Ю.Е.СЕДЕЛЬНИКОВ - Электромагнитная совместимость

деленной полосе частот, однако в силу ряда причин имеют место нежелательные радиоизлучения за пределами этой полосы. При учете влияния НЭМП на рецептор необходимо считаться со всеми ее видами: излучаемыми на основной частоте и частотах нежела­ тельных излучений; создаваемыми цепями питания, управления, коммутации и заземления и др. Нежелательные электромагнитные поля, создаваемые некоторым РЭС, частично ослабляются в са­ мом источнике помех. Ослабление НЭМП в месте их возникнове­ ния будем характеризовать коэффициентом ослабления Тиш, где индекс I определяет принадлежность излучения к основному излу­ чению или одному из видов создаваемых НЭМП;

•имеет место передача электромагнитной энергии от ИП к РП. Этот процесс определяется многими факторами: свойствами среды, параметрами антенн, расстоянием между РП и ИП, взаим­ ной ориентацией их антенн, поляризацией излучения и т.д. Излу­ чение и прием НЭМП могут осуществляться антеннами радиоуст­ ройств в направлениях, соответствующих главным, боковым или задним лепесткам диаграмм направленности антенн (ДНА), а так­ же корпусами устройств, элементами фидерного тракта, кабелями

ит.д. Ослабление НЭМП в среде распространения будем характе­ ризовать коэффициентом Lk, где к - номер пути воздействия НЭМП на рецептор;

•электромагнитная энергия помехи принимается рецептором

иоказывает влияние на его функционирование. Рецептор может различным образом реагировать на внешние электромагнитные воздействия.

Рис. 1.2. Схема воздействия НЭМП на РП

По аналогии с ИП можно говорить об основном механизме воздействия, принципиально необходимом конкретному устрой­ ству, и нежелательном, обусловленным техническим несовершен­ ством РП. Так, для радиоприемника основным является прием сиг-

21

налов в полосе частот, соответствующей спектру передаваемого сообщения, а неосновным (нежелательным) - прием по побочным каналам, прием, помимо антенн и т.д. Ослабление НЭМП, наблю­ даемое при прохождении ее через цепи рецептора, можно характе­ ризовать коэффициентом £РШ, где ,v - номер канала приема Значе­ ние мощности НЭМП, приведенное ко входу рецептора с учетом действия помехи 7-го вида по £-му пути воздействия и г-му каналу приема, будет:

где Рт - мощность ИП на рабочей частоте.

Для конкретных РЭС и типа помех можно указать такой пре­ дельный уровень помехи РРПдоп, который соответствует требуе­ мому качеству функционирования, если Ррп< РРПдап Такие поме­ хи называют допустимыми Электромагнитная совместимость в

группе средств выполняется, если все создаваемые непреднаме­

ренные помехи являются допустимыми для всех РП рассматри­ ваемой группы.

Имеющее место нарушение ЭМС может быть вызвано либо неправильной организацией использования радиочастотного ре­

сурса с пересечением областей ОИПн, и ОРПнг, либо техническим несовершенством устройства-источника, устройства-рецептора, а также тех параметров ЭМС источника и рецептора, которые оп­ ределяют ослабление помех на пути распространения, т.е. пара­ метров, определяющих значения £ип/, Lk и Zprb. В этих случаях для обеспечения ЭМС очень важно выявить конкретные причины воз­ действия непреднамеренных помех: найти их источники и пути рас­ пространения и определить причины, вызывающие подвержен­

ность рецепторов действию определенных помех. С этой целью необходимо более подробно рассмотреть свойства различных РЭС

иих элементов с точки зрения создания, распространения НЭМП

иподверженности им.

Взаключение отметим одно, достаточно важное обстоятельстве.

Особенность задач обеспечения ЭМС состоит в том, что в большин­ стве случаев параметры ЭМС, определяющие ослабление помех в источнике, рецепторе и среде распространения, представляют собой

величины, на несколько порядков меньшие по сравнению с близкими

22

к ним по смыслу функциональными показателями. Читателю следу­ ет ясно представлять то, что относительно малые значения величин совершенно не означают возможность их игнорирования, например таких, как уровни излучений вне рабочей полосы частот или уровни дальних боковых лепестков, на несколько порядков меньшие по срав­

нению с мощностью излучения в рабочей полосе частот или соответ­

ствующей главному лепестку ДН антенны.

Проиллюстрируем это на простейшем модельном примере. Пусть источником является радиопередатчик мощностью L0 Вт. Приемник, расположенный на небольшом расстоянии от него, имеет чувствительность 10~12Вт. Предположим, что уровень допу­

стимой помехи равен Р п=10_,1Вт. Связь источника и рецептора осуществляется через передающую и приемную антенны Допус­ тим, что коэффициент связи антенн, т.е. отношение мощностей на входе передающей и выходе приемной антенн, равен 10'2

Пусть спектр излучения радиопередатчика и величина ослаб­

ления помехи в рецепторе (АЧХ приемника) имеют вид, показан­ ный на рис 1.3

Рис 1 3 К примеру оценки ЭМС

В условиях примера прием помехи рецептором ослаблен: Сип = ЮЛ L ~ ЮЛ ТР11=104. Таким образом, уровень помехи, при­

нимаемой рецептором, составляет 10~10 Вт. Эта величина в 100 раз превышает уровень чувствительности приемника и в 10 раз допус-

23

тимый уровень помехи. Приведенный пример имеет единственную цель: показать, что относительно низкий уровень излучения пере­

датчика вне рабочей полосы частот (0,01%), приема вне рабочей полосы - (0,01%) и коэффициента связи антенн (1%) не обеспечил в данном случае отсутствие недопустимого влияния радиопередат­ чика на радиоприемник.

Подчеркнем, что в практике обеспечения ЭМС интересуются значениями параметров, определяющих уровни помех и воспри­ имчивость к ним, представляющих собой величины на несколько порядков меньшие по отношению к аналогичным, характеризую­ щим функциональные показатели.

В дополнение к сказанному сделаем еще одно замечание. По­ скольку, как это было показано приведенным примером, в зада­

чах ЭМС оперируют с относительно малыми величинами, на прак­

тике для их задания используется логарифмическая шкала, т.е. ве­ личины, выражают в децибелах:

-мощность: Р = 10 lgP дБ Вт;

-ослабление по мощности: L = 10 IgZ дБ Вт;

-напряжение: U - 20 lgl7 дБ В;

-ослабление по напряжению: U = 20 lgt7 дБ.

Расчетные соотношения, соответственно, также видоизменя­ ются. Например, соотношение (1.4) для величин, выраженных

в децибелах, принимает вид:

В дальнейшем будут использоваться обе формы записи: в ло­ гарифмической шкале и в натуральном масштабе. Чтобы избежать возможной путаницы, величины, выраженные в децибелах, набра­ ны полужирным курсивом.

24

Все сделал Он прекрасным в свое время и вложил мир в сердиа их, хотя человек не может постигнуть дел которые Бог делает, от начала и до кониа

Экклезиаст. Гл. 3, ст. 11

Раздел 2. ФАКТОРЫ,

ВЛИЯЮЩИЕ НА ЭМС РЭС

2.1. Электромагнитные помехи

Электромагнитной помехой (ЭМП) называют нежелательное воздействие электромагнитной энергии, которое ухудшает или

может ухудшать качество функционирования технических средств. Радиопомеха - электромагнитная помеха, соответствующая диапазону радиочастот 9 кГц - 3000 ГГц. Радиопомехи, в неиз­ бежном присутствии которых работают различные радиоэлектрон­

ные средства, делятся на естественные и искусственные. Естественные помехи вызваны электромагнитными процес­

сами, объективно существующими в природе и не связанными с деятельностью человека. Рассмотрим основные виды, источники и причины их возникновения.

Источники естественных ЭМП делятся на земные (в том чис­

ле в ее атмосфере) и внеземные (вне Земли и ее атмосферы).

2.1.1. Естественные радиопомехи

Земные источники. В диапазоне частот ниже 30 МГц преоб­ ладают атмосферные помехи (АЭМП), вызванные электрически-

25

ми разрядами во время гроз. Для частот, расположенных ниже ионосферной «частоты среза», основными источниками АЭМП в районах с умеренным климатом являются летние грозы, а в тро­ пических районах - зимние штормы, при этом АЭМП распростра­ няются на расстояние несколько тысяч километров. Для частот,

превышающих ионосферную «частоту среза», преобладающими ис­

точниками АЭМП являются местные грозы. Спектральное распре­

деление атмосферных помех показано на рис. 2.1.

Плотность _5Q мощности, дБ /(м2кГц )

-100

-140

-180

Рис 2 1 Спектральное распределение атмосферных помех:

— - шум неба (горизонтальная поляризация), О - северное полушарие Земли.

0-4 ч вертикальная поляризация (цифры на кривых обозначают шумовые градации)

Кроме названных механизмов, в образование атмосферных помех могут внести вклад и некоторые другие процессы - северное сияние, пыльные бури и др.

Собственное тепловое радиоизлучение земных покров и атмос­ феры. Поверхность земли, а также атмосфера являются источником

широкополосного шумового теплового излучения. Причиной его возникновения является свойство нагретых тел создавать слабое электромагнитное излучение, в том числе в диапазоне радиочастот.

Интенсивность его характеризуется значением яркостной темпера­ туры тел 7Я, а мощность в полосе частот А/- величиной кТЛ /\f, где

к — постоянная Больцмана. Конкретные значения яркостной темпе­

ратуры земных покровов зависят от их электрофизических парамет­ ров и находятся в пределах от нескольких десятков до порядка 300К. Яркостная температура, соответствующая радиотепловому излуче­

26

нию атмосферы, определяется главным образом величиной затуха­ ния радиоволн соответствующего диапазона. Значение яркостной температуры атмосферы не превышает нескольких кельвинов в ди­ апазоне метровых волн в направлении зенита и 150 - 250 К в диапа­ зоне миллиметровых волн в направлениях, близких к горизонту. Из-за относительно низкой интенсивности этот вид естественных помех может быть существенным только в высокочастотных диа­

пазонах (сантиметровые и более короткие волны).

Внеземные источники. Шум неба для частот выше 1 МГц обус­ ловлен комбинированным излучением Галактики с дискретным и сплошным спектром. Интенсивность его излучения может быть заметной (рис. 2.1). Шум со сплошным спектром имеет два меха­ низма возникновения. Один из них вызван излучением ионизиро­

ванного водорода, спектр которого соответствует спектру излуче­ ния абсолютно черного тела, а второй - излучением электронов (линейно-поляризованное поле). На частотах выше 300 кГц шум Галактики значителен в обоих полушариях Земли.

ЭМП Солнца. В период высокой активности солнце излучает в околосолнечное пространство до 12 раз в день импульсы энер­ гии большой интенсивности. Эти вспышки сопровождаются рез­

ким увеличением ЭМП, спектральные составляющие, длительность и поляризация которых изменяются. На рис. 2.2 показана частот­

ная зависимость, характерная для одного из наиболее распростра­

ненного типа вспышек.

Частота, ГГц

Рис. 2.2. ЭМП звезд, Солнца и планет

27

Для ЭМП, вызванных процессами на Солнце, характерно чере­

дование периодов с меньшей интенсивностью их и солнечных бурь.

При «спокойном» Солнце солнечная радиация минимальна. Период повторения минимальной солнечной активности составляет 11 лет. Бури на Солнце создают кратковременные узкополосные импульсы

ЭМП средней интенсивности. На частотах ниже

3 ГГц ЭМП солнечных бурь и «спокойного» Солнца не превыша­ ют уровни шума Галактики.

Вторичный космический шум. Луна, Юпитер и Кассиопия-А представляют собой дополнительные источники космических по­ мех в диапазонах ОВЧ, УВЧ, СВЧ. В диапазонах СВЧ Луна излу­ чает как абсолютно черное тело, температура которого изменяет­ ся с лунным циклом от 100 до 300 К. Интенсивность излучения

луны как источника помех превышает только интенсивность из­ лучения Кассиопеи-А на частотах выше 2ГГц.

Кассиопия-А (сверхновая звезда), наиболее интенсивный источ­ ник помех вне солнечной системы, излучает нетепловой линейно-по­ ляризованный спектр частот, интенсивность которого в диапазоне ОВЧ и ниже большего, чем у излучения «спокойного» Солнца.

Излучения Юпитера в диапазонах ВЧ и ОВЧ являются нетепловыми линейно-поляризованными. На частотах ниже час­ тоты среза ионосферы Земли эти помехи не достигают поверхно­ сти Земли. Однако в интервале частот от 20 до 40 МГц (при усло­ вии, что главный лепесток ДН приемной антенны направлен на планету и имеется циклический максимум излучаемых помех) из­

лучение Юпитера превышается только помехами Солнца и шу­

мом Галактики.

2.1.2. Электромагнитные помехи искусственного происхождения

Искусственные ЭМП возникают при работе различных тех­ нических средств - радиотехнических, электронных и электротех­ нических. В отдельных случаях они даже могут создаваться обо­ рудованием, не использующим электромагнитные процессы для выполнения своих функций. Виды искусственных ЭМП представ­ лены на рис. 2.3.

28

в заданной области пространства. Требуемая интенсивность излучае­ мых волн определяется уровнем напряженности его в точке приема, достаточного для извлечения передаваемой информации.

Количество и качество передаваемой информации зависят от способа организации передачи информации при помощи электро­ магнитных волн, т.е. способа и параметров модуляции и полосы

частот, соответствующих передаваемому сообщению Для каждо­

го конкретного вида модуляции существует минимальное значе­ ние ширины полосы частот передаваемого сообщения - Вн. Эта

величина называется шириной необходимой полосы частот и опре­

деляется как минимальное значение полосы частот, обеспечиваю­ щее радиопередачу данного класса сообщений (сигналов) с требу­ емыми скоростью и качеством Излучения в пределах необходи­

мой полосы частот называют основными (ОИ), во вне необходи­ мой полосы - нежечатепъными (НИ). Нежелательные излучения в

той или иной мере присущи любым реальным радиопередающим устройствам и могут быть ослаблены без ущерба для качества пе­

редаваемой информации Нежелательные излучения делятся на побочные, внеполосные и шумовые (рис. 2.4)

Рис 2 4 Основные и нежелательные излучения радиопередатчика

2.2.1.Побочные излучения

Кпобочным излучениям (ПИ) относят нежелательные радио­

излучения, возникающие в результате любых нелинейных процес­ сов в радиопередающем устройстве, за исключением процесса мо­

30