8.7. Расчет развязки между близко расположенными антеннами

Под близко расположенными антеннами понимаются антенны, находящиеся по отношению друг к другу в ближней зоне, при этом взаимное влияние между ними учитывается специальным параметром – развязкой. Развязка между антеннами (γ) характеризуется отношением мощности, принимаемой одной из антенн к мощности, излучаемой другой антенной. В общем случае расчет развязки между ними должен выполняться на основе электродинамического анализа антенн, т.е. путем определения токов, протекающих по всем проводникам антенны. Решение этой задачи достаточно сложно, разработаны решения для некоторых частных случаев численным методом на ЭВМ. На практике можно использовать упрощенный подход определения развязки на основе выражения:

(8.11)

где r₁₂ и х₁₂ – нормированные активное и реактивное взаимные сопротивления;

– комплексное взаимное сопротивление между антеннами;

– комплексное собственное сопротивление первой антенны, подключенной к РПД РЭС- источника помехи.

Величину сопротивления можно найти, например, методом наводимых ЭДС.

8.8 Методы обеспечения эмс рэс, расположенных на одном объекте

В предыдущем разделе были рассмотрены основные методы анализа ЭМС, расположенных на одном объекте. Рассмотрим теперь методы решения проблемы обеспечения ЭМС РЭС, расположенных на одном объекте. Важность этой проблемы обусловлена тем, что на многих объектах на относительно небольшом расстоянии расположено несколько приемопередающих антенн, что приводит к взаимному влиянию РЭС друг на друга.

Методы обеспечения внутриобъектовой ЭМС

Для обеспечения внутриобъектовой ЭМС РЭС используют следующие принципы разделения сигналов РЭС: частотное, временное и пространственное.

Частотное разделение сигналов РЭС предполагает использование таких правил назначения частот, которые исключали бы работу РЭС на совпадающих частотах, а также возможность попадания основных, внеполосных и побочных излучений РПД в основные, соседние и побочные каналы приема РПМ РЭС объекта. В случае невозможности подбора таких частот возможно использование временного разнесения излучений РЭС. В этом случае работа некоторых РЭС осуществляется в различные не перекрывающиеся интервалы времени.

Можно уменьшить помехи, обусловленные внеполосными и побочными излучениями РПД, а также помехи по побочным каналам приема, применяя на выходе РПД дополнительные специальные фильтры, уменьшающие уровень излучения за пределами основной полосы частот. Другой метод состоит в повышении развязки между антеннами, расположенными на одном объекте и их фидерными трактами. Кроме того, для обеспечения внутриобъектовой ЭМС могут использоваться специальные электромагнитные экраны, устраняющие или значительно затрудняющие проникновение помех от одной антенны к другой.

Выбор частот для дополнительных РЭС на объекте

Одним из важных мероприятий при размещении дополнительного РЭС на действующем объекте является выбор таких частот приема и передачи, при которых обеспечивается совместное функционирование РЭС при допустимо малом уровне непреднамеренных взаимных помех. При этом должны быть учтены все возможные варианты проникновения помех различного типа на вход РПМ (за счет различных излучений РПД и различных каналов приема РПМ). Для определения таких частот необходимо провести частотный анализ и расчет энергетических параметров помеховых сигналов, что было рассмотрено в раздел 8.3 и 8.4. Так например, анализ показывает, что для выбора 8 равноотстоящих по частоте каналов, свободных от помех интермодуляции 3-го порядка, минимальное число каналов должно быть равно 40. Имея одну исходную группу из таких восьми каналов, можно образовать множество сходных групп, прибавляя к каждому каналу исходной группы любое, но одно и то же целое число.

Технические методы уменьшения помех в комплексе РЭС объекта

Уменьшение взаимных помех при совместной работе нескольких РЭС на одном объекте достигается в основном путем улучшения параметров РПД и РПМ, определяющих их ЭМС (защищенность от помех по цепям питания и управления, внеполосные и побочные излучения РПД, побочные каналы приема РПМ), а также улучшением развязки между антеннами и фидерными трактами этих РЭС. Для этого используют дополнительные фильтры в цепях питания и управления, фильтры на выходах РПД и входах РПМ, ферритовые циркуляторы в фидерных трактах многоканальных РПД, а также различные дополнительные экраны.

Основной способ подавления кондуктивных помех по цепям питания и управления – применение специальных дополнительных фильтров из Г-, Т- и П-образных LC звеньев. Такие многозвенные фильтры позволяют получить крутизну характеристики затухания около 100 и более дБ на декаду. На низких частотах используют активные фильтры на основе операционных усилителей.

Для подавления побочных излучений РПД используют различные типы СВЧ фильтров. При этом к ним предъявляются достаточно высокие требования по согласованию с фидерным трактом (КСВН ≤ 3), вносимым потерям (не более нескольких десятых долей дБ) и коэффициенту прямоугольности АЧХ (как можно ближе к 1). Такие фильтры могут быть реализованы следующим образом:

- полосно-пропускающий гребенчатый фильтр - на симметричных полосковых линиях в виде ряда однонаправленных пластин - резонаторов (стержней) переменной длины (от 1/16 до 1/4 средней длины волны). Его достоинством является хорошая прямоугольность АЧХ и малые потери, а недостатком – относительно высокая стоимость. Такой фильтр может работать с уровнем мощности не более 2 кВт, он имеет потери в полосе пропускания не более 0,3 – 0,5 дБ, и затухание в полосе задерживания около 60 дБ;

- полосно-пропускающий встречно-стержневой фильтр – на четвертьволновых отрезках симметричных линий. По сравнению с предыдущим фильтром он имеет более высокую электропрочность и возможность точного синтеза по заданным требованиям к его АЧХ, является более простым и надежным. Его недостатком являются большие габаритные размеры. Такой фильтр может работать с уровнем мощности не более 5 кВт, он имеет потери в полосе пропускания не более 0,3 – 0,5 дБ, и затухание в полосе задерживания около 60 дБ;

- полосно-пропускающий фильтр со спиральными резонаторами, состоящими из четвертьволновых короткозамкнутых отрезков линий в виде однослойной спирали, помещенной в экранированный отсек для исключения потерь на излучение. В таком фильтре между резонаторами существует электромагнитная связь. Основным достоинством такого фильтра является его компактность и простота настройки, а недостатком – отсутствие точных методик конструктивного расчета по заданным требованиям к его АЧХ. Такой фильтр может работать с уровнем мощности не более 5 кВт, он имеет потери в полосе пропускания не более 0,3 – 0,5 дБ, и затухание в полосе задерживания около 65 дБ;

- полосно-пропускающий фильтр на сосредоточенных LC-элементах. Он может использоваться только на относительно низких частотах. Его основными достоинствами являются относительная простота конструкции и возможность реализации АЧХ с хорошим коэффициентом прямоугольности. К недостаткам следует отнести большие габаритные размеры и несколько меньшее, чем у других типов фильтров затухание в полосе задерживания. Такой фильтр может работать с уровнем мощности не более 1 кВт, он имеет потери в полосе пропускания не более 0,2 – 0,4 дБ, и затухание в полосе задерживания около 45 дБ.

Методы повышения развязки между антеннами РЭС.

Как отмечалось в предыдущей лекции, развязка между антеннами характеризуется отношением мощности, принимаемой одной из антенн к мощности, излучаемой другой антенной. Для повышения развязки целесообразно использование следующих основных методов:

- оптимальное взаимное расположение антенн на приемо-передающих радиотехнических объектах;

- применение поляризационного разнесения между антеннами при их близком расположении по отношению друг к другу;

- учет направленных свойств антенн и влияния металлических конструкций антенных опор;

- использование экранирующих свойств элементов металлической конструкции опор;

- использование дополнительных экранирующих структур.

На рисунке 8.1 показан один из вариантов расположения вибраторных антенн относительно опоры. На рисунке 8.2 в качестве примера приведен результат расчета развязки между двумя вертикально расположенными по разные стороны от опоры симметричными полуволновыми вибраторами в зависимости от длины опоры L. Как показывает анализ, влияние металлических конструкций опоры на развязку между антеннами достаточно велико. При относительно малой длине металлоконструкции развязка уменьшается, затем (вблизи резонансного значения длины) резко увеличивается, после чего монотонно уменьшается, стремясь к предельным значениям. При этом максимальное значение развязки относительно слабо зависит от расстояния между вибраторами. Это позволяет при наличии ограничений на пространственное разнесение антенн увеличить развязку за счет использования специальных пассивных элементов (например, может использоваться электрическое «рассечение» опоры на полуволновые отрезки с помощью металлических изоляторов типа «четвертьволновый стакан».

Рис. 8.1. Вариант расположения вибраторных антенн относительно опоры.

Рис. 8.2 Результат расчета развязки между двумя вертикально расположенными по разные стороны от опоры симметричными полуволновыми вибраторами в зависимости от длины опоры L.

Методы обеспечения ЭМС при помощи электромагнитных экранов

Электромагнитные экраны позволяют защитить оборудование от воздействия внешних электромагнитных полей или локализовать излучение каких-либо РЭС. Эффективность экранирования определяется степенью ослабления электрической или магнитной составляющей ЭМП, которая количественно описывается коэффициентом экранирования:

, (8.12)

где К_Е , К_Н , и К_П - коэффициенты экранирования по электрическому, магнитному полям и плотности потока мощности, соответственно;

Е₀ и Н₀ – напряженность электрического и магнитного полей в данной точке пространства без экрана;

Е₁ и Н₁ – напряженность электрического и магнитного полей в данной точке пространства при наличии экрана.

Наиболее общим является электромагнитное экранирование, обеспечивающее защиту от переменных электромагнитных полей. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что форма экрана незначительно влияет на его эффективность. Главными факторами, определяющими качество экрана, являются проводимость металла и конструктивные особенности. Для электрически толстых экранов (толщина металла у которых существенно превышает толщину скин-слоя) коэффициент экранирования по плотности потока мощности определяется выражением:

К_П = К_осл·d , дБ, (8.13)

где d – толщина экрана, мм;

К_осл –коэффициент ослабления ЭМВ в экране, дБ/мм. Для различных металлов и частот его можно определить из таблицы 8.1.

Таблица 8.1.

Коэффициент ослабления ЭМВ в экране, дБ/мм

Частота, МГц	Металл
	Сталь	Медь	Алюминий	Цинк	Латунь
0,1	47,6	32,3	29,5	26,4	25,6
0,3	52,0	37,1	34,3	31,2	26,8
1,0	56,5	42,3	39,5	37,5	35,6
3,0	60,8	47,2	44,1	40,8	40,0
10,0	65,6	52,3	49,5	46,4	45,6
30,0	69,5	57,1	54,3	51,1	50,4
100,0	75,6	62,3	59,5	56,3	55,6
300,0	77,4	67,6	64,1	60,8	60,0
1000,0	81,6	72,3	69,5	66,4	65,6