- •Анализ электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств
- •Оглавление
- •10. Описание антенных устройств в задачах эмс 198
- •11. Оценка потерь на трассах распространения 223
- •12. Критерии оценки эмс 261
- •13. Организационные методы обеспечения эмс 289
- •Список использованных сокращений
- •Введение
- •1. Проблема эмс и причины ее появления
- •Основные понятия и определения
- •Причины появления проблемы эмс
- •Последствия отсутствия эмс и особенности изучения проблемы эмс рэс
- •2. Источники и рецепторы электромагнитных помех (эмп)
- •Классификация эмп по связям с источником помехи и некоторые их характеристики
- •2.1.1. Естественные эмп.
- •Чувствительность некоторых полупроводниковых приборов к электростатическому разряду
- •2.1.2. Искусственные эмп
- •Рецепторы эмп. Внутрисистемная и межсистемная эмс
- •Пути проникновения помех. Виды помех в электрических цепях
- •3. Измерение параметров эмс технических средств
- •Измерение кондуктивных помех и восприимчивости к ним
- •Измерение помех излучения и восприимчивости к ним
- •4. Технические методы подавления и защиты от помех
- •Экранирование
- •Фильтрация
- •Заземление
- •5. Радиочастотный спектр и его использование
- •Радиочастотный спектр и диапазоны частот
- •Диапазоны частот электромагнитных колебаний
- •Основные понятия, связанные с использованием рчс
- •Регулирование использования рчс в Российской Федерации
- •Стандартизация и международная кооперация в области эмс
- •6. Общий подход к анализу и обеспечению эмс
- •Требования к методам анализа эмс
- •Анализ параметров эмс систем на стадии разработки
- •Анализ внутрисистемной и межсистемной эмс рэс
- •Основные направления по решению проблемы эмс
- •7. Описание излучений радиопередатчиков в задачах эмс
- •Виды излучений радиопередатчиков
- •Основное и внеполосное сигнальное излучения
- •7.2.1. Класс излучения
- •7.2.2. Параметры и модели основного и внеполосных излучений
- •Границы областей внеполосных излучений относительно центральной частоты основного излучения в зависимости от диапазона рабочих частот передатчика и необходимой ширины полосы частот
- •Точки излома спектральной маски для рис. 7.2
- •Точки излома масок спектров, представленных на рис. 7.3
- •Параметры модели (7.1)
- •Побочные излучения радиопередатчиков
- •Параметры модели (7.9)
- •Предельные значения мощности побочных излучений в контрольной полосе
- •Шумовые излучения передатчика
- •Параметры эмпирической модели, представленной выражением (7.10)
- •8. Описание радиоприемных устройств в задачах эмс
- •Общие характеристики радиоприемных устройств, определяющие их совместимость с окружением
- •Основной канал приема радиоприемника и его описание
- •Побочные каналы приема и их описание
- •Параметры модели (8.9)
- •Оценка коэффициента частотной коррекции
- •Результаты расчета относительной расстройки частоты Δp
- •9. Нелинейные эффекты в приемопередающей аппаратуре и их оценка в задачах эмс
- •Анализ нелинейных явлений в каскадах радиоаппаратуры
- •Компрессия сигнала в радиоприемнике. Параметры, определяющие динамический диапазон приемника по основному каналу приема
- •Эффект блокирования радиоприемного устройства. Основные параметры, характеристики и методы их измерения
- •Перенос шумов гетеродина
- •9.4.1. Фазовый шум генератора
- •9.4.2.Перенос шумов гетеродина
- •Интермодуляция
- •9.5.1. Порядок интермодуляции. Наиболее опасные порядки интермодуляции
- •9.5.2. Интермодуляция в радиоприемных устройствах. Параметры, связанные с эффектом интермодуляции
- •9.5.3. Интермодуляция в радиопередатчиках
- •9.5.4. Точка пересечения и расчет уровней интермодуляционных продуктов на нелинейном элементе
- •9.5.5. Измерение и расчет точек пересечения
- •9.5.6. Динамический диапазон приемника по интермодуляции и связь параметров нелинейности
- •9.5.7. Оценка мощности интермодуляционных продуктов с использованием точки пересечения
- •Перекрестные искажения
- •Оценка нелинейных явлений в задачах эмс рэс
- •9.7.1. Оценка эффекта блокирования рпу
- •Представление функции Pb(X) при оценке эффекта блокирования
- •Характеристики блокирования приемников некоторых цифровых систем связи
- •9.7.2.Оценка уровней интермодуляционных продуктов в радиопередатчиках
- •Параметры эмпирической модели (9.66)
- •9.7.3. Оценка интермодуляции в радиоприемниках
- •Границы частотных интервалов для анализа нелинейных эффектов в приемнике
- •Эмпирические модели для оценки эффекта интермодуляции в радиоприемниках
- •9.7.4. Оценка перекрестных искажений
- •10. Описание антенных устройств в задачах эмс
- •Некоторые общие сведения о характеристиках антенн
- •Особенности описания антенных устройств в задачах эмс
- •Детерминированное описание диаграмм направленности антенн
- •10.3.1. Дна в области рабочих частот.
- •10.3.2. Дна на нерабочих частотах
- •Параметры диаграмм направленности за пределами диапазона рабочих частот антенн.
- •Статистическое описание диаграмм направленности антенн
- •Параметры функции f(g) для области бокового усиления
- •Потери в антенно-фидерном тракте и потери рассогласования
- •Учет поляризационных характеристик антенн и сигналов
- •Ослабление мешающих сигналов при несовпадении поляризации с приемной антенной
- •Ближняя зона
- •11. Оценка потерь на трассах распространения
- •Общие положения
- •Модели для оценки потерь на трассах распространения и цифровые карты местности
- •Графические модели
- •Аналитические модели
- •Расчетные соотношения, используемые в классической модели Хата
- •Расчетные соотношения, используемые в модели cost 231 Хата
- •Расчетные соотношения, используемые в модифицированной модели Хата
- •Среднеквадратическое отклонение (ско) потерь на трассах распространения
- •Оценка потерь на дифракцию
- •11.5.1. Зоны Френеля.
- •11.5.2. Дифракция на клине
- •11.5.3. Дифракция на цилиндре
- •12. Критерии оценки эмс
- •Рабочие характеристики и оценка качества работы рэс
- •12.2. Виды рабочих характеристик рэс различного назначения
- •12.3. Критерии эмс
- •Защитные отношения для систем тв (625 строк), работающих в соседнем канале
- •Защитные отношения для аналоговых каналов звукового сопровождения тв
- •Защитные отношения для цифровых каналов звукового сопровождения тв, дБ
- •Защитные отношения по совмещенному каналу для некоторых современных систем связи, дБ
- •Защитные отношения для некоторых современных систем связи в зависимости от расстройки помехи, дБ
- •12.4. Моделирование процессов управления мощностью передатчиков в сетях сухопутной подвижной связи
- •13. Организационные методы обеспечения эмс
- •13.1. Частотно-территориальное планирование
- •13.2. Управление параметрами радиосигналов
- •13.3. Радиоконтроль и его роль в управлении использованием радиочастотного спектра и обеспечения эмс
- •Заключение
- •Список литературы
- •Анализ электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств
- •197376, С.- Петербург, ул. Проф. Попова, 5
9.7.4. Оценка перекрестных искажений
Перекрестные искажения от модулированных мешающих сигналов проявляются в форме перекрестной амплитудной модуляции, амплитудно-фазовой конверсии или комбинации указанных видов искажений.
Амплитудно-фазовая конверсия имеет место, когда усилительные приборы, используемые в радиоприемных устройствах, обладают нелинейными амплитудно-фазовыми характеристиками. Это свойство характерно для ряда приборов СВЧ. Исследование нелинейных искажений в таких приборах при узкополосных входных сигналах можно выполнить, заменив амплитудную и амплитудно-фазовую нелинейные характеристики прибора на две ортогональные нелинейные амплитудные характеристики. В этом случае результаты, полученные для амплитудных нелинейностей, можно использовать для исследования искажений, связанных с амплитудно-фазовой конверсией.
Перекрестная амплитудная модуляция характерна для области более низких частот, чем диапазон СВЧ, где фаза сигналов на выходах устройств не зависит от амплитуды входного сигнала. Перекрестная амплитудная модуляция имеет место, если при изменении амплитуды мешающего сигнала меняется коэффициент усиления усилительных устройств в тракте приемника. Обычно это происходит в усилителе высокой частоты. Это означает, что перекрестная амплитудная модуляция происходит, когда уровень мешающего сигнала таков, что имеет место эффект блокирования. Глубину перекрестной амплитудной модуляции можно оценить, используя выражение [4]
,
где mпер – глубина перекрестной амплитудной модуляции; mi – глубина амплитудной модуляции помехи; IP3i – точка пересечения третьего порядка, отнесенная к входу приемника, мВт; I –помеха на входе приемника, мВт.
Учитывая, что перекрестная амплитудная модуляция сопровождается блокированием приемника, современные программные средства, выполняющие анализ ЭМС РЭС, которые работают в диапазоне частот, не превышающем верхней границы диапазона УВЧ, не анализируют эффект перекрестной модуляции, ограничиваясь анализом эффекта блокирования. Если в результате такого анализа установлено, что внешняя помеха блокирует приемник, то мероприятия, направленные на устранение эффекта блокирования, приводят также и к устранению перекрестной амплитудной модуляции.
10. Описание антенных устройств в задачах эмс
Некоторые общие сведения о характеристиках антенн
Антенна является устройством преобразования пространственных электромагнитных волн и напряжений или токов в линиях передач. При излучении антенна преобразует электрические сигналы в радиоволны. При приеме происходит обратный процесс, и антенна преобразует электромагнитные волны в электрические сигналы. При анализе ЭМС радиоэлектронных средств различного назначения, в состав которых входят радиопередающие и радиоприемные устройства, антенны выполняют оба преобразования.
Большинство антенн являются пассивными структурами, для которых справедлив принцип взаимности. Согласно этому принципу все свойства антенн, которые определяются отношением полей, остаются одними и теми же вне зависимости от того, используется ли антенна для излучения или для приема радиоволн. Технически принцип взаимности для антенн характеризуется обратимостью их взаимодействия: при взаимной перемене передающей и приемной антенн результат взаимодействия антенн не изменяется. Принцип взаимности позволяет определять ряд характеристик антенн в режиме излучения, а использовать эти характеристики в режиме приема. Принцип взаимности позволяет также использовать в задачах оценки ЭМС одни и те же математические модели антенн для радиоприемных и радиопередающих устройств, поскольку эти модели используют свойства антенн, определяющиеся отношением полей.
В качестве основной математической модели антенны в задачах ЭМС используется математическое описание диаграммы направленности антенны. Все реальные антенны являются направленными, излучающими в некоторых направлениях больший уровень мощности, чем в остальных. Когда антенна используется в режиме приема, это означает, что электромагнитная волна, поступающая в антенну, с некоторых направлений создает на ее нагрузке сигнал более высокого уровня, чем с других направлений. Даже, если антенна является ненаправленной (говорят также «всенаправленной»), например, в горизонтальной плоскости, она обладает определенной направленностью в вертикальной плоскости. Исключение составляет гипотетическая изотропная антенна, которая без потерь излучает подведенную к ней мощность одинаково во всех направлениях и одинаково реагирует на одну и ту же напряженность поля, поступающего с любого направления.
Обычно, характеризуя направленные свойства антенны, говорят о ее коэффициенте усиления в определенном направлении. На самом деле антенна, состоящая из пассивных элементов, не усиливает подведенную к ней мощность, а только распределяет ее в пространстве, но так, чтобы использовать ее наилучшим образом для намеченной цели.
Кроме коэффициента усиления для описания направленных свойств антенны используются такие понятия, как коэффициент направленного действия (КНД) и диаграмма направленности антенны (ДНА). Все эти понятия: коэффициент усиления антенны, КНД и ДНА – связаны между собой, и рассматривать их лучше, начиная с КНД.
Понятие коэффициента направленного действия можно продемонстрировать на следующем визуальном примере. Рассмотрим эластичную сферу, заполненную несжимаемой жидкостью (рис.10.1, а). Пусть точка в центре сферы изображает изотропный излучатель, который во всех направлениях имеет одинаковую интенсивность излучения, а радиус этой сферы r0 пропорционален интенсивности излучения. Под интенсивностью излучения понимают мощность, излученную в единичном телесном угле. Деформируем сферу, сжав ее в некоторой области ее поверхности. Учитывая, что сфера заполнена несжимаемой жидкостью, и, следовательно, объем жидкости должен оставаться неизменным, сфера растянется в других направлениях, изменив свою форму, например, как это представлено на рис. 10.1, б. Расстояние от центральной точки сферы до точек новой поверхности будет теперь неодинаковым, хотя среднее расстояние останется равным исходному радиусу r0. Расстояние rd от центра до точки на деформированной поверхности теперь будет пропорционально интенсивности излучения в направлении, определяемом этой точкой. Гипотетическая антенна, размещенная в деформированной фигуре, не усиливает подведенную к ней мощность, но обладает способностью направлять излучаемую мощность в определенном направлении (или направлениях). Отношение расстояния rd от этой антенны до любой конкретной точки на новой поверхности к среднему расстоянию (или радиусу исходной сферы) r0 называется коэффициентом направленного действия антенны. Таким образом, КНД в определенном направлении представляет собой отношение интенсивности излучения в этом направлении идеальной антенны без потерь к интенсивности излучения изотропной антенны, когда к антеннам подведены одинаковые мощности. Обычно указывают максимальное значение КНД.
Реальная антенна отличается от идеальной тем, что в ней присутствуют потери, например, омические потери, приводящие к тому, что часть мощности, поступающей в антенну, не излучается в окружающее пространство, а превращается в тепло, т. е. реальная антенна имеет к.п.д. меньший единицы. Произведение КНД на к.п.д. антенны определяет коэффициент усиления антенны:
g = D,
где g – коэффициент усиления антенны (в разах); - к.п.д. антенны; D – КНД антенны.
,
где Rr – сопротивление излучения антенны. Сопротивление излучения антенны – это сопротивление, которое будучи поставленным вместо антенны, поглощает такую же мощность, какую излучает антенна; R0 – сопротивление омических потерь антенны; Ri – полное сопротивление антенны.
Из определения коэффициента усиления антенны следует, что в отличие от КНД, где рассматривается идеальная антенна, коэффициент усиления показывает, как по отношению к изотропному излучателю перераспределяет мощность в пространстве реальная антенна. Если коэффициент усиления антенны в каком-то направлении больше единицы, то интенсивность излучения реальной антенны в этом направлении больше интенсивности излучения изотропной антенны (при одинаковых мощностях, подведенных к антеннам) в число раз равное коэффициенту усиления антенны. Если коэффициент усиления антенны в каком-то направлении меньше единицы, то интенсивность излучения реальной антенны будет меньше интенсивности излучения изотропной антенны в соответствующее число раз.
В качестве эталонной антенны, по отношению к которой определяется коэффициент усиления реальной антенны, иногда используется полуволновой диполь. Коэффициент усиления антенны в этом случае определяют относительно максимума излучения полуволнового диполя. Поскольку эталонные антенны могут различаться, одно из определений коэффициента усиления антенны формулируется следующим образом: «Коэффициент усиления антенны – это отношение мощности на входе эталонной антенны без потерь к мощности, подводимой к входу рассматриваемой реальной антенны, при условии, что обе антенны создают в данном направлении на одинаковом расстоянии равные значения напряженности поля или плотности потока мощности».
Коэффициент усиления антенны обычно выражают в децибелах. В дальнейшем для коэффициента усиления антенны, выраженного в децибелах, будем использовать обозначение G, для обозначения коэффициента усиления антенны в разах – обозначение g. Если в качестве эталонной антенны используется изотропная антенна (наиболее частый случай), то усиление антенны, выраженное в децибелах, обозначают dBi. Если в качестве эталонной антенны используется полуволновой диполь, усиление в децибелах обозначают dBd. Между коэффициентами усиления, выраженными в dBi и dBd, существует связь, а именно:
G[dBi] = G[dBd] + 2.15 (10.1)
В спецификациях на антенны обычно указывают максимальный коэффициент усиления антенны, выраженный в dBi.
В общем случае при приеме электромагнитных волн для преобразования параметров электромагнитного поля в параметры электрических сигналов на выходе антенны могут быть использованы и другие параметры антенны, такие как действующая высота антенны hд, или эффективная площадь апертуры антенны Aэф, которые, как и коэффициент усиления антенны, зависят от направления прихода электромагнитной волны.
Действующая высота антенны hд, м, является коэффициентом пропорциональности, связывающим напряженность электромагнитного поля E, В/м, в месте установки антенны с эдс e, В, на зажимах антенны:
e = hд E
Поскольку действующая высота антенны определяется как отношение напряжения на разомкнутом выходе антенны к напряженности падающего поля, то действующая высота антенны не зависит от сопротивления нагрузки.
Эффективная площадь апертуры антенны Aэф [м2] является коэффициентом пропорциональности, который связывает плотность потока мощности электромагнитного поля П [Вт/м2] в месте установки антенны с мощностью Pа [Вт], принимаемой антенной:
Pа = Aэф П
Коэффициент усиления антенны g, действующая высота hд и эффективная площадь апертуры антенны Aэф связаны между собой соотношением:
,
где λ – длина волны электромагнитного поля; Z0 = 120π ≈ 377 Ом – волновое сопротивление свободного пространства.
Связь между эффективной площадью апертуры антенны и коэффициентом усиления определяет соотношение:
Основной характеристикой антенн, математическое описание которой рассматривается как математическая модель антенны, является диаграмма направленности антенны. Диаграмма направленности антенны (ДНА) представляет собой зависимость коэффициента усиления антенны от направления G(φ, θ), где φ, θ – углы, определяющие направление (азимут и угол места, соответственно), в котором рассматривается коэффициент усиления. Выраженная в децибелах, ДНА характеризует также относительное распределение поля в пространстве.
Диаграмма направленности антенны имеет лепестковую структуру, в которой наибольший лепесток в трехмерном пространстве называется главным лепестком (ГЛ). Через главный лепесток антенна излучает и/или принимает наибольшую мощность. В некоторых случаях антенна может иметь несколько главных лепестков. В любом случае именно через главный лепесток осуществляется передача и/или прием полезной информации. Другие лепестки ДНА, не предназначенные для передачи или приема сигнала, называются боковыми лепестками (БЛ). Лепесток, имеющий направление противоположное ГЛ, называется задним лепестком. Чем выше уровень боковых лепестков, тем вероятнее, что антенна может создать или принять помеху по боковым лепесткам ДНА.
Диаграмма направленности антенны является характеристикой, которая измеряется для каждой антенны. Информация о ДНА представляется двумя ортогональными сечениями: сечением в горизонтальной и сечением в вертикальной плоскости. Эти сечения именуются соответственно диаграммой направленности в горизонтальной плоскости и диаграммой направленности в вертикальной плоскости.
В спецификациях на антенну обычно приводят нормированные ДНА в горизонтальной и в вертикальной плоскости. Помимо диаграмм направленности указывают коэффициент усиления антенны по главному лепестку (максимальный коэффициент усиления), ширину ГЛ ДНА по уровню половинной мощности (–3 дБ) в горизонтальной и в вертикальной плоскости, диапазон рабочих частот антенны. Кроме того, могут быть указаны максимальный уровень боковых лепестков и отношение коэффициентов усиления по главному и заднему лепесткам.