Проблема электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств,причины её возникновения, основные термины, параметры и модели ЭМС РЭС

 

 

 

 

В любом случае наличие помехи приводит к ухудшению качества РЭС. Одним из глобальных показателей качества РЭС в теории ЭМС может являться изменение такого параметра, как максимальное количество информации I (в битах), которое может быть передано (обратно) РЭС с полосой частот 2Δf за время Т. В соответствии с и известным соотношением Шеннона в отсутствии помех, но при наличии белого шума

  (I.I)

где Р_c - средняя мощность сигнала на входе РЭС; Р_ш - мощность белого шума, приведенная ко входу РЭС.

При воздействии  на РЭС помехи максимальное количество информации понижается до величины

               (I.2)

где Р_пэ - энтропийная мощность помехи со срендей мощностью Рп {энтропийная мощность определяется как мощность белого шума, ограниченного той же полосой частот, что и первоначальный шум, и имеющего ту же самую энтропию). Поэтому любая помеха приводит к уменьшению максимально возможного количества передаваемой информации на величину

    (I.3)

Информационный  критерий (I.2)-(I.3) оценки ЭМС особенно удобен для связных систем, где  количество передаваемой информации - один из основных показателей работы РТС.

Для системы  РЛС удобнее использовать в качестве критерия ЭМС изменение критерия R среднего риска при наличии непреднамеренной помехи

      

где P_j- априорная вероятность события S_j ; Р (S_k/S_j) - условная вероятность принятия решения о наличии К -го состояния, если в действительности имеет место состояние S_j; П_jk - функция потерь, которая предписывается каждому ошибочному и правильному решению.

Критерий среднего риска так же, как и информационный критерий в большинстве случаев  являются монотонными функциями более первичного параметра ЭМС - отношения Рс / Рп (сигнал/помеха).

 

 

 

Поэтому сравнительное  отношение сигнал/помеха часто используется при анализе ЭМС.

Таблица 1.4

Таблица 1.5

В заключение настоящего раздела остановимся на влиянии  высокочастотных непреднамеренных помех на человека и другие живые организмы. В табл. 1.4 приведены экспериментальные результаты воздействия электромагнитного поля на некоторых животных. Данная таблица показывает, что проблема электромагнитной совместимости РЭС и живых организмов приобретает чрезвычайно большое значение.

В табл. 1.5 приведены  допустимые для человека нормы на плотность потока облучаемой высокочастотной  мощности, принятые в некоторых странах [I].

 

 

§ I.3. ПАРАМЕТРЫ УСТРОЙСТВ РЭС И РАДИОТРАССЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ЭМС РЭС

При анализе  ЭМС РЭС необходимо знать характеристики отдельных устройств РЭС, влияющих на ЭМС.

 

Рис. I.4. Функциональные схемы и каналы взаимодействия

двух РТС

 

Обратимся к  рис. 1.4, на котором представлены основные функциональные устройства двух различных разнесенных в пространстве РТС: радиопередающие устройства РП I и РП 2, приемные устройства

ПP I и ПР 2, передающие и приемные антенны А _пер1 , А_пер2 A_пр1, А_пр2. Сплошными линиями на рис. I.4 показаны радиотрассы R₁₁, R₂₂ , по которым осуществляется передача полезного сигнала в каждой РТС на рабочей для данной РТС частоте, пунктирными линиями - радиотрассы R₁₂, R₂₁, по которым обе РТС могут оказывать мешающее воздействие друг на друга. Ясно, что для определения уровня взаимных помех недостаточно обладать информацией о характеристиках передающего, приемного устройств и антенн только в рабочей для данной РТС полосе частот. Требуется знание этих характеристик, а также параметров радиотрассы в очень широкой полосе частот. В этом заключается принципиальное отличие в уровне знаний параметров отдельных устройств РЭС при расчете характеристик самой РЭС и при расчете ее ЭМС.

Перейдем к  описанию основных параметров передающих, приемных устройств, антенн и радиотрассы, влияющих на ЭМС и РЭС.

 

 

I.3.I. Основное и нежелательное излучения p

устройств

Любое реальное радиопередающее устройство, наряду о формированием колебаний в отведенной для его работы полосе частот, из-за технического несовершенства генерирует колебания и в других участках частотного диапазона. Поэтому все колебания, возникающие на выходе радиопередающего устройства и называемые излучением передатчика, подразделяют на основное и нежелательное излучения. Основным излучением называется излучение передатчика в необходимой полосе частот 2Δf , под которой понимается минимальная полоса частот, достаточная для передачи сигнала с требуемыми скоростью и качеством. В свою очередь нежелательное излучение делится на внеполосное, шумовое и побочное.

Внеполосное излучение - это нежелательное излучение в полосе частот, непосредственно примыкающей к необходимой полосе частот, и являющееся результатом несовершенства модуляции и особенностями спектральных свойств модуляционных сигналов, которые в силу своей конечной временной продолжительности имеют очень широкий спектр.

Внеполосное излучение  характеризуется шириной занимаемой полосы частот , за пределами которой излучается не более заданной части средней мощности излучения.

Шумовое излучение - нежелательное излучение, обусловленное  собственными шумами и паразитной модуляцией генерируемого колебания шумовыми процессами радиопередатчика. Для шумового излучения характерны уровни на 60...80 дБ ниже уровня основного излучения и широкая полоса частот, превышающая необходимую в десятки раз.

Побочное излучение - это класс нежелательных излучений, вызванных нелинейными процессами в передающих устройствах, происходящих при генерировании колебаний несущей частоты и их последующем усилении. К побочному излучению относятся излучение на гармониках и субгармониках несущей частоты, паразитное, комбинационное и ин- термодуляциойное излучение. Для наглядности описания перечисленных выше излучений обратимся к рис. I.5, на котором показана характерная зависимость от частоты спектральной плотности Wf) интенсивности колебаний на выходе радиопередающего устройства. W(f) иногда называют еще спектром мощности, так как она характеризует распределение мощности по спектру, или энергетическим спектром. Последнее название более аргументировано, так как W(f) имеет размерность энергии. Зная энергетический спектр W(f) , можно определить полную мощность на выходе радиопередатчика

    (1.5)

где  соответственно минимальная и максимальная частоты  колебаний, присутствующих в спектре  радиопередающего устройства.

 

Рис. I.5. Характерное спектральное распределение мощности излучения (энергетического спектра) радиопередающего устройства:

I - основное  излучение; 2 - нежелательное излучение; 3 - паразитное излучение; 4- - комбинационное  излучение; 5 - излучение на гармониках; б - излучение на субгармониках; 7 - внеполосное излучение; 8 - шумовое излучение

 

Дадим определение  каждой из составляющих побочного излучения, присутствующих в энергетическом спектре, показанном на рис. I.5.

Излучение на частотах гармоник f_n - это побочное излучение на частотах в целое число (n) раз больше частоты основного излучения f₀ (fn =nf₀ n=2,3,...). Излучение на гармониках присуще всем типам радиопередающих устройств и обусловлено нелинейными режимами работы генератора и усилителей. Уровень излучения на гармониках для некоторых типов активных приборов и передатчиков приведен в табл. I.2, I.3.

Излучение на субгармониках - побочное излучение на частотах f_1/m в целое число раз меньше частоты основного излучения (_f1/m =f_0/m, m=2,3,...). Излучение на субгармониках свойственно передатчикам, в которых используется умножение частоты.

 

 

Паразитные  излучения - это излучения, возникающие  в результате самовозбуждения радиопередатчика из-за паразитных связей в генера-торных и усилительных приборах и каскадах. Частоты паразитных излу-чений в определенной степени являются случайными и не связаны с основной частотой передатчика.

Интермодуляционное  излучение - это побочное излучение, возникающее в результате воздействия на нелинейные элементы высокочастотного тракта радиопередатчика собственных генерируемых колебаний и внешнего электромагнитного поля от другого радиопередатчика. Вероятность интермодуляционного излучения особенно значительна для передающих устройств, расположенных в непосредственной близости друг от друга. Частоты интермодуляционного излучения f_min связаны с основными частотами обоих передатчиков соотношением f_min=|±m₁f₁±m₂f₂| (m₁,m₂=1,2)Интенсивность интермодуляционных составляющих убывает с ростом величины | m₁+m₂|.

Комбинационное  излучение образуется в результате воздействия на нелинейные элементы радиопередающего устройства колебаний основной частоты и гармоник основной частоты. Комбинационное излучение специфично для радиопередатчиков, в которых используется возбудитель, создающий сетку рабочих частот путем нелинейных преобразований стабилизированных по частоте вспомогательных колебаний. В итоге на нелинейный элемент радиопередатчика поступают колебания с частотами f₁, f₂,f₃,...В результате их смещения возникают комбинационные составляющие с частотами fкомб=|±m₁f₁±m₂f₂±m₃f₃|. В спектральной плотности W(f) радиопередающего устройства содержится достаточно полная информация о параметрах радиопередающего устройства, требуемых для расчета ЭМС РЭС. При практических расчетах ЭМС кривая спектральной плотности обычно аппроксимируется кусочной системой простейших функций, что позволяет упростить соответствующие вычисления. Так, среднее значение мощности побочных излучений (дБ мВт) описывается упрощенной кривой вида

                           (I.6)

где Р(f) - средний  уровень мощности побочного излучения  на частоте P(f₀)- средний уровень мощности основного излучения на рабочей частоте передатчика f₀ ; А - коэффициент, описывающий спад побочных излучений по мере отстройки от основной частоты,

 

 дБ/декада; β  - коэффициент постоянного ослабления  побочного излучения по отношению  к основному, дБ . Коэффициенты  А,В часто определяются экспериментально.

Конкретные  данные по значению W(f) для различных типов передатчиков можно найти в [l, 2, 3].

 

I.3.2. Частотная избирательность радиоприемных устройств в широкой полосе частот

Одним из основных параметров радиоприемного устройства, влияющим на ЭМС РЭС, является его  частотная избирательность в широкой полосе частот, под которой понимают зависимость уровня сигнала на входе радиоприемника от частоты при заданном отношении сигнал/шум или уровне сигнала на выходе. Различают односигнальную и многосигнальную частотную избирательность. Первая измеряется в линейном режиме при подаче на вход приемника одного сигнала.

Типичная характеристика одночастотной избирательности  супергетеродинного приемника показана на рис. I.6. Как видно, наряду c основным каналом приема, под которым подразумевают  полосу пропускания, предназначенную для приема сигнала, существуют неосновным каналы приема в полосах частот, находящихся за пределами основного канала. Неосновные каналы включают соседние и побочные каналы приема. К побочным каналам относятся зеркальный канал, каналы комбинационных частот и субгармоник частоты настройки приемника.

 

 

 

Рис. 1.6. Характеристика одночастотной избирательности  приемника

 

 

 

Обычно полосу основного канала определяют на уровне 3 дБ по отношению к значению частотной  характеристики избирательности на частоте настройки приемника. Каналы приема, непосредственно прилегающие к основному, называют соседними каналами. Они образуются за счет недостаточно высокой избирательности линейных каскадов приемника. Идеальной характеристикой частотной избирательности по основному каналу, при которой соседние каналы отсутствовали бы, является прямоугольная характеристика (показана пунктиром на рис. 1.6).

Побочные каналы приема формируются из-за недостаточной  избирательности цепей, предшествующих смесителю, и нелинейности смесителя и имеют следующую природу:

комбинационные  каналы образуются при нелинейном преобразовании в смесителе, когда частота преобразования |mf_c ⁺  nf_г | ( f_c - частота сигнала; f_г - частота гетеродина; n , m = 0, ±1, ±2 - любые целые отрицательные и положительные числа, включая ноль) попадает в полосу пропускания усилителя промежуточной частоты. Частным случаем комбинационного канала является зеркальный канал приема с частотой f_з= 2 f_r - f_c. В общем случае частоты побочных каналов f_пк определяются соотношением

 

где f_np - промежуточная частота.

Односигнальная  избирательность приемника не описывает  нелинейные эффекты, которые возникают в нем при воздействии на вход приемника двух или более колебаний различных частот. Поэтому вводят понятие многосигнальной частотной избирательности, которая характеризует свойство приемника ослаблять действие помехи (или нескольких помех) в зависимости от ее (их) частотной расстройки в присутствии полезного -сигнала при определенном отношении сигналу /помеха на выходе приемника. Характеристика многочастотной избирательности по сравнению с одночастотной избирательностью имеет ряд дополнительных каналов приема. Это, во-первых, интермодуляционные каналы, которые обусловлены взаимодействием в смесителе или на нелинейных элементах до смесителя двух или более мешающих сигналов с частотами  f_c1, f_c2, которые не совпадают с частотами основного и побочного каналов приема. Средние частоты интермодуляционных каналов удовлетворяют соотношению

|m₁f_c1+ m₂f_c2+nf_г|=f_пр, где m₁, m₂, n=0, ±1, ±2,...

Во-вторых, это  внеполосные каналы приема, возникающие  из-за неидеальной избирательности  входных цепей приемника до смесителя, и, как следствие - прохождение на нелинейные входные каскады, наряду с полезным сигналом, сигнала помехи, что в конечном итоге приводит к нелинейным искажениям полезного сигнала в виде эффектов  блокирования (уменьшение коэффициента усиления приемника под действием мощной помехи) или перекрестной модуляции сигнала частотой модуляции помехи. Характерным свойством внеполосных каналов является то, что их действие проявляется только при одновременном действии помехи и полезного сигнала.