Уч пособие ЭМС_2. Е. М. Виноградов
 Скачать 3.78 Mb.
|
2. Источники и рецепторы электромагнитных помех (ЭМП)
Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств определяется качеством работы РЭС в электромагнитной обстановке, которая формируется как излучениями РЭС, так и излучениями естественных и искусственных источников, не принадлежащих к категории РЭС. Поэтому при анализе ЭМС РЭС необходимо учитывать электромагнитный фон, создаваемый этими источниками. Источником помехи считается любой источник искусственного или естественного происхождения, который создает или может создать электромагнитную помеху (ЭМП). Помехи делят на естественные и искусственные. Е  стественная помеха – это помеха, источником которой является природное физическое явление. Искусственная помеха – это помеха, источником которой является устройство, созданное человеком. Классификация помех по связи с источником приведена на рис. 2.1. Рассмотрим эту классификацию более подробно. 2.1.1. Естественные ЭМП.
Атмосферная помеха – естественная помеха, источником которой являются электрические разряды в атмосфере. Частоты, на которых атмосферная помеха оказывает влияние на прием радиосигналов, обычно не превышают 30 МГц. Максимальная интенсивность помехи находится в интервале частот от 2 до 3 МГц. Во временной области разряды носят импульсный характер, что при приеме звуковой информации проявляется в форме характерных тресков в динамике радиоприемника. Огибающая мгновенных значений, как правило, имеет распределение Релея. Наиболее мощной атмосферной помехой является помеха, создаваемая разрядом молнии. Напряжение, при котором происходит разряд молнии, составляет сотни киловольт, а ток разряда может превышать 300 кА. Типичным значением тока разряда считается значение 100 кА при длительности молнии τ = 50…350 мкс. Электростатическая помеха – естественная помеха, обусловленная электризацией и проявляющаяся вследствие стекания электрических зарядов и/или электростатических разрядов, т. е. импульсного переноса электрических зарядов между телами с разными электростатическими потенциалами. Накопление электрических зарядов в осадках и последующий их разряд вблизи или непосредственно на элементах антенны и заземления приводит к появлению помех. Действие электростатического разряда может проявляться в виде: – прямого разряда на элементах радиоаппаратуры; – косвенного воздействия на радиоаппаратуру. Прямой разряд на элементах радиоаппаратуры может изменить электрические характеристики полупроводникового прибора или вызвать повреждение аппаратуры, например, в результате пробоя активных элементов входных/выходных каскадов. Косвенное воздействие имеет место, когда дуговой разряд происходит не на оборудовании. В этом случае возникает электромагнитная помеха. Однако мощность помехи невелика, и обычно такая помеха может вызвать только сбои в работе радиоаппаратуры. Дальность действия помехи небольшая. Косвенное воздействие может проявляться до расстояний порядка 6 м. Спектр электромагнитной помехи достаточно широкий: частотные составляющие простираются от постоянного тока до нижней части гигагерцового диапазона. Частотный спектр, напряженность поля и частота появления электростатического заряда зависят от условий работы РЭС. Наиболее часто воздействию электростатических помех подвержена самолетная радиоаппаратура. Электростатическая помеха присутствует на промышленных предприятиях, там, где работают механические намоточные станки или перемещаются потоки материала, особенно диэлектрического, на конвейерах. Многочисленные исследования установили, что при снижении влажности с 50 до 5% частота возникновения электростатических разрядов на промышленных предприятиях возрастает в 100 раз. В производственных помещениях стремятся поддерживать среднюю влажность между 31 и 43%. Хотя это может помочь снизить риск электростатического разряда, защита от него все же необходима, особенно в тех случаях, когда невозможно контролировать влажность. Способность прибора выдерживать электростатический разряд без изменения своих электрических характеристик определяется чувствительностью к электростатическому разряду. Чувствительность к электростатическому разряду обычно измеряется в вольтах и характеризуется максимальным потенциалом заряда, который может безопасно выдержать прибор. В табл. 2.1 приведены значения чувствительности к электростатическому разряду (ЭСР) для некоторых полупроводниковых приборов. Таблица 2.1 Чувствительность некоторых полупроводниковых приборов к электростатическому разряду
Шумы каналообразующей аппаратуры представляют собой тепловой шум радиоканала. Это шум, который генерирует любой активный или пассивный прибор в радиоканале. Этот вид шума является случайным процессом и описывается статистически. Мощность шума в радиоканале пропорциональна ширине полосы частот, которую занимает канал. Искажения сигналов в среде распространения определяются передаточной характеристикой среды, в которой происходит распространение радиосигналов. В зависимости от вида характеристики сигнал в пространстве распространения может претерпевать линейные или нелинейные искажения. Когда речь идет о средствах телекоммуникации, передаточную характеристику среды считают линейной функцией.
Космическая помеха – естественная помеха, источником которой является излучение солнца, звезд и галактики. Космические помехи образуются в результате сложения шумов от дискретных космических объектов. Солнце является наиболее мощным источником шума на частотах, превышающих 20…30 МГц. Солнечные вспышки резко увеличивают уровень помех. Шумовые излучения вспышек Солнца характеризуются широкополосным шумом, высокой интенсивностью с длительностью излучения в несколько суток. На частотах ниже 1…3 ГГц излучения спокойного Солнца не превышают шумов, которые создают другие космические источники. Хотя шумы внеземных источников помех обычно ниже уровней индустриальных помех, они могут снижать качество приема сигналов наземными (базовыми) станциями, которые работают в спокойной, с точки зрения радиопомех, сельской местности. 2.1.2. Искусственные ЭМП Станционная помеха – это непреднамеренная электромагнитная помеха, создаваемая излучениями выходных каскадов радиопередатчиков через антенну. Индустриальная помеха – это электромагнитная помеха, создаваемая техническим средством. Но к индустриальным помехам не относятся помехи, создаваемые излучениями выходных каскадов передатчиков через их антенны. Источниками индустриальных помех являются генераторы электрической энергии, электродвигатели, системы зажигания автомобилей, сварочные аппараты, линии электропередач, бытовая техника и т. п. Спектр в зависимости от источника индустриальной помехи простирается в диапазоне частот от десятков до многих сотен мегагерц, а дальность действия помехи зависит от мощности источника помехи и может достигать расстояний до нескольких километров. Помеха, создаваемая системами зажигания автомобилей, имеет спектр от 10 кГц до 1 ГГц. Два максимума спектра в области десятков и сотен мегагерц существенно зависят от механических параметров системы зажигания. Во временной области помеха представляет собой пачки коротких импульсов длительностью от десятых долей до единиц наносекунд с частотой следования импульсов в диапазоне частот 100…300 МГц. Помехи от линии электропередач (ЛЭП) обычно проявляются до частот порядка 100 МГц в виде мощного случайного шума. Данные об импульсных помехах от ЛЭП охватывают частотный диапазон от 50 Гц до 200 МГц. Максимальная интенсивность помех приходится на частоты 50…60 Гц и далее монотонно убывает до уровня тепловых шумов. Длительность импульсных помех от ЛЭП составляет несколько миллисекунд, хотя в отдельных случаях фиксируются импульсы в десятки наносекунд. Помехи от городского электротранспорта (трамваи, троллейбусы) связаны, в частности, с наличием у транспорта токоведущего пантографа. Помехи от электротранспорта обычно редкие импульсы нерегулярной формы длительностью в единицы миллисекунд. Интенсивность помех крайне нестабильная. Временные характеристики аналогичны характеристикам импульсных помех от гроз. Контактная помеха – это электромагнитная помеха, обусловленная излучением токопроводящих контактов и/или среды с нелинейной проводимостью при воздействии на них электромагнитного поля. Можно указать две причины появления контактных помех: – нелинейная зависимость магнитной индукции от изменения напряженности внешнего намагничивающего поля для железистых материалов; – полупроводниковые свойства переходов, образованных оксидированными поверхностями и металлическими контактами. В местах соединений элементов конструкции объекта с помощью болтов, винтов или заклепок образуются переходы типа металл-окисел-металл, обладающие нелинейными свойствами. Особенно важное значение контактные помехи имеют на объектах, где размещается много радиопередающих и радиоприемных устройств. При вибрации металлических контактов (явление, характерное для подвижных объектов) контакты представляют собой нелинейные устройства с переменными параметрами, в результате чего переизлучаемые ими сигналы становятся широкополосными. Излучения токопроводящих сред и контактов происходят только при их облучении. Сами среды и контакты без облучения помех не создают. Поэтому источники контактных помех называют пассивными источниками помех, а сами контактные помехи – пассивными помехами.
Рецептором называют техническое средство, которое реагирует на электромагнитный сигнал или электромагнитную помеху. По аналогии с источниками помех рецепторы делят на естественные и искусственные. К естественным рецепторам относятся растения, животные и человек. Электромагнитные поля влияют на их рост и развитие. Однако исследование этого влияния является задачей направления, именуемого электромагнитной экологией. Для проблемы ЭМС интерес представляют искусственные рецепторы, т. е. рецепторы, созданные руками человека. Среди них можно выделить две разновидности. Первая – это специальные сенсорные устройства, предназначенные для восприятия электромагнитных полей. При попадании в электромагнитное поле эти устройства могут менять свои электрические или физические параметры или под действием поля на их выходных портах появляются электрические сигналы. К этому типу устройств можно отнести антенные системы, используемые совместно с радиоприемными устройствами. Вторая разновидность – это устройства, которые по принципу работы не должны реагировать на электромагнитные поля, однако они реагируют на них. К ним относятся усилительные устройства различного типа: усилители высокой частоты (УВЧ), усилители промежуточной частоты (УПЧ), усилители низкой частоты (УНЧ), видеоусилители и т. п.,– которые предназначены для усиления сигналов, представленных в виде изменения тока, напряжения, мощности на входе усилителя. Однако внешнее электромагнитное поле может наводить токи и напряжения как во входных, так и в промежуточных цепях усилителей. Эти токи и напряжения поставляют в цепи с полезным сигналом нежелательную энергию, которая мешает правильному приему и воспроизведению полезных сигналов. Ко второму типу устройств можно также отнести электронную (не управляемую по радио) научную, промышленную, медицинскую аппаратуру, электронные вычислительные машины, электровоспламенительные устройства и т. п. Устройства телекоммуникаций представляют собой сложные технические объекты, которые содержат как антенные системы, так и устройства преобразования и усиления сигналов. В зависимости от положения источника и рецептора помехи различают межсистемные и внутрисистемные помехи. Межсистемная помеха – это ЭМП, источник и рецептор которой находятся в разных системах. Внутрисистемная помеха – это ЭМП, источник и рецептор которой находятся в одной системе. Соответственно различают межсистемную и внутрисистемную ЭМС.
Взаимодействие между источником помехи и рецептором помехи может осуществляться разными путями, однако в общем случае можно выделить два способа проникновения помех в аппаратуру. Это происходит либо посредством электромагнитного поля, либо через проводящие элементы. В связи с этим помехи делят на две категории: помехи излучения и кондуктивные помехи. Помехи излучения передаются через пространство. Основными элементами аппаратуры, создающими помехи излучения, являются провод, блок и антенна. Эти же элементы являются и рецепторами помех излучения. При этом наименее защищенным элементом от помех излучения является антенна, которая в соответствии с функциональным назначением должна реагировать на внешние электромагнитные поля. Кондуктивные помехи – помехи, распространяющиеся по проводам. Кондуктивные помехи возникают при наличии у двух или большего числа цепей или устройств общего сопротивления, а также посредством емкостных и/или индуктивных связей между проводами или устройствами (рис. 2.2). Помеха через общее сопротивление может возникать, например, когда разные устройства имеют общий источник питания. В этом случае токи одного из устройств, протекающие через сопротивление источника питания, вызывают на нем изменения напряжения, которые поступают в другое устройство, создавая помеху по цепи питания (рис. 2.2, а). Изменение разности потенциалов ΔU между элементами устройств, между которыми имеет место емкостная связь (Cсв), также приводит к появлению помех между этими устройствами (рис. 2.2, б). Наконец, если провода, принадлежащие цепям, соединяющим разные устройства, находятся близко друг к другу, то между ними может существовать значительная индуктивная связь (Lсв), которая создает наведенные токи помех от одного сигнала в цепи передачи другого сигнала (рис. 2.2, в). Такого вида помехи могут иметь значительный уровень, если провода разных устройств находятся в одном кабелепроводе, особенно, если передаваемые по п  роводам сигналы имеют значительную мощность. Помехи, создаваемые на входных зажимах цепей и устройств, делятся на симметричные и несимметричные. Симметричная помеха – это помеха между входными зажимами цепи или устройства. Несимметричная помеха – это помеха между входным зажимом цепи и общей точкой отсчета, обычно точкой заземления. Н  есимметричная помеха обычно является более опасной, чем симметричная. На рис. 2.3 представлено некоторое оборудование, которое имеет внешние связи с другим оборудованием. Пусть на эти связи действует внешнее электромагнитное поле радиочастоты. Электромагнитное поле, пронизывающее некоторую рамку, создает на ее зажимах эдс, которая будет тем больше, чем больше площадь рамки, через которую проходит электромагнитное поле. При действии электромагнитного поля на рамку ABCD, образованную проводами, соединяющими оборудование, и элементами входа/выхода оборудования 2 и 1, в ней возникает ток, который течет на вход оборудования 2 и по обратному проводу возвращается в оборудование 1. Этот ток соответствует току симметричной помехи (Iсим), который на входном сопротивлении оборудования 2 создает напряжение симметричной помехи Uсим. Рамка ABEF образована прямым сигнальным проводом, соединяющим оборудование 1 и 2, и заземлением, играющим роль обратного провода. Возникающий в рамке несимметричный ток Iнсм1 течет на вход оборудования 2, где создает напряжение несимметричной помехи Uнсм1, и вытекает по тракту заземления. Аналогичная ситуация имеет место для рамки DCEF, образованной обратным сигнальным проводом и трассой заземления. Здесь ток несимметричной помехи Iнсм2 создает на сопротивлении между входным зажимом оборудования 2 и трассой заземления напряжение несимметричной помехи Uнсм2. Во многих практических системах внешнее соединение и его обратный провод находятся физически близко, обычно внутри одной и той же кабельной оболочки. Трасса заземления обычно находится на большем расстоянии от внешних кабельных соединений с оборудованием. Поскольку размер рамок, которые пронизывает радиочастотное поле и в которых возникает несимметричная помеха, больше, чем размер рамки, где возникает симметричная помеха, то, соответственно, уровень несимметричной помехи будет выше. Рис. 2.3 соответствует достаточно простой геометрии размещения внешних соединений. Реальные токи зависят от частотных характеристик схем на обоих концах внешних проводов, соединяющих оборудования, от значений распределенных емкостей и индуктивностей в этих соединениях, от природы цепи заземления внутри оборудования и внешней трассы заземления. Учитывая, что действие рассматриваемых видов помех может иметь негативные последствия для качества работы аппаратуры, а значительная несимметричная помеха может привести даже к выходу аппаратуры из строя, должны приниматься специальные меры по подавлению этих видов помех. Эффективным методом борьбы с ними является фильтрация. Разнообразие путей, по которым помехи могут влиять на качество работы радиоаппаратуры, создает определенные трудности для анализа ЭМС. В дальнейшем основное внимание будет уделено помехам, которые излучаются антеннами радиопередатчиков, а воспринимаются антеннами радиоприемных устройств. |