Luận án: Giải pháp Đánh giá và Đảm bảo Tương thích Điện từ cho Thiết bị Vô tuyến Điện tử

Tính cấp thiết của đề tài luận án Ngày nay tƣơng thích điện từ trƣờng (EMC: Electromagnetic compatibility) đã nhanh chóng trở thành một lĩnh vực quan trọng của ngành kỹ thuật phân tích mạch và kỹ thuật điện tử. Sự phát triển nhanh chóng đó là do mật độ sử dụng các thiết bị điện tử ngày càng cao, thêm vào đó hầu hết các nƣớc trên thế giới đã quy định các giới hạn về phát xạ nhiễu bức xạ và nhiễu truyền dẫn của các sản phẩm điện tử. Sự xuất hiện của nhiễu do các thiết bị điện, điện tử gây ra có thể làm giảm hiệu quả hoạt động của chính bản thân chúng và các thiết bị xung quanh, đặc biệt trong các thiết bị quân sự nhƣ tàu ngầm, tàu chiến, máy bay chiến đấu…, ở đó không gian hệ thống rất hạn chế nhƣng số lƣợng các thiết bị điện, điện tử tập trung mật độ dày đặc và hoạt động đồng thời. Chính vì vậy, đảm bảo tƣơng thích điện từ trƣờng cho các thiết bị vô tuyến điện tử (VTĐT) là vấn đề hết sức cấp thiết.

Lĩnh vực khoa học này cần đƣợc quan tâm hơn do sự gia tăng mạnh về số lƣợng và độ phức tạp của các thiết bị điện - điện tử. Có thể tổng kết các nguy cơ trong thực tế đƣợc diễn giải sau đây: - Số lƣợng các thiết bị VTĐT tăng lên rất lớn, đặc biệt là các thiết bị điện tử đặt trên các phƣơng tiện cơ động; - Công suất của các máy phát VTĐ tăng lên, một số thiết bị có công suất phát lên tới vài chục đến hàng trăm MW; - Việc mở rộng dải tần số của rất nhiều thiết bị VTĐT nhƣ trong liên lạc băng rộng, thông tin di động…; - Sự quá tải về tần số công tác, mặc dù đã có phân hoạch tần số; - Tính đa dạng của các thiết bị VTĐT với nhiều chức năng khác nhau nhƣ tự động điều khiển, kiểm tra, dự báo, liên lạc….ở các dạng tƣơng tự và dạng số; - Đặc biệt là các thiết bị quân sự thƣờng là các hệ thống nhiều vị trí nhƣ thông tin, ra đa, chế áp điện tử,… làm việc liên tục tạo ra các nguồn nhiễu lớn 2 cho chính bản thân chúng và các thiết bị xung quanh; Mật độ bố trí các thiết bị trong một hệ thống dày đặc với không gian hẹp (máy bay; tàu chiến,…). Trên thế giới, vấn đề tƣơng thích điện từ đã đƣợc nghiên cứu, thực hiện và chuẩn hóa từ rất sớm, xuất phát từ việc đảm bảo chất lƣợng hoạt động của các linh kiện trên một bo mạch, các khối trong một thiết bị, các thiết bị trong một hệ thống và giữa các hệ thống với nhau. Tuy nhiên, hiện nay do các phƣơng tiện vô tuyến điện tử phát triển rất nhanh cả về số lƣợng và chất lƣợng cùng với sự tiến bộ của khoa học công nghệ, nên các tiêu chuẩn về EMC phải tiến hành nghiên cứu và bổ sung thêm mới có thể đáp ứng đƣợc phần nào nhu cầu thực tế.

Nội dung nghiên cứu mở rộng cần đƣợc triển khai một cách bài bản vừa mang tính khoa học, vừa mang tính hệ thống. Nhiệm vụ cơ bản đầu tiên là nghiên cứu đề xuất mới các quy định, đƣa ra các điều kiện hoặc các nguyên tắc chung để đạt đƣợc sự tƣơng thích điện từ trên các thiết bị điện tử thế hệ mới. Mặt khác, phải xây dựng quy trình đề xuất những giải pháp đánh giá các thiết bị công nghệ mới đảm bảo hoạt động tin cậy và tính năng kỹ thuật. Ở Việt Nam khái niệm tƣơng thích điện từ vẫn còn chƣa đƣợc quan tâm đầy đủ và mới chỉ xuất hiện ở một số lĩnh vực khoa học kỹ thuật trọng điểm, còn trong đời sống xã hội hầu nhƣ chƣa đƣợc phổ biến, mặc dù tất các các thiết bị điện tử dân dụng nhập khẩu đến một số sản phẩm sản xuất trong nƣớc đã đƣợc thử nghiệm về EMC và phải đạt đƣợc các yêu cầu kỹ thuật đề ra.

Trong lĩnh vực quân sự, vấn đề EMC đã đƣợc quan tâm hơn cả, nhất là trong thông tin và tác chiến điện tử. Đã có các phòng thử nghiệm EMC tại một số đơn vị trọng yếu, ban hành các bộ tiêu chuẩn quân sự Việt Nam về thử nghiệm tƣơng thích điện từ nhƣ: TCQS 044:2014/TĐC, TCQS 045:2014/TĐC…. Tuy nhiên để nghiên cứu về vấn đề EMC một cách hệ thống, khoa học thì cần phải đầu tƣ nhiều về tiềm lực khoa học, công nghệ và cơ sở vật chất mới có thể đánh giá toàn diện EMC cả về lý thuyết và thực nghiệm. Chính vì vậy việc nghiên cứu, xây dựng giải pháp đánh giá, đảm bảo tƣơng thích điện từ cho các thiết bị vô tuyến điện tử 3 bằng mô phỏng và thực nghiệm là hết sức cần thiết, nhất là trong môi trƣờng quân sự nơi đòi hỏi những yêu cầu khắt khe về khả năng chống nhiễu, độ tin cậy và đảm bảo tính năng kỹ chiến thuật của trang bị.

Xuất phát từ những lý do trên, nghiên cứu sinh đã chọn đề tài cho luận án tiến sĩ “Nghiên cứu giải pháp đánh giá và đảm bảo tƣơng thích điện từ trƣờng cho các thiết bị vô tuyến điện tử”. Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ đóng góp thêm luận cứ khoa học trong nghiên cứu, đánh giá EMC, làm cơ sở mở ra hƣớng nghiên cứu tiếp theo, tiến tới làm chủ giải pháp kỹ thuật, hoàn thiện các phƣơng pháp đo tham số bức xạ điện từ trƣờng và đảm bảo EMC cho các thiết bị VTĐT. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Nghiên cứu hoàn thiện các giải pháp đánh giá, đảm bảo EMC khi thiết kế, chế tạo thiết bị vô tuyến trên cơ sở che chắn điện từ và ƣớc lƣợng khoảng cách các khối chức năng; nghiên cứu ảnh hƣởng EMC của nguồn nhiễu gần nhất và tổng công suất nhiễu trong hệ thống vô tuyến để xác định phƣơng pháp đánh giá đơn giản, thích hợp. Đối tƣợng nghiên cứu của luận án Luận án đi sâu nghiên cứu, phân tích các giải pháp đánh giá, đảm bảo EMC cho các khối trong thiết bị vô tuyến, đánh giá tác động của nguồn nhiễu gần nhất đến thiết bị vô tuyến và các hệ thống vô tuyến hiện đang đƣợc sử dụng phổ biến hiện nay.

Phạm vi nghiên cứu của luận án Nghiên cứu về lý thuyết EMC, phân tích các phƣơng pháp đã áp dụng hiện nay trong hệ thống và trên các thiết bị VTĐT trong nƣớc và nƣớc ngoài, từ đó đề xuất các giải pháp hoàn thiện mới cả trong lý thuyết và thực tế. Nghiên cứu về EMC trong một hệ thống hoặc một thiết bị VTĐT cụ thể, tìm ra sự liên quan, tƣơng tác về điện từ trƣờng giữa các thiết bị trong một hệ thống và giữa các khối chức năng trong một thiết bị điện tử riêng biệt, mô phỏng kết quả nghiên cứu bằng phần mềm và rút ra kết luận. Phƣơng pháp nghiên cứu của luận án Phƣơng pháp nghiên cứu dựa trên cơ sở thu thập thông tin, tài liệu, phân tích tổng hợp các công trình, bài báo khoa học đã công bố trên thế giới và trong nƣớc, vận dụng lý thuyết truyền sóng vô tuyến điện, lý thuyết trƣờng điện từ, xác suất thống kê và tính toán giải tích để xây dựng các mối liên hệ toán học giữa các phần tử và toàn bộ hệ thống. Đánh giá kết quả bằng phần mềm mô phỏng CST và Monte-Carlo trên máy tính và thử nghiệm trên phần cứng.

Nội dung nghiên cứu của luận án Nghiên cứu các giải pháp đám bảo tƣơng thích điện từ trƣờng cho thiết bị VTĐT, tập trung vào phƣơng pháp che chắn điện từ và ƣớc lƣợng khoảng cách. Nghiên cứu đánh giá xác suất gián đoạn hoạt động của hệ thống vô tuyến dƣới tác động của nguồn nhiễu gần nhất thay thế cho tác động tổng công suất nhiễu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học: Các nhận xét và kết luận của luận án đƣa ra dựa trên cơ sở phân tích bằng toán học, đƣợc kiểm chứng bằng thực nghiệm và mô phỏng, đảm bảo độ tin cậy, góp phần hoàn thiện phƣơng pháp đảm bảo EMC cho thiết bị VTĐT. Phƣơng pháp che chắn điện từ và ƣớc lƣợng khoảng cách các khối với các khuyến nghị rút ra từ thực nghiệm và mô phỏng giúp ích cho thiết kế, chế tạo thiết bị VTĐT.

Phƣơng pháp đánh giá xác suất gián đoạn hoạt động của hệ thống VTĐT dƣới tác động của nguồn nhiễu gần nhất thay thế cho tác động của tổng công suất nhiễu góp phần đơn giản hóa phƣơng pháp đảm bảo EMC cho thiết bị VTĐT. Đây là hai nội dung mang tích mới, có ý nghĩa khoa học. Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả tính toán, thực nghiệm và mô phỏng kiểm chứng trong luận án góp phần hoàn thiện phƣơng pháp đảm bảo EMC cho thiết bị VTĐT. Từ những kết quả này, giúp cho việc thiết kế, chế tạo các thiết bị VTĐT mới đạt đƣợc và phù hợp với các tiêu chuẩn EMC, nâng cao độ tin cậy của thiết bị.

Bố cục của luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục các công trình đã công bố của luận án, tài liệu tham khảo và phụ lục, nội dung của luận án gồm 3 chƣơng: Chƣơng 1. Tổng quan về giải pháp đánh giá và đảm bảo EMC cho các thiết bị vô tuyến Trình bày những khái niệm chung về EMC, nghiên cứu đặc trƣng EMC của các thiết bị VTĐT, phân loại các nguồn nhiễu cơ bản. Phân tích ƣu, nhƣợc điểm của các phƣơng pháp đảm bảo EMC cho thiết bị VTĐT của các tác giả trong và ngoài nƣớc, phân tích các mô hình thống kê nhiễu tác động đến thiết bị VTĐT, rút ra những nhận xét và bàn luận, trên cơ sở đó lựa chọn phƣơng án nghiên cứu của luận án. Đề xuất giải pháp đảm bảo EMC khi thiết kế thiết bị VTĐT Phân tích, đánh giá cơ sở lý thuyết, mô hình hóa đặc trƣng EMC của các khối trong một thiết bị vô tuyến, giải pháp che chắn điện từ, giải pháp khoảng cách.

Tiến hành mô phỏng, đánh giá tác động của che chắn, khoảng cách đến EMC của các khối trong thiết bị VTĐT. Thử nghiệm mạch thực tế tại các phòng thí nghiệm để minh chứng cho kết quả mô phỏng, từ đó đề xuất giải pháp đảm bảo EMC khi thiết kế khối chức năng trong thiết bị vô tuyến. Đề xuất giải pháp đánh giá nguồn nhiễu gần nhất thay cho tổng công suất nhiễu Phân tích mô hình thống kê về nhiễu trong các mạng vô tuyến, dựa trên mô hình kênh truyền thống và mô hình phân bố Poát-xông. Đề xuất mô hình toán đánh giá công suất nguồn nhiễu gần nhất thay cho tổng công suất nhiễu khi xác suất gián đoạn hoạt động nhỏ.