Ю.Е.СЕДЕЛЬНИКОВ - Электромагнитная совместимость

ных на улучшение показателей, влияющих на ЭМС и не затрагива­ ющих ни принцип действия аппаратуры, ни и ее системные пара­ метры (функциональные параметры устройств и их блоков). С точки зрения использования радиочастотного ресурса результат принятия схемотехнических мер состоит в сокращении протяжен­ ности занимаемых областей в пространстве V-F-T, соответствую­ щих конкретным источникам помех и рецепторам. Достигаемое уменьшение размеров этих областей может предприниматься либо с целью приведения занимаемых областей в соответствие с суще­ ствующей или перспективной нормативно-технической документа­ цией (т.е. с целью соответствия стандартным требованиям, либо эти меры предпринимаются по отношению к аппаратуре, соответ­ ствующей существующим нормативом. В этих случаях речь идет об обеспечении ЭМС на уровне устройств, когда по тем или иным причинам параметры ЭМС на уровне стандартных значений не по­ зволяют обеспечить условия допустимости уровня воздействую­ щих помех. С некоторой долей условности можно выделить две характерные группы схемотехнических мер.

К первой из них следует отнести использование любых схем­ ных решений устройств, их параметрическую оптимизацию, при­ менение элементной базы с улучшенными показателями, влияю­ щими на ЭМС и т.д. В любом случае цель этих мер состоит в улуч­ шении некоторых конкретных параметров ЭМС. Меры этой груп­ пы относятся к этапу создания радиоэлектронных устройств, когда в число их технических показателей входят конкретные значения определенных параметров ЭМС. По существу использование схе­ мотехнических мер ЭМС на этом этапе означает проектирование (создание) конкретного устройства, обладающего заданными фун­ кциональными параметрами и отвечающего определенным требо­ ваниям к параметрам ЭМС. Эти требования задаются разработ­ чику соответствующей аппаратуры в качестве исходных данных, а выполнение их становится предметом профессиональной деятель­ ности специалистов соответствующего профиля: специалистов по радиопередатчикам, радиоприемникам, антеннам, устройствам электропитания и т.д. В первую очередь эти исходные данные оп­ ределяются нормативно-технической документацией для соответ­ ствующей области. В других случаях - эти требования, оп-

221

ределенные на системотехническом уровне, могут оказаться бо­ лее жесткими по отношению к действующей НТД.

- Ко второй группе следует отнести различные схемные реше­

ния, состоящие во введении элементов или устройств, позволяю­ щих дополнительно ослабить уровни создаваемых помех, воспри­

имчивость рецепторов и увеличить ослабление НЭМП на пути распространения от конкретного источника помех к конкретному рецептору*.

Обеспечение ЭМС с учетом фактора стоимости, имеющий для обеих из названных групп важное значение. Рассмотрим задачу обес­ печения ЭМС пары взаимодействующих средств на схемотехничес­ ком (либо конструкторско-технологическом) уровне. Допустим, что выявлена пара средств, для которой условие допустимости помех, создаваемых источником рецептору, не выполняется.

Для устранения помех необходимо ослабить уровень нежела­

тельного воздействия не менее чем на у' = Рт/РРПдст из-за увеличе­

увеличения РРШоп. Улучшение технических показателей потребует определенных затрат и может сопровождаться снижением некото­ рых других показателей. Например, уровень побочных излучений передатчика можно снизить, используя фильтры. Однако улучше­ ние фильтрации будет сопровождаться ростом стоимости фильт­ ра, его габаритов и массы. Кроме того, будут возрастать и прямые потери в полосе пропускания, что, в свою очередь, может потре­ бовать некоторого увеличения мощности передатчика. Дополни­ тельное ослабление помех неизбежно сопровождается дополнитель­ ными расходами и ухудшением массогабаритных показателей. За­

висимость стоимости от достигаемого эффекта ослабления помех имеет монотонный характер, причем, как правило, эта зависимость имеет тенденцию к непропорциональному возрастанию с увеличе­ нием требуемого эффекта (рис. 4.16).

' На практике грань между схемотехническими и конструкторско-техно­ логическими мерами является достаточно условной. Некоторые из приемов, на­ пример, фильтрация, могут рассматриваться и как схемотехнические меры (вве­ ден в схему новый элемент-фильтр), и как конструкторско-технологические (фильтр выполнен в виде слоя поглощающего материала, изолированного от соответствующего проводника).

222

Стоимость

Рис. 4 16. Зависимость стоимости от степени ослабления помех

Пусть эффект ослабления НЭМП, достигнутый в результате

использования некоторого и-го приема, составляет у'л - L'nfLn, где

Ln и L'n - значения коэффициента ослабления помехи до и после

применения данных мер соответственно, и требует затрат С„(у„). При совместном использовании N приемов результирующий эф­ фект ys является произведением

7Т=ПУЛ. (4.26)

1

а стоимость CL - суммой отдельных составляющих Сл(ул):

Cv=fc„(y„). (4.27)

1

Пусть общее ослабление помех должно быть не менее уо = Ррп / Ррп дап. Наиболее эффективным решением является такое,

которое при достижении требуемого ослабления помех

значения, определяемые массогабаритными техническими ог-

223

раничениями. Решению этой задачи будет соответствовать наиболее

эффективная совокупность мер по устранению данной непреднаме­

ренной связи.

В ряде случаев зависимость С„(ул) можно представить аппрок­

симирующей степенной функцией С„(у„) = у“л. В этом случае при

отсутствии ограничений на значения у„ минимальная стоимость

обеспечивается при значениях у„, равных:

1

(4-30)

Из этого выражения, в частности, следует, что отдельно взятые

меры могут быть неоптимальными по критерию стоимости. Для ре­ шения задачи обеспечения ЭМС следует использовать все имеющие­ ся возможности по уменьшению действия помех, причем наибольший

вклад вносят меры, требующие меньших затрат.

Среди схемотехнических мер, соответствующих второй из

перечисленных групп, следует выделить ряд характерных приемов.

4.5 2. Компенсаторы помех

Конкретная реализация этих схем определяется видом меша­

ющих сигналов и используемой аппаратурой. Схемы компенсации могут быть как автомагическими, основанными на принципе адап­ тации, так и управляемыми оператором. Известно большое число разновидностей таких схем, используемых в аппаратуре стацио­ нарной связи (радиорелейной, судовой и т.д.). В основу работы различных устройств компенсации положен принцип противофаз­ ного сложения принятого (содержащего помеху) и мешающего сигналов (или его копии).

Так, схемы компенсации оказываются весьма эффективным

средством обеспечения ЭМС в устройствах судовой КВ-радиосвязи. Как отмечалось в разд. 2, при близком расположении антенн

224

коэффициент связи велик и мешающие колебания характеризуют­ ся большой интенсивностью: в условиях судна, например, напря­ жение помех, наведенное в приемных антеннах, составляет несколь­ ко десятков вольт, что исключает работу на близких частотах. Ус­ тройство компенсации в простейшем случае содержит направлен­ ный ответвитель, отводящий часть мощности передатчика, регули­ руемый аттенюатор, фазовращатель и сумматор, в который посту­

пают сигналы от приемной антенны и цепи компенсации (рис. 4.17). Помеха компенсируется при соответствующей регулировке ослаб­

ления и фазы колебания, поступающего в сумматор через аттеню­ атор и фазовращатель. Достигаемый при этом эффект может быть значительным: помеха ослабляется до 40...60 дБ.

Рис. 4 17 Схема компенсации связи антенн

4.5.3. Фильтрация помех

Использование различных устройств, осуществляющих час­ тотную фильтрацию, относится к числу широко распространенных схемотехнических мер, направленных как на ослабление помех в месте возникновения, так и на снижение уровней помех, действую­ щих на рецептор. Фильтры различных типов используются в вы­

ходных трактах радиопередающих устройств с целью ослабления излучаемых ими помех на частотах вне основной полосы

частот. В приемных устройствах - в качестве преселекторов, ос­ лабляющих вне основного канала приема уровни помех, поступаю­ щих от антенны (рис. 4.18).

Методы фильтрации находят применение также при ослаб­ лении кондуктивных помех, создаваемых источниками в целях элек­

тропитания и управления в различных электронных устройствах для снижения восприимчивости их к НЭМП по цепям электропи­ тания и т.д.

Рис 4 18 Схема ослабления помех, создаваемых источником или действующих на рецептор.

/- фильтр в фидерном тракте. 2 - фильтр в цепи высокочастотного сигнала, 3 - сетевой развязывающий фильтр. 4 - поглощающий фильтр в виде

ферритового кольца для ослабления высокочастотных кондуктивных помех

В зависимости от конкретных условий используемые фильт­ ры могут иметь частотные характеристики фильтров нижних час­ тот, полосовых или режекторных. По принципу7 действия эти филь­ тры могут быть как реактивными, составленными из частотно-из­

бирательных элементов с малыми потерями, так и поглощающего типа, принципиально содержащими в своем составе элементы с диссипативными свойствами. Применяемые фильтры отличаются

по целевому использованию либо как элемент устройства, уча­

226

ствующий в выполнении основных функций (например, фильтры

в составе радиоприемника) либо как элемент, предназначенный только для ослабления помех и не участвующий непосредствен­ но в реализации функциональных показателей (например, филь­ тры в целях электропитания радиоприемников и радиопередат­ чиков). Наконец используемые фильтры различаются по диапа­

зону частот и величине пропускаемой мощности. Значительное разнообразие используемых фильтров не позволяет рассмотреть различные их варианты в рамках данного пособия. Для получе­

ния более подробной информации читателю следует обратить­ ся к специальной литературе.

Необходимо отметить два важных свойства частотно-изби­ рательных цепей любого типа. Во-первых, это принципиальная не­

возможность создания полосового или режекторного фильтра, об­

ладающего идеальной прямоугольной характеристикой”. Теорешчески к идеальному фильтру можно приближаться со сколь угодно высокой степенью точности. Однако повышение «качества» филь­ трации при конечной добротности звеньев фильтра будет неизбеж­

но сопровождаться снижением коэффициента передачи в полосе прозрачности, что ставит практический предел достижимому уров­ ню ослабления вне полосы пропускания. Во-вторых, любые реаль­ ные фильтры, составленные из реактивных элементов, в большей или меньшей степени обладают паразитными полосами пропуска­ ния на частотах, значительно отстоящих от основной полосы про­ пускания. Причины, приводящие к отмеченному эффекту, различ­ ны в зависимости от типа фильтра, его конструкции и диапазона рабочих частот.

Таким образом, существует ряд причин, затрудняющих на практике достижение требуемой частотной избирательности. Сле­ дует различать частотно-избирательные свойства в ближайшей окрестности основной полосы частот и при значительных частот­ ных расстройках. В окрестности основной полосы частот возмож­ ности частотной фильтрации ограничены лишь конечной доброт-

’ Напомним, что фильтру с идеальной прямоугольной характеристикой должна соответствовать бесконечная задержка сигнала (а также ФНЧ с АЧХ в виде идеальной «ступеньки»).

227

ностью элементов фильтров, что определяет технически реализуе­ мый предел избирательности.

На частотах, значительно отстоящих от основной полосы,

недостаточное ослабление помех связано, главным образом, с на­ личием паразитных полос пропускания. Рассмотрим кратко при­ чины их появления.

1.Фильтры на сосредоточенных элементах вне основной по­ лосы пропускания имеют многоэкстремальную частотную харак­

теристику с глубокими провалами и выбросами из-за влияния па­ разитных емкостей и индуктивностей (рис. 4.19, а), что может слу­ жить, в частности, причиной ухудшения избирательности радио­ приемного устройства.

2.Фильтры на элементах линий передачи Т-волн с колеба­ тельными системами в виде отрезков линий длиной в четверть или половину длины волн могут иметь паразитные полосы прозрач­ ности на частотах, 2/0, 4/0.. или 3/0, 5/0.. (рис. 4.19. б).

3.Фильтры волноводного типа, состоящие из отрезков ли­

ний или связанных объемных резонаторов, помимо отмеченных полос, могут иметь паразитные полосы пропускания вследствие резонансов на других собственных типах волн или собственных колебаний объемных резонаторов (рис. 4.19, в).

4.Образование паразитных полос пропускания трактов мо­

жет быть связано с эффектами «паразитного» согласования, в час­ тности, фидеров радиопередатчиков или радиоприемников с со­ ответствующими антеннами. Входное сопротивление антенны Zt

не равно волновому сопротивлению линии передачи и имеет, как правило, выраженную зависимость от частоты Z) - Zr,(f). Вслед­ ствие рассогласования энергия нежелательных колебаний источ­ ника лишь частично передается в антенну (или от антенны), что является положительным фактором, так как ведет к уменьшению нежелательных электромагнитных связей источника и рецептора помех. Поскольку трансформация сопротивления нагрузки лини­

ей передачи с неравным ему волновым сопротивлением зависит от частоты, найдутся такие частоты, для которых условие согласова­ ния будет частично выполняться. На этих частотах будет происхо­ дить повышенная отдача нежелательной мощности в нагрузку, что соответствует появлению паразитной полосы пропускания.

228

Рис 4 19 Фильтры различных типов и зависимость ослабления от частоты

а- сосредоточенные элементы, б - резонансные отрезки линий передачи

сТ-волнами, в - объемный резонатор

5.Особенности многоволнового распространения колебаний

вфидерах также могут значительно влиять на их частотные свой­

ства. На частотах гармоник в различных волноводах становится возможным распространение более одного типа волн, которые име­

ют структуру электромагнитного поля и скорость распространения, отличающиеся от волн основного типа. Передача энергии в нагруз­ ку осуществляется не единственной волной, а несколькими. Вслед­

ствие интерференции этих волн в нагрузке появляется дополнитель­ ная частотная зависимость коэффициента передачи фидера.

229

Не менее важно то, что любые нерегулярности в фидере по-разному влияют на распространение волн разных типов. Экви­

валентная схема фидера для каждого типа волны оказывается своей и, следовательно, обладает отличающимся коэффициентом переда­

чи, который в целом определяется результатом суммирования по

отдельным типам волн. Поэтому при многоволновом распростра­ нении колебаний его частотная характеристика может существенно отличаться от частотной в случае существования единственного типа волны, в том числе иметь паразитные полосы пропускания.

Кроме того, необходимо помнить, что появление волн выс­

ших типов и взаимное преобразование их происходит при всяком изменении поперечного сечения волновода или нарушении прямо­ линейности линии передачи. Поэтому включение любых элемен­

тов в линию передачи, неизбежное наличие поворотов, изгибов,

скруток и другое вызывает возбуждение волн высших типов и их взаимное преобразование. На частотах гармоник в линиях пере­ дачи возможно существование волн десятков типов. Их количе­ ственный состав может значительно меняться в зависимости от

состава и конфигурации фидера и в большинстве реальных случа­ ев трудно предсказуем. Более того, количественный состав типов

волн может значительно меняться от образца к образцу даже в однотипных устройствах, когда их характеристики в основной полосе отличаются несущественно.

6. В фильтрах поглощающего типа эффект образования пара­ зитных полос пропускания обычно имеет менее выраженный харак­ тер (по крайней мере, они проявляются при значительно больших отстройках от частот в полосе пропускания). Однако частотная из­ бирательность их вблизи полосы пропускания и кпд (потери в по­ лосе пропускания) обычно значительно уступают фильтрам, выпол­ ненным на основе реактивных элементов. Тем не менее, фильтры поглощающего типа часто находят изменение в радиопередатчиках

СВЧ для подавления излучения на гармониках, в некоторых элект­ ронных устройствах для ослабления кондуктивных помех и др.

Вопросам построения и применения фильтров различных типов посвящена обширная литература, в том числе отражающая специ­ фику применения фильтров в задачах обеспечения ЭМС [7,11,1-Т]. Становимся на одной только разновидности фильтров, весьма эф­

230