Ю.Е.СЕДЕЛЬНИКОВ - Электромагнитная совместимость

2. Наличие нелинейности амплитудных характеристик элемен­ тов передатчика (усилитель, модулятор, элементы фидера). В ре­

зультате в спектре выходного колебания присутствуют дополни­ тельные частотные составляющие, обусловленные биениями час­

тот отдельных спектральных составляющих передаваемого сигна­ ла, как в пределах необходимой полосы частот (нелинейные иска­

жения сигнала),так и вне ее (внеполосные излучения).

К аналогичным результатам приводит наличие нелинейнос­ ти фазовых характеристик. Зависимость фазы выходного напря­ жения от амплитуды входного сигнала, присущая многим прибо­ рам диапазона СВЧ, вызывает существенное расширение спектра

выходного колебания. Так, при амплитудной модуляции сигнала в усилителях на ЛЕВ возникает паразитная фазовая модуляция,

которой соответствует более широкий спектр. В импульсных маг­

3. Наличие нелинейности в тракте формирования модулирую­ щих сигналов. Данное явление вызывает расширение полосы час­ тот модулирующего сигнала вследствие образования дополнитель­ ных спектральных составляющих. Модулирующий сигнал в этом случае занимает более широкую полосу частот, что неизбеж­ но приводит к расширению спектра радиоизлучения. Наличие перемодуляции, т.е. использование модулирующих сигналов чрезмер-

41

но высокого уровня или ограничение их амплитуд улучшает неко­ торые индивидуальные характеристики радиопередатчиков и ши­ роко применяется, например, в подвижных РЭС. Однако при этом существенно расширяется спектр модулированных радиосигналов. Так, повышение уровня модулирующего сигнала на 17% по отно­ шению к уровню 100%-ной амплитудной модуляции может привес­ ти к возрастанию боковых составляющих вида/, ± 3FM0A до 8дБ.

4. Использование квантования также вызывает расширение спек­ тра по сравнению со случаем, когда квантование не используется.

2.2.3. Шумовые излучения

Шумовое излучение радиопередающего устройства - неже­

лательное радиоизлучение, обусловленное собственными шумами и паразитной модуляцией генерируемого колебания шумовыми процессами радиопередатчика. Для него характерны уровни на 60.. 80 дБ ниже уровня основного излучения и весьма широкая по­ лоса частот, превышающая необходимую в десятки и сотни раз. Несмотря на относительно низкий уровень, шумовые излучения могут в ряде случаев нарушать работу близкорасположенных ра­ диосредств, использующих соседние радиоканалы.

Источниками шумовых излучений являются различные эле­ менты передатчика: электровакуумные или твердотельные прибо­ ры в выходных автогенераторах или усилителях мощности, возбу­ дитель, низкочастотные тракты модуляторов, источники электро­ питания. Шумы, возникшие в передатчиках, могут проводить к

амплитудной и фазовой модуляциям основного колебания шумо­ вым процессом, что и обусловливает шумовые излучения. Важно

отметить, что в мощных приборах шумовые излучения нередко

проявляются в отсутствие основного излучения.

Одной из причин наличия интенсивных шумовых излучений

является то, что требования достижения высокого КПД и малых шумов оказываются, как правило, противоречивыми. Например, в генераторах на диодах Ганна обеспечивается уровень шумового излучения на 10 ...15 дБ меньше, чем в генераторах на лавинно­ пролетных диодах (ЛПД). Однако по КПД они заметно уступают автогенераторам на ЛПД. Аналогичное положение имеет место и

42

при использовании в диапазоне СВЧ биполярных и полевых тран­ зисторов (последним свойствен уровень шума, меньший пример­ но на 20 дБ).

Значительные шумы создаются возбудителями, в особенно­ сти имеющими каскады умножения частоты, а также синтезато­ рами частоты, формирующими сетку опорных частот за счет нелинейных преобразований их ряда. В этих случаях на нелиней­ ных элементах схем действуют полезные колебания требуемых ча­ стот и собственные шумы. После преобразования на нелинейном элементе полезные сигналы образуют колебания требуемых час­ тот, а биения шумовых колебаний и гармонических составляю­ щих - шумовой процесс. Однако амплитуды преобразованных со­ ставляющих уменьшаются в большей мере, чем соответствующие плотности шумового спектра, в результате отношение сигналшум после преобразования ухудшается. Например, удвоитель частоты ухудшает это отношение приблизительно на 6 дБ, а утроитель - на 10 дБ. Аналогичные значения соответствуют и пре­ образованиям второго - третьего порядка при смешении частот двух колебаний. Таким образом, при многократных умножениях или преобразованиях частоты сигналы на выходе возбудителя могут иметь значительный уровень шумов, порождающих шумо­ вые излучения.

Интенсивность шумовых излучений (спектральная плот­ ность мощности, измеряемая при определенных значениях от­ стройки) зависит от схемы передатчика, его назначения, диапа­ зона частот, применяемой элементной базы и отстройки А/ от частоты /0 основного излучения. Так, для диапазонных транзис­ торных и ламповых радиопередатчиков при отстройках от f0 до 10 ... 15% наибольший вклад вносят оконечные каскады. Здесь скорость спада около 3 дБ на октаву, а уровень шумов от возбу­ дителя значительно меньше. При больших отстройках уровень шума практически постоянен и определяется лишь фильтрующи­ ми свойствами антенн передатчика и фидеров. В резонансных передатчиках при отстройках от f0 до 1 ... 2% преобладает влия­ ние шумов возбудителя (скорость спада до 15 ... 18 дБ на октаву). Скорость убывания огибающей энергетического спектра шумо­ вых излучения в этих случаях зависит от числа и качества изби-

43

рательных цепей в предварительных и выходных каскадах пере­ датчика. Например, полосовые фильтры в выходных цепях пере­ датчика дециметрового диапазона волн на основе коаксиальных резонаторов позволяют снизить его шумовые излучения с 15 до

185 дБ при отстройках от fQ в пределах ± 2МГц в полосе 3 кГц.

При больших расстройках от fQ преобладают шумы источников электропитания.

Наибольшее практическое значение имеет учет шумовых из­ лучений в системах радиосвязи. Возможные нарушения ЭМС для них связаны с тем, что они часто создают помехи приему в сосед­ них частотных каналах. Наличие‘шумовых излучений влияет на выбор частот соседних радиосредств, а также частот приемников

и передатчиков при организации дуплексной радиосвязи.

2.2.4. Параметры нежелательных излучений радиопередатчиков

Для количественной оценки уровней нежелательных излуче­ ний радиопередатчиков используется ряд их параметров. Выбор параметров, используемых в практике ЭМС, характеризующих неосновные (нежелательные) излучения радиопередатчиков, опре­

деляется следующими требованиями:

-используемые параметры должны быть в достаточной мере информативны и отражать основные свойства помех, влияющих на работу различных рецепторов;

-вводимые параметры должны допускать, по возможности,

простое представление, удобное для включения их в нормируемые показатели;

-эти параметры должны быть достаточно удобными с точки зрения возможности их контроля при непосредственном измерении.

Учитывая условия в качестве параметров радиоизлучений передатчиков, как правило, используют величины, характеризую­

щие интенсивности их в выходном тракте радиопередатчика. Для побочных излучений в качестве параметра используется

величина абсолютной или относительной (по отношению к мощ­ ности основного излучения) мощности наибольшего по уровню побочного излучения (рис. 2.7):

44

^=1018{ши(^,/;*),дБ.

Рис 2 7 К определению параметров побочных излучений

Внеполосные излучения характеризуются параметрами спект­ ра выходного колебания радиопередатчика. В качестве этих пара­ метров в большинстве практических случаев используется ряд зна­

чений полос частот - ВХ1, соответствующих относительным уров­

ням Xt дБ (рис. 2.8). Чаще всего это значение полос частот В3 и В60, соответствующих относительным уровням - 3 и — 60 дБ, реже - B-iW

соответственно уровню - 30 дБ.

Рис. 2.8. К определению параметров внеполосных излучений

45

Шумовые излучения характеризуются спектральной плотностью шумового излучения - абсолютной в Вт/Гц, или относительно основ­ ного излучения и шириной полосы частот, в пределах которой ин­ тенсивность шумовых составляющих превышает некоторый уровень.

2.3.Индустриальные помехи

2.3.1.Понятие индустриальных помех

Исторически сложившийся термин «индустриальные радиопо­

мехи» (ИРП) объединяет широкий круг электромагнитных помех, создаваемых различными электронными и электротехническими устройствами, применяемыми в технике, быту и т.д. Роль методов

борьбы с индустриальными помехами, влияющими на ЭМС средств, весьма велика, так как эти помехи не только ухудшают показатели качества средств радиовещания, связи, телевидения и т.п., но и яв­ ляются одной из важнейших причин нарушения ЭМС РЭС на объек­

тах. Источники индустриальных помех достаточно плотно разме­ щены в пространстве, часто в непосредственной близости от РЭС — рецепторов. Поэтому, несмотря на меньшую мощность на радиоча­ стотах в сравнении с радиостанциями, ИРП в значительной степени определяют электромагнитную обстановку.

Воздействуя различными путями на радиоэлектронную ап­

паратуру, они ухудшают качество работы не только радиоприем­ ных устройств, но и различных средств, не предназначенных для радиоприема: электронно-вычислительных машин, средств элект­ ронной автоматики, устройств преобразования информации и т.п., работающих как самостоятельно, так и в комплексе с радиопере­ дающими и радиоприемными устройствами.

Существуют две главные причины возникновения индустри­

альных радиопомех. Во-первых, в цепях различных устройств про­ текают переменные электрические токи и создание помех обуслов­

лено излучением электромагнитных полей, создаваемых этими

токами, в окружающее пространство. Для таких помех характер­ но то, что их спектральный состав соответствует сигналам, исполь­ зуемым в источнике помех для передачи полезной информации или обработки ее. Другая причина связана с изменением энергопот­ ребления нагрузками, прерыванием контактов и переходными

46

процессами в цепях. В этом случае спектр помех оказывается шире

спектра колебаний, существующих в рассматриваемой цепи при условии регулярности протекающего тока. Помехи, соответству­ ющие этим дополнительным спектральным составляющим, излу­ чаются в окружающее пространство, а также распространяются в

различных электрических цепях, в том числе цепях электропита­ ния. Таким образом, источником индустриальных помех может быть любое электротехническое или электронное устройство, при­ чем не только в силу специфики выполняемых им функций, но и в вследствие технической неисправности силовых цепей, устройств коммутации и т.д. Среди различных видов индустриальных помех выделим следующие:

•Узкополосные помехи. Их возникновение связано с суще­

ствованием в аппаратуре - источнике помех непрерывных перио­ дических или почти периодических электрических процессов. Спектр колебаний сосредоточен в относительно узкой полосе час­

тот A/по сравнению с ее средним значением^.

•Широкополосные помехи. Их возникновение связано с ши­

рокополосными непрерывными или импульсными процессами

ваппаратуре источника помех.

•Кратковременные помехи, представляющие собой одиноч­ ные импульсы или непериодические импульсные последователь­ ности с большой скважностью.

•Контактные помехи, проявляющиеся как расширение спек­ тра излучения радиопередающих устройств, расположенных на объектах в процессе их движения;

•Помехи, связанные с преобразованием механической энер­ гии в электрическую.

Рассмотрим конкретные причины, приводящие к появлению указанных помех, типичные источники и их характеристики.

2.3.2.Источники непрерывных помех

Кустройствам, создающим индустриальные радиопомехи в

виде непрерывных электромагнитных полей, относятся: промыш­ ленные нагревательные установки, высокочастотные индукцион­ ные электрические печи, медицинское оборудование, в котором используются высокочастотные генераторы, и т.д. К ним же мож-

47

но отнести гетеродины радиоприемников, генераторы накачки

лазеров и другие подобные устройства. Источники данного вида легко определить, их характеристики можно прогнозировать.

Для источников этого вида характерно, что они генерируют относительно регулярные высокочастотные колебания. Создавае­ мые ими помехи близки к гармоническим, их спектры узкополос­ ные и имеют максимальную интенсивность вблизи частот основ­ ного колебания и отчасти его гармоник. По статистическим свой­ ствам они близки к детерминированным. Источники данного вида легко определить, их характеристики можно проигнорировать.

Значительное число источников индустриальных помех ге­ нерирует более широкополосные непрерывные периодические по­ мехи. Такие помехи создают генераторы разверток телевизионных приемников, видеотерминалов ЭВМ, индикаторов РЛС, различ­ ные электрические и радиоэлектронные устройства, в частности модуляторы, усилители сигналов изображения, средства автома­ тического управления и т.д.

2.3.3. Источники широкополосных помех

Значительное число источников создает индустриальные радиопомехи в виде почти периодической или хаотической пос­ ледовательности импульсов. Характеристики данных помех оп­ ределяются формой и частотой повторения импульсов, частот­ ный спектр их бывает довольно широким, так как энергия та­ ких помех распределена в широкой полосе частот. Форма им­ пульсов данных помех, их длительность и частота повторения, как правило, различны и случайны. Рассмотрим наиболее ха­ рактерные из них.

Системы зажигания. Мощными источниками индустриаль­ ных помех являются различные системы запуска (зажигания) дви­ гателей внутреннего сгорания (авиационных, морских, наземных). Электромагнитные помехи создаются импульсными токами, про­ текающими в цепях зажигания, и переходными процессами в ука­ занных цепях. Длительность импульсов составляет от долей мик­ росекунды до единиц наносекунд, вследствие чего спектр помехи оказывается широким, до нескольких сотен мегагерц. Интенсив­ ность помех от систем зажигания обычно максимальна в полосе

48

частот от 30 до 300 МГц. Типичный вид частотной зависимости для этого вида помех показан на рис. 2.9.

Рис. 2.9 Уровень ИРП от систем зажигания на расстоянии 10 м от дороги согласно данным измерений различных авторов

Помехи от систем зажигания являются одной из серьезных причин нарушений ЭМС не только РЭС, расположенных вблизи трасс с интенсивным движением, но и на объектах, оборудованных двигателями внутреннего сгорания. Исследования показали, что

напряженность электрического поля этих помех на объекте может достигать высоких значений. Например, на автомобиле, не обору­ дованном специальными помехоподавляющими устройствами, на­ пряженность электрического поля может достигать 500 мкВ/м и более.

Для некоторых служб, в частности сухопутной подвижной связи, большое значение имеют помехи, создаваемые группой ав­

томобилей, так как на удалении до 60 ...80 м от шоссе с интенсив­ ным автомобильным движением эти помехи практически преоб­ ладают над остальными видами ИРП. Указанные помехи представ­

ляют собой поток групп импульсов, длительность каждого из ко­ торых колеблется от нескольких микросекунд до нескольких мил­ лисекунд, а длительность отдельных импульсов - от 1 до 6 нс. Ин­

тенсивность этих помех подвержена значительным изменениям (до ± 16 дБ) в соответствии с плотностью движения.

Линии передачи электроэнергии. Высоковольтная аппаратура

и линии передачи электроэнергии (ЛЭП) создают импульсные по-

49

мехи максимальной интенсивности во время дождя, снега, тумана и высокой влажности воздуха, а в засушливых районах - при боль­ шой турбулентности воздуха и повышенной солнечной радиации. Непосредственной причиной возникновения данных помех явля­

ются дефекты изоляторов опорной мачты, а также переходные

процессы, вызываемые электрическими разрядами, хаотически возникающими на поверхностях проводников и изоляторов линии.

Помехи от ЛЭП представляют собой случайный поток импуль­ сов. По характеристикам этот вид помех аналогичен помехам, со­ здаваемым системами зажигания, но отличается большей средней длительностью импульса и меньшей средней частотой следования. Спектр этих помех занимает полосу частот примерно от 14 кГц до

1 ГГЦ (рис. 2.10).

Частота, кГц

Рис 2.10. ИРП от ЛЭП

Помехи от ЛЭП излучаются в окружающее пространство, а также распространяются на значительные расстояния вдоль ко­ аксиальной (подземный кабель), двухпроводной или многопровод­ ной линии передачи (воздушная ЛЭП).

Дуговые сварочные аппараты. Помехи от этих аппаратов обус­

ловлены излучением дугового разряда на частоте сети и ее гармо­ никах вследствие переходных процессов и являются широкополос­ ными импульсными помехами. Интенсивность их весьма высока, что дает основание считать такой вид помех одним из наиболее опасных.

50