Глава 4. Характеристики и параметры радиопередающих устройств, влияющие на эмс рэс, и их нормирование

В общем случае в спектре излучения радиопередающего устройства (РПДУ) присутствует как основное, так и нежелательное излучение. Для прогноза непреднамеренных помех, создаваемых РПДУ рецепторам помех, необходимо знать параметры этих излучений. Их классификация представлена на рис.4.1.

В излучениях передатчиков МС различают основной и неосновные каналы излучения. Неосновное излучение передатчиков лежит за пределами отводимого для основного (рабочего) излучения участка радиочастотного спектра Вн. При этом различают неосновное внеполосное излучение, спектр которого примыкает к частотам основного излучения, и неосновное побочное излучение на гармониках, субгармониках, комбинационных и интермодуляционных частотах, которые удалены от полосы частот основного излучения Вн.

Также следует учитывать поляризационные свойства МС, которые могут отличаться от поляризационных свойств полезного сигнала.

Рис. 4.1. Классификация непреднамеренных помех, создаваемых РПДУ

Примерное распределение спектральной плотности основного и различных нежелательных излучений радиопередающего устройства представлено на рисунке 4.2:

Рис. 4.2. Вид спектрограммы излучений радиопередающего устройства

1 – основное излучение; 2 – внеполосное излучение; 3 – излучение на гармониках; 4 – излучение на субгармониках; 5 – комбинационное излучение; 6 – интермодуляционное излучение; 7 – паразитное излучение; 8 – шумовое излучение.

Основное излучение занимает некоторую необходимую полосу частот В_н, предназначенную для передачи полезного радиосигнала. Все другие (неосновные) излучения, расположенные за пределами основного (рабочего) участка радиочастотного спектра В_н являются нежелательными. Эти излучения подразделяются на внеполосное, побочные и шумовые. Спектр внеполосного излучения непосредственно примыкает к необходимой полосе частот справа и слева. Спектры побочных излучений на гармониках, субгармониках, комбинационных частотах, паразитных и интермодуляционных колебаний удалены от частоты основного излучения. Шумовое излучение занимает широкую полосу частот.

Необходимая полоса частот (В_н) – это минимальная ширина полосы частот, обеспечивающая передачу данного сообщения с требуемой скоростью и качеством.

Нормы на необходимую ширину полосы частот для различных типов сообщений и видов модуляции приводятся в Регламенте радиосвязи (РР) РФ. Также этот параметр может определятся расчетным путем по формулам, приведенным в РР. Например, в простейшем случае при амплитудной модуляции несущей аналоговым сигналом телефонии необходимая ширина полосы радиоизлучения определяется выражением:

Bн = 2Fв ,

где Fв – верхняя граничная частота модулирующего сигнала.

Кроме того, в теории ЭМС используется понятие ширины присвоенной полосы частот В_п, которая помимо необходимой полосы частот учитывает еще и нестабильность несущей частоты радиопередающего устройства:

Вп = Вн +2 Δf_доп ,

где Δf_доп – максимально допустимая величина отклонения несущей частоты радиопередающего устройства от ее номинального значения. Эта величина определяется долговременной нестабильностью частоты передатчика. Она устанавливается с учетом норм РР для конкретной радиослужбы, диапазона частот и средней мощности радиопередающего устройства.

Внеполосное излучение - нежелательное радиоизлучение, являющееся, как и основное, результатом модуляции несущей частоты (f_o) передаваемым сообщением. Причины появления внеполосного излучения следующие:

- чрезмерно большая амплитуда модулирующего сигнала;

- недостаточный коэффициент прямоугольности АЧХ фильтра на выходе радиопередающем устройства;

- наличие неравномерности АЧХ и нелинейности ФЧХ тракта передатчика;

На практике важно также иметь информацию о форме огибающей спектра и о скорости убывания спектральных составляющих внеполосного излучения за пределами необходимой полосы частот. С этой целью вводится понятие ширины полосы частот на уровне - Х дБ (В_х) относительно уровня основного излучения, принятого за 0 дБ (см. рис. 6).

За пределами полосы В_х интенсивность любых спектральных составляющих или спектральная плотность мощности внеполосного излучения ослаблена относительно уровня основного излучения не менее, чем на Х дБ. Обычно за нижний уровень измеряемой мощности принимается уровень, расположенный на 60 дБ (Х = - 60 дБ) ниже уровня основного излучения. Использование нескольких измерительных уровней (Х = - 30, - 40, -50 и т.д.) позволяет контролировать форму и скорость убывания внеполосного излучения.

Контроль и нормирование внеполосного излучения осуществляется с помощью контрольной ширины полосы частот излучения (В_к), за нижним и верхним пределами которой любая спектральная составляющая ослаблена на 30 дБ (в 1000 раз по мощности) и более по отношению к максимальному значению спектральной плотности мощности. Значение контрольной ширины полосы частот используется при распределении и присвоении номинальных частот РЭС и при расчетах частотного разноса между соседними РЭС.

Рис. 4.3. Ограничительная линия спектра

Линия, проходящая через допустимые значения уровней Х излучения называется ограничительной (уровни 0, -30, -Х, -60 дБ). Она определяет верхнюю границу максимально допустимых значений составляющих спектра внеполосного излучения. Огибающая реального спектра мощности излучения не выходит за пределы установленной ограничительной линии.

Значения ширины полос частот (В_н , В_к , В_х , В_зн) нормированы для различных классов излучения. При этом измеренные значения контрольной ширины полосы частот В_к и внеполосных излучений В_х не должны более чем на 20% превышать нормируемые значения. Наличие норм позволяет строить модели ограничительной линии путем кусочно-линейной аппроксимации (см. рис.4.3). В таблице 4.1 приведен пример норм на ширину полосы частот и внеполосные радиоизлучения для радиопередатчика фиксированной службы.

Таблица 4.1.

Вид сигнала	Формулы для расчета полос частот
	Необходимая ширина полосы частот Вн , Гц	Контрольная ширина полосы частот Вк , Гц	Внеполосные радиоизлучения
			На уровне - Х дБ	Ширина полосы Вх , Гц
Телефония, одна боковая полоса, подавленная несущая	Вн = (Fв – Fн )	Вк= 1,15Вн	30 35 40 50 60	1,15Вн = Вк 1,25Вн =1,09Вк 1,6Вн = 1,39 Вк 2,9Вн = 2,52 Вк 5,4Вн = 4,7 Вк

Побочные излучения – нежелательные радиоизлучения, возникающие в результате любых нелинейных процессов в тракте формирования высокочастотного сигнала РПДУ. К ним относятся следующие:

- излучение на гармониках;

- излучение на субгармониках;

- комбинационное излучение;

- интермодуляционное излучение;

- паразитное излучение.

Их интенсивность зависит от диапазона рабочих частот передатчика, типа и режима работы активных элементов и др. Уровень побочных излучений РПДУ определяется по отношению к основному излучению в дБ и должен соответствовать нормам РР и другим нормативным документам.

Радиоизлучение на гармониках.

Радиоизлучение на гармониках - это побочное излучение на частотах f_n , в целое число раз больших частоты f_o основного излучения: f_n = n f_о , n = 2, 3, 4…. Допустимое среднее значение уровня мощности излучения на частоте n-ой гармоники определяется формулой:

Pг(fn) = Po(fo) + Vг lg(f n) +Aг, n ≥ 2, дБВт (2.11)

где Р_о(f_o) – уровень средней мощности основного излучения, дБВт;

V_г – коэффициент, характеризующий скорость убывания спектра, дБ/дек;

А_г – ослабление излучения на гармонике по отношению к основному, дБ.

Коэффициенты V_г и А_г определяются из таблицы 4.2

Таблица 4.2

Диапазон частот, МГц	Vг , дБ/дек	Аг , дБ
Менее 30	-70	-20
30…300	-80	-30
Более 300	-60	-40

На рис. 4.4 представлены рекомендованные нормы на допустимые уровни радиоизлучений на гармониках в зависимости от средней мощности основного излучения Р_о в диапазоне частот 10 кГц…960 МГц.

Рис. 4.4 Рекомендованные МСЭ нормы на допустимые уровни радиоизлучений на гармониках в зависимости от средней мощности основного излучения Р_о в диапазоне частот 10 кГц…960 МГц. А в др диап??

1 – диапазон 10 кГц…30 МГц; 2 – диапазон 30 …235 МГц; 3 – диапазон 235 …960 МГц;

Радиоизлучение на субгармониках.

Радиоизлучение на субгармониках – это излучение на частотах f_сг , в целое число раз меньших частоты f_o основного излучения: f_сг = f_о /n, n=2, 3, 4…. Оценку уровня мощности излучения на субгармониках в диапазонах частот, указанных в табл. 2 можно осуществлять по формуле (2.11) с использованием следующих значений: V_сг = - 20 дБ/дек; А_г = - 80 дБ.

Комбинационное излучение.

Комбинационное излучение – это побочное излучение на комбинационных составляющих f_к = pf₁ ± qf₂ ± mf₃ (p, q ,m =1, 2, 3 …) , f₁ , f₂ , f₃ – частоты синтезатора частот передатчика. Оценку допустимого уровня средней мощности комбинационного излучения можно осуществлять по формуле:

, (2.12)

где f_к – частота комбинационного излучения;

V_к – коэффициент, характеризующий скорость убывания спектра, дБ/дек;

А_к – ослабление комбинационного излучения, дБ.

Например, для коротковолновых передатчиков при 1,001 < f_к/f_o <1,1 V_к = -160 дБ/дек, А_к = -39 дБ. Уровни комбинационных излучений обычно меньше уровней излучения на гармониках.

Паразитное излучение.

Паразитным излучением называется побочное радиоизлучение, возникающее в результате самовозбуждения радиопередатчика из-за паразитных связей в его каскадах в случае выполнения условий самовозбуждения на частотах, определяемых параметрами цепи паразитной связи.

Паразитное излучение может возникать на частотах как ниже, так и выше частоты основного излучения. Их особенностью является отсутствие кратности частоте основного радиоколебания. Мощность и значение частоты паразитного излучения трудно прогнозируемы.

Уровни побочных радиоизлучений нормируются РР и другими нормативными документами [6,11]. В качестве примера в таблице 4.3 приведены нормы на побочное излучение, установленные в зависимости от мощности РПДУ и диапазона рабочих частот. Эти нормы должны выполняться для любой из рассмотренных выше составляющих побочного излучения.

Таблица 4.Пр. 3. Нормы на побочное излучение, установленные в зависимости от мощности передатчика и диапазона рабочих частот.

Полоса частот	Средняя мощность	Нормируемые уровни побочных излучений
9 кГц … 30 МГц 30 … 235 МГц	25 Вт и менее	- 40 дБ; 50 мВт
	Более 25 Вт	- 60 дБ; 1 мВт
235 … 960 МГц	25 Вт и менее	- 40 дБ; 25 мкВт
	Более 25 Вт	- 60 дБ; 25 мВт
960 МГц … 17,7 ГГц	10 Вт и менее	100 мкВт
	Более 10 Вт	- 50 дБ; 100 мкВт

Шумовое излучение.

Шумовым излучением называется нежелательное радиоизлучение, обусловленное шумами элементов РПДУ и паразитной модуляцией несущего колебания шумовыми процессами [1]. Шумовое излучение характеризуется спектральной плотностью мощности и шириной занимаемой полосы частот. Интенсивность шумовых излучений зависит от схемы РПДУ, его назначения, диапазона частот применяемой элементной базы и отстройки ∆f от частоты f_o основного излучения и определяется следующей формулой:

(2.13)

где Р_ш(Δf) – уровень мощности шумового излучения при отстройке на Δf от частоты основного излучения, дБВт;

V_ш – коэффициент, характеризующий скорость убывания уровня шумового излучения, дБ/дек;

А_ш – ослабление мощности шумового излучения в занимаемой полосе В_зн относительно основного, дБ.

Для широко- и узкодиапазонных передатчиков коэффициент V_ш равен -3 и -15 дБ/дек соответственно, а А_ш = -60…-80 дБ.

Поскольку в основной полосе частот уровень тепловых шумов на 60…80 дБ ниже уровня основного излучения РПДУ эти шумы не влияют на качество принимаемого сигнала. Однако за пределами этой полосы шумовое излучение РПДУ может создавать заметные помехи близко расположенным приемным устройствам других РЭС, работающих в соседних частотных каналах [1].

Интермодуляционное излучение Интермодуляционным излучением называется побочное излучение передатчика, возникающее в результате воздействия на нелинейные элементы его ВЧ тракта генерируемых им колебаний и внешнего электромагнитного поля от других радиопередатчиков. Такая ситуация возникает при работе нескольких РПДУ на общую антенну или при достаточно близком расположении антенн соседних радиостанций на ограниченной территории: на самолетах, кораблях, стационарных и передвижных радиокомплексах различного назначения и т.п.). Возможны две причины возникновения интермодуляционных излучений РПДУ:

1/ воздействие МС на оконечный каскад передатчика и совместное усиление его вместе с ПС;

2/ МС изменяет во времени параметры активного элемента ВЧ тракта, что порождает модуляцию ПС по закону, зависящему от МС, c появлением в спектре выходного сигнала интермодуляционных составляющих на частотах fинт = pfпс ±nfмс (p,n = ± 1,2,3…). Наиболее опасны интермодуляционные составляющие 3-го порядка вида 2fпс – fмс или 2fмс – fпс, которые могут попасть в полосу пропускания выходного каскада РПДУ. Мощность излучения продуктов интермодуляции на выходе РПДУ зависит от мощностей взаимодействующих передатчиков, развязки (переходного затухания) между антеннами этих РПДУ, частотной избирательности выходных цепей РПДУ и антенны.

Основной мерой по уменьшению уровня интермодуляционных излучений является улучшение качества частотной фильтрации и повышение развязки антенн взаимодействующих РПДУ.