3. Побочные излучения радиопередатчиков

В этом разделе рассмотрим способы описания побочных излучений радиопередатчиков на гармониках, субгармониках и комбинационные излучения. Интермодуляционные излучения рассматриваются при изучении нелинейных эффектов в приемо-передающей аппаратуре (гл. 9).

Так же как и для основного излучения, основными параметрами, характеризующими побочные излучения, являются частота, мощность, а также спектральные характеристики излучений.

Как уже отмечалось ранее, излучения на гармониках являются наиболее мощными излучениями после основного излучения передатчика. Излучения на субгармониках и комбинационные излучения имеют значительно меньшие уровни и характерны для передатчиков, несущая частота которых формируется путем определенных преобразований частоты задающего генератора передатчика. Уровни излучений на гармониках, субгармониках и комбинационных излучений зависят от многих факторов, которые трудно учесть в полной мере при аналитических расчетах. Информацию о параметрах этих излучений можно получить на основе:

 измерений на реальных передатчиках;

 математических моделей, полученных по результатам измерений или теоретических исследований;

 норм на уровни побочных излучений.

Часто при вводе в эксплуатацию новых передатчиков информация об уровнях излучений передатчиков на гармониках и уровнях других побочных излучений, полученная по результатам измерений, бывает известна. Однако при анализе ЭМС совокупности РЭС результаты измерений побочных излучений передатчиков, входящих в исследуемую совокупность, чаще всего не известны. В этом случае основными источниками информации об уровнях побочных излучений служат эмпирические математические модели, либо используются нормы на уровни побочных излучений. Математическое моделирование является удобным средством исследования ЭМС РЭС в условиях недостаточной априорной информации, при частотном планировании, в задачах размещения радиосредств на объектах и т. п.

Для аналитического описания среднего уровня излучений на гармониках, субгармониках и комбинационных излучений используется эмпирическая математическая модель вида

P_T(f) = P_T(f_0T) + A lg (f/f_0T) + B, (7.9)

где P_T(f) – средняя мощность побочного излучения передатчика на частоте f, выраженная в децибелах относительно ватта, дБВт, или милливатта, дБм; P_T(f_0T) – средняя мощность основного излучения передатчика на его рабочей частоте f_0T, выраженная в тех же единицах, что и P_T(f); A – коэффициент, описывающий скорость спада мощности побочных излучений по мере отстройки от основной частоты, дБ/дек; B – постоянное ослабление побочного излучения по отношению к основному, дБ.

Постоянные A и B, входящие в (7.9), определяют, обрабатывая результаты измерений мощности соответствующих побочных излучений. Поскольку на множестве радиопередающих устройств мощность побочных излучений является величиной случайной, то ее характеризуют не только средним значением, определяемым выражением (7.9), но и среднеквадратическим отклонением (СКО) σ_T. В общем случае коэффициенты А и В зависят от частоты и вида побочного излучения. Однако, если рассматривать передатчики одного диапазона частот, то значения А и В для конкретного вида побочного излучения изменяются мало, и их можно принять постоянными. Для передатчиков аналоговых сигналов, работающих в диапазонах ВЧ, ОВЧ и УВЧ, в табл. 7.5 представлены значения коэффициентов А и В, полученные по результатам измерений на ограниченном множестве передатчиков [16]. Коэффициенты, представленные в столбцах, характеризующихся условием f > f_0T, относятся к модели, описывающей средние уровни излучений на гармониках (f = nf_0T). Коэффициенты, представленные в столбцах, характеризующихся условием f < f_0T, относятся к модели, описывающей средние уровни излучений на субгармониках (f = f_0T/n)

Таблица 7.5

Параметры модели (7.9)

Рабочая частота передатчика, f0T	Коэффициенты и СКО модели (7.9)
	f < f0T			f = f0T	f > f0T
	A, дБ/дек	B, дБ	σT, дБ		A, дБ/дек	B, дБ	σT,дБ
f0T ≤ 30 МГц	20	–80	10	A = 0 B = 0 σT = 2 дБ	–70	–20	10
30 МГц < f0T ≤ 300 МГц	20	–80	10		–80	–30	15
f0T > 300 МГц	20	–80	10		–60	–40	20
В целом по всем средствам	20	–80	10		–70	–30	20

Заметим, что излучения на субгармониках во всех рассматриваемых диапазонах частот описываются моделью с одними и теми же коэффициентами, что можно объяснить, скорее всего, недостаточным объемом данных о результатах измерений по каждому из рассматриваемых диапазонов частот. В то же время для излучений на гармониках коэффициенты модели изменяются при переходе от одного частотного диапазона к другому.

В каждом из частотных диапазонов, представленных в табл. 7.5, при определении коэффициентов A и B учитывалась только принадлежность передатчика к соответствующему диапазону частот, без акцента на функциональное назначение передатчика. Следствием этого является достаточно большое среднеквадратическое отклонение (СКО) уровней, определяемых выражением (7.9). Например, по результатам измерений излучений на гармониках (f > f_0T), которые были выполнены только для передатчиков сухопутной подвижной службы (f > 30 МГц) были получены [65] следующие значения коэффициентов модели (7.9): A = –21.6 дБ/дек, B = –68 дБ и _T =10.6 дБ. В этом примере значение СКО еще относительно велико, хотя ниже, чем приведенное в табл. 7.5 для диапазонов ОВЧ и УВЧ. Если ввести дополнительные ограничения на виды рассматриваемых передатчиков, то можно ожидать более точных математических моделей, описывающих побочные излучения этих передатчиков.

Уровень мощности комбинационных излучений зависит от ряда факторов, одним из которых является качество фильтрации в каскадах формирования и усиления несущей частоты. Обычно фильтры обеспечивают достаточно высокое подавление побочных колебаний этого вида, в результате чего уровень мощности комбинационных излучений невысокий. Для передатчиков диапазона ВЧ при частотной отстройке на 10 % и более уровень комбинационных излучений может быть подавлен на 80 дБ относительно уровня несущей, а в диапазоне ОВЧ в радиостанциях с частотной модуляцией это отношение достигает значения 130 дБ [66]. Широких экспериментальных исследований для определения значений коэффициентов A и B и преставления мощности комбинационных излучений в виде (7.9) не проводилось. Для передатчиков диапазона ВЧ при частотных отстройках, лежащих в пределах от 1 до 10% относительно центральной частоты передатчика можно положить A = –160 дБ/дек, B = –39 дБ [67].

При отсутствии данных об уровнях побочных излучений передатчика могут быть использованы национальные нормы на допустимые значения этих уровней или ограничения на уровни побочных излучений, предлагаемые в Рекомендациях МСЭ. Использование норм и ограничений соответствует ситуации наихудшего случая, поскольку предполагает, что уровни побочных излучений имеют максимально допустимые значения и не зависят от отстройки от центральной частоты основного излучения. Нормы устанавливают ограничения на мощность побочных излучений в пределах контрольной ширины полосы частот, которая используется при измерениях побочных излучений и имеет следующие значения:

1 кГц …………	в полосе частот 9 кГц…150 кГц;
10 кГц………...	в полосе частот 150 кГц…30 МГц;
100 кГц……….	в полосе частот 30 МГц…1ГГц;
1 МГц…………	в полосе частот выше 1ГГц.

Как специальный случай контрольная полоса в области побочных излучений всех космических служб составляет 4 кГц.

В табл. 7.6 представлены абсолютные уровни побочных излучений, предложенные в Рек. МСЭ-Р SM.329-10 [61]. Отметим, что требования к максимальным уровням побочных излучений, сформулированные в Нормах 18-07 [77], почти полностью совпадают с предложениями Рек. МСЭ-Р SM.329-10.

Таблица 7.6

Предельные значения мощности побочных излучений в контрольной полосе

Радиослужба или тип оборудования	Максимально допустимая мощность побочных излучений, дБм, в контрольной полосе
Все службы, за исключением служб, перечисленных ниже	–13 дБм, если P ≤ 500 Вт 10 lg (P) –40, если P > 500 Вт
Космические службы (подвижные земные станции)	–13 дБм, если P ≤ 50 Вт 10 lg (P) –30, если P > 50 Вт
Космические службы (фиксированные земные станции)	–13 дБм, если P ≤ 50 Вт 10 lg (P) –30, если P > 50 Вт
Космические службы (космические станции)	–13 дБм, если P ≤ 50 Вт 10 lg (P) –30, если P > 50 Вт
Радиоопределение	–13 дБм, если Pпик ≤ 50 Вт 10 lg (Pпик) –30, если Pпик > 50 Вт
Телевизионное вещание Передатчики диапазона ОВЧ	–16 дБм, если P ≤ 25 Вт 10 lg (P) –30, если 25 Вт < P ≤ 1000Вт 0 дБм, если P > 1000 Вт
Телевизионное вещание Передатчики диапазона УВЧ	–16 дБм, если P ≤ 25 Вт 10 lg (P) –30, если 25 Вт < P ≤ 12000Вт 10.8 дБм, если P > 12000 Вт
ЧМ Радиовещание	–16 дБм, если P ≤ 250 Вт 10 lg (P) –40, если 250 Вт < P ≤ 10000Вт 0 дБм, если P > 10000 Вт
Радиовещание на СЧ/ВЧ	10 lg (P) –20, если P ≤ 5000 Вт 17 дБм, если P > 5000 Вт
ОБП от подвижных станций	10 lg (Pпик) –13
Любительские службы, работающие ниже 30МГц (включая передачи с ОБП)	–13 дБм, если Pпик ≤ 5 Вт 10 lg (Pпик) –20, если Pпик > 5 Вт
Службы, работающие ниже 30 МГц, кроме космических служб, служб радиоопределения, радиовещания, служб, использующих передачи с ОБП от подвижных станций и радиолюбительской службы	–13 дБм, если Х ≤ 50 Вт 10 lg (Х) –30, если Х > 50 Вт здесь: X = Pпик для модуляции с ОБП; X = P для другого вида модуляции
Маломощное радиооборудование	–26 дБм, если P ≤ 0.025 Вт 10 lg (P) –10, если 0.025 Вт < P ≤ 0.100Вт
Аварийные передатчики	Ограничений нет

Примечание. P – средняя мощность в антенно-фидерном тракте, Вт; P_пик – пиковая мощность огибающей в антенно-фидерном тракте, Вт; ОБП – одна боковая полоса.

При оценке мощности побочных излучений следует, если это возможно, производить коррекцию их уровня с учетом реальной ширины полосы, занимаемой побочным излучением.

Что касается маски спектра побочных излучений, то в задачах оценки ЭМС РЭС в деталях ее не рассматривают. Для излучений на субгармониках и для комбинационных излучений оценивают только уровень мощности, полагая, что спектр является δ-функцией.

Для амплитудно- и частотно-модулированных сигналов ввиду малых уровней излучений на гармониках форму их спектра можно принять прямоугольной с постоянной спектральной плотностью мощности. При этом ширина спектра на уровне минус 3 дБ для сигналов с амплитудной модуляцией (однополосной или с двумя боковыми полосами) оценивается соотношением B_3n = (1 + ξ n)B₃, где n – номер гармоники; B_3n – ширина спектра n-й гармоники на уровне 3 дБ; B₃ – ширина спектра основного излучения на уровне 3 дБ.

Значение коэффициента ξ лежит в интервале 0,26…0,3.

Для сигналов с частотной модуляцией это соотношение имеет вид B_3n = nB₃

Для сигналов с фазовой манипуляцией на четных гармониках спектр становится более узким. На нечетных гармониках ширина спектра не больше, чем на основной частоте. Оценка ширины спектра на гармониках усложняется, и для этого типа сигналов часто также ограничиваются оценкой только мощности гармоник.