Xây dựng mô hình đánh giá tương tác nhiễu điện từ mạnh với các phương tiện vô tuyến điện

Để đảm bảo các yêu cầu của tương thích điện từ và độ bền của các phương tiện vô tuyến điện đối với tác động của xung điện từ mạnh, thì các nguồn nhiễu được các nhà chế tạo quan tâm trước hết, vì chúng tạo ra các vùng bất lợi cho hoạt động của thiết bị vô tuyến điện. Bài báo đề cập đến một mô hình tương tác của nhiễu điện từ mạnh sẽ ảnh hưởng như thế nào đối với các phương tiện vô tuyến trong các điều kiện khác nhau.

Nghiên cứu khoa học cơng nghệ XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐÁNH GIÁ TƯƠNG TÁC NHIỄU ĐIỆN TỪ MẠNH VỚI CÁC PHƯƠNG TIỆN VÔ TUYẾN ĐIỆN Nguyễn Đức Trường1, Lê Kỳ Biên2, Nguyễn Huy Hồng 3* Tóm tắt: Các phương tiện vô tuyến điện hoạt động điều kiện chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố, nguồn gây xung điện từ tác động trực tiếp đến khả hoạt động thiết bị vô tuyến Các xung điện từ hình thành từ nguồn từ bên như: trạm thu phát vơ tuyến truyền hình, thơng tin, sét, đường dây truyền tải điện cao thế, nguồn bên như:các biến áp, cuộn dây, thiết bị ngắt điện chuyển mạch… Để đảm bảo yêu cầu tương thích điện từ độ bền phương tiện vô tuyến điện tác động xung điện từ mạnh, nguồn nhiễu nhà chế tạo quan tâm trước hết, chúng tạo vùng bất lợi cho hoạt động thiết bị vô tuyến điện Bài báo đề cập đến mơ hình tương tác nhiễu điện từ mạnh ảnh hưởng phương tiện vô tuyến điều kiện khác Từ khóa: Tương tác; Nhiễu điện từ; Xung điện từ; Tương thích điện từ ĐẶT VẤN ĐỀ Các phần tử mạch kỹ thuật điện sử dụng rộng rãi thiết bị vô tuyến Chúng đóng vai trò lớn hệ thống vô tuyến: nguồn điện, chuyển mạch, làm nóng, làm lạnh, chiếu sáng v.v Các phần tử mạch kỹ thuật điện khuếch tán công suất tương đối lớn, sinh xung điện từ mạnh làm ảnh hưởng tới mạch điện tử Các nguồn xung nhiễu thường tạo từ phần tử kỹ thuật điện sau: Biến áp cuộn dây Trong mạch kỹ thuật điện biến áp cuộn dây nguồn sinh từ trường điện trường tương đối mạnh, gây nhiễu lên phần tử mạch vô tuyến Việc cách ly loại trường thiết bị vô tuyến cách che chắn biện pháp để đảm bảo EMC [2] Thiết bị ngắt điện chuyển mạch Khi đóng mở nguồn tiếp điểm học gây việc thay đổi dòng điện áp, điều dẫn đến tạo nhiễu điện trường mạnh Đôi đóng mở xảy khơng cố ý bị rung lắc tải[2,3] Sự đánh lửa hồ quang điện mặt tiếp xúc làm hỏng tiếp điểm tạo nhiễu không cố ý Mức nhiễu tăng nhanh theo q trình phá huỷ tiếp điểm Sự nhảy dòng lớn thường xảy mạch có tải mang tính chất điện dung; nhảy điện áp lớn hay xảy mạch có tải mang tính chất điện cảm; tải tích cực dòng điện áp khơng vượt mức thiết lập.Việc sử dụng dụng cụ bán dẫn làm chuyển mạch hạn chế hồ quang điện đánh lửa nhiên lại xảy trình độ đột biến lớn dòng điện áp sinh nhiễu xung mạnh Rơ le điện từ Các chuyển mạch cuộn cảm có điều khiển vật gây nên nhiễu từ trường mạnh Việc đóng ngắt tiếp điểm kéo theo trình tạo nhiễu, thời gian tồn kéo dài đến vài ms Cũng có loại nhiễu sinh rung lắc va đập học [2,3] Rơle gây nhiễu lên mạch khác Cũng tạo nhiễu lên rơle khác chuyển mạch nhiều vị trí - gọi nhiễu xun Chổi quét máy điện Các cặp tiếp xúc trượt máy điện nguồn gây nhiễu không cố ý, có nhảy dòng điện áp mà sinh tượng đánh lửa tăng điện trở tiếp xúc oxy hóa, bụi bẩn ăn mòn học Áp lực chỗi quét lên cổ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 117 Kỹ thuật Điện tử – Thơng tin góp mật độ dòng qua mặt trượt tạo nhiễu xung điện từ mạnh Các động điện máy phát điện chiều sinh nhiễu chuyển mạch cuộn dây phần ứng Sự đột biến dòng phần ứng đánh lửa chổi điện nguyên nhân gây nhiễu Mức nhiễu máy điện chiều cao đa dạng theo thành phần phổ [2] Các nguồn phát sáng Các đèn huỳnh quang nguồn nhiễu mạnh với phổ rộng đến 10 MHz số trường hợp lên đến 100 MHz Nguồn nhiễu cột khí ion hóa, sinh 100 lần giây với nguồn điện có tần số 50 Hz Sự nhảy dòng mạch nguồn gây nên nhiễu xung điện từ mạnh [3] Các phương tiện vô tuyến điện hoạt động điều kiện chịu tác động, ảnh hưởng từ nguồn nhiễu nên việc khảo sát xây dựng mơ hình đánh giá tác động nhiễu xung điện từ mạnh lên hoạt động phương tiện vô tuyến điện cần thiết, môi trường quân KHẢ NĂNG LÀM VIỆC CỦA MÁY THU PHÁT VÔ TUYẾN TRONG ĐIỀU KIỆN TÁC ĐỘNG CỦA NHIỄU ĐIỆN TỪ MẠNH Khi triển khai đánh giá tính tốn- thực nghiệm độ bền phương tiện vô tuyến điện tác động nhiễu xung điện từ mạnh đòi hỏi phải sử dụng mơ máy tính thực nội dung sau đây: - Đặt toán chọn thuật tốn chung để giải nó; - Mơ tả tốn học tốn (chọn cơng thức tốn học - mơ hình tượng); - Lập sơ đồ khối chương trình viết chương trình ngơn ngữ lập trình Để đảm bảo yêu cầu tương thích điện từ độ bền phương tiện vô tuyến điện tác động xung điện từ mạnh, nguồn nhiễu xung mạnh nhà chế tạo quan tâm trước hết, chúng tạo vùng bất lợi cho hoạt động thiết bị vơ tuyến điện, vậy, vấn đề cần nghiên cứu tập trung vào xây dựng mơ hình đánh giá tương tác nhiễu điện từ mạnh với phương tiện vô tuyến điện, từ xây dựng thuật tốn tối ưu đánh giá tương thích điện từ trường cho thiết bị vô tuyến 2.1 Sự tác động nhiễu điện từ mạnh lên máy thu phát vô tuyến điện Để đánh giá tác động nhiễu điện từ mạnh lên máy thu phát vơ tuyến, cần phải có thơng tin ban đầu nhiễu điện từ mạnh tác động, báo giả thiết nhiễu điện từ mạnh xung hàm mũ dạng: ( )= [exp(− ) − exp(− )], ( ) = ( )/ đó, a hệ số suy giảm, t thời gian tác động Xung nhiễu tác động lên máy thu phát vơ tuyến có cấu hình tối thiểu hình với thơng số xác định [8] Để chọn đối tượng chịu tác động xung điện từ, ta xét sơ đồ cấu trúc điển hình máy thu phát vơ tuyến (Hình 1), nêu tài liệu [8] Khi tiến hành phân tích hoạt động máy thu phát điều kiện tác động nhiễu điện từ mạnh, ta cần phải biết: tần số mang (có ích) tín hiệu; dải thơng tuyến cao tần máy thu; dải thơng máy thu nói chung; độ nhạy máy thu; diện tích hiệu dụng anten cho hướng đến nhiễu; đặc điểm chắn (các chắn); đặc trưng cáp dây dẫn (tuyến liên lạc) Lý tưởng hóa q trình làm việc máy thu phát vơ tuyến điều kiện tác động trường điện từ mạnh, ta có sơ đồ khối sau: 118 N Đ Trường, L K Biên, N H Hồng, “Xây dựng mơ hình đánh giá … vô tuyến điện.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Sơ đồ khối máy thu phát vô tuyến Từ sơ đồ khối tổng quát máy thu phát vơ tuyến, ta có sơ đồ tổng quát tác động nhiễu điện từ mạnh máy thu phát vô tuyến khảo sát thể Hình Hình Các đường thâm nhập nhiễu điện từ mạnh vào mạch máy thu phát vơ tuyến Từ Hình 2, thấy có phương thức thâm nhập nhiễu điện từ mạnh vào máy thu vô tuyến, cụ thể là: 1- qua đường khuếch đại biên-pha; - qua chắn bảo vệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 119 Kỹ thuật Điện tử – Thông tin chống tác động lên khối, sơ đồ tuyến liên lạc; 3- qua hệ thống tiếp đất Điều chứng tỏ rằng, nhiễu điện từ mạnh có ảnh hưởng nhiều lên phận máy thu làm cho việc ngăn chặn, giảm ảnh hưởng trở lên phức tạp đòi hỏi cần phải có giải pháp tổng thể 2.2 Xây dựng thuật tốn mơ đánh giá khả làm việc máy thu vô tuyến điện điều kiện nhiễu điện từ mạnh Hình Lưu đồ thuật toán đánh giá độ bền máy thu vô tuyến tác động nhiễu điện từ mạnh 120 N Đ Trường, L K Biên, N H Hồng, “Xây dựng mơ hình đánh giá … vô tuyến điện.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Việc đánh giá khả làm việc máy thu vô tuyến điều kiện tác động nhiễu điện từ mạnh phải bao gồm bước thực sau đây: - Chuẩn bị số liệu ban đầu tác động nhiễu điện từ mạnh, tín hiệu có ích đặc trưng máy thu vô tuyến; - Tính tốn thơng số nhiễu tác động nhiễu điện từ mạnh theo đường thâm nhập nó, tổng chúng đưa đến điểm tới hạn thiết bị thu vô tuyến (đầu vào máy thu, đầu vào đầu thiết bị xử lý hình thành thơng tin); - Xác định tỷ lệ qk2 = tín/(tạp+nhiễu) điểm tới hạn thiết bị thu vô tuyến; - Nếu giá trị thông số qk2 thu nhỏ giá trị cho trước, thay đổi số liệu ban đầu tính tốn lại Phân tích đánh giá độ bền thiết bị thu vô tuyến tác động nhiễu điện từ mạnh, ta có lưu đồ thuật tốn trình bày hình 2.3 Viết chương trình Đặt tốn: Đánh giá thơng số nhiễu tuyến thu (Hình 1), vốn xuất phần nhiễu điện từ mạnh qua khuếch đại biên độ-pha Các thông tin ban đầu phương tiện vô tuyến điện nhiễu điện từ mạnh tác động nêu phần Các công thức toán học sử dụng: Δ ≪ = ∫ = ( )= (1) ( ) cos[ ( )] ∫ [ ( )] − (2) (3) ( )ℎ /2 (4) = /2 (5) Cho xung nhiễu điện từ mạnh, vốn có phổ tần số tương đối thấp, (nguồn chúng tia lửa điện) tần số làm việc máy thu vô tuyến lớn 100MHz, để tính tốn ta sử dụng cơng thức sau đây: ( )= ( = ) ( ∗ ( ( )= ) ) ( [ ) ( ∗ ( ) ( / ) ∗ )] (6) (7) (8) ( )= ( ) ∗ (9) = ( ) ( ( ∗ ) ∗ ) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 (10) 121 Kỹ thuật Điện tử – Thông tin = ( ) ∗ (11) λ = K/Txc (12) Trong công thức (1) - (12), ngồi ký hiệu thơng dụng, sử dụng ký hiệu sau đây: Etr (t ), Etr max (t )  cường độ thành phần điện nhiễu điện từ mạnh, tính chuyển sang dải thông tuyến thu   2f , giá trị cực đại điều kiện 2.1 thỏa mãn ảnh hưởng nhiễu điện từ mạnh hoạt động tuyến thu, V/m; E0 tr (t )  tương ứng đường bao Etr (t ) E0 tr (t ) , V/m; - mật độ dòng lượng nhiễu, tính chuyển sang dải thông tuyến thu, J / m ; Wa : lượng nhiễu đầu vào máy thu, tính chuyển sang dải thơng nó, J; ua (t )  điện áp nhiễu đầu vào máy thu, tính chuyển sang dải thơng TÍNH TOÁN VÀ THẢO LUẬN Để cụ thể, ta lấy: t  1,2.105 s - vùng có tín hiệu bị trễ;   4.107 s - trễ cực tiểu mong đợi mặt trước tín hiệu đầu vào đầu mạch khảo sát; E0  5.10 7 s - độ dài tín hiệu bị trễ mức 0,1U m 0,9U m ; t a  3.10 7 s - thời gian nhiễu tác động; - giá trị biên độ cực đại tín hiệu bị trễ U m  1V Các kết tính tốn trình bày bảng - Bảng Sự phụ thuộc độ xác đo   vào chu kỳ lặp xung cửa Số lượng cửa K khoảng t1  t Giá trị   , ns Sai số đo tuyệt đối ttd , ns Sai số đo tương đối  ,% 10 14 18 22 26 680,7 700,5 694,8 691,9 693,6 693,5 13,25 6,646 1,287 1,714 0,392 0,521 1,947 0,949 0,185 0,248 0,057 0,075 Bảng Sự phụ thuộc độ xác đo   vào độ xác đo biên độ U thời điểm Sai số đo U , % Giá trị   , ns Sai số đo tuyệt đối 122 ttd , ns tk K = 26 0,5 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 679,4 685,2 696,4 706,3 715,9 723,5 4,982 10,41 21,05 31,09 40,41 48,92 N Đ Trường, L K Biên, N H Hồng, “Xây dựng mơ hình đánh giá … vô tuyến điện.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Sai số đo tương đối   , % 0,733 1,519 3,023 4,402 5,645 6,762 Bảng Sự phụ thuộc độ xác đo   vào độ bất ổn định vị trí thời gian xung cửa (tử số K = 6, mẫu số K = 26) Độ bất ổn định tương đối 103 102 3.10 6.10 9.10 800,1 800,1 0 0 800,21 800,06 0,2142 0,0641 0,0267 0,0080 803,05 903,71 0,9438 0,2849 0,1175 0,0354 809,77 811,30 2,2253 0,6818 0,2748 0,0852 821,20 823,45 2,7949 0,5457 0,3403 0,0662 833,95 836,54 2,0447 0,5429 0,2452 t1 Giá trị   , ns Sai số đo tuyệt đối ttd , ns Sai số đo tương đối  , % 2 2 2 Bảng Sự phụ thuộc độ xác đo   vào sai số đo vị trí Sai số đo tk , % Giá trị   , ns Sai số đo tuyệt đối ttd , ns Sai số đo tương đối   , % thời gian xung cửa (tử số K=6, mẫu số K=26) 12 16 20 802,08 802,14 2,0863 2,1469 808,34 808,59 8,3453 8,5878 816,69 817,17 16,691 17,176 825,04 825,76 25,036 25,763 833,38 834,35 33,381 34,351 841,73 842,94 41,727 42,939 0,2601 0,2676 1,0324 1,0620 2,0437 2,1018 3,0345 3,1199 4,0055 4,1171 4,9578 5,0939 Nhìn vào Bảng 1, ta nhận thấy: số lượng xung cửa tăng lên giá trị đo thời gian trễ tín hiệu tăng lên, sai số tương đối đo khoảng thời gian giảm chứng minh độ xác đo thời gian trễ phụ thuộc vào chu kỳ lặp xung cửa Ở Bảng 2, tiếp tục khảo sát giữ nguyên chu kỳ lặp xung tương ứng với sai số đo biên độ điện áp Ura thời điểm tăng lên sai số đo tương đối thời gian trễ tăng lên cho thấy gia tăng điện áp nhiễu ảnh hưởng trực tiếp đến sai số đo thời gian trễ Tại bảng tiếp tục khảo sát với việc đánh giá phụ thuộc độ xác đo thời gian trễ   tín hiệu thu vào độ khơng ổn định vị trí xung cửa sai số đo vị trí thời gian xung cửa đầu vào máy thu Khi độ khơng ổn định tăng lên khoảng thời gian   tăng lên, dẫn đến sai số đo   tăng lên Dễ dàng nhận thấy việc nghiên cứu mơ hình đo thời gian  có tác động nhiễu điện từ trường mạnh máy tính cho phép đánh giá số giải pháp sau đây: - Xác định chu kỳ lặp xung cửa Tc cần thiết để đảm bảo độ xác cho phép đo   ; - Đánh giá ảnh hưởng yếu tố không ổn định sai số phép đo tk , U đến độ xác đo   ; - Đưa khuyến nghị cần lưu ý thiết kế sử dụng thiết bị đo thời gian trễ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 123 Kỹ thuật Điện tử – Thông tin KẾT LUẬN Việc nghiên cứu, đánh giá tác động xung điện từ mạnh lên hoạt động phương tiện vơ tuyến điện có nhiều nơi nghiên cứu áp dụng vào thực tiễn Một số kết nghiên cứu đưa phương pháp chống nhiễu điện từ mạnh sử dụng che chắn, tăng công suất máy phát, triệt tiêu xung cao áp hệ thống cáp, dây dẫn điện, nâng cao độ tin cậy nguồn điện cấp Tuy nhiên phương pháp bên cạnh ưu điểm tồn số nhược điểm: chưa đánh giá hết tác động nhiễu điện từ mạnh, chưa tiến hành mô vào đối tượng cụ thể nên vài trường hợpvẫn chưa giải triệt để Để giải vấn đề nghiên cứu trên, nội dung báo tập trung vào việc xây dựng lý thuyết, đưa mơ hình tương tác nhiễu điện từ mạnh với phương tiện vơ tuyến điện xây dựng thuật tốn tiến hành đánh giá định lượng, xác định, đánh giá khoảng thời gian tồn chu kỳ xung cửa máy thu tác động trực tiếp đến độ xác kết đo thời gian máy thu Kết tốn đưa mơ hình đánh giá tương tác nhiễu điện từ mạnh đến phương tiện vơ tuyến điện để từ đưa biện pháp giúp cho thiết bị điện tử hoạt động bình thường theo tiêu chí nhà sản xuất đưa TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Anh, “Trường điện từ truyền sóng” NXB Đại học Quốc gia Hà Nội (2002) [2] Апорович А.Ф “Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств” Минск “Бестпринт” 2003 [3] C.R Paul, “Introduction to Electromagnetic Compatibility”, Wiley-Interscience, New Jersey (2006), pp [4] Иванов, В.А “Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств” /В.А.Иванов, Л.Я.Ильинский, М.И.Фузик.-К.:Техника, 1983.-120с [5] Князев, А.Д “Элементы теории и практики электромагнитной местимости радиоэлектронных средств” - М.:Радио и связь, 1984 - 336 с [6] “Радиоэлектронные средства и мощные электромагнитные помехи” / под ред В.И Кравченко - М : Радио и связь,1984 - 256 с [7] Крылов, В.А “Защита от электромагнитных излучений” / В.А рылов, Т.В Югенков - М : Советское радио, 1972.- 216 с [8] Уайт, Д “Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи” / Д Уайт; пер с англ - М : Советское радио, 1977 - Вып - 348 с [9] ГОСТ 11001-80, “Измерители радиопомех” Общие требования [10] Михайлов, А.С “Измерение параметров ЭМС РЭС” / А.С Михайлов - М : Связь, 1980 - 244 с [11] Михайлов, А.С “Справочник по расчету электромагнитных экранов” / А.С Михайлов - М : Энергоатом изд-во, 1988 - 244 с [12] ГОСТ Р 51724–2001 “Экранированные объекты, помещения, технические средства” Поле гипогеомагнитное [13] Е.В Кереселидзе “Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средствю Минск”, 2005 [14] А.Ф Апорович “Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средствю Минск «Бестпринт»”, 2003 124 N Đ Trường, L K Biên, N H Hồng, “Xây dựng mơ hình đánh giá … vô tuyến điện.” Nghiên cứu khoa học công nghệ ABSTRACT BUILDING THE IMPACT ASSESSMENT MODEL STRONG ELECTRONICS WITH MEANS OF RADIO POWER Radio equipment operating under conditions influenced by a variety of factors, in which the source of the electromagnetic pulse will directly affect the operation of radio equipment These electromagnetic pulses are formed from external sources such as: radio transmitters, information, lightning, high voltage transmission lines, internal sources such as transformers, coils, circuit breakers and switches To ensure the requirements of electromagnetic compatibility and the strength of radio equipment for the impact of strong electromagnetic pulse, interference sources are developed by the manufacturers First of all, because they create areas that are detrimental to the operation of radio equipment The paper discusses an interactive model of how strong electromagnetic interference affects wireless media under different conditions Keywords: Interactive; Electromagnetic interference; Radio Nhận ngày 26 tháng 06 năm 2018 Hoàn thiện ngày 10 tháng năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 20 tháng năm 2018 Địa chỉ: Cục Tiêu chuẩn - Đo lường - Chất lượng; Viện Điện tử - Viện Khoa học Công nghệ quân sự; Khoa Vô tuyến Điện tử - Học viện Kỹ thuật quân * Email: nguyenductruongttdl@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 125 ... mạnh với phương tiện vơ tuyến điện, từ xây dựng thuật tốn tối ưu đánh giá tương thích điện từ trường cho thiết bị vô tuyến 2.1 Sự tác động nhiễu điện từ mạnh lên máy thu phát vô tuyến điện Để đánh. .. nhiễu điện từ mạnh máy thu phát vô tuyến khảo sát thể Hình Hình Các đường thâm nhập nhiễu điện từ mạnh vào mạch máy thu phát vô tuyến Từ Hình 2, thấy có phương thức thâm nhập nhiễu điện từ mạnh. .. tổng thể 2.2 Xây dựng thuật tốn mơ đánh giá khả làm việc máy thu vô tuyến điện điều kiện nhiễu điện từ mạnh Hình Lưu đồ thuật tốn đánh giá độ bền máy thu vô tuyến tác động nhiễu điện từ mạnh 120