Ю.Е.СЕДЕЛЬНИКОВ - Электромагнитная совместимость

ухудшает (или может ухудшить) качество функционирования

средств. Таким образом, непреднамеренные воздействия представ­ ляют собой один из частых и наиболее важных видов помех -

непреднамеренные помехи (НЭМП). Направление техники, занимающиееся вопросами непреднамеренных электромагнитных воздей­

ствий технических средств друг на друга, получило название элек­ тромагнитной совместимости технических средств (ЭМС)

Согласно ГОСТ 23611-79 термин «электромагнитная совмес­ тимость» определяется как способность технических средств од­ новременно и совместно функционировать в реальных условиях

эксплуатации при воздействии непреднамеренных помех и не до­

пускать непреднамеренных электромагнитных помех другим сред­ ствам. Термин «технические средства» в данном случае относится к широкому кругу электротехнических, электронных и радиотех­ нических устройств. Заметим, что в общей проблематике ЭМС

вопросы непреднамеренных воздействий электротехнических и ра­ диоэлектронных устройств достаточно специфичны

В данной работе речь будет идти преимущественно об ЭМС радиоэлектронных средств. Содержание научно-технического на­ правления ЭМС РЭС составляет изучение причин возникновения,

способов предупреждения и устранения непреднамеренных воздей­ ствий электромагнитной энергии, используемой одними техничес­

кими средствами на другие.

11

После всего я взглянул, и вот дверь отверста на небе и прежний голос который я слышал, как бы звук трубы, говоривший со мной, сказал взойди сюда и покажу тебе чему надлежит быть после сего

Откровения святого Иоанна Богослова. Гл. 4, ст. 1

Раздел 1, ПРОБЛЕМА ЭМС

РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

1.1. Краткий исторический очерк

Начало активного промышленного использования электро­

магнитных процессов относится к середине XIX века:

-появление телеграфа - 1843-1844 гг.;

-телефонная связь - 1878 г. (Нью-Хейви, США);

-промышленная электростанция - 1882 г., Нью-Йорк;

-электрификация в промышленности и сельском хозяйстве - конец XIX века.

Сизобретением радио (1895-1896 г., А.С. Попов, Г. Марко­ ни) начинается эра радиотехники:

-оснащение судов ВМФ ряда стран средствами радиосвязи - 1900-1904 гг.;

-организация радиовещания - 20-е годы XX века;

-радионавигация - 20-е годы XX века;

-телевидение: пробное вещание - 1925 г., развитие - 40-е годы XX века;

-радиолокация: появление - 1939 год, бурное развитие

впериод Второй Мировой войны и особенно в послевоенный период.

12

С позиций сегодняшнего дня можно сказать, что с наличием естественных помех радиоприему человечество столкнулось даже раньше изобретения самого радио. Для этого стоит вспомнить, что прообразом радиоприемника был грозоотметчик А.С. Попова,

предложенный им в 1894 году. Проблема наличия непреднамерен­

ных воздействий радиотехнических средств друг на друга прояви­

лась с первых шагов развития радиотехники. Уже в 1906 г. в Бер­

лине созывается Международная конференция с целью выработ­ ки некоторых правил, исключающих нарушения работы одних (из весьма немногочисленных в то время) радиостанций на другие. На­ чиная с этого времени, проблема возникновения и борьба с непред­ намеренными электромагнитными воздействиями постоянно на­ ходится в сфере пристального внимания специалистов Отметим

основные этапы становления проблематики ЭМС.

Первый этап относится к периоду времени от проведения пер­

вых радиопередач (конец XIX века) до середины 20-х годов про­ шлого века. Существо проблематики на этом этапе легко предста­ вить, имея в виду элементную базу этого периода. В качестве ра­ диопередатчиков использовались электроискровые и дуговые уст­ ройства - генераторы затухающих колебаний, а в качестве прием­ ников - устройства детекторного типа. Они не позволяли осуще­ ствить радиопередачу с частотами выше нескольких сотен кило­

герц при ширине спектра сигналов до нескольких десятков кило­ герц. Появление в конце 20-х годов электромашинных генерато­ ров не намного изменило ситуацию. Для этого периода характе­ рен, прежде всего, дефицит в свободных полосах частот, хотя от­

части положение спасала крайняя немногочисленность радио­ средств. Именно правовые и технические аспекты использования радиоволн находятся в центре внимания в этом периоде, о чем сви­ детельствует факт Берлинской конференции 1906 году.

Второй этап с некоторой условностью можно ограничить периодом до конца 30-х годов. Революционным событием для этого периода явилось изобретение в 1906 г. Ли де Форестом трехэлект­ родной лампы и последующим изобретением лампового генера­ тора (Мейслер, 1913 г.). Совершенствование вакуумных приборов

привело к тому, что уже к середине 20-х годов они позволили ко­ ренным образом усовершенствовать технику радиопередачи и ра-

13

диоприема: генерировать незатухающие колебания (т.е. узкополос­

ные процессы), усиливать принимаемые сигналы (т.е. снизить мощ­ ность излучения). Техника электровакуумных приборов быстро прогрессировала, что позволило уже к концу 30-х годов начать освоение диапазона метровых волн. Эти обстоятельства на неко­ торое время сняли напряженность, связанную с дефицитом полос частот. Развитие техники радиопередачи и радиоприема позволи­ ло уже в 30-е годы создать сеть радиовещания и положить начало применению средств сухопутной и воздушной подвижной радио­ телефонной связи. Однако стремительно развивающаяся электри­ фикация в промышленности и бытовых нуждах породила пробле­ му непреднамеренного воздействия электромагнитных полей, со­

здаваемых при работе электрических устройств (двигатели, элект­ ротранспорт, электросварка и др.), на средства радиоприема. Непреднамеренные воздействия со стороны электротехнических средств на радиоприемники получили название «индустриальные помехи», сохранившееся в более широком понимании до настоя­ щего времени. Проблематика борьбы с непреднамеренными воз­

действиями в этот период в основном охватывала негативные по­ следствия работы электротехнических средств, а борьба с индуст­

риальными помехами - основное ее содержание.

Следующий этап 40-е - 50-е годы XX в. В этот период проис­ ходит ряд важных сдвигов, изменивших, в конечном счете, отно­ шение к проблеме непреднамеренных воздействий, наиболее су­ щественные из которых:

-изобретение и промышленное освоение генераторных при­ боров СВЧмагнетрона и клистрона, что существенно повысило верхнюю границу используемого диапазона радиочастот;

-активное развитие военной радиоэлектроники*;

-начавшийся в конце 40-х годов процесс быстрого развития радиовещания и телевизионного вещания.

‘ Опытная РЛС, установленная в Пирл-Харборе 7 декабря 1941 г. обнару­ жила на подлете большую группу самолетов, а персонал станции доложил об этом по команде. Однако руководство базой не приняло это предупреждение все­ рьез, что в последующем привело к национальной трагедии и вступлению США во Вторую Мировую войну.

14

Ki

В этот период происходит осознание существования пробле­ мы непреднамеренных воздействий как серьезного фактора, влия­ ющего на эффективность использования радиотехнических средств

ввоенной сфере и гражданских применениях. К этому периоду

формируется понятие «электромагнитная совместимость радио­

электронных средств» и закладываются научно-методологические основы обеспечения ЭМС. На этот период приходится становле­ ние международной правовой и организационной базы обеспече­ ния ЭМС, в том числе формирование структуры органов для ко­

ординации действий на международном уровне, согласовавших международное распределение полос частот в диапазоне до 40 ГГц,

вуже 1947 году.

Следующий этап условно охватывает период до 70-х годов. Как и предыдущие, этот этап обусловлен прогрессом в создании

элементной базы радиоэлектроники. Данный этап проходит под знаком широкого использования нового класса активных уст­ ройств - полупроводниковых приборов. Полупроводниковые три­ оды (транзисторы) ведут начало от разработок 1948-1951 гг. (Д. Бардин, У. Браггейн, У. Шокли). Использование транзисто­ ров, а затем интегральных микросхем на их основе привело к зна­

чительному снижению объемов аппаратуры, ее массы и энергопот­ ребления. Достаточно отметить, что ЭВМ М-20, выпускаемая в СССР в 60-е годы и выполненная на лампах, занимала площадь спортивного зала средних размеров и требовала специальной, мощ­

ной системы охлаждения. Примерно равная ей по производитель­ ности ЭВМ на транзисторной базе - «Наири» уже занимала объем порядка большого письменного стола. Возможность сокращения объемов РЭС дала мощный импульс к расширению сфер примене­ ния радиотехники как в бытовом, так и в профессиональном пла­ не. Соответственно количественному и качественному росту по­ вышался удельный вес и значение вопросов обеспечения ЭМС РЭС.

Наконец, последующие этапы вплоть до настоящего време­ ни характеризуются, помимо продолжающегося широкого распро­ странения радиоэлектроники в новые области человеческой дея­ тельности, еще одной важной вехой в ее развитии. Этот очередной качественный скачок происходит, в 80-е годы в связи с огромным прогрессом в технологии микроэлектроники, позволившим созда-

15

Таким образом, область Qp представляет собой полосу «про­ зрачности» рецептора как фильтра с определенной избирательно­ стью по частоте во времени и пространственным координатам. Если некоторое i-e средство - источник, создающее электромаг­ нитные поля, осуществляет намеренное воздействие на i-e средстворецептор, этому соответствует пересечение областей £1ИП; и ОрП;:

здесь о - знак пустого множества.

Таким образом, факту намеренного воздействия соответству­ ет пересечение одноименных областей, занимаемых источником и соответствующих рецептору. Соответственно, если в паре г-й ис­ точник - у-й рецептор, намеренное воздействие не должно иметь место, но возникает в силу тех или иных причин, чему соответ­

ствует пересечение разноименных областей ОИП; и Е>рП/:

(1-2)

Это можно интерпретировать как нарушение электромагнит­

ной совместимости у-го рецептора с z-м источником. Соответственно, при отсутствии воздействия:

что можно интерпретировать как совместимость указанной пары — «z-й источник -у-й рецептор».

Представление множества технических средств областями «передачи» и «приема» в пространстве, с координатами «частота, время, пространственные» и приведенная интерпретация наличия или отсутствия воздействий источников на рецепторы позволяет сделать следующие выводы:

-совокупность возможностей размещения в пространстве, по частоте и во времени непересекающихся областей, соответствую­

щих электромагнитным полям отдельных технических средств, определяется понятием «радиочастотный ресурс»;

-любое техническое средство, использующее электромаг­ нитные процессы в диапазоне радиочастот и ниже, занимает по частоте, во времени и в пространстве область конечных разме­ ров, которая не может быть использована другими технически­ ми средствами. Таким образом, любое упомянутое здесь техни­

18

ческое средство использует в некоторой его части радиочастот­ ный ресурс;

- радиочастотный ресурс является ограниченным природным ресурсом, требующим экономного обращения;

— проблема электромагнитной совместимости технических

средств в значительной мере состоит в организации и обеспечении

эффективного использования техническими средствами радиоча­ стотного ресурса.

Обратимся к интерпретации понятия «эффективное использо­ вание радиочастотного ресурса». Различным функционирующим техническим средствам соответствует определение области в про­ странстве «пространство-частота-время», пересечения которых со­ ответствуют возможности нарушения совместной работы. Потому одно из принципиальных направлений усилий для обеспечения ЭМС состоит в организации рационального использования ресурса раз­ личными средствами, что может интерпретироваться как рациональ­

ное «размещение» областей Qlffll и 0РП/ соответственно простран­ ственным координатам в частотной области и во времени.

Другим, не менее важным направлением является сокраще­ ние, по возможности, протяженности областей ОИП; и Т>рп„ т.е. раз­ меров областей, занимаемых электромагнитными полями источ­ ников, и областей, соответствующих полосам прозрачности рецеп­ торов по частоте, в пространстве и во времени. Для выполнения основных функций каждому техническому средству-источнику

требуется создать электромагнитные поля требуемой интенсивно­ сти в пределах вполне определенной, заданной области простран­ ства (и времени). Спектральный состав этого поля определяется характером и параметрами передаваемой информации, причем

существует определенное значение ширины занимаемой полосы частот, необходимой для выполнения основных функций.

Таким образом, каждому техническому средству соответству­ ет некоторая область ^ип,„ минимальной протяженности. В реаль­

ют необходимые значения Qm„,. Аналогичное можно сказать и о свойствах рецепторов, для каждого из которых можно определить значение минимально необходимой протяженности области £1РПнГ В реальных условиях всегда имеет место превышение размеров

19

занимаемой области ОРП„7 над необходимым значением ОРПн7. Ука­ занные превышения, очевидно, ухудшают возможности обеспече­ ния совместной работы различных средств. Завышенные значения занимаемых полос частот и областей пространства, в принципе, мо­ гут быть снижены без ухудшения выполнения техническими сред­ ствами своих основных функций, так как они являются в той или иной мере следствием технического несовершенства устройств-ис­ точников и устройств-рецепторов. Напротив, размеры необходимых

кциональных показателей при выбранном принципе действия. Любое техническое средство, выполняющее некоторые фун­

кции, имеет две группы показателей:

-функциональные, определяющие выполнение заданных фун­ кций с требуемым качеством в отсутствие воздействия помех со стороны других средств;

-показатели ЭМС, определяющие возможность создания непреднамеренных помех и степень подверженности их действию со стороны других технических средств.

Приведенное разделение, несмотря на некоторую условность, отражает весьма важную сторону: функциональные показатели непосредственным образом определяют качество выполняемых функций, показатели ЭМС, напротив, не имеют прямого отноше­ ния к выполнению основных функций, они определяют возмож­ ность создания непреднамеренных помех источниками и подвер­ женность рецепторов действию помех.

1.3. Факторы, влияющие на ЭМС технических средств

Воздействие непреднамеренных помех на устройства, являю­ щиеся рецепторами, (рис. 1.2) определяется следующими обстоя­ тельствами:

• существуют источники помех, характеризуемые значения­ ми мощностей Pmj, создающие помехи на любых частотах, в том числе и на рабочих. Электромагнитные поля, создаваемые РЭС, можно условно разделить на основные, определяемые функцио­ нальным назначением данного средства, и нежелательные, обус­ ловленные его техническим несовершенством. Например, радио­ передающие устройство должно создать излучение только в опре­

20