Особенности описания антенных устройств в задачах эмс
Информации, которая приведена об антеннах в антенных спецификациях, обычно недостаточно для анализа ЭМС РЭС в широкой полосе частот. Основная характеристика антенны, ее диаграмма направленности, имеет сложную структуру и зависит от многих факторов:
ДНА по своей природе трехмерная. Обычно, если имеется информация о ДНА, то она представлена ее сечениями в горизонтальной и в вертикальной плоскостях. В то же время мешающие сигналы антенна излучает и/или принимает, как правило, с направлений, не лежащих в этих плоскостях. Поэтому возникает необходимость в построении модели трехмерной ДНА по известным сечениям в горизонтальной и в вертикальной плоскости.
Форма ДНА зависит от частоты поступающих сигналов. Для каждой антенны указывают диапазон ее рабочих частот. В пределах этого диапазона характеристики антенны, включая ее ДНА изменяются в допустимых пределах и при расчетах их обычно считают постоянными и равными указанным в спецификациях на антенну. В тоже время процедура анализа ЭМС РЭС требует информации о характеристиках антенн в полосе более широкой, чем диапазон ее рабочих частот, поскольку побочные излучения передатчиков и побочные каналы приема радиоприемных устройств могут находиться за пределами диапазона рабочих частот антенны.
Относительное распределение напряженности поля, создаваемого излучениями антенны и, следовательно, и ее коэффициент усиления, являются функцией расстояния от антенны. Поскольку антенны источника и приемника помехи могут размещаться на разных расстояниях друг от друга, то при оценке ЭМС этот фактор должен приниматься во внимание.
Вокруг антенны можно выделить три зоны:
I. В непосредственной близости от антенны находится зона реактивного ближнего поля, в которой доминируют неизлучаемые, быстро убывающие с расстоянием от антенны компоненты квазистатического поля. Для электрически малых антенн (т. е. для антенн, размеры которых малы по сравнению с длиной волны) реактивное ближнее поле простирается примерно до расстояния
d ≈ λ/2π
от антенны.
Граница реактивного ближнего поля зависит от формы и конструкции антенны. Для антенн, имеющих значительный электрический размер, часто полагают, что граница реактивного поля простирается примерно до расстояния
,
где D – наибольший размер антенны.
За пределами области ближнего неизлучаемого реактивного поля выделяют две зоны излучаемого поля: ближнюю и дальнюю.
II. Ближняя зона находится между зоной реактивного поля и дальней зоной излучаемого поля. В ближней зоне преобладает излучаемое поле, однако относительное распределение поля по разным направлениям зависит от расстояния от антенны. В этой зоне ДНА еще не сформировалась и при оценке ЭМС она не учитывается.
III. Дальняя зона характеризуется тем, что здесь относительное распределение поля практически не зависит от расстояния до антенны и определяется только угловыми координатами точки, в которой рассматривается поле. В этой зоне считают, что ДНА сформировалась, и ее можно использовать для оценки уровней помех, возникающих между радиопередающими и радиоприемными устройствами в этой зоне.
Ближнюю зону излучаемого поля часто называют зоной Френеля, а дальнюю зону зоной Фраунгофера.
Для электрически больших антенн с широкой апертурой и высокой направленностью расстояние, с которого начинается дальняя зона, определяется как
,
где D – максимальный размер апертуры антенны; λ – длина волны электромагнитного поля.
Если в формировании ДНА принимают участие элементы окружения антенны, то D представляет максимальный размер излучающей структуры.
Для слабонаправленных антенн с низким коэффициентом усиления (G < 10 дБ) граница, с которой начинается дальняя зона, оценивается как
d > 3λ
Cледующим фактором, который нужно учитывать при математическом описании ДНА, является влияние подстилающей поверхности и конструктивных допусков, связанных с технологией изготовления антенны, на ее диаграмму направленности, особенно в области боковых лепестков. На величину и форму боковых лепестков влияют допуски и точность обработки поверхностей антенны, изменение окружающей температуры, местные предметы, перемещение в пространстве и другие факторы.
Из сказанного следует, что для оценки уровней помех, возникающих между радиопередающими и радиоприемными устройствами, диаграммы направленности антенн могут быть использованы только, когда антенны находятся в дальней зоне.
Большое число факторов, влияющих на форму ДНА, особенно в области боковых лепестков, не позволяют точно описать диаграмму направленности антенны, используя детерминированные функции. Поэтому в ряде случаев, особенно при статистическом анализе ЭМС, используют статистическое описание диаграмм направленности антенн. Тем не менее, несмотря на все недостатки детерминированного описания, детерминированные модели диаграмм направленности антенн сегодня используются наиболее часто.
Хотя усиление антенны это свойство, присущее самой антенне, и оно не включает потерь, связанных с рассогласованием антенно-фидерного тракта с антенной, и потерь, обусловленных несовпадением поляризаций антенны и внешнего электромагнитного поля, но при анализе ЭМС эти факторы не могут быть оставлены без внимания. От них зависит уровень непреднамеренных помех между радиоэлектронными средствами, использующими антенные устройства.