Лекция_Методы анализа ЭМС РЭС. Лекция 11. Методы анализа эмс рэс методы анализа эмс рэс

• Название: Лекция 11. Методы анализа эмс рэс методы анализа эмс рэс
• Дата: 21.03.2019
• Размер: 279 Kb.
• Имя файла: Лекция_Методы анализа ЭМС РЭС.doc
• Тип: Лекция; #71139
• страница: 1 из 2

Лекция 11. Методы анализа ЭМС РЭС

Методы анализа ЭМС РЭС.

Постоянное увеличение плотности размещения радиоэлектронных средств (РЭС) при ограниченном частотном ресурсе приводит к увеличению уровня взаимных помех, нарушающих нормальную работу этих средств. Число антенн на одном объекте может достигать нескольких десятков, а расстояния между ними могут составлять единицы метров и менее. Плотное размещение антенн приводит к тому, что электромагнитные поля, излучаемые антеннами радиопередатчиков (РПД), могут создавать в антеннах радиоприемников (РПМ) высокочастотные ЭДС, достигающие десятков вольт нарушение нормального функционирования РПМ. Не менее опасными являются одновременные воздействия нескольких сигналов, порождающих во входных каскадах РПМ и в выходных каскадах РПД интермодуляционные помехи, которые могут попадать в полосу рабочих частот приемников и ухудшать условия приема полезных сигналов.

При анализе внутриобъектовой электромагнитной совместимости (ЭМС) РЭС используют следующие виды оценок: парная, групповая и комплексная. При парной оценке ЭМС осуществляется учет воздействия помех РПД одного РЭС на РПМ другого РЭС объекта; при групповой оценке — учет помехового воздействия всех РПД на один РПМ объекта. При комплексной оценке ЭМС анализируется совместимость каждого из РЭС объекта со всеми остальными РЭС этого объекта.

Оценка ЭМС РЭС предусматривает учет как вероятностного, так и детерминированного характера электромагнитной обстановки (ЭМО) на объекте. Вероятностное описание ЭМО предусматривает учет ее параметров) в виде случайных величин, характеризуемых вероятностями или плотностями вероятностей. При детерминированном описании ЭМО ее параметры учитывают в виде детерминированных (неслучайных) величин. При оценке внутриобъектовой ЭМС наиболее часто используют детерминированное описание ЭМО, так как мощность источников помех, расположение и ориентация антенн на объекте строго фиксированы.

ЭМС РЭС объекта рассчитывают в следующем порядке:

– определение потенциально несовместимых пар РЭС;

– расчет энергетических характеристик непреднамеренных радиопомех;

– определение степени обеспечения ЭМС.

Потенциально несовместимые пары РЭС объекта определяются на основе частотного анализа, в результате которого определяются источники (РПД) и рецепторы (РПМ) радиопомех.

Расчет энергетических характеристик радиопомех предусматривает определение мощности совокупной радиопомехи, приведенной ко входу РПМ, с учетом проникновения радиопомех через антенно-фидерное устройство. При парной оценке ЭМС рассчитывают мощность P_ijна входе i-го приемника от j-го передатчика. При групповой оценке ЭМС рассчитывают мощность P_iΣ совокупной радиопомехи (включая помехи интермодуляции), приведенной ко входу i-го РПМ от всех РПД, потенциально несовместимых с i-м РПМ.

Парную оценку ЭМС РЭС проводят в следующем порядке:

а) определяют мощность P_ijнепреднамеренной радиопомехи, приведенную ко входу i-го РПМ, от j-го мешающего РПД;

б) определяют допустимую мощность P_{i доп} непреднамеренной радиопомехи на входе i-го РПМ от j-го РПД;

в) сравнивают уровень мощности радиопомехи, дБ, на входе РПМ с допустимым и определяют степень обеспечения ЭМС, которая определяется показателем

ΔP_ij=P_iдоп−P_ij (1)

Аналогично проводится групповая оценка ЭМС РЭС:

а) определяют суммарную мощность P_iΣ радиопомех, приведенных ко входу i-го РПМ, от РПД объекта;

б) определяют допустимую мощность P_{i доп} радиопомехи на входе i-го РПМ оцениваемого РЭС;

в) сравнивают уровень суммарной мощности радиопомех с допустимым уровнем и определяют степень обеспечения ЭМС приемника оцениваемого РЭС с РПД остальных РЭС объекта.

Показатель обеспечения ЭМС РЭС объекта, дБ, при групповой оценке определяется по формуле

ΔP_iΣ = P_{i доп} − P_iΣ (2)

Значения ΔР_ijи P_iΣ в децибелах характеризуют степень запаса обеспечения ЭМС (если она положительна) или степень недостаточности обеспечения ЭМС (если она отрицательна).

Комплексная оценка ЭМС РЭС является наиболее сложной и на практике проводится редко.
Технические параметры РЭС, влияющие на их ЭМС

Основными нормируемыми техническими параметрами, определяющими ЭМС РЭС, являются:

для радиопередающих устройств:

– мощность несущей РПД;

– ширина полосы частот основного излучения РПД;

– отклонение несущей частоты РПД передатчика от номинального значения;

– уровень внеполосных излучений (ВИ) РПД;

– уровень побочных излучений (ПИ), в том числе интермодуляционных излучений (ИМИ) РПД;

для радиоприемных устройств:

– чувствительность РПМ, которая характеризует способность приемника принимать слабые сигналы, т.е. уровень принимаемого сигнала, при котором переданная информация может быть воспроизведена с удовлетворительным качеством;

– избирательность РПМ по соседнему каналу (СК), по побочному каналу приема (ПКП), интермодуляционная;

– уровень излучения гетеродинов РПМ, которая характеризует возможность излучения помех приемником на частотах гетеродинов и их гармониках.

Общие требования:

– устойчивость к внешним электромагнитным полям;

– устойчивость к помехам по цепям питания, управления, заземления;

– электромагнитное излучение оборудования (индустриальные помехи).

Помимо нормируемых параметров передатчиков и приемников, на ЭМС РЭС влияют: 1.диаграмма направленности антенны (ДН) при излучении и приеме на рабочих частотах; 2. ДН на частотах внеполосных и побочных излучений РПД; 3. ДН на частотах соседних и побочных каналов приема РПМ; 4. временнóй режим работы РЭС на излучение и прием.

Из-за технического несовершенства РПД их спектр излучения, помимо основного излучения (ОИ), содержит нежелательные внеполосные и побочные излучения (радиоизлучение на гармонике, на субгармонике, комбинационное, интермодуляционное) за пределами необходимой полосы радиочастот.

Частоты побочных излучений могут совпадать с рабочими частотами других РЭС и мешать им принимать полезные сигналы. Наибольшую опасность представляют гармонические и интермодуляционные радиоизлучения.

Из-за неидеальности параметров РПМ, помимо основного канала приема, имеют большое число неосновных каналов — соседних и побочных (каналы, включающие промежуточную, зеркальную, комбинационную частоты гармоники частоты настройки РПМ), которые не предназначены для приема полезного сигнала.

Из-за недостаточной избирательности РПМ возможны помехи по соседнему каналу приема, помехи, обусловленные эффектом блокирования и эффектом переноса шумов гетеродина в тракт промежуточной частоты (ПЧ) приемника. Эффект блокирования проявляется как изменение отношения сигнал/шум на выходе РПМ при действии радиопомехи на его входе, частота которой находится в полосе частот, начиная от частоты соседнего канала (в любую сторону от частоты настройки РПМ) до частоты, на которой уровень ослабления помехи входными контурами РПМ составляет –80 дБ. Эффект переноса шумов гетеродина заключается в преобразовании части энергетического спектра шума гетеродина РПМ с шириной, равной полосе пропускания тракта преобразователя частоты (ПЧ) РПМ, в промежуточную частоту ( т.е. в попадании шума в тракт ПЧ РПМ в виде энергии шума при условии, если разность частот Δf между помехой с частотой f_помехи и частью энергетического спектра шума гетеродина равна промежуточной частоте f_пч РПМ). В настоящее время этот параметр отдельно не нормируется и не выделяется из общих требований к допустимому уровню блокирования полезного сигнала.

При воздействии на нелинейные элементы РПМ двух или более радиопомех в нем может возникнуть интермодуляционная помеха, вызывающая возникновение отклика на выходе РПМ. Известно также так называемое перекрестное искажение — изменение спектра полезного радиосигнала на выходе РПМ при наличии на его входе модулированной радиопомехи.

Радиопомехи могут проникать на выход радиоприемного устройства через антенну, экран или по цепям электропитания, управления и коммутации. Признаками прохождения радиопомех через антенну по наблюдаемому эффекту на выходе РПМ являются, например, полное пропадание помех на выходе при отсоединении антенны от РПМ и подключения вместо нее эквивалента антенны или, например, изменение уровня помех синхронно с изменением направления антенны приемника-рецептора помех при неподвижной антенне источника помех

Признаками прохождения помех через экран РПМ являются существенное увеличение помех на выходе РПМ при искусственном ухудшении качества его экранировки и наоборот — уменьшение помех при улучшении качества экранировки. Указанные эффекты могут быть достигнуты следующими приемами:

– частичным или полным извлечением шасси из кожуха при подключении РПМ через удлинительные ремонтные кабели;

– помещением РПМ в дополнительный экран.

Если при выполнении указанных выше операций окажется, что помехи на выходе РПМ практически не меняются, то из этого следует, что они проникают в РПМ по цепям электропитания, управления и коммутации. Для подтверждения этого проводят измерения радиопомех в указанных цепях.

Для определения вида помехи по характеру их мешающего действия следует руководствоваться следующими положениями:

– помехи, вызванные внеполосными излучениями РПД, воспринимаются как возрастание уровня шумов на выходе РПМ;

– помехи, вызванные побочными излучениями РПД и обусловленные наличием побочных каналов приема РПМ, воспринимаются как невнятная модуляция РПД — источника непреднамеренных радиопомех;

– эффект блокирования РПМ проявляется в одновременном уменьшении уровня полезного сигнала и шумов (индустриальных радиопомех).

– помехи интермодуляции прослушиваются обычно на выходе РПМ внятно как модуляция одного из работающих одновременно РПД-источников радиопомех.

Методы анализа ЭМС РЭС, расположенных на одном объекте.

Анализ ЭМС РЭС, расположенных на одном объекте, включает в себя следующие этапы расчета:

1. 
   частотный анализ;
   
2. 
   расчет мощности, воздействующей на РПМ радиопомехи, приведенной к его входу;
   
3. 
   расчет допустимой мощности непреднамеренной радиопомехи на входе РПМ;
   
4. 
   расчет частот и уровней интермодуляционных излучений РПД;
   
5. 
   расчет внеполосных характеристик антенн;
   
6. 
   расчет развязок между близко расположенными антеннами.
   

Частотный анализ

Частотный анализ является начальным этапом оценки ЭМС и включает выявление частот­ных каналов проникновения непреднамеренных радиопомех в РПМ для дальнейшего ана­лиза с учетом энергетических характеристик анализируемых РЭС и их размещения в про­странстве.

Непреднамеренная радиопомеха проникает на вход РПМ при выполнении неравенства:

(3)

Где

p = 1, 2, 3, ..., p_max — номер гармоники несущей частоты РПД (для практических расче­тов можно положитьp_max < 5);

f_j — несущая частота РПД j-го РЭС, Гц;

n = 1, 2, 3, ., n_max — номер гармоники частоты гетеродина РПМ (n_max < 5);

m = 1, 2, 3, ..m_max — номер побочно­го канала приема (m_max < 5);

f_i — частота настройки РПМ i-го РЭС, Гц;

— признак на­стройки гетеродина приемника, равный 1 для верхней настройки и -1 для нижней настрой­ки гетеродина;

— первая промежуточная частота РПМ i-го РЭС, Гц;

— поло­са частот радиоизлучения j-го РЭС на p-й гармонике и уровне X дБ в m-м побочном канале приема, Гц;

— полоса пропускания усилителя промежуточной частоты РПМ i-го РЭС на уровне X дБ, Гц.

Решение неравенства (3) позволяет определить такие сочетания номеров гармоник пе­редатчика р = р и гетеродина n = n' и номера побочного канала приема m = m' , при которых возможно возникновение и проникновение непреднамеренных радиопомех в основной и побочные каналы приема РПМ.

Интермодуляция в РПМ возникает в случае выполнения неравенства

(4)

где f₁, f₂, ..., f_i — частоты мешающих сигналов, Гц; p₁, p₂, ..., p_i — номера гармоник мешаю­щих сигналов; f _г — частота гетеродина i-го РПМ, Гц.

Интермодуляционные помехи могут проникать в тракт ПЧ РПМ по различным каналам приема, как при наличии, так и при отсутствии сигнала.

На практике ограничиваются учетом интермодуляционных помех не более 3-го поряд­ка, так как вероятность образования и уровень таких помех будет уменьшаться с увеличени­ем номеров гармоник частот мешающих РПД.

Пара РЭС объекта считается потенциально несовместимой, если в результате проведен­ного частотного анализа выявлен хотя бы один из каналов проникновения радиопомех в тракт РПМ.

Если непреднамеренная радиопомеха не попадает в полосы пропускания основного и побочного каналов приема, то вычисляют частотную расстройку Af₀ = |f_j – f_i | РПД j-го РЭС и РПМ i-го РЭС, значение которой используют при анализе явлений блокирования и пере­крестных искажений в РПМ.

Расчет энергетических характеристик радиопомех

Расчет мощности радиопомехи на входе РПМ. Мощность радиопомехи Pj в ваттах от j-го РПД на входе i-го РПМ определяется при расположении антенны i-го РПМ в дальней и ближней зонах антенны j-го РПД соответственно по формуле:
(5)

где P_j — мощность излучения j-го РПД, Вт;

G_i — коэффициент усиления антенны (на час­тоте помехи) j-го РПД — источника помех в направлении i-го РПМ — рецептора помех;

G_j — коэффициент усиления антенны (на частоте помехи) i-го РПМ — рецептора помех в направлении j-го РПД — источника помех;

_ — длина волны непреднамеренной радио­помехи, м;

r — расстояние между антеннами источника и рецептора помехи, м;

К₁ — коэф­фициент дополнительных потерь при распространении радиопомехи между антеннами ис­точника и рецептора помехи, зависящий от свойств среды распространения, G < К₁ < 1;

К₂ — коэффициент ослабления радиопомехи за счет несовпадения поляризаций, G < К₂ < 1;

К₃ — коэффициент ослабления радиопомехи в антенно-фидерном устройстве i-го РПМ, G < К₃ < 1;

К₄ — коэффициент ослабления радиопомехи в антенно-фидерном устройстве j-го РПД, G < К₄ < 1;

Кф — коэффициент, учитывающий развязку фидеров антенн i-го РПМ и j-го РПД, G < Кф < 1;

К_{разв ант} — коэффициент, учитывающий развязку антенн i-го РПМ и j-го РПД, в том числе и в ближней зоне, G < К_{разв ант} < 1.

Мощность излучения j-го РПД определяется на частоте настройки каждого РПМ, располо­женного на объекте. Если частота i-го РПМ совпадает с основной рабочей частотой j-го РПД, то в расчетах берется номинальная мощность РПД, в противном случае эта мощность опреде­ляется уровнем его побочного или внеполосного излучения на частоте настройки i-го РПМ.

Коэффициенты усиления Gj и Gi определяются взаимной ориентацией ДН источника (j-го РПД) и рецептора помехи (i-го РПМ). Коэффициенты усиления должны определяться на частоте помехи.

Коэффициент дополнительных потерь при распространении радиопомехи между антен­нами К1 учитывает потери на пути распространении радиоволн вдоль поверхности объекта, экранирующий эффект от имеющихся препятствий. В большинстве практических случаев при размещении антенн на одном объекте К₁ = 1. Если же вблизи антенн расположены силь­но влияющие металлоконструкции, то должна использоваться вторая из формул (5).

Коэффициент ослабления воздействия радиопомехи за счет несовпадения поляризаций К₂ в случае совпадении главных лепестков ДН антенн источника и рецептора помехи при­нимает одно из табличных значений. При несовпадении главных лепестков диаграмм направленности К₂ принимается равным 1.

Коэффициент К_ф, учитывающий развязку фидеров антенн 1-го РПМ и j-го РПД, зависит от коэффициента экранирования фидеров, расстояния между фидерами, особенностей конструк­ции кабельных каналов, наличия заземления и дополнительных экранов.

В большинстве практических случаев при грамотном выборе и проектировании прокладки кабелей К_ф = 0.

Расчет мощности помехи, приведенной ко входу РПМ. Приведенную ко входу РПМ мощность радиопомехи P _пр вычисляют по формуле.

(6)

где P_ij — мощность радиопомехи на входе 1 -го РПМ, Вт; К₅ — коэффициент ос­лабления воздействия радиопомехи за счет частотного разноса; К₆ — коэффициент ослабле­ния воздействия радиопомехи за счет ее проникновения по побочным каналам приема.

Коэффициент ослабления воздействия радиопомехи за счет частотного разноса К₅ пока­зывает, какая доля мощности помехи, поступающей на вход РПМ, попадает на вход демо­дулятора при несовпадении центральной частоты мешающего сигнала (помехи) с частотой настройки РПМ;

Коэффициент ослабления воздействия радиопомехи за счет ее проникновения по побоч­ным каналам приема К₆ определяют из соотношения.

(7)

где P_{i min} — чувствительность 1-го РПМ по основному каналу приема, Вт;

P_{i min}(n) — воспри­имчивость 1-го РПМ по n-му побочному каналу приема, Вт. Значения К₆ приводятся в кар­точках ГКРЧ РФ с тактико-техническими данными РЭС и для различных РЭС находятся в пределах

10^-5...10^-7 (что соответствует -50...-70 дБ).

Расчет эквивалентной мощности радиопомехи, приведенной ко входу РПМ. Для упрощенной оценки ЭМС РЭС при групповой помехе последняя может заменяться одной эквивалентной помехой. Для этого из группы радиопомех выделяют основную помеху по признаку наибольшего отношения ее рассчитанной мощности к допустимому значению мощности этой радиопомехи (P_ik /P_{k доп})_max и мощности всех помех суммируют с весовыми коэффициентами в виде отношений допустимых мощностей помех:

(8)

где n — число одиночных помех в групповой помехе;

P_{ik доп} — допустимое значение мощности ос­новной помехи;

P_{i доп} — допустимое значение мощности помех от РПД j-го РЭС.

Расчет эквивалентной мощности радиопомехи, приведенной ко входу, при интер­модуляции в РПМ. Возможность возникновения интермодуляции проверяют только в том случае, если на вход РПМ воздействуют радиопомехи от нескольких РПД и хотя бы одна из них является непрерывной или импульсной с малой скважностью.

Расчет допустимой мощности радиопомех на входе РПМ

Допустимую мощность радиопомехи Pi доп на входе i-го РПМ от j-го РПД при детерминированной оценке качества функционирования РЭС вычисляют по формуле

P_{i доп} = P_ic – А (9)

где P_iс — средняя мощность полезного сигнала на входе РПМ i-го РЭС, дБВт;

А — требуемое защитное отношение, равное отношению средних значений мощностей сигнала и помехи для конкретного сочетания видов сигнала и помехи, дБ.

Значение P_iс, как правило, не равно P_{с мин}, которое соответствует пороговой чувствительности РПМ — рецептора помехи, а соответствует конкретному уровню принимаемого полезного сигнала. Для упрощения расчетов можно положить значение P_iс, равное реальной чувствительности РПМ.

Расчет частот и уровней интермодуляционных излучений РПД

Из всех видов побочных радиоизлучений, возникающих при одновременной работе РЭС, расположенных на одном объекте, наибольшую опасность представляют интермодуляционные излучения. Такие излучения образуются в случаях, когда между одновременно работающими РПД имеется такая сильная связь, что они влияют друг на друга.

Величина связи определяется тем, что РПД объекта работают или на антенны, размещенные в непосредственной близости друг от друга, или на одну широкополосную антенну. Нелинейными элементами при этом являются выходные каскады РПД, работающие на достаточно близких частотах.

Мощность интермодуляционных излучений зависит от мощности РПД, принимающих участие в образовании помех, от величины связи между их выходными каскадами, типа активного прибора в выходных каскадах и от частотного разноса РПД.

Общей аналитической формулы для расчета мощности интермодуляционных излучений, пригодной для инженерной практики, в настоящее время нет. Установлено только то, что для ориентировочного расчета мощности интермодуляционных излучений нечетных порядков на выходе РПД можно воспользоваться формулой:

(10)

где — мощность интермодуляционной помехи, дБВт;

— постоянная интермодуляции, дБ;

k — коэффициент пропорциональности, равный 1,0, 0,5 или 0,1 для интермодуляционных помех 3-го, 5-го или 7-го порядков соответственно;

P₁₂ — мощность, поступающая от мешающего РПД (или от одного из мешающих РПД, мощность которого является наименьшей) на выход РПД, в котором возникают продукты интермодуляции, дБВт.

Числовые значения различны для разных типов РПД и зависят от порядка интермодуляции и величины расстройки мешающего сигнала относительно рабочей частоты РПД, на нелинейных элементах выходного каскада которого образуется интермодуляционная помеха. При ориентировочных расчетах можно положить