Ю.Е.СЕДЕЛЬНИКОВ - Электромагнитная совместимость

Рис. 2.35. Воздействие НЭМП на различные группы РЭС

Рассматривая воздействие НЭМП на рецепторы, принято выделять две различающиеся группы рецепторов:

-прием НЭМП радиоприемниками при условии воздействия помех на антенный вход;

-все остальные варианты, показанные на рис. 2.35: прием из­

лучаемых помех радиоприемниками при воздействии помимо ан­

тенного входа, воздействие на радиоприемники кондуктивных помех на все виды излучаемых и кондуктивных помех на устрой­ ства, не являющиеся радиоприемниками.

Разделение на приведенные группы имеет принципиальный

смысл. Радиоприемные устройства по своему основному назначе­ нию обеспечивают прием электромагнитных колебаний, наведен­ ных в антеннах, осуществляющих преобразование свободно рас­ пространяющихся волн в направляемые волны. Поэтому свойство реагировать на электромагнитные колебания, действующие на антенном входе приемника, есть неотъемлемое его свойство.

Все остальные виды нежелательных воздействий в той или иной мере связаны с техническим несовершенством радиоэлект­

ронных устройств. Очевидно, что свойство реагировать на внешние электромагнитные воздействия не относится к числу основных

91

функций как РЭС, не являющихся радиоприемниками, так и ра­ диоприемников по отношению к помехам, действующим помимо антенного входа. Исходя из приведенного разделения, рассмотрим в последующих разделах свойства радиоприемников по отноше­ нию к помехам, действующим на антенном входе, и остальных ус­ тройств, действие помех на которые отвечает группе «индустриа­ льные помехи».

2.5.2. Воздействие НЭМП на радиоприемники

Каналы приема

Радиоприемное устройство, состоящее из радиоприемника, антенны, фидера и вспомогательных устройств, предназначено для

селективного приема сигналов, соответствующих намеренной ра­

диопередаче. Для этого радиоприемное устройство обладает из­ бирательными свойствами по направлению прихода волны, час­ тоте и времени. Пространственная избирательность обеспечива­

ется поляризационными и направленными свойствами антенн, ча­ стотная и отчасти временная избирательность - свойствами радио­ приемника. Воздействие помех, проявляющееся как прием неже­ лательных радиоизлучений, может осуществляться как через ан­ тенну, так и помимо нее — через корпус, межблочные соединения, цепи электропитания и т.д.

Идеальный с точки зрения ЭМС радиоприемник должен при­ нимать полезные сигналы только в пределах необходимой полосы частот для данного сообщения, причем только через антенный вход. Для описания воздействия помех через антенный вход пользуются понятием «канал приема». Основным каналом приема (ОКП) назы­ вается полоса частот, находящаяся в полосе пропускания прием­ ника, предназначенная для приема полезных сигналов и соответ­ ствующая необходимой полосе частот для передаваемого сообще­ ния. Любой реальный приемник обладает в некоторой степени восприимчивостью вне основного канала приема как на частотах, непосредственно примыкающих к необходимой полосе частот, так

и в более широкой полосе. Полосы частот, соответствующие нежелательному приему, называют неосновными (или нежелатель­ ными) каналами приема.

92

Рассмотрим процессы, приводящие к приему помех за преде­ лами необходимой полосы частот. В большинстве случаев на прак­ тике используются приемники супергетеродинного типа (рис. 2.36).

Рис. 2.36. Супергетеродинный приемник

Принцип действия супергетеродинного приемника хорошо известен: колебания с частотой сигнала fc (в основном канале при­ ема) после усиления в усилителе радиочастот (УРЧ) поступают вместе с колебаниями гетеродина с частотой f- на смеситель. Пре­

образованное по частоте колебание с частотой (/_/-) = /пр* уси­

ливается в усилителе промежуточной частоты. Далее оно детекти­ руется и усиливается. Электрические колебания с частотой поме­ хи/п fc, не соответствующие полосе частот основного канала.

ром, в меньшей степени усиливаются (или даже ослабляются) УРЧ из-за его частотно-избирательных свойств и поступают в смеси­ тель приемника. После преобразования частоты колебание, соот­

ветствующее помехе с частотой/рсо5 - \fn-fc I в значительной мере

отфильтровывается частотно-избирательными цепями УПЧ. В ре­ зультате прием колебаний с частотой/, практически отсутствует. При этом частотная фильтрация помехи осуществляется цепями, предшествующими УРЧ, УРЧ и УПЧ. «Качество» фильтрации эти­ ми элементами различно: в наибольшей мере оно обеспечивается

в УПЧ, в значительно меньшей степени цепями, предшествующи­ ми смесителю (рис. 2.37).

•Или (/г-/с)=/пр

93

Таким образом, если уровни сигналов и помех таковы, что все усилительные каскады приемника работают в линейном режи­ ме, а активный элемент смесителя обеспечивает преобразование колебаний с частотами сигнала (помехи) и гетеродина вида

/пр=1/с-/Г1 и свойства частотной селекции приемника,

определяются только его линейными частотно-избирательными цепями. В силу принципиальных свойств линейных электрических цепей частотная характеристика приемника в линейном режиме работы не может быть идеально прямоугольной формы. Отличие частотной характеристики приемника от идеальной приводит к нежелательному приему колебаний, не соответствующих полосе частот основного канала приема. Это свойство приемника назы­

вается прямое прохождение помех.

Прямое прохождение помех

Из-за неидеальной частотной избирательности линейных кас­ кадов приемника (преселектора, фильтров в каскадах УРЧ и, глав­ ным образом, каскадов УПЧ) характеристика частотной избиратель­ ности приемника (рис. 2.37) всегда отличается от прямоугольной

Нормированный I'

Помеха

Рис 2.37 Частотные характеристики радиоприемника.

7 - преселектор, 2 — УРЧ, 3 - УПЧ и практически совпадающая с ней кривая результирующей частотной избирательности приемника в линейном режиме работы

Показателем качества частотной характеристики является

коэффициент прямоуголъности — отношение полосы пропускания

приемника, измеренной на уровне X дБ (например, на уровне 60 дБ), к полосе пропускания приемника, измеренной на уровне

3 дБ: кП=В^

94

Значительное число радиоприемников имеет высокое значе­ ние кп: для 90% приемников к^ 2,5; для 50% кп > 4; для 20% кв > 8. Из-за существенного отличия характеристики частотной избира­ тельности от прямоугольной становится возможным прием помех с частотами, примыкающими к основному каналу приема. Ука­ занный механизм приема обусловлен только недостаточно высо­ кой избирательностью линейных каскадов приемника.

Побочные каналы приема

Побочным каналом приема (ПКП) радиоприемника называ­

ется полоса частот, находящаяся за пределами основного канала приема, в которой сигнал проходит на выход радиоприемника. К числу ПКП относятся канал приема на промежуточной частоте, комбинационные каналы приема, зеркальный канал и каналы на субгармониках частоты настройки.

В супергетеродинных приемниках образование побочных ка­ налов приема связано с процессом преобразования частоты. Час­ тотная избирательность определяется главным образом каскадами

УПЧ, так как избирательность цепей, предшествующих смесителю, значительно меньше избирательности УПЧ*. Поэтому на смеситель

приемника поступают электромагнитные колебания как полезного сигнала, так и помех, уровень которых соизмерим с амплитудой полезного сигнала или даже превосходит его (см. рис. 2.37).

Смеситель производит нелинейное преобразование колеба­ ний сигнала, гетеродина и помех, в результате образуются колеба­ ния гармоник и комбинационных частот вида I m,fc + ти2/г+

+ =0,±1,±2,...), где/с,Уг,7^ - соответственно часто­

ты сигнала, гетеродина и помехи. Число составляющих тем боль­ ше, чем выше степень нелинейности смесителя, а их амплитуда тем больше, чем выше степень нелинейности и меньше величина N - 17??! | + I т21 +1 т~ |, называемая порядком преобразования.

По принципу действия супергетеродинного приемника в по­ лосу пропускания УПЧ должна попасть одна из частот биений

’ Указанное свойство принципиально связано с тем, что частотная избира­ тельность не может быть эффективной во входных каскадах без значительного снижения чувствительности приемника.

95

сигнала и гетеродина: (fc - fr) или (fv — fc). Кроме нее, в полосе пропускания УПЧ могут оказаться некоторые другие составляю­ щие преобразования частот сигнала, помехи и гетеродина, кото­ рые не могут быть подавлены и обусловливают прием помехи по побочному каналу приема. Поскольку восприимчивость приемника связана с амплитудой преобразованного сигнала, наиболее значи­ мы те составляющие, которые имеют наибольшие амплитуды. Колебания на частоте гетеродина обычно на несколько порядков превышают амплитуду сигнала и помехи, поэтому наиболее важ­

ны продукты преобразования частот гетеродина и помехи вида

|w2/r + w3/n|; (т2,/Из =0,±1,±2,..).

Таким образом, частотное условие возникновения побочных каналов приема в супергетеродинном приемнике имеет вид

(2.27)

где /т, Вт - соответственно среднее значение частоты и полоса тракта УПЧ.

Из соотношения (2.27) следуют частные случаи:

Тп=£пч ~ прием на промежуточной частоте (ти2 =0,т~ =1);

± 2^- прием по зеркальному каналу, когда |лг,| = |ти^| = 1;

прием на субгармонике частоты настройки (/и, = 0).

Любые помехи, отвечающие условию (2.27), кроме перечис­ ленных, соответствуют каналам приема, называемым комбинаци­ онными каналами приема.

В приемниках с двойным, тройным и т.д. преобразованием частоты качественная картины сохраняется для каждого из смеси­

телей. Потенциально возможное число комбинационных каналов возрастает, так как в каждом последующем смесителе возможно

образование биений не только частот сигнала, помехи и гетероди­ нов, но и результатов преобразования предшествующих смесите­ лей. Однако в силу высокой избирательности тракта первого УПЧ образование комбинационных каналов обусловлено преимуще­ ственно процессами в первом смесителе.

96

С точки зрения снижения числа нежелательных ПКП идеаль­

ным является приемник со смесителем с квадратической характе­

ристикой. В этом случае существуют преобразованные частоты только 2-го порядка: |±fc±fr| и ]± fn±fT| Частота принимае­

мого сигнала равна fr± и в соответствии с условием (2.27) воз­ можен прием помехи только с частотой fn-fr± 2 /т, т.е. только зеркальный канал приема (а также прием на промежуточной час­ тоте за счет прямого прохождения). Отличие формы характерис­ тики смесителя от квадратической приводит к росту числа преоб­

разованных составляющих. Например, при преобразовании 3-го порядка (кубическая нелинейность), как следует из условия (2.7), возможен прием на частотах, соответствующих условиям

|± 2/п±/г| =/пч и |± 2/г±/п| =/т, т.е. на частотах /с/

(2-я субгармоника частоты настройки),

2/с = Лн (комбинационные каналы). Чем больше отличие характе­ ристики смесителя от квадратической, тем больше число потенци­ ально возможных побочных каналов приема. Восприимчивость по конкретному побочному каналу тем больше, чем меньще частот­

ная отстройка данного канала от частоты сигнала и меньше поря­ док преобразования. Нелинейные свойства преобразователя час­ тоты зависят от типа активного элемента, его характеристик, ре­

жима, диапазона частот и схемы устройства.

Побочные каналы приема присущи также некоторым другим устройствам, в которых имеет место преобразование частоты, на­ пример параметрическому усилителю. Здесь, в частности, возмо­ жен нежелательный прием на частотах гармоник сигнала или

в зависимости от значения частоты накачки на некоторых некрат­

ных им частотах.

Внеполосные эффекты

Существует ряд механизмов, вызывающих реакцию радио­

приемника на воздействие помех, не совпадающих по частоте с частотами основного или побочных каналов приема. Указанные эффекты имеют в своей основе то, что в силу недостаточно высо­ кой частотной избирательности линейных цепей устройств, пред-

97

шествующих смесителю, колебания помех, не соответствующие полосе частот основного канала, действуют в УРЧ и попадают на смеситель приемника. Если интенсивность помехи такова, что пре­ вышает диапазон линейности активных элементов, наблюдается ряд специфических эффектов, проявляющихся в реакции радиопри­ емника на указанные помехи. Влияние помехи проявляется в виде эффектов блокирования или перекрестной модуляции или одновре­

менного возникновения указанных эффектов.

Блокированием называется изменение уровня сигнала или от­ ношения сигнал-шум на выходе радиоприемника при действии интенсивной радиопомехи, частот'а которой не совпадает с часто­

тами основного и побочных каналов приема радиоприемника. Это явление проявляется в уменьшении усиления приемника в присут­ ствии помехи.

Перекрестными искажениями называется изменение структу­ ры спектра сигнала на выходе радиоприемника при одновремен­ ном действии сигнала и модулированной радиопомехи, частота которой не совпадает с частотами основного и побочного кана­ лов приема. Перекрестные искажения часто проявляются в виде

модуляции принятого сигнала частотами модуляции помехи. Явления блокирования и перекрестных искажений имеют об­

щую природу, обусловленную нелинейными свойствами активных элементов. Как уже отмечалось, частотная избирательность вход­ ных цепей и каскадов УРЧ значительно меньше избирательности приемника в целом. Поэтому на активные приборы, предшествую­ щие УПЧ, действуют помехи в широкой полосе частот. Если сум­ марное напряжение сигнала и помех на активных элементах усили­ телей соответствует линейному участку их рабочих характеристик (порядка 0,2...0,6 В для электровакуумных приборов, 0,03...0,06 В для полевых и 5...6 мВ для биполярных высокочастотных транзис­ торов), происходит независимое усиление сигнала и помех. Посколь­ ку частоты сигнала и помехи различны, помехи будут отфильтро­

вываться в тракте УПЧ и на оконечное устройство приемника не поступают. Аналогично, если уровни действующих колебаний,

поступающих на смеситель приемника, соответствуют квадратичес­

кому участку его характеристики, в смесителе происходит незави­ симое преобразование частот сигнала и помехи.

98

При воздействии на приемник интенсивной помехи суммар­

ный уровень сигнала и помехи уже не соответствует линейному участку характеристики усилителя или квадратическому участку характеристики смесителя. Линейность передаточной функции этих

устройств нарушается, и сигнал на выходе смесителя или усилите­ ля при совместном действии сигнала и помехи не равен сумме вы­ ходных сигналов, соответствующих действию помехи и сигнала по отдельности. В отсутствие сигнала приема помехи не происходит, так как частота помехи после преобразования не попадает в поло­ су пропускания УПЧ. Однако наличие интенсивной помехи изме­

няет условия прохождения полезного сигнала в тракте УРЧ, в сме­ сителе и, быть может, в первых каскадах УПЧ и проявляется в виде эффектов блокирования и перекрестных искажений.

Рассмотрим причины, вызывающие изменение условий про­ исхождения сигнала в присутствии помех в устройстве с нелиней­ ными свойствами. Типичная амплитудная характеристика усили­ тельных каскадов приемника, в том числе УРЧ, имеет вид, пока­ занный на рис. 2.38. Ее можно представить в виде степенного ряда:

входных воздействий вклад кубического члена становится значи­

тельным (7ВЫХ + , причем < 0.

Рис. 2.38. Амплитудные характеристики: а - УРЧ; б - смеситель

99

Пусть входное воздействие состоит из гармонических сигна­

ла Uccosact и помехи t/ncoscon/.

При воздействии их суммы на линейное устройство, когда их амплитуды не выходят за предел линейного участка характерис­ тики (рис. 2.38, а), выходной сигнал имеет вид суммы колебаний с

(/вьк (0 = аРп cos®г? + аз (^п cos ®пгУ представляет собой колеба­

ния с частотами ®п и Зюп, которые не соответствуют полосе про­ пускания приемника и будут отфильтрованы частотно-избиратель­

ными цепями до смесителя и, главным образом, после него.

Если одновременно действует сигнал и помеха с амплитудой,

превышающей диапазон линейности, выходное колебание

£7Вых (z) = ах (Uc coscocz + Un cos®nz) + о. (Uc coscocZ + Un cosconz)J со­

держит составляющие с частотами ®с, ®п, Зос и 3®п. Составляю­ щие с частотами ®п, 3(£>g , 3®п будут отфильтрованы частотно-из­ бирательными цепями. Составляющая с частотой ®с будет иметь

амплитуду, равную ахис + a3UcU^ т.е. зависящую от амплитуды по­

мехи. Это явление приводит к блокированию и перекрестным ис­ кажениям:

-амплитуда сигнала в присутствии мощной помехи снижает­ ся (поскольку а3 <0);

-сигнал оказывается дополнительно промодулированным ча­

стотами модуляции помехи. Действительно, пусть амплитуда по­ мехи изменяется во времени по закону Un = Un(f). Амплитуда ко­ лебаний на частоте ®с также будет изменяться в соответствии

сt7n(z). Это означает, что сигнал оказывается дополнительно про­ модулированным частотами модуляции помехи.

По аналогичным причинам явления блокирования и пере­

крестных искажений могут также происходить в смесительном

каскаде радиоприемника. Действительно, в пределах рабочего уча­ стка амплитудной характеристики смесительного каскада

С7ВЫХ ^а2^зх (Рис- 2-38, б). При больших амплитудах входного ко-

100