Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы электромагнитной совместимости. Учебно-методическое пособие
.pdf
Синяя ломаная линия на рис. 5.3 ниже показывает радиальную составляющую,
когда излучатель расположен на высоте 0,25 м. Видно, что колебания меньше:
последний ноль величины радиальной составляющей поля находится на высоте
3
3,35 м, а поле затухает на 1/r
после расстояния 6,67 м. Красная пунктирная
линия соответствует высоте излучателя 2 м, точки наблюдения расположенной
на той же высоте. Последний нуль величины радиальной составляющей
3
появляется на расстоянии 25 м, а на расстоянии 50 м поле затухает на 1/r
. По
мере того, как передающая антенна поднимается все выше над «землей» до 10
м (что обозначено зелеными сплошными линиями на рис. 5.3 ниже), поле
осциллирует быстрее, как в случае с θ-компонентой поля. Последний ноль
появляется на расстоянии 125 м от передающей антенны, и поле демонстрирует
поведение дальнего поля, т.е. спад на 1/r
3
после расстояния 250 м.
Рис. 5.3. Величина радиальной составляющей электрического поля,
обусловленная вертикально ориентированной передающей дипольной антенной
над плоскостью «земли» электронного модуля для различных высот излучателя
Даже для случая радиальной составляющей электрического поля можно
сделать выводы, аналогичные тем, что мы обсуждали для θ-компоненты. Когда
антенна поднимается выше над плоскостью «земли», происходит более быстрое
изменение поля с расстоянием, проходя через чередование пиков и нолей.
Местоположение последнего ноля (или местоположение последнего пика,
после которого поле затухает на 1/r
3
) линейно увеличивается с высотой
передающей антенны над плоскостью «земли». В дальней зоне необходимо,
чтобы радиальная составляющая электрического поля была как можно меньше.
3
Это означает, что чем раньше она начнет убывать на 1/r
, тем ближе зона
дальнего поля антенны. Таким образом, чем ближе антенна находится к
плоскости «земли», тем ближе начинается зона дальнего поля антенны. Это, в
свою очередь, гарантирует, что приемник с меньшей вероятностью попадет в
такие крупномасштабные замирания или другие виды сложных сценариев
ближнего поля.
Еще один момент, который стоит отметить на рис. 5.3, заключается в том,
что по мере поднятия передающей антенны над плоскостью «земли»
радиальная составляющая поля увеличивается в дальней зоне при постоянной
входной мощности, подаваемой на вход антенны. Как видно из рис. 5.4, θ-
51
компонента поля практически одинакова в дальней зоне для различных высот
передающей антенны над плоскостью «земли». Это еще раз приводит нас к
выводу, что передающая антенна должна быть расположена ближе к «земле»,
чтобы зона дальнего поля начиналась ближе к излучателю, а также имела
уменьшенную радиальную составляющую.
Сравнивая рис. 5.2 с рис. 5.3, можно сделать вывод, что радиальная
3
составляющая поля затухает на 1/r
(как и должно быть в дальней зоне антенны)
почти на половине расстояния от излучателя по сравнению со случаем, когда θкомпонента электрического поля, т.е. E
зоне.
Это также можно наблюдать на рис. 5.4, где красные сплошные линии
, демонстрирует поведение в дальней
θ
обозначают θ-компоненту электрического поля, как определено в схеме на рис.
5.1. Синяя прерывистая линия указывает на радиальную составляющую
электрического поля. Передающая антенна в данном случае расположена на
высоте 5 м, а точки наблюдения приема расположены на высоте 2 м над
«землей». Как видно из рис. 5.4, радиальная составляющая меньше θкомпоненты электрического поля на 60 дБ на расстоянии почти 1 км. Следует
отметить, что стандартный размер ячейки в беспроводной связи на основе
сотовой составляет около 1-3 км. Передающие антенны базовой станции
обычно размещаются на башне, и работа сотовой связи в этом сценарии
происходит в основном в режиме ближнего поля. С другой стороны, если
приблизить антенну к «земле», то это расстояние, на котором радиальная
составляющая ниже θ-компоненты высотой не менее 10-20 метров. Таким
образом, во всей области размера ячейки радиальная составляющая довольно
высока, по сравнению с θ-компонентой находится на уровне -60 дБ, и
уменьшается до 200 м. Мы снова видим, что расстояние линейно зависит от
высоты передающей антенны. Это используется в качестве альтернативного
критерия для выбора условия дальнего поля при условии, что θ-компонента и
радиальная компонента электрического поля затухают на 1/r и 1/r
3
соответственно.
,
Рис. 5.4. θ-компонента поля E, радиальная компонента поля E
и компонента φ поля H, умноженные на η
(импеданс свободного
0
пространства), когда излучатель находится на расстоянии 5 м от «земли»,
а приемник – на расстоянии 2 м
52
5.3. Волновой импеданс излучаемого поля вокруг антенны
Импеданс волны является еще одним важнейшим критерием для
определения дальней зоны антенны. Красная сплошная линия на рис. 5.5 выше
показывает θ-компоненту электрического поля для передатчика,
расположенного на высоте 5 м, и точки приема, расположенные на высоте 2 м.
Зеленая пунктирная линия показывает φ
умноженную на η0, где η
близкий
к 120π. Импеданс поля определяется как:
импеданс свободного пространства, численно
–
0
-компоненту магнитного поля,
=
(5.1)
Обычно в дальней области антенны отношение η является
действительным
является
комплексным числом. Сравнивая красную сплошную и зеленую
числом и равно η
. Но в ближней области антенны η обычно
0
пунктирную линии, мы видим, что до расстояния около 10 м между ними
существует значительная разница. После 10 м кривые очень хорошо
согласуются
друг с другом. Это означает, что η значительно отличается от η
расстоянии до 10
м, после чего они становятся близки друг к другу. Но, по
0
на
крайней мере, из рисунка видно, что быстрые колебания с наличием нулей и
пиков все еще присутствуют, несмотря на
то, что импеданс сходится к η
.
0
Изменение реальной части импеданса (η) с расстоянием показано на
рис. 5.5 ниже. Сплошная синяя кривая соответствует случаю, когда антенна
передатчика расположена на высоте 2 м, и точка наблюдения зафиксирована
том же расстоянии. Реальная часть импеданса приближается к η
на
расстоянии
0
на
около 10 м, в то время как спад 1/r в режиме дальнего поля начинается на
расстоянии около 100 м. Поскольку передающая антенна поднимается выше до
5 м от «земли» (как показано красной прерывистой линией), расстояние, на
котором реальная часть импеданса
приближается к η
, составляет около 25 м.
0
Однако расстояние, на котором происходит откат на 1/r в дальнем поле,
приближается к 250 м, что почти в 10 раз больше, чем расстояние, полученное с
учетом реальной части импеданса. Пунктирная зеленая линия на рис. 5.5
показывает реальную часть импеданса, когда излучатель расположен на
расстоянии 10 м от «земли». Реальная часть импеданса в этом случае
приближается к
η
на расстоянии 50 м.
0
53
Рис. 5.5. Изменение реальной части волнового сопротивления
с расстоянием для различных высот вертикально ориентированного
к плоскости «земли» излучателя
Составляющие дальнего поля E
и Hφ находятся в фазе друг с другом.
θ
Другими словами, фазовый угол импеданса волны (т.е. η) должен быть близок к
нолю в дальней зоне антенны. На рис. 5.6 ниже показано изменение фазового
угла импеданса в зависимости от дальности точки приема для различных высот
передающей антенны.
Рис. 5.6. Изменение фазового угла волнового сопротивления
в зависимости от дальности для различных высот передатчика
Синяя сплошная линия показывает изменение фазы передатчика,
расположенного на высоте 2 м над электронным модулем. Фаза очень близка к
нулю, как и должно быть в дальней зоне антенны. По мере того, как
передающая антенна становится выше до 5 м (показано прерывистой красной
линией), фазовый угол изменяется в больших пределах, а затем становится
равным нулю на расстоянии, которое меньше, чем то, на котором
действительная часть импеданса приближается к η
. Аналогично обстоит дело с
0
высотой передающей антенны, когда она расположена на высоте 10 м
54
(пунктирная зеленая линия). Фазовый угол приближается к нулю примерно на
расстоянии 20 м, что меньше расстояния, на котором сходится действительная
часть импеданса.
На рис. 5.7 ниже синей сплошной линией показано изменение
действительной части импеданса (η) в зависимости от расстояния точки
наблюдения передающей антенны и самой антенны, расположенной на высоте
10 м. Зеленая пунктирная линия показывает изменение величины θ-компоненты
электрического поля с изменением расстояния.
Из рисунков видно, что импеданс не является строгим условием для
критерия дальнего поля. Он определяет переход очень ближней зоны в
ближнюю зону антенны. Условие сферичности, т. е. затухание напряженности
поля на 1/r, является более подходящей характеристикой для определения
перехода области ближней и дальней зоны передающей антенны над
заземляющей плоскостью электронного модуля.
Рис. 5.7. Сравнение перехода от ближней зоны к дальней из-за волнового
импеданса и условия сферичности волны
θ-компоненты электрического поля,
затухающей на 1/r, для вертикально ориентированной дипольной антенны
над заземляющей плоскостью электронного модуля
55
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Обеспечение ЭМС и ПУ эта та область инженерной деятельности,
которой до настоящего времени уделялась второстепенная роль при разработке
РЭС. Отчасти это обусловливалось сложностью математического аппарата,
описывающего электромагнитные процессы в РЭС, а отчасти сложно
формализуемыми задачами обеспечения требований ЭМС и ПУ. Кроме того,
перед разработчиком на первый план выходили другие, более острые вопросы –
обеспечение механической устойчивости и нормальных тепловых режимов,
защита от внешних воздействующих факторов, увеличение надежности и т.п.
Однако в настоящий момент достигнута та черта, когда дальнейшее повышение
эффективности разработки ЭС возможно только при рассмотрении вопросов
обеспечения требований ЭМС и ПУ.
В учебно-методическом пособии описана оценка современного состояния
исследования в области ЭМС РЭС, которая показала, что усовершенствование
и миниатюризация электрорадиоэлементов, появление новых функциональных
материалов, повышение рабочих частот будет накладывать на производителей
и разработчиков все более жесткие ограничения в части обеспечения
внутриаппаратурной электромагнитной совместимости. Будущим трендом для
производства высокоэффективных современных РЭС является уход от
традиционного субъективного подхода отдельного инженера к внедрению
объективных методов оценки и предлагаемых способов обеспечения
внутриаппаратурной ЭМС. Одним из возможных подходов, реализующих такой
принцип, является использование технических устройств оценки ближнего
поля конструкций печатного модуля. Однако непосредственное моделирование
работы проектируемого устройства на основе таких полученных данных
является достаточно ресурсозатратной задачей. Актуальным на сегодняшний
день является разработка совокупности аппаратных средств, программного и
методического обеспечения, которая позволит проводить многократное
измерение и моделирование на этапе проектирования радиоэлектронных
средств, а в перспективе даст набор технических решений для обеспечения
внутриаппаратурной электромагнитной совместимости на предтопологическом
уровне.
56
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кечиев Л.Н. Проектирование печатных плат для цифровой
быстродействующей аппаратуры / Л.Н. Кечиев // М.: ООО «ГруппаИДТ», 2007.
616 с.
2. Ромащенко М.А. Основные задачи анализа обеспечения ЭМС в
конструкциях РЭС и принципы его выполнения / М.А. Ромащенко // Вестник
Воронежского государственного технического университета. 2011. Т. 7. №4.
С. 106-109.
3. Ашихмин А.В., Федоров С.М., Негробов В.В., Пастернак Ю.Г.,
Авдюшин А.С. Антенна Вивальди с печатной линзой на единой
диэлектрической подложке. Патент на изобретение RU 2593910 C2, 10.08.2016.
Заявка № 2014128331/28 от 11.07.2014.
4. Зеленин И.А., Рыжиков А.Г., Фёдоров С.М. Антенная решетка на
основе линзы Ротмана / И.А. Зеленин, А.Г. Рыжиков, С.М. Фёдоров // Вестник
Воронежского государственного технического университета. 2012. Т. 8. № 11.
С. 102-105.
5. Исследование характеристик антенной решетки на основе линзы
Ротмана и антенн с эллиптическими плечами / А.Г. Рыжиков, С.А. Слинчук,
С.М. Фёдоров, В.И. Чугуевский // Вестник Воронежского государственного
технического университета. 2013. Т. 9. № 2. С. 49-52.
6. Ашихмин А.В., Першин П.В., Фёдоров С.М. Пеленгование с
использованием модели, в которой наблюдаемое поле является суперпозицией
плоской падающей волны и рассеянных сферических волн, создаваемых
блестящими точками на корпусе рассеивателя / А.В. Ашихмин, П.В. Першин,
С.М. Фёдоров // Вестник Воронежского института МВД России. 2018. № 3. С.
70-76.
7. Князев А.Д., Кечиев Л.Н., Петров Б.В. Конструирование
радиоэлектронной и электронно- вычислительной аппаратуры с учетом
электромагнитной совместимости / А.Д. Князев, Л.Н. Кечиев, Б.В. Петров // М.:
Радио и связь, 1989. 224 с
57
Учебное издание
Глотов Вадим Валерьевич
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ
Учебно-методическое пособие
Издается в авторской редакции
Компьютерный набор В. В. Глотова
Подписано к изданию 16.01.2024.
Обьем данных 2,3 Мб.
Тираж 10 экз.
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»
394006 Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84
58
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]