Уч пособие ЭМС_2. Е. М. Виноградов
 Скачать 3.78 Mb.
|
6. Общий подход к анализу и обеспечению ЭМС
Анализ ЭМС должен проводиться на всех этапах жизненного цикла РЭС, начиная с этапа разработки РЭС, ввода РЭС в эксплуатацию и в процессе функционирования РЭС. На этапе разработки изделие должно быть спроектировано таким образом, чтобы оно не только выполняло свое функциональное назначение, но и имело параметры ЭМС не хуже требуемых в задании на разработку. На этапе ввода РЭС в эксплуатацию задача состоит в выборе местоположения и частоты РЭС, т. е. в разработке частотно-территориального плана размещения РЭС (или совокупности РЭС), для которого выполняются условия внутрисистемной и межсистемной ЭМС. Наконец, в процессе эксплуатации РЭС анализ ЭМС осуществляют в основном путем радиоконтроля за излучениями РЭС, а поддерживают, используя технические методы устранения неполадок в работе РЭС или административные методы при выявлении нарушений условий эксплуатации РЭС. Анализ параметров ЭМС на этапе разработки изделия и анализ ЭМС совокупности РЭС при вводе РЭС в эксплуатацию проводят с использованием, как вычислительных методов анализа, так и посредством измерений. Основными целями анализа являются: оценка того, что анализируемое устройство или совокупность РЭС соответствуют требованиям ЭМС; обеспечение разработчиков изделия или частотно-территориального плана (ЧТП) размещения совокупности РЭС информацией достаточной для устранения любого предсказываемого несоответствия требованиям ЭМС. Хотя указанные цели преследуют любые методы анализа ЭМС, в дальнейшем остановимся только на аналитических вычислительных методах. Оценка соответствия характеристик ЭМС совокупности РЭС требованиям, предъявляемым к этим характеристикам, производится на основе критериев ЭМС. Если критерии ЭМС не выполняются, то характеристики ЭМС не удовлетворяют предъявляемым требованиям. Эти же критерии используются и для отбора информации, предоставляемой разработчикам ЧТП, о помехах, возникающих между РЭС. Объем и вид информации, предоставляемой разработчикам ЧТП и достаточной для устранения несовместимости РЭС, зависит от вида рассматриваемых РЭС и структуры анализируемой совокупности РЭС. В любом случае эта информация должна позволить выявить источник помехи и способ, которым помеха воздействует на качество приема полезного сигнала, а также значение необходимого подавления помехи, чтобы обеспечить ЭМС. Методика анализа ЭМС РЭС должна моделировать принцип функционирования анализируемой совокупности РЭС. Поэтому методика анализа ЭМС современных сетей подвижной радиосвязи, в которых применяются регулировки мощности базовых и/или абонентских станций, будет отличаться от методики анализа ЭМС РЭС, в которых такие регулировки отсутствуют. Что касается самой процедуры анализа ЭМС совокупности РЭС, то, учитывая всегда существующую некоторую неопределенность значений параметров, характеризующих исследуемую ситуацию, этот анализ следует проводить с учетом следующих требований:
Перечисленные требования относятся в первую очередь к методикам, использующим детерминированное описание исследуемых ситуаций. При использовании статистического имитационного моделирования неопределенность некоторых параметров описания закладывается в законы распределения этих параметров, которые используются в процессе моделирования. Выбор этих законов должен быть хорошо обоснован. Для получения достоверных вероятностных оценок ЭМС требуется обычно большой объем выборочных значений, т. е. большое число прогонов имитационной модели.
Для анализа параметров ЭМС системы на стадии разработки может быть использован модульный подход, который дополняет существующие методологии конструирования электронных систем. Для этого разрабатываемую систему представляют в виде набора составляющих ее модулей. Модульный подход к оценке характеристик ЭМС при проектировании системы предполагает, что на самом нижнем уровне этой оценки элементарный модуль состоит из одной единственной печатной платы. На следующем уровне модуль будет представлять собой некоторый блок, входящий в состав системы, и состоять из нескольких плат. И, наконец, модулем является сама система, составленная из блоков. Для модулей всех уровней должны быть заданы граничные значения характеристик, определяющих взаимодействие между модулями, которые включают в себя:
Эти характеристики должны быть заданы как для печатных плат, так и для составленных из них блоков и интерфейсов. Задаются они в технических условиях на разработку модулей системы или определяются нормативно-техническими документами на определенный тип оборудования. На рис. 6.1 представлена процедура разработки системы, включающая оценку ее характеристик ЭМС. В этой структуре можно выделить два этапа разработки. Один из них происходит в вычислительной среде с использованием ЭВМ, где, после разбиения системы на модули, происходит оценка всех характеристик каждого модуля, как функциональных характеристик, так и характеристик ЭМС. И  сследуя на модели характеристики ЭМС каждого модуля, входящего в систему, можно сделать сравнение прогнозируемых рабочих характеристик и характеристик, требуемых по техническому заданию. Это позволит установить, насколько характеристики ЭМС разрабатываемого модуля соответствуют предъявляемым требованиям.Для печатной платы ее излучение можно рассчитать, исходя из распределения по плате тока высокой частоты, которое получают на стадии моделирования печатной платы, а восприимчивость к излучениям посредством наложения на это распределение тока, наведенного на плату внешним полем. Определив токи, входное и выходное сопротивление портов печатной платы и линий питания, можно найти помехи, которые создает плата через токи проводимости, т. е. кондуктивные помехи, а также ее восприимчивость к ним. Процедура может быть продолжена на модули, составленные из нескольких печатных плат, и на систему в целом. Если результаты моделирования не отвечают предъявляемым требованиям к характеристикам ЭМС, то необходимо провести пересмотр проектов исходных модулей. Второй этап происходит в аппаратной среде, где измеряются характеристики модулей, включая их характеристики ЭМС. Если результаты измерений не подтверждают результатов расчетов и характеристики ЭМС не отвечают требованиям технического задания или технических условий, то приходится возвращаться к исходным проектам модулей и, может быть, пересматривать даже математические модели, положенные в основу анализа. Поскольку на практике конфигурация большой системы при установке на объектах может меняться, то при разработке такой системы часто целесообразно не моделировать характеристики ЭМС системы в целом, а определить в терминах параметров ЭМС критерии для рабочих характеристик отдельных модулей. В этом случае характеристики ЭМС всей системы вне зависимости от ее конфигурации могут быть описаны определенной комбинацией характеристик ЭМС ее составных частей.
П  роблема ЭМС возникает тогда и только тогда, когда есть источник помехи, есть рецептор помехи и есть путь, по которому помеха поступает от источника к рецептору. Эти три компонента лежат в основе анализа ЭМС РЭС. При анализе ЭМС совокупности РЭС источником помехи является радиопередатчик (РПД) с его антенной, рецептором – радиоприемное устройство (РПУ) со своей антенной, а путем распространения – пространство между передающей и приемной антеннами. Антенный тракт РПУ является наименее помехозащищенным трактом, в котором трудно или невозможно использовать традиционные методы подавления помех, которые широко применяются в электрических цепях, такие как фильтрация и экранирование. Поэтому в дальнейшем будем рассматривать помехи, которые попадают на вход приемника через его антенну. Структурная схема, лежащая в основе исследования ЭМС совокупности РЭС, представлена на рис. 6.2. Эта схема может быть использована для анализа как внутрисистемной ЭМС, если совокупность РЭС образует некоторую систему, так и межсистемной ЭМС, когда устройства, представленные на рис. 6.2, принадлежат разным системам. Схема реализует модель, которую называют моделью дифференциального вклада [33]. Модель основана на анализе влияния излучений как каждого отдельного источника помех на качество работы приемника, так и совокупности источников помех. В последнем случае, полагая, что излучения источников независимы, оценивают суммарную мощность помех на входе приемника, приведенную к полосе пропускания приемника на частоте его настройки, и далее рассматривают влияние этой суммарной мощности на рабочие характеристики РПУ. Полная оценка ЭМС совокупности РЭС предполагает последовательный анализ рабочих характеристик каждого РПУ, входящего в состав совокупности. Для реализации методики, основанной на представленной модели, необходимо располагать математическими моделями передатчиков, антенн, пространства распространения, приемников и критериями, по которым принимается решение о наличии или отсутствии совместимости РЭС. Математические модели передатчиков описывают излучения передатчиков, а математические модели антенн и пространства распространения изменение параметров этих излучений при их прохождении от выхода РПД до входа РПУ. Математическая модель РПУ описывает восприимчивость приемника к помехам и нелинейные эффекты, которые могут возникать в приемнике при воздействии на него мощных внешних помех. Для принятия окончательного решения о совместимости РЭС, в состав которого входит рассматриваемое РПУ, с другими РЭС совокупности оценивается качество работы этого РЭС на основании критериев, определяющих степень влияния помех на качество приема полезного сигнала. Так как на качество работы влияют не только излучения окружающих РЭС, но и внешний электромагнитный фон, создаваемый естественными и индустриальными помехами, то в общем случае оценка ЭМС должна выполняться с учетом этого фона. При анализе ЭМС совокупности РЭС анализируемая ситуация может быть фиксированной, т. е. заранее определено число РЭС, их взаимное положение, рабочие частоты и параметры сигналов. Оценивается ЭМС только этой совокупности. Ситуация, которая характерна, например, для оценки внутрисетевой ЭМС, когда анализируется некоторое множество РЭС, образующих сеть связи, и речь идет о разработке частотно-территориального плана сети. Сеть в этом случае рассматривается как единая система, и проводится оценка внутрисистемной ЭМС. При анализе межсистемной ЭМС ситуация выглядит несколько по-другому. Имеется некоторая совокупность РЭС, которую рассматривают как систему (например, сеть радиосвязи) и которую планируют ввести в эксплуатацию. Предполагаемая расстановка РЭС, их рабочие частоты и параметры сигналов, которые используют РЭС, известны, т. е. имеется частотно-территориальный план размещения РЭС, который удовлетворяет условиям внутрисистемной ЭМС данной совокупности РЭС. Требуется установить, имеет ли место ЭМС этой совокупности с уже функционирующими РЭС, которые входят в другие системы. В этом случае для каждого анализируемого РПУ, как входящего в планируемую совокупность РЭС, так и уже функционирующего, формируют свое множество передатчиков, изучения которых рассматривают как потенциально опасные. Отбор передатчиков производят, используя некоторые территориальные и частотные критерии. При этом множество передатчиков, излучения которых рассматриваются как потенциально опасные, не должно состоять только из передатчиков функционирующих РЭС, если РПУ принадлежит функционирующему РЭС, или только из передатчиков системы, планируемой к вводу в эксплуатацию, если приемник входит в состав РЭС этой системы. При практической реализации методики анализа ЭМС РЭС каждый блок рис. 6.2 представляют некоторым множеством математических моделей. Размер множества зависит от вида мешающих эффектов, которые учитывает методика, ограничений на область применимости используемых моделей и множества типов рассматриваемых РЭС. В общем случае анализ включает следующие этапы вычислений: 1. Расчет уровней помех от отдельных передатчиков на входе выбранного РПУ: I1(f)= PT(f) + GTR(f) + GRT(f) L(f) + γ, (6.1) где I1(f) – мощность помехи, которую создает передатчик на частоте f на входе приемника, дБм; PT(f) – мощность, передатчика на частоте f, дБм; GTR(f), GRT(f) – коэффициенты усиления на частоте f, соответственно, антенны передатчика в направлении на приемник и антенны приемника в направлении на передатчик, дБ; L(f) – потери в пространстве распространения, дБ; γ – потери из-за несовпадения поляризаций приходящей электромагнитной волны и приемной антенны, дБ. В общем случае нужно учитывать потери в передатчике и в приемнике из-за рассогласования выходного сопротивления усилителя мощности передатчика и входного сопротивления приемника с сопротивлением антенны, а также потери в антенно-фидерном тракте. Эти потери можно включить в слагаемое γ, которое в этом случае может зависеть от частоты. 2. Отбор потенциально опасных помех, энергетический отбор (этап не обязательный, но желательный для очень больших совокупностей РЭС). 3. Выделение подмножества сигналов, потенциально опасных с точки зрения возможных нелинейных эффектов в приемной аппаратуре. 4. Для помех, которые не представляют опасности по нелинейным эффектам, определение канала приемника, по которому помеха может оказывать влияние на качество приема полезного сигнала (основной канал приема (ОКП) или побочные (ПКП) каналы приема). 5. Оценка коэффициента частотной коррекции для помех, поступающих по ОКП или ПКП. 6. Коррекция уровней помех по ОКП и ПКП. Расчет эквивалентных уровней помех, приведенных к входу РПУ на частоте его настройки в полосе пропускания приемника. 7. Оценка ЭМС по выбранному критерию для линейных каналов приема. 8. Оценка нелинейных эффектов в РПУ. 9. Оценка ЭМС по выбранным критериям для нелинейных эффектов. 10. Выдача информации об источниках помех и путях их воздействия на качество приема полезного сигнала. Поскольку в методике последовательно рассматриваются все передатчики (или определенные комбинации передатчиков), которые могут создать помеху приему полезного сигнала, то методика позволяет не только выявить несовместимые РЭС, но и указать причины, по которым отсутствует ЭМС, т. е. дает информацию, необходимую и достаточную для принятия решений о мерах по обеспечению ЭМС. Методика оценки ЭМС может носить детерминированный характер или может быть реализована как статистическая имитационная модель. В последнем случае ряд параметров, характеризующих исследуемую ситуацию, считают случайными величинами, законы распределения которых известны. Для получения оценки ЭМС применяют многократный прогон модели. При каждом прогоне значения параметров исходной ситуации определяют датчики случайных величин. Окончательную оценку ЭМС получают, используя статистическую обработку результатов моделирования.
К основным направлениям, по которым идет решение проблемы ЭМС, можно отнести: 1. Улучшение параметров ЭМС радиоаппаратуры. Улучшение параметров ЭМС радиоаппаратуры может быть достигнуто: использованием новых схемотехнических решений и новых электронных компонентов с улучшенными электрическими характеристиками для построения электрических схем радиоаппаратуры; использованием новых, более совершенных технологий разработки, конструирования и изготовления радиоаппаратуры; использованием всех возможных методов подавления помех в радиоаппаратуре в местах их возникновения и на путях распространения, таких как экранирование, фильтрация и заземление. Качество изделия регламентируется нормативно-технической документацией, техническими условиями и техническим заданием на разработку, которые содержат требования как к функциональным характеристикам и параметрам изделия, так и к характеристикам и параметрам ЭМС. Перечисленные способы улучшения параметров ЭМС радиоаппаратуры позволяют успешно решать эту задачу по отношению к отдельным изделиям. 2. Рациональное использование радиочастотного ресурса. Выполнение требований нормативных документов относительно параметров ЭМС радиопередающей и радиоприемной аппаратуры не дает гарантии, что при всех условиях будет обеспечена ЭМС при их совместной работе, однако позволяет более эффективно использовать радиочастотный ресурс, размещая на заданной территории в выделенной полосе частот большее число радиоэлектронных средств, для которых выполняются условия ЭМС. Это достигается посредством разработки оптимальных или близких к оптимальным частотно-территориальных планов размещения РЭС, удовлетворяющих требованиям как внутрисистемной, так и межсистемной ЭМС. Оптимальным считается план, который при заданных частотно-территориальных ограничениях на размещение РЭС, максимизирует число пользователей радиочастотного спектра, распределенного для определенной радиослужбы. 3. Правильное конструирование и качественное изготовление объектов-носителей РЭС. Это направление решения проблемы ЭМС наряду с другими направлениями связано с вопросами обеспечения ЭМС РЭС, размещаемых на объектах, и направлено, в первую очередь, на снижение на объекте контактных помех. 4. Оптимальное размещение РЭС и антенных устройств на объектах. Направление предполагает использование на объектах экранирующих переборок для уменьшения взаимных помех, создаваемых излучениями кабелей и через корпус радиоаппаратуры, размещенной в разных отсеках объекта, а также выполнение норм территориального разноса антенн, относящихся к разным системам. Если имеется возможность разнесения антенн по вертикали (высоте), то ей следует отдать предпочтение по отношению к разнесению по горизонтали. Практическим мероприятиям по обеспечению ЭМС предшествует теоретический анализ ЭМС. Поскольку в основе практических методик анализа ЭМС лежит структура, изображенная на рис. 6.2, обратимся к математическим моделям, которые используются для описания элементов, входящих в ее состав. |