn các tín hiệu lọtV/m).

Tronghình2.9làkếtquảmôphỏngbàikiểmtraEMCvớikhoảngcách3 m theo tiêu chuẩn CISPR-22 [43] Giả sử ta có một tín hiệu bức xạ điện từ khikhông đƣợc che chắn vƣợt đường giới hạn của tiêu chuẩn EMC (đường màuđen) Với trường hợp hộp bọc kim kín, cường độ bức xạ sau khi che chắn là rấtnhỏ (bằng -200 dBμV/m còn các tín hiệu lọtV/m, giá trị tối thiểu khi mô phỏng) Với trường hợp có lỗhổng, luận án kiểm tra với 3 lỗ hổng có kích thước lần lượt là 3 cm x 1,5 cm, 2cm x 1 cm và 1 cm x 0,5 cm.

So với trường hợp không che chắn, hộp bọc kimkhi có các lỗ hổng trên có độ suy giảm tín hiệu bức xạ lần lƣợt là 23,1 dB, 48,2dBvà 57,3dB (kếtquảđotại500MHz).

Hình 2.9.KiểmtraECcác trườnghợpkhác nhau củahộpbọc kim

Từcáckếtquảmôphỏng[phụlục2],tùyvàokíchthướclỗhổngcànglớnthì độ suy giảm tín hiệu bức xạ điện từ càng nhỏ, dẫn đến giá trị cường độ củatínhiệubứcxạlọtrangoàicànglớn,thậmchívƣợtquácácgiátrịgiớihạncủa tiêuchuẩnCISPR-22,gâymấtantoànbứcxạđiệntừtrườngchomôitrường vàcácthiếtbịđiệntửkhác đặtxungquanh.

Hình 2.10 Kết quả mô phỏng cường độ điện trường tạivịtrícáchhộp bọc kim2 cm

Tiếp theo chúng ta sẽ thực hiện thêm một mô phỏng khác để đánh giá tácđộng của phương pháp bọc kim tại vị trí cách lớp vỏ hộp bọc kim là 2 cm. Kếtquả mô phỏng thể hiện trong hình 2.10 Tại vị trí này khi không có che chắn sovới khi sử dụng hộp bọc kim có kích thước lỗ hổng là 3 cm x 1,5 cm, 2 cm x 1cm và 1 cm x 0,5 cm có độ suy giảm tín hiệu điện từ lần lƣợt là 27,4 dB, 39,15dBvà 61,15dB (tại500MHz).

Dựa vào kết quả tính toán theo lý thuyết của hộp bọc kim trong mục 2.2.1và kết quả mô phỏng ở trên, chúng ta có thể nhận thấy với trường hợp hộp bọckim lý tưởng (kín hoàn toàn) thì các tín hiệu điện từ bên trong hộp bọc kim khitruyền ra ngoài đều bị suy giảm đi rất nhiều, gần nhƣ không lọt ra bên ngoài.Tuy nhiên theo các kết quả mô phỏng ở trên, nếu hộp bọc kim xuất hiện các lỗhổng hay khe thì hiệu quả che chắn của hộp bọc kim sẽ bị suy giảm Do vậy vấnđềquantrọngkhisửdụnggiảiphápbọckimlàphảixửlýtốtcáclỗhổng,khehở xuấthiệntrênlớpvỏ củahộpbọckim.

Trong hình 2.11 là kết quả mô phỏng trường điện từ theo phương phápkhoảng cách trên CST, chúng ta nhận thấy cường độ điện trường suy giảm theokhoảng cách (màu thay đổi và mật độ thƣa hơn), càng gần nguồn bức xạ thìcườngđộđiện trườngcàng cao.

Hình2.12.Đồthịsựsuygiảmcủacườngđộđiệntrường theo khoảng cách

Trong hình 2.12 là đồ thị mô phỏng tín hiệu điện từ theo các khoảng cáchkhác nhau, từ 3 cm, 4 cm, 5 cm,… đến 50 cm Kết quả độ suy giảm tín hiệu điệntừtạicácvịtrí3cm,4cm,5cm,6cm,7cm,8cm,9cm,10cm,15cm,20cm,

30cm,50 cmso vớivịtrí 2cmlần lƣợtlà7,6dB,13,8dB,19dB,23,7dB,27,3 dB,30,6dB,33,2dB,35,3dB,39,8dB,41,9dB,45,3dBvà51,2dB(đo tại

500 MHz), dữ liệu đo cho trong phụ lục 4 Các kết quả đã thể hiện rằng khikhoảngcáchtừnguồnbứcxạcàngtăngthìcườngđộbứcxạcànggiảm.

Kết quả tính toán theo lý thuyết trong mục 2.2.2 và kết quả mô phỏng ởtrên đều cho thấy độ suy giảm của tín hiệu điện từ theo khoảng cách trong khônggian.Độsuy giảm trong trường hợpmôphỏng lớn hơnđộs u y g i ả m k h i t í n h theo công thức (2.8) là do trong trường gần các thành phần sóng điện từ khôngchỉ thay đổi tỉ lệ với khoảng cách 1/r và còn tỉ lệ với 1/r 2 và 1/r 3 Cách tính toàntheo (2.8) chỉ mới thể hiện sự suy giảm theo R, do vậy mà độ suy giảm sẽ nhỏhơn trongmôphỏngvà thực tế.

2.3.3 Môphỏng kết hợphai giải pháp

Tiếp theo, luận án kết hợp cả 2 phương pháp là bọc kim và ước lƣợngkhoảng cáchgiữa cáchộpbọckim.

Sử dụng thêm 1 hộp bọc kim thứ 2 có kích thước là 10 cm x 10 cm x 3cm, độ dày 2 mm bằng nhôm cách hộp bọc kim thứ 1 khoảng cách d và thay đổikhoảng cách d để đánh giá kết quả đạt đƣợc nhƣ trong hình 2.13 Ta thấy rằngnếu hộp bọc kim thứ 2 đặt càng xa hộp bọc kim 1 thì ảnh hưởng do tín hiệu bứcxạ đặt trong hộp bọc kim 1 gây ra càng ít Hình 2.14 minh chứng cho cường độđiện trường do nguồn bức xạ nằm trong hộp bọc kim 1 gây ra đo tại lớp vỏ củahộp bọc kim thứ 2 khi khoảng cách d thay đổi từ 3 cm, 4 cm, 10 cm và 15 cm(với cùnglỗ hổngvàkhe hởtrênlớpvỏ).

Hình 2.14 Cường độ điện trường tại lớp vỏ hộp bọckimthứ 2 (sốliệutríchtừPhụlục 4)

Kết quả mô phỏng tại các vị trí trên so với trường hợp tại vị trí 2 cm vàkhông có che chắn có độ suy giảm cường độ tín hiệu lần lượt là 39,1 dB, 44,1dB, 47,8 dB và 52,2 dB (đo tại 500 MHz), tốt hơn hẳn trường hợp chỉ bọc kim(27,4 dB) vàchỉ cókhoảng cách(7,6dB,13,8dB,35,3dBvà39,8dB).

Ta có thể nhận thấy khi khoảng cách giữa các khối tăng dần thì cường độđiện trường sẽ giảm dần Khi kết hợp hai phương pháp bọc kim và ước lượngkhoảng cách giữa các khối thì rõ ràng độ suy giảm cường độ điện từ trường sẽcaohơn làsửdụng riêng lẻtừng phươngpháp.

Thửnghiệmtrênmạchthựctế

Sau khi phân tích lý thuyết và mô phỏng, luận án sẽ thực hiện đo trên cácmạch thực tế để khẳng định hiệu quả của giải pháp kết hợp phương pháp bọckimvàướclượngkhoảngcáchtrênmạchthựctếnhưhình2.15.

Hình 2.15.Hìnhảnhđo kiểmtrên mạch thựctế(Phụlục2)

Bộ thiết bị đo được sử dụng là thiết bị đo trường gần EMxpert EHX củaEMSCAN kết nối với máy phân tích phổ và sử dụng phần mềm EMxpert đượccài đặt trên máy tính điều khiển để hiển thị và lưu trữ kết quả đo Luận án thựchiện đo để chứng minh giải pháp đề xuất với các trường hợp mạch dao động vàmạch nguồn đƣợc che chắn và không đƣợc che chắn, đặt cạnh nhau và đặt cáchnhaucáckhoảngcáchd(cm).Thôngsốcủacácmạchthửnghiệmnhƣsau:

- Mạch nguồn xung có đầu vào 220 V,cung cấp điện áp 5 V; 1 A Mạchsử dụng các linh kiện nhƣ cầu chì, tụ điện, điện trở, cuộn cảm, biến áp, diode,photo-transistorTLP875,IC ổn ápTL431A,TNY266GN…

- Mạch dao động đƣợc cung cấp điện áp 5V, mạch sử dụng IC 7404 vàthạch anh tạo dao động với tần số 27 MHz và 30MHz kèm theo một số IC cóchức năng khác nhƣ IC 7490 chia tần, IC PLL 4046 và bộ khuếch đại tín hiệu.Các linh kiện thụ động đƣợc sử dụng bao gồm tụ điện, điện trở, cuộn cảm vàtransistor

Phươngthứcthửnghiệmthayđổivớicáctrườnghợpkhácnhaunhưtừngmạch được bố trí độc lập, mạch không bọc kim, mạch đƣợc bọc kim, các mạchđặt gần nhau, các mạch đặt xa nhau

Luận án thực hiện đo riêng lẻ từng trườnghợpv à so sá n h tr ư ờ n g h ợ p k h i k h ô n g á p d ụ n g g i ả i p h á p v à kh i á p d ụ n g g i ả i phápđềxuất.Sơđồvàkếtquảthửnghiệmđƣợcthểhiệntừhình2.16đếnhình 2.25 Các dữ liệu thử nghiệm đƣợc trình bày trong bảng P3.1 đến P3.10 trongphụ lục3.

Hình2.20.Mạchdaođộngvà mạchnguồnđặt cạnh nhau khôngchechắn

Hình 2.21 Cường độ tín hiệu trường hợp mạch nguồn vàdao độngđặtcạnhnhau,không có chechắnbọckim

Hình 2.22 Mạch dao động và mạch nguồnđặt cáchnhau d(cm)khôngchechắn

Hình 2.23 Cường độ tín hiệu trường hợp mạch nguồn và mạch dao động đặtcách nhau10 cm,khôngcó che chắnbọckim

Khoảng cách d(cm) đƣợc thay đổi với các giá trịk h á c n h a u l à 2 c m , 3 cm, 4 cm, 5 cm, 6 cm, 7 cm, 8 cm, 9 cm và 10 cm Thử nghiệm cho thấy kết quảảnhhưởngcủađiệntừtrườnggiữahaikhốimạchgiảmđinhiềunhấtkhi2mạchđượcbọc kimvàđặtcáchnhau10cm.Kếtquảnhậnđƣợcthểhiệntronghình

2.20 (hai mạch không bọc kim và đặt cạnh nhau) và trong hình 2.24, hình 2.25,(hai mạch đƣợc bọc kim đặt gần nhau và đặt cách nhau 10 cm), hình 2.26(sosánh sự suy giảm điện từ của bọc kim và không bọc kim) cho ta thấy sự thấy độsuy giảm của tín hiệu điện từ khi áp dụng giải pháp đề xuất so với trường hợpkhôngápdụngphương pháp đảmbảo EMClàkhoảng25-30dB.

Hình 2.24 Mạch dao động và mạch nguồnđượcbọc kimđặtcáchnhaud(cm)

Hình 2.25 Cường độ tín hiệu trường hợp mạch dao độngvà mạch nguồncó bọc kim,đặtcách nhau10cm

Hình 2.26.Sosánh sự suygiảmđiệntừtrường khisửdụng bọc kimvàthay đổi khoảng cách (số liệu tríchtừ phụlục3)

Dựa vào các kết quả tính toán theo lý thuyết, kết quả mô phỏng và kết quảthực nghiệm trong các trường hợp nêu trên, chúng ta có thể nhận thấy các giảipháp đảm bảo EMC đã nêu nhƣ bọc kim, ƣớc lƣợng khoảng cách hay kết hợp 2giải pháp đều có tác dụng làm suy giảm các tín hiệu điện từ không mong muốnphát ra trong thiết bị điện tử Các giải pháp bọc kim hay ƣớc lƣợng khoảng cáchđềucónhữngưunhượcđiểmriêngbiệt,chúngtađánhgiátừnggiảipháp.

Vớigiảiphápbọckim,hiệuquảchechắnđạtđƣợcrấtcaochỉ vớimộtlớpkim loại mỏng, tuy nhiên yêu cầu quan trọng cần đạt đƣợc là phải xử lý sao chohộp bọc kim kín hoàn toàn, điều này không thể đạt được trong thực tế Do vậymà các hộp bọc kim tốt thường sẽ làm suy giảm các tín hiệu nhiễu điện từ đi vàichục dB.

Với giải pháp ƣớc lƣợng khoảng cách, độ suy giảm có thể không cao nhƣgiải pháp bọc kim nhƣng sẽ giảm đều theo khoảng cách với nguồn nhiễu Tuynhiên trongmột thiết bịđiện tử thì khoảngcáchgiữa các khối cũng sẽ bịg i ớ i hạn bởi kích thước của thiết bị.

Vì vậy dựa vào các kết quả tính toán, mô phỏngvàt h ự c n g h i ệ m l u ậ n á n n h ậ n t h ấ y đ ộ s u y g i ả m c ủ a g i ả i p h á p n à y l à k h o ả n g 10dB đến20 dB.

Hai giải pháp nêu trên đều có ƣu nhƣợc điểm riêng, nếu ta kết hợp cả 2giải pháp thì độ suy giảm tín hiệu nhiễu điện tử sẽ tăng lên Điều này đã đƣợcchứng minh qua các tính toán theo lý thuyết, kết quả mô phỏng và thử nghiệmthực tế Kết quả cho thấy khi nguồn bức xạ điện từ đƣợc bao bọc bên trong mộthộp bọc kim và hộp bọc kim này có khoảng cách thích hợp với một khối đượcbọc kim khác thì cường độ bức xạ điện từ trường sẽ suy giảm đáng kể, đảm bảothiết bị bên trong sẽ đạt các yêu cầu của tiêu chuẩn EMC Tuy nhiên để xác địnhđược chính xác kích thước hộp bọc kim và khoảng cách giữa các khối thì khithiếtkếcầnthửnghiệm,tínhtoánmôphỏngchitiếtđểđạtđƣợcđộsuygiả mcầnthiết,đảmbảo thiết bị khi hoạt độngđạtcác tiêuchuẩn EMC.

Giải pháp bọc kim và ƣớc lƣợng khoảng cách các khối thiết bị VTĐT đểđảm bảo EMC không quá mới về ý tưởng Nhưng điều khác biệt ở đây là tác giảđã tiến hành từ khâu nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng bằng phần mềm CST đếnthử nghiệm đo các tham số mạch điện thực tế bằng thiết bị đo trường gầnEMxpert EHX và sử dụng phần mềm EMxpert để nhận đƣợc kết quả mang ýnghĩa ứng dụng cao Quy trình nghiên cứu thử nghiệm này lần đầu tiên đượccông bố trong nước trên cơ sở các điều kiện cơ sở vật chất sẵn có Từ kết quảnghiên cứu tạo tiền đề việc xây dựngquy trìnhvàtiêuc h u ẩ n t h ử n g h i ệ m c á c thiết bị VTĐT mớiđảmbảoEMC.

Đềxuấtgiải pháp đảmbảoEMCkhi thiếtkếthiếtbịVTĐT

Dựa vào các kết quả tính toán dựa trên lý thuyết, kết quả mô phỏng và đotrên mạch thực tế, chúng ta đã thấy rõ đƣợc hiệu quả của giải pháp kết hợp giữaphương pháp bọc kim và ước lượng khoảng cách giữa các khối trong thiết bịVTĐT Giải pháp này không chỉ áp dụng đƣợc cho các khối có sẵn mà còn cóthể áp dụng từ khi bắt đầu thiết kế chế tạo thiết bị VTĐT Tuy nhiên vấn đề cầngiải quyết khi sử dụng giải pháp kết hợp này là kích thước của các linh kiện điệntử và khối là không cố định, kéo theo kích thước hộp bọc kim không cố định vàkhoảng cách giữa các phần tử của khối và giữa các khối cũng phải lựa chọn dựatrênkích thướctổngthểcủatoànbộ thiếtbịvô tuyến điệntử.

Do vậy để xác định được chính xác kích thước hộp bọc kim và khoảngcách giữa các phần tử của khối và giữa các khối thì khi thiết kế cần thử nghiệm,tính toán mô phỏng cẩn thận chính xác để đạt đƣợc hiệu quả cần thiết, giúp chothiết bị đạt đƣợc các tiêu chuẩn EMC đề ra Luận án đề xuất quy trình thiết kếbảođảmEMCchothiếtb ị V T Đ T s ử d ụ n g g i ả i p h á p đ ề x u ấ t n h ƣ t r o n g hình 2.27 Cần lưu ý rằng, che chắn điện từ chỉ là một trong những giải phápđảm bảo tương thích điện từ trường EMC cho thiết bị VTĐT Ngoài ra, còn cócácgiảiphápkhácnhƣ:sửdụngcácbộlọc,bọckimdâydẫn,nốiđấtcáckhối và phần tử, dùng biến áp phân cách các khối tương tự và số, xử lý thống kê tínhiệu…Những nộidungliệtkêtrênđâynằmngoài nộidungcủa luận án.

- Bước 1: Dựa vào yêu cầu đặt ra, xác định chức năng và các thông số kỹthuậtcủathiếtbịVTĐTvàcáctiêu chuẩnEMCcầnđạtđƣợc.

- Bước 3: Phân chia các khối/khối của thiết bị VTĐT theo chức năng vàthựchiệnmôphỏngthiếtkếtừngkhối.

- Bước4:KiểmtrabằngchươngtrìnhmôphỏngxemcáckhốicủathiếtbịVTĐT cóđạt tiêu chuẩnEMCyêucầu hay không Nếuc ó t h ự c h i ệ n b ƣ ớ c

- Bước 5: Thực hiện bọc kim khối không đạt yêu cầu về EMC trong bước4vàkiểmtralạixemcóđạttiêuchuẩnEMCkhông.Nếucóchuyểnsangbước

- Bước 6: Điều chỉnh khoảng cách giữa các phần tử trong khối không đạtyêuc ầ u v ề E M C t r o n g b ƣ ớ c 5 v à k i ể m t r a l ạ i x e m c ó đ ạ t t i ê u c h u ẩ n

- Bước7:SửdụngthêmcácgiảiphápbảođảmEMCphùhợpkhácnếucóvà tiếp tục kiểm tra xem khối có đạt tiêu chuẩn EMC không Sau khi đạt đƣợctiêu chuẩn EMC đề ra thì chuyển sang bước 8 Nếu không quay lại điều chỉnhmạch nguyên lýtrongbước 2.

- Bước 10: Kiểm tra xem thiết bị VTĐT có đạt tiêu chuẩn EMC đề rakhông.Nếucóthựchiệnbước14.Nếukhôngthựchiệnbước11.

- Bước 11: Thực hiện bọc kim thiết bị VTĐT và kiểm tra xem có đạt tiêuchuẩnEMCkhông.Nếucóthựchiệnbước14.Nếukhôngthựchiệnbước12.

Thiết kế sơ đồnguyênlýTBVTĐ T Điềuchỉnhnguyênlý mạchđiện

Không đạt Đạt a i ≤ b tci ? Đạt Đạt a i ≤b tci ?

Không đạt a i ≤b tci ? Đạt a i ≤b tci ? Đạt Chế tạoTBVT ĐT Kếtthúc

Giải phápbổsungk hác Điềuchỉnhkhoảngcá chcáckhối

- Bước 12: Điều chỉnh khoảng cách giữa các khối và kiểm tra xem thiết bịcó đạt tiêu chuẩn EMC không Nếu có thực hiện bước 14 Nếu không thực hiệnbước13.

- Bước 13: Sử dụng thêm các thêm các giải pháp bảo đảm EMC phù hợpkhác nếu có và tiếp tục kiểm tra xem thiết bị VTĐT có đạt tiêu chuẩn EMCkhông Sau khi đạt tiêu chuẩn EMC đề ra thì chuyển sang bước 14 Nếu khôngquaylại điều chỉnh mạchnguyên lý trongbước2.

Các bước của quy trình trên thể hiện rõ quá trình từ khâu thiết kế nguyênlý đến lắp ráp chế tạo thiết bị VTĐT Quy trình này đảm bảo thiết bịVTĐT khira thành phẩm cuối cùng có thể đạt đƣợc tiêu chuẩn EMC cần thiết,giúp thiết bịhoạtđộng ổnđịnhtrongthựctế.

Kếtluậnchương2

Trongchương 2, tác giả đã tiến hành nghiênc ứ u c á c g i ả i p h á p đ á n h g i á và đảm bảo EMC cho các khối trong một thiết bị vô tuyến và toàn bộ thiết bị vôtuyến Dựa vào các phân tích trước đó, luận án đã thực hiện giải pháp kết hợpgiữa phương pháp bọc kim và phương pháp ước lượng khoảng cách giữa cáckhối để đảm bảo EMC cho thiết bị VTĐT Để minh chứng tác giả đã thực hiệnmô phỏng bằng phần mềm CST và thử nghiệm mạch thực tế, kết hợp phươngphápbọckimvàướclượngkhoảngcách.Hiệuquảcủagiảiphápgópphầngiảmđá ng kể cường độ bức xạ, cho phép tăng độ dự trữ về bức xạ cho thiết bị, bảođảm làm việc đúng chức năng và không phá vỡ chức năng của thiết bị khác khisử dụng thực tế Từ kết quả thực nghiệm, luận án đề xuất một quy trình thiết kếđảm bảo EMC cho thiết bị VTĐT có áp dụng giải pháp kỹ thuật kết hợp phươngphápbọckimvàphươngphápướclượngkhoảngcáchgiữacáckhốicủathiếtbịVT ĐT.

Tuynhiên,giảiphápkếthợptrênchỉcóthểápdụngkhảosáttínhtoán bảođảmEMCđƣợcchomạngliênkếtđơntuyến,vídụ:phát-thu,thu-thumà không thể áp dụng cho mạng liên kết đa tuyến, ví dụ: đơn phát-đa thu, đa phát- đathu,đaphát- đơnthu.Đốivớimạngđatuyếnliênkết,theologicđãnghiêncứu ở trên, chúng ta có thể áp dụng giải pháp tổng công suất Tuy nhiên, đây làbài toán phức tạp do tính ngẫu nhiên của các đại lƣợng nhƣ tần số, công suất,khoảng cách, dạng bọc kim, …Do đó, sẽ không làm ảnh hưởng đến độ chínhxác, chúng tôi đề xuất giải pháp đánh giá nguồn nhiễu gần nhất thay cho tổngcông suất trong việc nghiên cứu bảo đảm EMC của một mạng đa tuyến.Nhữngvấnđềnàysẽđượctrình bàytrong chương3.

I Đ Ề X U Ấ T G I Ả I P H Á P Đ Á N H G I Á N G U Ồ N N H I Ễ U G Ầ N NHẤTTHAYCHOTỔNGCÔNGSUẤT NHIỄU

Đềxuấtgiải phápđánh giánguồnnhiễugầnnhất

Từmôhìnhmạngvàhệthốngđãnghiêncứuởtrên,luậnánxétmáythuvị trí cố định (ví dụ: trạm cơ sở của một người dùng nhất định) và một số máyphát nhiễu nằm ngẫu nhiên có cùng công suấtP t (ví dụ: các thiết bị di độngkhác) Để đơn giản hóa biểu diễn toán học, luận án giả định rằngg l =g s = 1(thamsốliênquanđếnkênhtruyềnpha- đinhchƣaxétđếntrongluậnán),nghĩa là chỉ tham sốg a đƣợc đƣa vào trong tính toán Luận án cũng giả định rằng cácanten phát và thu là đẳng hướng và xem xét các tín hiệu nhiễu nằm ở đầu vàocủamáythu.

Sự phân bố của các máy phát trong không gian đƣợc cho bởi (3.1). Máyphátitạo ra công suất trung bìnhP ai =P t g a (R i ) tại đầu vào máy thu Luận ánđịnhnghĩatỷsốnhiễu/tạp(INR)d a (cònđƣợcgọilàdảiđộng[17])trongtoàn bộ tín hiệu nhiễu thông qua tín hiệu mạnh nhất tại đầu vàoR x (trong vùng giánđoạn hoạt động nhỏ, tổng công suất nhiễu bị ảnh hưởng bởi sự đóng góp của tínhiệu mạnhnhất): d a =P a1/P 0 (3.3) trong đóP 0là mức tạp và không mất tính tổng quát, tác giả đánh số các bộ pháttheo thứ tự công suất thu giảm dầnP a1≥P a2≥ ≥P aN vàNlà số lƣợng máyphát.Tínhiệumạnhnhấtđếntừmáyphátnằm ởkhoảngcáchnhỏnhấtr 1,P a1 P t g a (r 1).Hàmphânbốtíchlũycủakhoảngcáchtốithiểuđƣợcđƣaratrong[8]:

XácsuấtmàtỉsốINRvƣợtquágiátrịDlàP r{d a >D}=P r{r 1D df , có sự suy giảm đáng kể hiệu suất và lúcnày máy thu đƣợc coi là gián đoạn hoạt động Điều này tương ứng với một hoặcnhiều máy phát rơi vào vùng nhiễu hoạt động (trong hình cầu bán kínhr(D df )).Côngsuấttínhiệu đếntừcácmáy pháttạikhuvựcđóvƣợtquáP maxcóxácsuất là:

P out  Pr  d a  D df  1F d  D df  (3.11) i ĐốivớiP out chotrướccóthểtìmđượctỉsốnhiễu-tạpkhônggâyméotheoyêu cầu(tỉsố nhiễu-tạp gián đoạnhoạtđộng)D df :

Nhƣ vậy có thể thấy rằng,D df là một hàm nghịch biến củaP out , nghĩa làxác suất gián đoạn hoạt động thấp, đòi hỏi phải có INR không gây méo cao Đểđơn giản hóa các ký hiệu, tiếp sau luận án bỏ qua phần chỉ số và ký hiệu INRkhông gây méo làD Với định nghĩa về xác suất gián đoạn hoạt động ở trên theocông suất nhiễu lớn nhất tương tự như với tổng công suất nhiễu, luận án đưa rađịnh lýdưới đây. Định lý 1 Xét xác suất gián đoạn hoạt động trong (3.11) Tại vùng giánđoạnhoạtđộngthấp,nóhộitụđếnxácsuấtgiánđoạnhoạtđộngđƣợcxácđịnh thôngquatổng côngsuấtnhiễu,tứclà: li m x

Bổ đề :ChoXlàbiếnngẫunhiêndươngcóphầngiớihạnthayđổi,nghĩalàcómột số b

>0 saocho∀a>1, lim Pr  X  ax   a b (3.14) x  P r X x  và cho phầngiới hạncủaXchiếmphầngiớihạn củamộtbiếnngẫunhiêndương

Ykhác,tức là: thì: lim Pr  Y  x   x Pr X x  0 lim Pr  X  Y  x  

Dễ dàng thấy, phần giới hạn củaP a1 chiếm phần giới hạn củaP a2 và cảphầngiớihạncủa (N-

1)P a2 đốivớigiátrịhữuhạnbấtkỳN≥2(tứclàbiểuthức(3.15)thỏa mãn vớiX=P a1 vàY=P a2 hoặcY= (N-1)P a2 )dođó, lim x

Kết hợp điều nàyvớicácgiớihạn sau,

Pr   Pa1Pa2x  Pr   i Paix  Pr  Pa1  N1  Pa2x  (3.18)

 ik  vàlưuýrằngNlàhữuhạnvớixácsuấtbằng1khisốlượngtrungbìnhcácnútlàhữu hạn,theo đónhận đƣợcbiểuthức(3.13).

Tạivùnggiánđoạnhoạtđộngthấp,P out trong(3.11)xấpxỉxácsuấtgiánđoạnhoạt độngtheotổngcông suấtnhiễu:

Pr   i P ai  x   Pr  P a1  x  (3.19) Ƣuđiểmcóthểthấyrõcủabiểuthức(3.11)manglạilàlàmchoviệcphântíchcũngnh ƣxâydựng môhìnhtoánvàthống kêtrởnên đơngiảnhơn.

Luậnánxéttrườnghợpđầutiênk=1,tứclàtấtcảcáctínhiệunhiễuđanghoạt động Xác suất gián đoạn hoạt động có thể đƣợc đánh giá bằng biểu thức(3.6) và (3.11) Từ quan điểm thực tế, luận án quan tâm đến dải xác suất giánđoạnhoạtđộngP out