Ю.Е.СЕДЕЛЬНИКОВ - Электромагнитная совместимость

дуляции сигнала. Различают излучения на гармониках, субгармо­ никах, паразитные, комбинационные и интермодуляционные. Пе­

речисленные виды излучений вызываются нелинейными процес­ сами, существующими в самом передатчике, а также фидере и ан­ тенне В образовании интермодуляционных излучений, кроме того, принимают участие внешние электромагнитные поля, воздейству­ ющие на данное радиопередающее устройство.

Радиоизлучение на гармонике — побочное радиоизлучение на частотах, в целое число раз больших частоты основного радиоиз­ лучения. fTSfts - mf0, от = 2, 3, . ..и (рис 2 4). Излучения на гармони­

ках принципиально присущи любым радиопередающим устрой­ ствам и обусловлены нелинейностью амплитудных и фазовых ха­ рактеристик, главным образом, активных элементов Конечным

результатом является то, что выходное немодулированное коле­

бание U(i) имеет форму, отличающуюся от гармонической, и, сле­ довательно, представляет собой сумму колебаний основной час­

тоты То и ее гармоник

U(t) = U0^Ulcos(2nf0t + ^ + ^итсоз{2пт/^ ^<рт). (2 1)

ш-2

где Um - коэффициенты разложения U(f) в ряд Фурье; от = 0,1, ...

Уровень гармонических составляющих генерируемого или усиливаемого колебания зависит от схемы радиопередающего ус­ тройства, типа и рабочих параметров активных приборов, режи­ ма работы, наличия дополнительных устройств частотной фильт­

рации и т.д. Конкретное проявление нелинейных свойств различ­ но в зависимости от диапазона частот.

В радиопередающих устройствах метрового и отчасти деци­

метрового диапазонов волн, использующих ламповые и транзис­ торные генераторы, генерация гармоник вызвана в основном нелинейностью амплитудной характеристики активного прибора, особенно если последний работает в режиме с углом отсечки ме­ нее 180°. На более высоких частотах существенную роль в образо­ вании гармоник может играть явление запаздывания. Кроме того, в электронных приборах СВЧ, например в клистронных генерато­

рах или генераторах на ЛОВ, где время пролета электронов соиз­ меримо или превышает период высокочастотного колебания, по-

31

Таблица 2.2

Относительные уровни мощности излучений на гармониках

Колебания на частотах гармоник могут возникать также и в фидере вследствие нелинейности характеристик размещенных в нем ферритовых и полупроводниковых элементов. Кроме того, нели­ нейные свойства фидеров могут быть вызваны нелинейностью пе­ реходных сопротивлений между соприкасающимися поверхностя­ ми, поскольку в сочленениях волноводов, механических соедине­

ниях антенн и т.д. возможно образование слоев окислов, облада­

ющих нелинейной амплитудно-фазовой характеристикой. Нако­ нец, в процесс излучения гармоник основной частоты могут вне­

сти вклад нелинейные эффекты, подобные описанным и происхо­

дящие в элементах конструкции антенных мачт, а также в свар­ ных, клепанных, болтовых и других соединениях конструкций под­ вижного объекта, на котором размещено радиопередающее уст­ ройство. При излучении сигналов антеннами, расположенными на

подобных объектах, на металлических поверхностях, находящих­ ся в непосредственной близости от них, возникают наведенные токи. В отличие от контактов в радиочастотных трактах, имею­ щих антикоррозионные покрытия и защищенных от внешних кли­ матических воздействий, соединения в элементах конструкции не­ редко выполняют исходя из требований лишь механической проч­ ности, и следовательно, они более подвержены влиянию коррозии и связанных с ней нелинейных эффектов. Поэтому указанные эф­ фекты могут явиться причиной возникновения значительного уров­ ня излучений на гармониках (до -40... -80 дБ относительно мощ­ ности основного радиоизлучения). Уровни этих гармонических

33

составляющих могут изменяться в значительных пределах: до ±30 дБ при сухих контактах и до ±13 дБ при влажных. Заметим, что с упомя­ нутыми явлениями тесно связано образование так называемых кон­ тактных помех.

Радиоизлучение на субгармониках - побочное радиоизлучение на частотах, в целое число раз меньших частоты основного радио­

излучения. Несущие частоты их равны:/су5г = fjm, т ~ 2, 3, ..., где f0- несущая частота основного радиоизлучения. Радиоизлучения на субгармониках свойственны радиопередатчикам, использую­ щим умножение частоты. Схема умножения применяется не толь­ ко в относительно низкочастотных диапазонах, где используются стабилизированные генераторы опорных частот, но и в диапазоне

СВЧ, поскольку мощность полупроводниковых или диодных ге­

нераторов, особенно в верхней части СВЧ диапазона, недостаточ­ но высока. Например, в излучающих модулях активных фазиро­ ванных антенных решеток могут использоваться маломощные транзисторные генераторы и умножители частоты на варактор­ ных диодах или диодах с накоплением заряда.

Хотя в состав каскадов умножителя частоты входят частот­

ные фильтры, гармоники и субгармоники выделяемой частоты по­ давляются не полностью и присутствуют в спектре выходного ко­

лебания.

Паразитное радиоизлучение - вид побочного излучения, воз­ никающего в результате самовозбуждения радиопередатчика из-за паразитных связей в его генераторных или усилительных кас­ кадах. Для данного излучения характерно, что его частота некрат­ на частоте основного радиоизлучения и субгароник: /пар ± mfQ, т = 1, 2, 3,..., 1/2, 1/3 ... Паразитные излучения могут иметь место на частотах как ниже, так и выше основной частоты. В ламповых

и транзисторных генераторах излучение на более низких частотах

чаще всего определяется самовозбуждением из-за паразитных ре­ зонансов в цепях питания. Частоты таких колебаний обычно на порядок меньше основной частоты. Самовозбуждение на высоких частотах возникает, например, при параллельном соединении не­ скольких выходных генераторных приборов. В этом случае пара­ зитные резонансы обусловлены наличием индуктивности соеди­ нительных проводов, выводов электровакуумных или транзистор­

34

ных приборов, а также конструктивными и межэлектродными емкостями. Аналогичные явления могут возникать также в двух­ тактных схемах, в схемах нейтрализации выходных контуров пе­ редатчиков и др. В некоторых случаях образование паразитных колебаний связано с явлениями в самих приборах, например с динатронным эффектом. В диапазоне СВЧ к перечисленным меха­

низмам добавляется возможность образования паразитных резо­ нансов в фидерном тракте вследствие влияния рассогласования ан­ тенны, соединенной с передатчиком протяженным фидером. Воз­ можны также паразитные резонансы на различных неосновных типах колебаний резонаторов и типах волн в волноводах.

В радиопередатчиках диапазона СВЧ основную роль в воз­ никновении паразитных излучений играют внутренние паразит­ ные связи в электровакуумных приборах. Внутренние паразитные связи обусловленны физическими процессами, происходящими в самом электронном приборе, и могут быть устранены, как прави­

ло, только при оптимизации конструкции прибора.

Причины, приводящие к возникновению паразитных коле­ баний в результате внутренних связей в электронных приборах,

многообразны и в подавляющем большинстве случаев индивиду­ альны для каждого класса прибора. Имеющиеся эксперименталь­ ные данные позволяют заключить, что в сеточных ЭВП, транзис­ торах, клистронах редко возникают проблемы паразитных коле­ баний. Наиболее предрасположены к возбуждению паразитных колебаний ЭВП с длительным взаимодействием (магнетроны, ам­ плитроны, ЛБВ, ЛОВ). Для генерации паразитных колебаний в приборах этих классов необходимо выполнение двух условий: наличие положительной обратной связи между выходом и входом

прибора в целом или его секциями и синхронизации электронного потока с электромагнитной волной в замедляющей системе для обеспечения необходимого усиления электромагнитной волны.

В относительно широкополосных усилительных приборах (ЛБВ, амплитронах) эти условия могут одновременно выполнять­ ся на границах рабочей полосы частот замедляющих систем, где еще обеспечивается достаточный синхронизм между электромаг­ нитной волной и потоком электронов. Сложность согласования элементов электронного прибора между собой на этих частотах

35

может привести к положительным обратным связям при отраже­ нии волн от концов или неоднородностей замедляющей системы.

В узкополосных усилительных приборах ЛОВ М- и О-типа условия паразитной генерации одновременно могут быть выпол­ нены за пределами полосы электронной перестройки в течение фронта или спада модулирующего напряжения.

Мощность и значение частоты паразитного излучения трудно

предсказуемы и могут иметь значительный разброс даже в группе

однотипных устройств. В последние годы достигнуты значительные успехи в разработке методов, направленных на исключения причин

возникновения паразитных колебаний или существенное ослабле­ ние их в ЭВП с длительным взаимодействием. Однако и во вновь разработанных ЭВП (в основном в приборах М-типа) отмечаются еще достаточно высокие уровни паразитных колебаний, нередко достигающие -30...-40 дБ относительно основного колебания.

Комбинационное радиоизлучение - побочное радиоизлучение, возникающее при воздействии на нелинейные элементы радиопе­ редающего устройства колебаний на частотах несущих или фор­

мирующих несущую частоту, а также гармоник этих колебаний. Комбинационные излучения имеют место главным образом в ра­ диопередатчиках, в которых применяется возбудитель, создающий сетку рабочих частот нелинейными преобразованиями вспомога­ тельных стабилизированных по частоте колебаний. Здесь на нели­ нейный элемент радиопередатчика поступают колебания с часто­

тами /р/,,/3, ..., находящиеся обычно в декадном соотношении: f2=lQfx,f3=10f2, ... В результате их смешения возникают различ­ ные комбинационные составляющие с частотами /ком6= |±

± m2f2±... |. Выходной фильтр выделяет необходимую частоту, осуществляя возбуждение широкополосного оконечного каскада

стабилизированным колебанием. Поскольку избирательные свой­

ства любого фильтра конечны, он лишь частично подавляет ос­ тальные неиспользуемые колебания. После усиления в оконечном устройстве (с учетом его избирательных свойств) эти колебания проявляются в виде нежелательных излучений с соответствующи­ ми частотами.

Другой причиной возникновения комбинационных излуче­ ний может быть многочастотный режим радиопередатчика. В мно-

36

гочастотном режиме работы усилителей мощности наиболее опас­ ными являются комбинационные колебания третьего порядка, возникающие из-за нелинейности характеристик усилителей на частотах:

Л_р/Р1-Л2,

где f v - несущие частоты первого и второго сигналов.

Физическая природа возникновения этих сигналов та же, что

ив возникновении интермодуляционных излучений. В режиме максимального кпд оконечных каскадов усилителя мощности от­ носительные уровни комбинационных составляющих третьего порядка практически не зависят от типа электронного прибора

имогут достигать значений порядка -10...-14 дБ.

Уровни комбинационных излучений имеют наибольшие зна­ чения в полосе частот, соответствующей полосе пропускания око­ нечного усилителя, и довольно быстро убывают за ее пределами. В ряде случаев значительные уровни комбинационных колебаний

на выходе радиопередатчика могут возникнуть на гармонике несущей частоты информационного сигнала, если частота гармо­

ники также попадает в полосу пропускания усилителя мощности. Амплитуды комбинационных составляющих зависят, в основном, от схемы синтезатора. Наиболее совершенные из них, использующие цифровые методы деления частоты и активные фильтры в виде кас­ кадов, охваченных частотной и фазовой автоподстройкой частоты, имеют уровни комбинационных излучений порядка 80 ... 120 дБ относительно мощности основного радиоизлучения.

Интермодуляиионное радиоизлучение - побочное радиоизлу­ чение, возникающее в результате воздействия на нелинейные эле­ менты высокочастотного тракта радиопередающего устройства

генерируемых колебаний и внешнего электромагнитного поля (от другого радиопередатчика). В определенном смысле они являют­

ся результатом нарушения работы радиопередающего устройства под влиянием радиопомех от других радиопередатчиков, имеющих

с рассматриваемым сильную связь. Такая ситуация соответствует либо близкому расположению нескольких радиопередающих уст­

ройств с раздельными антеннами на ограниченной территории,

37

например на корабле, самолете, узле связи, либо при работе не­ скольких радиопередатчиков на общую антенну. Воздействие вне­ шних электромагнитных полей из-за конечной частотной избира­ тельности антенн, фидера и выходных фильтров передатчика,

атакже вследствие недостаточного экранирования фидера и раз­ вязки по цепям электропитания может происходить через антен­ ны и помимо антенн, через корпуса и межблочные соединения,

атакже цепи электропитания.

При наличии нелинейности любой природы, например вы­ ходного активного прибора или элементов фидера, происходит взаимодействие внешнего колебания с частотой /п и генерируемо­ го. В результате появляются дополнительные составляющие на

случае образования гармоник, имеют значение нелинейности ам­ плитудных и фазовых характеристик, причем последняя наиболее характерна для приборов СВЧ диапазона. Например, для усили­ телей мощности, выполненных на ЛБВ, уровень интермодуляци­ онных составляющих равен -20 ...—40 дБ относительно уровня ос­

новного излучения даже в том случае, когда воздействующий сиг­

нал на 5 ... 10 дБ меньше уровня насыщения.

Число и амплитуды интермодуляционных составляющих за­ висят от степени нелинейности: чем сильнее выражены нелинейные свойства, тем больше образуется интермодуляционных составляю­ щих и тем выше их амплитуды. Интенсивность интермодуляцион­

ных составляющих зависит также от порядка преобразования ^Чптт= I т\ + mi I и убывает, как правило, с ростом этой величины.

Если разность частот генерируемого и мешающего колеба­ ний невелика, интермодуляционные колебания могут возникнуть из-за свойства автогенератора синхронизироваться приложенны­ ми к нему внешними колебаниями. Указанный механизм в прин­

ципе возможен в любых типах автогенераторов, но наибольшее значение имеет для устройств СВЧ диапазона, в частности для ав­ тогенераторов на магнетронах. При воздействии на них внешних колебаний, не вызывающих существенного изменения энергетичес­ ких характеристик, но имеющих малую расстройку от генерируе­ мой частоты, происходит частичный захват частоты. Действие

38

помехи в этом случае приводит к модуляции основного колебания по амплитуде и частоте, а также к смещению частоты основного колебания и изменению его мощности. При этом выходной спектр оказывается несимметричным относительно центральной часто­

ты и содержит ряд боковых частот, отстоящих от основной на

(п = 1,2, ...). Величина Л/Х11Т имеет порядок разности частот основного и мешающего колебаний: I/, - I; ее точное зна­

чение, а также амплитуды спектральных составляющих зависят от относительной амплитуды внешнего сигнала, расстройки и пара­ метров автогенератора. Полоса частот, в пределах которой еще возможен указанный механизм интермодуляции, при относитель­

ном уровне помехи -20 ... -30 дБ может быть значительной и пре­ восходить в 15 ...25 раз полосу синхронизации автогенератора. При этом относительный уровень интермодуляционных составляющих может доходить до значений -30 ... -35 дБ, а при меньших рас­

стройках - даже до -10 ... -15 дБ.

Второй механизм возникновения интермодуляционных излу­ чений часто называют параметрическим. Электромагнитное поле на частоте помехи изменяет параметры электронного прибора во времени (крутизну вольтамперной характеристики сеточных ЭВП и транзисторов, параметр группировки электронов в ЭВП СВЧ),

что приводит к модуляции сигнала на рабочей частоте и появле­ нию в спектре выходного сигнала колебаний на комбинационных частотах.

Кроме отмеченных механизмов возникновения интермодуля­ ционных излучений, связанных непосредственно с процессами в ак­ тивных устройствах, как и в случае излучений на гармониках, воз­ можно образование их из-за нелинейных свойств элементов фидера и различных элементов конструкции. Из интермодуляционных ко­ лебаний наиболее интенсивными являются колебания третьего по­ рядка на частотах 2/п -f0 и 2fQ -fn, уровень которых нередко дости­ гает -35. ..-20 дБ при уровне внешнего сигнала -20...-15 дБ.

При воздействии двух и более мешающих колебаний интер­ модуляционные частоты/ивт = |± mJz± /и,/п1 ± m,fn3± ... |. а их

общее число оказывается значительным. Например, 10 работаю­

щих передатчиков могут генерировать около 100 составляющих второго порядков (N^ = 2) и 800 - третьего порядка (Nm = 3) .

39

Все сказанное относится к немодулированным основным ко­ лебаниям. При наличии модуляции передаваемого сигнала могут оказаться модулированными и некоторые составляющие побоч­ ных излучений. В зависимости от механизма возникновения по­ бочного излучения его спектр либо подобен спектру основного

радиоизлучения, либо занимает более широкую полосу частот.

2.2.2. Внеполосные излучения

Внеполосное радиоизлучение определяется как нежелатель­ ное в полосе частот, примыкающей к необходимой полосе радио­ частот, и является результатом модуляции. Оно может быть вы­ звано рядом причин, к наиболее существенным из которых можно отнести следующие.

1. Передача сигналов с более широкой полосой частот, чем это требуется для нормальной работы. Например, для импульсной пе­ редачи с чрезмерно крутыми фронтами полоса частот, в которой сосредоточена основная доля мощности, может превышать необхо­ димую полосу частот. Как видно из рис. 2.5, сигналы прямоуголь­ ной формы по сравнению с сигналами другой формы при одной и той же длительности импульсов характеризуются замедленным убы­ ванием спектральных составляющих, а значит, занимают более широкую полосу частот. Ограничение длительности фронта импуль­ са, скругление их вершин приводят к существенному уменьшению

40