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

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 Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến điện tử Mã số: 44 01 05 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ HÀ NỘI - 2020 Công trình hồn thành tại: Viện Khoa học Cơng nghệ Quân Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS Hồ Quang Quý PGS.TS Bùi Văn Sáng Phản biện 1: PGS TS Nguyễn Quang Hùng Viện Khoa học Công nghệ Quân Phản biện 2: PGS.TS Đỗ Trọng Tuấn Đại học Bách khoa Hà Nội Phản biện 3: TS Tạ Chí Hiếu Học viện Kỹ thuật Quân Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ họp Viện Khoa học Công nghệ quân vào hồi …… h……ph, ngày… tháng.… năm 2020 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện Khoa học Công nghệ Quân - Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án: Ngày tương thích điện từ trường EMC (Electromagnetic Compatibility) nhanh chóng trở thành lĩnh vực quan trọng ngành kỹ thuật phân tích mạch kỹ thuật điện tử Sự phát triển nhanh chóng mật độ sử dụng thiết bị điện tử ngày cao, thêm vào hầu giới quy định giới hạn phát xạ nhiễu xạ nhiễu truyền dẫn sản phẩm điện tử Sự xuất nhiễu thiết bị điện, điện tử gây làm giảm hiệu hoạt động thân chúng thiết bị xung quanh, đặc biệt thiết bị quân tàu ngầm, tàu chiến, máy bay chiến đấu…, khơng gian hệ thống hạn chế số lượng thiết bị điện, điện tử lớn hoạt động đồng thời Chính vậy, đảm bảo tương thích điện từ trường (Electromagnetic Compatibility-EMC) cho thiết bị vô tuyến điện tử (VTĐT) vấn đề cấp thiết Lĩnh vực khoa học cần quan tâm gia tăng mạnh số lượng quy mô thiết bị điện - điện tử Chính tơi chọn đề tài “Nghiên cứu giải pháp đánh giá đảm bảo tƣơng thích điện từ trƣờng cho thiết bị vô tuyến điện tử” với mục tiêu nội dung trình bày sau Mục tiêu: Nghiên cứu hoàn thiện giải pháp đánh giá, đảm bảo EMC thiết kế, chế tạo thiết bị vô tuyến sở che chắn điện từ ước lượng khoảng cách khối chức năng; nghiên cứu ảnh hưởng EMC nguồn nhiễu gần tổng công suất nhiễu hệ thống vô tuyến để xác định phương pháp đánh giá đơn giản, thích hợp Đối tƣợng nghiên cứu: Luận án sâu nghiên cứu, phân tích giải pháp đánh giá, đảm bảo EMC cho khối thiết bị vô tuyến, đánh giá tác động nguồn nhiễu gần đến thiết bị vô tuyến hệ thống vô tuyến sử dụng phổ biến Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết EMC, phân tích phương pháp áp dụng hệ thống thiết bị VTĐT nước nước ngồi, từ đề xuất giải pháp hồn thiện lý thuyết thực tế Nghiên cứu EMC hệ thống thiết bị VTĐT cụ thể, tìm liên quan, tương tác điện từ trường thiết bị hệ thống khối chức thiết bị điện tử riêng biệt, mô kết nghiên cứu phần mềm rút kết luận Nội dung nghiên cứu: Nghiên cứu giải pháp đám bảo tương thích điện từ trường cho thiết bị VTĐT, tập trung vào phương pháp che chắn điện từ ước lượng khoảng cách Nghiên cứu đánh giá xác suất gián đoạn hoạt động hệ thống vô tuyến tác động nguồn nhiễu gần thay cho tác động tổng công suất nhiễu Phƣơng pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu dựa sở thu thập thơng tin, tài liệu, phân tích tổng hợp cơng trình, báo khoa học công bố giới nước, vận dụng lý thuyết truyền sóng vơ tuyến điện, lý thuyết trường điện từ, xác suất thống kê tính tốn giải tích để xây dựng mối liên hệ tốn học phần tử toàn hệ thống Đánh giá kết phần mềm mô CST Monte-Carlo máy tính thử nghiệm phần cứng Ý nghĩa khoa học thực tiễn: Các nhận xét kết luận luận án đưa dựa sở phân tích tốn học, kiểm chứng thực nghiệm mô phỏng, đảm bảo độ tin cậy, góp phần hồn thiện phương pháp đảm bảo EMC cho thiết bị VTĐT Phương pháp che chắn điện từ ước lượng khoảng cách khối với khuyến nghị rút từ thực nghiệm mô giúp ích cho thiết kế, chế tạo thiết bị VTĐT Phương pháp đánh giá xác suất gián đoạn hoạt động hệ thống VTĐT tác động nguồn nhiễu gần thay cho tác động tổng công suất nhiễu góp phần đơn giản hóa phương pháp đảm bảo EMC cho thiết bị VTĐT Đây hai nội dung mang tích mới, có ý nghĩa khoa học Kết tính tốn, thực nghiệm mơ kiểm chứng luận án góp phần hồn thiện phương pháp đảm bảo EMC cho thiết bị VTĐT Từ kết này, giúp cho việc thiết kế, chế tạo thiết bị VTĐT đạt phù hợp với tiêu chuẩn EMC, nâng cao họađộ tin cậy thiết bị Bố cục luận án: Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục cơng trình công bố luận án, tài liệu tham khảo phụ lục, nội dung luận án gồm chương: Chương Tổng quan giải pháp đánh giá đảm bảo EMC cho thiết bị vô tuyến; Chương Đề xuất giải pháp đảm bảo EMC thiết kế thiết bị VT; Chương Đề xuất giải pháp đánh giá nguồn nhiễu gần thay cho tổng công suất nhiễu Chƣơng TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO VÀ ĐÁNH GIÁ EMC CHO THIẾT BỊ VÔ TUYẾN 1.1 Khái niệm đặc trƣng EMC thiết bị vơ tuyến 1.1.1 Khái niệm chung Tương thích điện từ khả thiết bị (điện, điện tử, vô tuyến điện) vận hành ổn định đảm bảo tham số môi trường điện từ cụ thể không tạo nhiễu vượt tiêu chuẩn qui định thiết bị khác [51] 1.1.2 Đặc trƣng EMC thiết bị vô tuyến Khi giải vấn đề liên quan đến tương thích điện từ trường EMC thiết bị vơ tuyến, có nhiều tham số đặc trưng máy thu vô tuyến (MT), máy phát vô tuyến (MF) ăng-ten sử dụng để đánh giá EMC Những đặc trưng tham số mơ tả tính chất định thiết bị nói trên, xuất phát từ quan điểm nhiễu điện từ khả ngăn chặn chúng Cụ thể, phạm vi luận án xem xét nội dung sau số đặc tính EMC [4], [5], [51] 1.2 Một số giải pháp đảm bảo EMC cho thiết bị vô tuyến Để đảm bảo EMC cho phần tử, khối thiết bị vô tuyến, nhiều giải pháp thực mang lại kết định Các phương pháp để hạn chế loại bỏ ảnh hưởng nhiễu mạch thiết bị là: bọc kim, nối đất, lọc, cân bằng, cách ly, phân bố định hướng dây dẫn không gian, điều chỉnh trở kháng mạch… [4], [51] Các hình 1.7, 1.8, 1.9 thể phương pháp hạn chế nhiễu mạch điện 1.2.1 Giải pháp che chắn điện từ Khi thiết bị vô tuyến điện tử trở nên phức tạp, yêu cầu giảm tác động nhiễu trở nên cần thiết Một phương pháp sử dụng phổ biến áp dụng cho khối toàn thiết bị điện tử che chắn điện từ trường sử dụng hộp kim loại [6] Che chắn điện từ giải pháp hữu ích thông dụng để đảm bảo EMC phần tử tồn thiết bị Hình 1.10 Tác dụng phương pháp che chắn điện từ Hiệu che chắn (SE [dB]) vỏ bọc kim thể dạng tổng phản xạ (R [dB]), hấp thụ (A [dB]) phản xạ nhiều lần (B [dB]) sau [48] : SE [dB] = R [dB] + A [dB] + B [dB] (1.8) 1.2.2 Giải pháp ƣớc lƣợng khoảng cách Một phương pháp khác sử dụng ước lượng khoảng cách thành phần thiết bị điện tử Phương pháp dựa nguyên lý sóng điện từ lan truyền khơng gian, cường độ tín hiệu suy giảm theo khoảng cách [47] Hình 1.12 Phương pháp nghịch đảo khoảng cách E ( R' )[dB]  E ( R)[dB]  20lg( R ) R' (1.10) 1.2.3 Các giải pháp khác 1.3 Các mơ hình đánh giá nhiễu thiết bị vơ tuyến 1.3.1 Mơ hình thống kê công suất cực đại nhiễu Trong mạng TTDĐ thường sử dụng máy thu (MT) máy phát (MP) hai dạng trạm trạm di động (MS) trạm gốc (BS), tạo thành dạng HTVT sở cho hai dạng Trong [4] khảo sát mơ hình, hình 1.20 dạng mơ hình đặc trưng ta lựa chọn để phân tích MP(MS) MT(BS) r Rc D MS BS MP(BS)j MT(MS)j Hình 1.20 Mơ hình thống kê 1.3.2 Một số mơ hình đánh giá khác 1.4 Nhận xét bàn luận giải pháp EMC cho thiết bị VTĐT Tương thích điện từ trường nước thực quan tâm vào năm 70 - 80 kỷ 20 Từ năm 80, nước Mỹ, Liên Xô cũ, Nhật Bản,… xây dựng tiêu chuẩn EMC sử dụng tài nguyên điện từ phổ tần số, mật độ bố trí cấu kiện điện tử, độ nhạy máy thu, công suất máy phát,… Hiện nay, nước ta có vài phịng đo tương thích điện từ trường EMC số quan đơn vị trọng yếu như: Cục Tần số VTĐ/Bộ Thông tin Truyền thông; Viện Đo lường Quốc gia (VMI)/ Tổng cục TC-ĐL-CL/Bộ KH CN; Cục Tiêu chuẩn - Đo lường - Chất lượng/BTTM/BQP Hiện nay, số trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Học viện Bưu Viễn thơng, Đại học Đà Nẵng có số đề tài liên quan đến nghiên cứu EMC phân hoạch tần số, đo nhiễu xạ điện từ trường từ phần tử thu, phát, an ten - phide,…Ví dụ: Đại học Đà Nẵng, TS Tăng Tấn Chiến có cơng trình nghiên cứu cấp Bộ “Nghiên cứu xây dựng mơ hình ghép để mở rộng dải thông tế bào TEM” năm 2016 [2]; “Mô truyền trường điện từ phương pháp TLM” năm 2002 [3] Tuy nhiên, khẳng định đến thời điểm cần nhiều nghiên cứu EMC cho phần tử, khối chức năng, thiết bị VTĐT, hệ thống VTĐT cụ thể, thiếu nghiên cứu nước giải pháp, mơ hình đánh giá tiêu EMC cho phần tử, khối, phương tiện VTĐT đảm bảo EMC thiết kế chế tạo thiết bị, mạng vô tuyến, lĩnh vực quân 1.5 Bài toán xây dựng giải pháp đánh giá đảm bảo tƣơng thích điện từ trƣờng cho thiết bị vô tuyến 1.5.1 Đặt tốn Từ phân tích đây, toán đặt giải luận án là: Nghiên cứu, đề xuất giải pháp đánh giá đảm bảo tương thích điện từ trường cho thiết bị vô tuyến điện tử Thực nghiệm mô thống kế máy tính thử nghiệm phần cứng dựa đặc trưng EMC thiết bị VTĐT để phân tích, đánh giá kết nghiên cứu đề xuất giải pháp đảm bảo EMC 1.5.2 Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu giới hạn toán Với toán đặt ra, luận án xác định đối tượng nghiên cứu giải pháp đảm bảo EMC thiết bị vô tuyến điện Do đó, phạm vi nghiên cứu luận án tập trung vào phương pháp đánh giá, đảm bảo EMC cho thiết bị VTĐT Từ đề xuất giải pháp, mơ hình đánh giá đảm bảo EMC cho thiết bị VTĐT theo đặc trưng EMC dựa thông số đầu vào thiết bị 1.5.3 Phƣơng pháp, nội dung nghiên cứu hƣớng giải Bài toán giải dựa việc vận dụng lý thuyết trường điện từ truyền sóng, lý thuyết xác suất thống kế tính tốn giải tích để xây dựng mối liên hệ toán học, đề xuất số giải pháp toán đánh giá đảm bảo EMC Thực kiểm chứng, đánh giá kết mơ máy tính thử nghiệm thuật toán EMC phần cứng 1.6 Kết luận chƣơng Dựa kết nghiên cứu tổng quan chương 1, rút số nhận xét sau: Đảm bảo tương thích điện từ trường EMC quan trọng cho hoạt động tin cậy, tham số thiết bị điện, điện tử phần tử cấu thành Để nội dung nghiên cứu EMC đạt hiệu cần nắm thiết kế, chức thiết bị, phần tử, nguồn nhiễu tác động Thiết bị điện, điện tử đa dạng chủng loại, kết cấu, chức ngày đổi công nghệ chế tạo, nên giải pháp tổng thể đảm bảo EMC cho tất chủng loại thiết bị khó khả thi Chính cơng trình nghiên cứu EMC mang tính đặc thù cho trường hợp cụ thể cần thiết mang tính thời Với lý nêu hướng nghiên cứu luận án giới hạn nội dung: che chắn điện từ cho phần tử ước lượng khoảng cách cho khối thiết bị vô tuyến, đề xuất giải pháp đảm bảo EMC thiết kế thiết bị VTĐT, đề xuất mơ hình tốn học đánh giá thống kê nhiễu điện từ, đánh giá nguồn nhiễu gần thay cho tổng công suất nhiễu Đây nội dung nghiên cứu chương luận án Chƣơng ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO EMC KHI THIẾT KẾ THIẾT BỊ VÔ TUYẾN Với nghiên cứu phân tích EMC chương 1, luận án đề xuất giải pháp đảm bảo EMC thiết kế thiết bị vô tuyến điện tử sở áp dụng phương pháp che chắn điện từ (bọc kim) kết hợp với phương pháp ước lượng khoảng cách khối, từ làm sở cho việc xây dựng mơ hình đảm bảo EMC thiết kế thiết bị vơ tuyến 2.1 Đề xuất giải pháp 2.1.1 Đặt vấn đề Các phương pháp bảo đảm EMC nêu mục 1.2 có ưu nhược điểm riêng Luận án đề cập đến việc bảo đảm EMC cho thiết bị điện tử có nhiều khối có sẵn, tức khơng can thiệp vào q trình thiết kế mạch khối Do vậy, luận án đề xuất giải pháp kết hợp phương pháp bọc kim phương pháp ước lượng khoảng cách khối nhằm cải thiện EMC cho thiết bị vô tuyến điện tử 2.1.2 Mô hình thực Bài tốn thực với hộp bọc kim thứ nhôm (lý chọn vật liệu mục 2.2.1) có kích thước 16 cm x 10 cm x cm, độ dày lớp vỏ mm Nguồn xạ đặt bên hộp bọc kim thứ thông qua cáp đồng trục có trở kháng 50 Ω dây đồng có đường kính 0,16 cm để đảm bảo phân phối xạ điện từ bên hộp hình 2.1 [31] Một hộp bọc kim thứ có kích thước 10 cm x 10 cm x cm nhôm đặt cách hộp bọc kim thứ khoảng cách d Hình 2.1 Mơ hình hộp bọc kim 2.2 Phân tích giải pháp đề xuất 2.2.1 Giải pháp bọc kim Với hộp bọc kim tác giả lựa chọn, độ dày lớp vỏ bọc kim mm, vật liệu làm vỏ bọc kim nhơm có  r =  r = 0,61 (với tần số 500 kHz) [48] Hiệu che chắn phương pháp bọc kim tính tốn theo (2.1) thể hình 2.2 Hình 2.2 Hiệu che chắn theo lý thuyết hộp bọc kim nhơm Ta thấy hình 2.2, sử dụng lớp vỏ bọc kim nhơm có độ dày mm xét dải tần số tiêu chuẩn CISPR-22 từ 30 MHz đến GHz [43] hiệu che chắn lớn (hơn 1000 dB) 2.2.2 Giải pháp ƣớc lƣợng khoảng cách Trong trường xa cường độ phát xạ sóng vơ tuyến giả định tỉ lệ nghịch với khoảng cách (2.7): R ) R' R  L  dB   E R '  dB   E  R   dB   20lg  '  R  E ( R' )[dB]  E ( R)[dB]  20lg( (2.7)   (2.8) Hiệu suy giảm giải pháp ước lượng khoảng cách tính tốn theo cơng thức (2.8) thể bảng 2.3 Bảng 2.1 Độ suy giảm theo lý thuyết giải pháp ước lượng khoảng cách Khoảng cách (cm) Độ suy giảm L (dB) 3,52 6,02 7,96 9,54 10,88 12,04 11 2.4 Thử nghiệm mạch thực tế Sau phân tích lý thuyết mô phỏng, luận án thực đo mạch thực tế để khẳng định hiệu giải pháp kết hợp phương pháp bọc kim ước lượng khoảng cách mạch thực tế hình 2.15 Hình 2.15 Hình ảnh đo kiểm mạch thực tế (Phụ lục 2) Hình 2.22 Mạch dao động mạch nguồn đặt cách d (cm) không che chắn Khoảng cách d (cm) thay đổi với giá trị khác cm, cm, cm, cm, cm, cm, cm, cm 10 cm Thử nghiệm cho thấy kết ảnh hưởng điện từ trường hai khối mạch giảm nhiều mạch bọc kim đặt cách 10 cm 12 Hình 2.23 Cường độ tín hiệu trường hợp mạch nguồn mạch dao động đặt cách 10 cm, khơng có che chắn bọc kim Kết nhận thể hình 2.20 (hai mạch khơng bọc kim đặt cạnh nhau) hình 2.24, hình 2.25, (hai mạch bọc kim đặt gần đặt cách 10 cm), hình 2.26 (so sánh suy giảm điện từ bọc kim không bọc kim) cho ta thấy thấy độ suy giảm tín hiệu điện từ áp dụng giải pháp đề xuất so với trường hợp không áp dụng phương pháp đảm bảo EMC khoảng 2530 dB Hình 24 Mạch dao động mạch nguồn bọc kim đặt cách d (cm) 13 Hình 2.25 Cường độ tín hiệu trường hợp đặt cách 10 cm Hình 2.26 So sánh suy giảm điện từ trường sử dụng bọc kim thay đổi khoảng cách (số liệu trích từ phụ lục 3) Dựa vào kết tính tốn theo lý thuyết, kết mô kết thực nghiệm trường hợp nêu trên, nhận thấy giải pháp đảm bảo EMC nêu bọc kim, ước lượng khoảng cách hay kết hợp giải pháp có tác dụng làm suy giảm tín hiệu điện từ khơng mong muốn phát thiết bị điện tử Các giải pháp bọc kim hay ước lượng khoảng cách có ưu nhược điểm riêng biệt, đánh giá giải pháp đánh giá kết hợp hai giải pháp lúc 14 2.5 Đề xuất giải pháp đảm bảo EMC thiết kế thiết bị VTĐT Bắt đầu - Xác định chức thông số kỹ thuật TBVTĐT - Các tham số ảnh hưởng - Tiêu chuẩn đảm bảo EMC btci Điều chỉnh nguyên lý mạch điện Thiết kế sơ đồ nguyên lý TBVTĐT Điều chỉnh nguyên lý mạch điện Phân chia khối theo ảnh hưởng chức Khối n Khối Khối Không đạt ≤ btci ? Thực che chắn điện từ khối Đạt Không đạt ≤ btci ? Điều chỉnh khoảng cách phần tử Đạt Đạt ≤ btci ? Chế thử khối Không đạt Từ tất khối Giải pháp bổ sung khác Chế thử TBVTĐT Thực che chắn điện từ với TBVTĐT Điều chỉnh khoảng cách khối Giải pháp bổ sung khác Không đạt ≤ btci ? Không đạt Không đạt Đạt Không đạt ≤ btci ? Đạt ≤ btci ? Không đạt Đạt ≤ btci ? Đạt Chế tạo TBVTĐT Kết thúc ≤ btci ? Đạt Hình 2.27 Lưu đồ thiết kế thiết bị VTĐT đảm bảo EMC 2.6 Kết luận chƣơng Luận án thực giải pháp kết hợp phương pháp bọc kim phương pháp ước lượng khoảng cách khối thiết bị vô tuyến Tác giả thực mô phần mềm CST thử nghiệm mạch thực tế, hiệu giải pháp góp phần giảm đáng kể cường độ xạ, bảo đảm làm việc chức không phá vỡ chức thiết bị khác sử dụng Từ kết thực nghiệm, luận án đề xuất quy trình thiết kế đảm bảo EMC cho thiết bị vơ tuyến có áp dụng giải pháp kỹ thuật kết hợp phương pháp bọc kim phương pháp ước lượng khoảng cách khối thiết bị vô tuyến điện tử 15 Chƣơng ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐÁNH GIÁ NGUỒN NHIỄU GẦN NHẤT THAY CHO TỔNG CÔNG SUẤT NHIỄU Dựa kết nghiên cứu chương trước số phương pháp đánh giá đảm bảo EMC cho thiết bị vô tuyến, chương đề xuất mơ hình đánh giá thống kê nguồn nhiễu gần đảm bảo EMC cho thiết bị vô tuyến điện tử Thực nghiệm mô thống kê máy tính với tham số giả định mơ hình đánh giá, đảm bảo EMC để phân tích, đánh giá hiệu quả, độ tin cậy thuật toán đưa số khuyến nghị, đề xuất Bằng trực quan, ta thấy nguồn nhiễu có công suất mạnh ảnh hưởng lớn đến xác suất gián đoạn hoạt động (như phân tích mục 3.1), tác giả luận án tập trung phân tích tác động nguồn nhiễu mạnh để xác suất gián đoạn hoạt động nhận công thức dạng rút gọn Kết phân tích mơ thấy xác suất gián đoạn hoạt động nhỏ nhận giá trị xác suất theo công suất nguồn nhiễu mạnh tổng công suất nhiễu (theo kết nghiên cứu chương luận án) Xét số phát (Tx) thu (Rx) dạng điểm đặt ngẫu nhiên vùng giới hạn định khơng gian Sm làm mơ hình nhiễu mạng không dây tầng vật lý, m = {1, 2, 3} số chiều không gian (1-D, 2-D 3-D) Hình 3.1 Minh họa vùng khơng gian địa lý Vùng không gian nhỏ (vùng lân cận nút), vùng không gian lớn (không gian mở rộng quanh nút không chồng chéo nhau) vùng không gian mạng Xác suất để nhiều phát rơi vào dS không đáng kể, P(k > 1, dS)