Nghiên cứu giải pháp đánh giá và đảm bảo tương thích điện từ trường cho các thiết bị vô tuyến điện tử

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 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 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 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: LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS HỒ QUANG QUÝ PGS TS BÙI VĂN SÁNG Hà Nội - 2020 i ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các nội dung, số liệu kết trình bày luận án hồn tồn 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 i iv 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 iii MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC BẢNG ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .x MỞ ĐẦU .1 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 .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 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 Mô 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 iv 2.1.2 Mô 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 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT rλ ZE HS Khoảng cách, [m] Bƣớc sóng, [m] Trở kháng sóng, [Ω] Điện trƣờng, [V/m] SE Từ trƣờng, [V/m] RA Véc tơ Poiting, [W/m2] B Hiệu che chắn, [dB] Độ suy giảm phản xạ, [dB] Dgh Độ suy giảm hấp thụ, [dB] Ncl Độ suy giảm phản xạ nhiều lần, [dB] CSc n P2 Bán kính hình trịn mơ hình mạng vơ tuyến, [m] số lƣợng cluster Diện tích cluster, [m2] P1 Chỉ số suy hao sóng điện từ Gth Cơng suất tín hiệu đầu vào máy thu, [W] Gph Thế đƣờng 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] cƣờng độ điện trƣờng điểm thu, [V/m] công suất tín hiệu, [W] Cơng 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 vi Dim dải động tự xuyên điều chế, [m] Dds dải động tự máy thu, [m] Rmax Bán kính lớn nhất, [m] Hàm tọa độ  (α, R)  (α,θ, R) p k( N∆ V ) cực Hàm tọa độ cầu xác suất mà nguồn phát k rơi vào vùng thể tích ∆V N Số nguồn phát xạ trung bình k Số nguồn phát xạ µ độ từ thẩm tƣơng đối vật liệu σ độ dẫn điện tƣơng đối vật t liệu độ dày lớp vỏ bọc kim, m [cm] Số chiều không gian Tỉ số ∆V da nhiễu tạp Khoảng cách máy thu máy phát, [m] D Dx1 V Các miền thời gian, [s] Thể tích, [m3] ΔV’ Vi phân thể tích, [m3] B(∆V ') Xác suất điểm thể tích, [%] Số tín hiệu trung bình nằm dải thơng N tb Pthuc.te Ptap Công suất tạp âm, [W] Hệ số tạp tƣơng đƣơng η Ptap P Công suất nhiễu thực tế, [W] Công suất tạp âm nội bộ, [W] Công suất 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 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 vơ 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 lơ gic có lập trình BTTM Bộ tổng tham mƣu BQP Bộ Quốc Phịng 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 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 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 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 Hình P1.3 Sơ đồ mạch in 3D mạch dao động Hình P1.4 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn Hình P1.5 Sơ đồ mạch in mạch nguồn Hình P1.6 Sơ đồ mạch in 3D mạch nguồn PHỤ LỤC Các khối nhôm sử dụng để che chắn PHỤ LỤC Các kết đo thử nghiệm Bảng P3.1 Dữ liệu đo mạch nguồn Tần số (MHz) Bảng P3.2 Dữ liệu đo mạch dao động Tần số (MHz) Bảng P3.3 Dữ liệu đo mạch nguồn đƣợc bọc kim Tần số (MHz) Bảng P3.4 Dữ liệu đo mạch dao động đƣợc bọc kim Tần số (MHz) Bảng P3.5 Dữ liệu đo mạch nguồn mạch dao động đặt cạnh không che chắn Tần số (MHz) Bảng P3.6 Dữ liệu đo mạch nguồn mạch dao động đặt cách cm không che chắn Tần số (MHz) Bảng P3.7 Dữ liệu đo mạch nguồn mạch dao động đặt cách 5cm không che chắn Tần số (MHz) Bảng P3.8 Dữ liệu đo mạch nguồn mạch dao động đặt cách 10 cm không che chắn Bảng P3.9 Dữ liệu đo mạch nguồn mạch dao động đƣợc bọc kim đặt cạnh Tần số (MHz) Bảng P3.10 Dữ liệu đo mạch nguồn mạch dao động đƣợc bọc kim đặt cách 10 cm Tần số (MHz) 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 khơng 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 Khơng che chắn Tần số (MHz) Bảng P4.2 Hộp bọc kim có khe hở cm x 1,5 cm Tần số (MHz) 10 Bảng P4.3 Hộp bọc kim có khe hở cm x cm Tần số (MHz) Bảng P4.4 Hộp bọc kim có khe hở cm x 0,5 cm Tần số (MHz) 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 khơng có 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) 11 Bảng P4.6 Hộp bọc kim có khe hở cm x 1,5 cm Tần số (MHz) 50 Bảng P4.7 Hộp bọc kim có khe hở cm x cm Tần số (MHz) 50 Bảng P4.8 Hộp bọc kim có khe hở cm x 0,5 cm Tần số (MHz) 50 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 cách (cm) 10 15 20 30 50 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 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 cách (cm) 10 15 Không che chắn ... 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 góp... 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. .. dung nghiên cứu luận án Nghiên cứu giải pháp đám bảo tƣơng thích điện từ trƣờng cho thiết bị VTĐT, tập trung vào phƣơng pháp che chắn điện từ ƣớc lƣợng khoảng cách Nghiên cứu đánh giá xác suất gián