Проблема электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств,причины её возникновения, основные термины, параметры и модели ЭМС РЭС

Введение

 ПРОБЛЕМА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ,ПРИЧИНЫ ЕЁ ВОЗНИКНОВЕНИЯ, ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ, ПАРАМЕТРЫ И МОДЕЛИ ЭМС РЭС

1. ИСТОРИЯ И ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ ЭМС РЭС

Менее IOO лет прошло с момента практического применения электромагнитных волн. На сегодняшний день электромагнитные волны используются для передачи и приема информации в радиовещании, телевидении, радиосвязи, радиолокации, радионавигации, радиоастрономии, радиоуправлении летательными и другими аппаратами. Кроме того, широкое применение электромагнитные волны находят в медицине, геологии, метеорологии и многих других областях народного хозяйства. Спектр электромагнитных волн охватывает диапазон от 10^-3 до10²² Гц. Участок этого диапазона от единиц герц до 3000 ГГц используется в радиотехнике и поэтому относится к радиочастотному диапазону.

О динамике развития радиотехнических систем (РТС)^Х можно судить на основании следующих данных [I, .2].

В 1936 г. в США насчитывалось 600 радиовещательных станций, к концу 60-х годов их стало более 6000, а число телевизионных передатчиков увеличилось до 600. К 1972 г. в CША насчитывалось уже 18 тыс. радиовещательных и телевизионных станций с мощностью излучения от 500 Вт до 5 мВт. В среднем на площади в 10 км² пригородно- городской зоны находилось по одной станции, что соответствовало средней плотности потока мощности около 156 Вт/(октава*км²).

С 1961 по 1966 г• число радиолокационных станций (РЛС) в США выросло с 3 до 15 тыс. В 1972 г. только крупных РЛС с мощностью излучения от 100 кВт* до 5 мВт насчитывалось около 3 тыс., что в пересчете на среднюю плотность излучения РЛС в пригородно-городской зоне дает величину 31500 Вт/(октава*км²).

В 1950 г. в США насчитывалось 100 тыс. подвижных служб радиосвязи, в 1975 г. их было уже 5,8 млн, а в 1980 г. - 7млн. Эти службы работали в KB и УКВ диапазонах и имели среднюю мощность излучения около 100 Вт. Только в диапазонах метровых и дециметровых волн к 1981 г. в США насчитывалось более 9млн передатчиков, устанавливаемых в основном на подвижных объектах.

_________

^х Радиотехнические системы составляют один из основных подклассов радиоэлектронных средств.

 

С 1958 по 1974 г. в США было выдано 1млн лицензий на право пользования частной радиосвязью, 2-й миллион был выдан за 8 месяцев 1975 г., 3-й миллион за декабрь 1975 г. В 1972 г. в среднем на 25 км² пригородной зоны приходилось до 50 передатчиков с плотностью мощности 2540 Вт/(октава*км²). Приведем данные по оценке загрузки KB диапазона. Этот диапазон (λ = 10...100 м) занимает полосу частот в 27 МГц. Если выбрать рабочую полосу приемника в 3 кГц, то в KB диапазоне можно разместить 9000 каналов, Однако уже к 1975 г. в США было более миллиона передатчиков в KB диапазоне, из которых более тысячи имели мощность излучения, превышающую 100 кВт.

Таким образом, вышеприведенные данные показывают, что число действующих РТС  с каждым годом непрерывно растет. Количество передвижных радиостанций удваивается каждые 4-5 лет, еще быстрее увеличивается число РЛС.

Многие РТС  работают в непосредственной близости друг от друга. Особенно это относится к бортовым РТС. Так, на типовом американском боевом фрегате имеется около 20 связных приемников, 3 поисковых РЛС, 3 навигационных приемника, 2 спутниковых телевизора, собачка и около 10 других радиоэлектронных средств. Для выхода в эфир РТС имеют около 40 антенн, размещенных на площади 150x15 м². На современных авианосцах число антенн составляет несколько сотен; так, на авианосце "Энтерпрайз" расположено около 500 антенн. Расстояние между соседними антеннами в СВ и KB диапазонах менее 30 м, а в СВЧ диапазоне менее 10 м.

Большое количество РТС и скученность антенн приводят к значительным взаимным помехам. Напряжение высокочастотных помех на входных зажимах корабельных радиоприемников достигает 50...100 В. Значительный уровень взаимных помех возникает даже в РТС, устанавливаемых на гражданских судах. Так, измерения, проведенные на теплоходе "Казахстан", показали [2], что судовые РЛС создают на баке средний поток мощности 0,1 Вт/м , что эквивалентно напряженности электрического поля более 200 В/м.

Таблица I.I

 

Еще острее проблема ЭМС возникает в самолетных, спутниковых  и космических РТС. В табл. I.I приведены некоторые данные по количеству РТС и обслуживающих их антенн на американских самолетах.

Наряду с возрастанием количества и плотности размещения РТС наблюдается тенденция к существенному возрастанию их мощности излучения. Известны клистроны со средней мощностью I мВт и импульсной около 100 мВт. В силу неидеальности частотных характеристик радиопередающих устройств, последние, наряду с генерацией на основной частоте, имеют в спектре генерируемой мощности гармоники и субгармоники основной частоты, а также другие виды побочного и внеполосного излучений.

В табл. I.2 и I.3 приведены данные по относительному уровню n1-х гармоник и побочным излучениям в некоторых типах передатчиков и генераторных приборов (в децибелах относительно уровня мощности на основной частоте).

Таблица I.2

 

Таблица I.3

Анализ этих таблиц показывает, что в мощных РТС уровень внеполосного и побочного излучений может быть весьма значительным. Так, расчеты внеполосного излучения одной из РЛС с импульсной мощностью излучения 5 мВт показали, что уровень излучения четвертой гармоники составляет 200 Вт и лежит в диапазоне воздушной навигации. Мощности же большинства передающих устройств РТС навигации оказываются менее 200 Вт. У другой РЛС с магнетронным передатчиком, имевшим импульсную мощность 10 мВт, наблюдалось побочное излучение в полосе 200 МГц с мощностью 10 кВт, Средний уровень гармоник излучения современных РЛС составляет I...I00 Вт, что после пересчета в децибелы относительно одного ватта (дБ*Вт) дает 0...20 ДБ*Вт. Чувствительность типовых приемников РЛС составляет -130...-160 ДБ*Вт (отдельные приемники имеют чувствительность -220 дБ*Вт). Следовательно, мощность гармоник РЛС на 130...180 дБ превышает чувствительность средних приемников РЛС. Борьба с такой помехой даже с учетом потерь распространения составляет очень сложную задачу.

Приведенные данные позволяют сформулировать основные причины обострения электромагнитной обстановки, приведшие к возникновению проблемы ЭМС РЭС:

непрерывный рост числа действующих РТС, вызвавший  увеличение плотности размещения РТС  и перегрузку отдельных участков радиотехнического диапазона;

повышение мощности передатчиков и чувствительности приемников РТС;

противоречие  между ограниченностью пространства, в пределах которого могут размещаться  бортовые РТС, и все возрастающей сложностью радиотехнических задач, решаемых этими системами, приводящее к противоречию между улучшением "собственных'' характеристик отдельных РТС и обеспечением их ЭМС;

резкое увеличение числа действующих помех на самолетные и спутниковые РТС. Так, на приемники  РТС, устанавливаемые на высокоорбитальных спутниках, действуют сигналы передатчиков почти с половины земного шара;

миниатюризация  радиоаппаратуры, приведшая к усилению паразитного взаимовлияния отдельных элементов и устройств радиоаппаратуры;

возрастающий  уровень и количество помех от радиоэлектронных, электротехнических и энергетических устройств (ЭВМ, генераторы постоянного и переменного тока, медицинская радиоэлектронная аппаратура, сварочные аппараты и пр.).

 

Пренебрежение проблемой ВИС приводит не только к значитель-ным народно-хозяйственным  и экономическим потерям, но может явиться причиной и трагического исхода. В качестве примера можно привести обстоятельства гибели английского атомного эсминца “Шеффилд” в период Фолклендско-Мальвинского конфликта. На этом эсминце не были обеспечены условия ВМС для РТС космической связи с базой и корабельной РЛС, в результате чего одновременно могла работать только одна система. Поэтому во время сеанса связи не была обнаружена ракета, выпущенная аргентинским самолетом, и эсминец погиб.

§ I.2. ПРОБЛЕМА ЭМС  РЭС И НЕПРЕДНАМЕРЕННЫЕ ПОМЕХИ

Под электромагнитной совместимостью радиоэлектронных средств  понимают их свойство функционировать  без ухудшения качественных показателей  в условиях совместной работы. Другими  словами, каждое из радиоэлектронных средств  не должно неблагоприятно воздействовать на соседние РЭС  и одновременно должно противостоять их воздействию.

На начальном  этапе развития радиоэлектроники ЭМС  обеспечивалась обычно одним из двух путей:

распределением  частот в процессе эксплуатации в  освоенных диапазонах или выбором  частоты разрабатываемой РТС в новых осваиваемых участках радиочастотного спектра;

схемно-конструктивным усовершенствованием каждым разработчиком РТС отдельных узлов приемной или передающей радиоаппаратуры.

Однако по мере увеличения числа РЭС и все  более полного использования радиодиапазона применение традиционных подходов к решению задач ЭМС без учета интересов всех пользователей радиочастотного спектра оказалось недостаточным. Поэтому и возникло новое направление радиоэлектроники, обслуживающее проектирование, разработку и эксплуатацию РЭС в условиях существующих ограничений. С научной точки зрения проблема ЭМС РЭС - это выявление закономерностей мешающего взаимодействия одновременно работающих РЭС и изыскание путей минимизации такого взаимодействия.

I.2.I. Непреднамеренные  электромагнитные помехи

Сигналы мешающих РЭС не несут полезной информации для работы собственной РТС и  в этом плане могут быть классифицированы как помехи для рассматриваемой РТС. Принципиальное отличие этих помех

заключается в  том, что они являются непреднамеренными, т.е. не носят

 

 

 

антагонистического характера, хотя и оказывают мешающее воздействие. К непреднамеренным помехам относятся также помехи естественного происхождения.

Уровень помех  измеряется или в единицах напряженности электрического поля (В/м, мкВ/м, дБ*мкВ/м) или в единицах плотности мощности (Вт/м², дБ*Вт/м²). Для характеристики распределения плотности помехи по частоте используется единица измерения дБ Вт/(м^2*кГц) или дБ*Вт/(м²* октава).

Спектр непреднамеренных помех простирается от единиц герц до верхнего предела радиодиапазона (3000 ГГц). По спектральным и временным характеристикам различают сосредоточенные, импульсные и флуктуационные помехи. Сосредоточенная помеха является узкополосным колебанием, параметры которого меняются медленно по сравнению с центральной частотой колебания. Источниками сосредоточенных помех являются многие РТС связи, например с амплитудной модуляцией. Импульсная и флуктуационная помехи - широкополосные. Источниками импульсных помех являются многие РЛС, некоторые источники индустриальных помех, грозовые разряды и пр. Флуктуационная помеха является случайным процессом, и ее можно рассматривать как предельный случай множества случайных импульсных помех. К флуктуационным помехам относятся шумы космического происхождения и внутренние шумы радиоаппаратуры.

 

 

 

Рис. I.I Источники  непреднамеренных помех

 

Систематизация  непреднамеренных помех по источникам их происхождения представлена на рис. I.I. В литературе имеются довольно подробные данные по спектральному составу и уровню непреднамеренных помех [I,2,3] естественного и искусственного происхождения. Не останавливаясь подробно на этом вопросе, приведем усредненные экспериментальные данные уровня непреднамеренных помех, на входе согласованной приемной антенны. Этот уровень можно определить с помощью шумовой температуры антенны Т_а (в градусах Кельвина), которая характеризует мощность Р_ш непреднамеренных помех, включая собственные шумы, приходящейся на единицу полосы частот 2Δf:

где k = I,38*I0²³ Дж/К - постоянная Больцмана.

На рис. 1.2 показана зависимость нормированной к шумовой температуре антенны Т₀= 273*К  в широком диапазоне частот для некоторых источников помех [3] . Как видно, непреднамеренные помехи искусственного происхождения в диапазоне f > I...2 ГГц имеют преобладающее значение.

Для ЭМС бортовых радиосистем и в СВЧ диапазоне  помехи радиотехнического происхождения являются определяющими.

 

 

 

 

Рис. I.2 Зависимость шумовой          Рис.1.3 Пути воздействия РЭС I температуры антенны от частоты для:         и РЭС 2

I - внутренних  шумов;

2 - индустриальных  помех в городе;

3 - сельской  местности;

4 - радиопомех  космического происхождения;

5 - атмосферных  радиопомех

1.2.2. Пути и характер воздействия помех на РЭС

Воздействие помех на РЭС может происходить, различными способами. На рис. I.3 стрелками показаны основные каналы, по которым сигналы РЭС I проникают в РЭС 2. По каналам I, 2 электромагнитное поле, излучаемое антенной А_I РЭС I, через окружающее пространство проникает в антенну А₂ РЭС 2 или принимается другими элементами конструкции РЭС 2 (не идеально экранированными линиями передачи, фланцами, разъемами, корпусом, соединительными проводами и пр.). Один из видов канала.2 - контактные помехи, возникающие на нелинейных контактах, особенно на подвижных объектах. Нелинейный контакт осуществляет модуляцию падающего на него высокочастотного поля. В результате в спектре высокочастотного поля появляются новые составляющие. Каналы I, 2, действуют как для больших расстояний между РЭС (дальняя зона одной или обеих антенн А_| А₂), так для малых расстояний (ближняя и промежуточная зоны). Канал 3 обеспечивает излучение и прием поля элементами конструкций РЭС I и РЭС 2, в том числе за счет паразитных емкостных и индуктивных элементов связи. Эффективность канала 3 проявляется, как правило, в ближней и отчасти промежуточной зонах. Канал 4 формируется за счет возможной гальванической связи между обоими РЭС, например по "общей земле", утечки изоляции и. т.д. Канал 5 образуется общими цепями питания РЭС I м РЭС 2.

Среди всех приведенных  каналов наиболее опасным с точки  зрения ЭМС РЭС является канал I, особенно для удаленных в пространстве РТС. Механизм взаимного влияния РТС по каналу связи через их антенны обеспечивает более 70-90% всех мешающих воздействий. При близком размещении РЭС, в частности на борту, существенный вклад могут вносить и остальные механизмы проникновения непреднамеренных помех.

Воздействие непреднамеренных помех приводит к обратимым или  необратимым явлениям в РЭС. Так, при мощной помехе с мощностью в импульсе около или превышающей 0,5...5 Вт может произойти разрушение активных приборов (смесителей, детекторов). Кроме того, мощный сигнал помехи вызывает насыщение входных цепей, и поэтому требуется определенное время для восстановления чувствительности приемного устройства. При обратимых воздействиях возможно понижение чувствительности приемника из-за срабатывания автоматической регулировки усиления (АРУ) по помехе.