Ю.Е.СЕДЕЛЬНИКОВ - Электромагнитная совместимость

определяются в стандартных условиях, а именно при подключении нагрузки со стандартным импедансом.

Уточним теперь понятие частотной зависимости Е( f), H(f ), U( )• Функциональная зависимость напряжения, напряжен­ ности поля и т.д. от частоты А( f ) представляет собой математи­ ческую категорию. На практике измеренная частотная зависимость является ее оценкой, сглаженной вследствие конечной ширины полосы частот измерительного прибора. Эта оценка Атм( f ) тем ближе к действительной величине А(/), чем уже полоса пропуска­ ния измерительного прибора А/ Однако уменьшение А/" с неизбеж­ ностью влечет увеличение времени измерения: 7ИЗМ—> °° при А/"-н> 0.

Разумеется, в любой реальной аппаратуре полоса частот имеет ко­ нечное значение, а условие повторяемости результатов требует стандартизации указанной полосы частот A f =/SfciaB„.

По указанным причинам в настоящее время в в качестве ко­ личественной меры уровней ИРП, создаваемых конкретными ис­ точниками, в практике ЭМС используются частотные зависимос­ ти напряжений, токов, напряженности электрического и магнит­ ного полей. Значения указанных величин определяются в стандар­ тной полосе частот А

Уточним понятие «значение соответствующей величины на­

пряжения или напряженности поля». Не представляет трудностей определить значения постоянного напряжения или тока, так как эти величина определяется очевидным образом и однозначно. В случае гармонического колебания A{f} - Ат cos (at + ср) исполь­

зуются уже две различные величины: значение - максимальное (пи­

ковое) Лпик = Ат и эффективное - А^ = (1/Г) |(Д, cos(<oZ + <p))2 dt.

величина, связанная с мощностью Для гармонических процессов

пиковые и эффективные значения связаны однозначно: А^ф =

Электрический процесс, соответствующий ИРП в полосе ча­ стот А^1анд, в общем случае представляет собой случайную функ- 1000 f ), Для которой пиковое и эффективное значение не связа-

61

ны между собой и не определяют по отдельности свойства процесса в достаточной мере.

Выбор параметра процесса Л( f), который достаточно полно характеризовал интенсивность процесса, определяется характером влияния помех различного вида на рецепторы также различного вида. Очевидно, что выбрать универсальный показатель невозмож­ но. Для рецепторов с пороговыми свойствами (цифровые устрой­ ства) возможность негативного воздействия помехи зависит от ее

пикового значения AWK. Для типичных рецепторов, соответствую­ щих устройствам передачи и обработки аналоговой передачи ин­ формации, эффект воздействия помехи более зависит от ее мощ­ ности. Таким образом, более адекватным параметром в этих слу­ чаях оказывается эффективное значение.

Учитывая, что временная структура помех, создаваемых раз­ личными источниками, имеет различный характер, на практике в качестве параметра, характеризующего интенсивность процесса А( f ), чаще всего принимается так называемое квазипиковое зна­ чение ^4квазпик, являющееся в некотором роде компромиссным меж­ ду пиковым и эффективным значениями: ЛэсЬф < Лквазпик Anils. Ква­

зипиковое значение соответствует измерению с использованием де­ тектора с конкретным, стандартизированным значением постоян­ ной времени т^,^*. Квазипиковое значение используется в каче­ стве показания интенсивности в большинстве стандартов, относя­ щихся к уровню ИРП, создаваемых конкретными источниками.**

Таким образом, для большинства практических случаев ко­ личественным показателем интенсивности ИРП, создаваемых кон­ кретным источником, являются квазипиковые значения напряжен­ ностей электрического и магнитного полей, напряжений и токов, соответствующих стандартной полосе частот и определяемых в стандартизованных условиях в контролируемом диапазоне частот.

Вторая группа показателей ИРП характеризует электромаг­ нитную обстановку в конкретных пространственных областях: на крупном объекте, в конкретном городе, регионе и т.д. Эти показа-

* Использование детектора с постоянной времени t = 0 и t = оо соответ­ ствует измерениям пикового и эффективного значений соответственно.

" В некоторых стандартах, преимущественно военных, используются так­ же пиковые значения соответствующих величин.

62

гели отражают результат совместного действия неопределенной со­ вокупности источников ИРП. В конкретных случаях в теории и прак­ тике ЭМС используются различные способы представления инфор­ мации об электромагнитной обстановке, соответствующей конкрет­ ной группе источников ИРП.

Предварительное описание электромагнитного процесса, со­ ответствующего совокупности составляющих ИРП, описывает ча­ стотную зависимость его интенсивности. Поскольку стандартизо­ ванных характеристик не существует, на практике используются различные формы представления этой величины. Чаще всего ис­ пользуются следующие показатели:

- значение яркостной температуры шумового процесса Тя ,

соответствующего совокупности ИРП. В этом случае величина мощности помех, принимаемых ненаправленной антенной радио­ приемника - рецептора помех оценивается как

где к - постоянная Больцмана; 5рпполоса частот, соответствую­ щая полосе пропускания входных цепей приемника;

— интегральное значение напряженности поля (как правило,

В этом случае напряжение, помехи на входе радиоприемника оп­

ределяются как:

<24>

где йд - действующая высота приемной антенны, а значение мощ­ ности помехи при условии согласования антенны с входным со­ противлением приемника, равным 7?рп:

На рис. 2.16 показаны усредненные экспериментальные зави­ симости, относящиеся к приему ИРП ненаправленной антенной вблизи поверхности Земли, соответствующие ЭМО в различных ус­ ловиях. Представлены средние (медианные) значения, среднеквад­

ратические отклонения даны цифровыми значениями для каждой кривой. Аналогичные зависимости яркостной температуры, соот­ ветствующей ИРП в различных условиях, приведены на рис. 2.17.

63

Рис 2 16. Медианные значения интенсивности ИРП. соответствующие приему ненаправленной антенны вблизи поверхности Земли:

Рис. 2.17. Зависимость яркостной температуры шумового процесса, соответствующего ИРП:

А- центр крупного города, В - жилые кварталы крупного города;

С- сельская местность, Д - удаленные места сельской местности

Для более детального описания свойств ИРП, созданных группами источников, в последнее время используются различные

64

показатели, описывающие статистические свойства случайных процессов, им соответствующих. Для подробного ознакомления с этими представлениями читателю следует обратиться к специаль­

ной литературе [17].

2.4.Пути распространения НЭМП

2.4.1.Особенности распространения НЭМП

Электромагнитные процессы, соответствующие помехам,

могут воздействовать на устройства-рецепторы различным обра­ зом: излучением электромагнитных волн антеннами радиопереда­ ющих устройств и приемом их антеннами радиоприемных уст­ ройств, излучением различными проводниками электрических це­ пей источника и приемом антеннами, распространением в цепях

электропитания и т.д. Иллюстрацией возможных путей распрост­ ранения является рис. 2.18.

Общий контур заземления (шасси)

Рис. 2.18. Пути распространения НЭМП

65

Несмотря на значительное разнообразие возможных путей распространения НЭМП для дальнейшего рассмотрения выделим два их вида:

•распространение НЭМП при излучении и приеме антенна­ ми радиотехнических устройств;

•любые другие механизмы.

Такое деление имеет достаточно веские причины. Излучение радиоволн в окружающее пространство антеннами радиотехничес­ ких устройств является неотъемлемым свойством радиопередаю­ щих устройств, специально создаваемых для целей передачи ин­ формации. Аналогично, радиоприемные устройства по своему ос­ новному назначению должны осуществлять прием информации, содержащейся в свободно распространяющихся электромагнитных

волнах. Как намеренная, так и непреднамеренная передачи и при­ ем радиоволн основаны на общих принципах и подчиняются об­ щим закономерностям. Отличие намеренной передачи от непред­ намеренной заключается лишь в различной степени ослабления электромагнитных процессов на пути от выхода радиопередатчи­ ка до входа радиоприемника. Для любых других механизмов рас­ пространения помех характерно то, что они являются результа­

том технического несовершенства электротехнических и радиоэлек­

тронных устройств и их элементов.

Ни один из возможных путей распространения, кроме излу­ чения и приема антеннами, не соответствует намеренной передаче информации, а также не связан непосредственно с выполнением устройствами-источниками помех и рецепторами своих основных, запланированных функций. Поэтому все возможные варианты осуществления нежелательных электромагнитных воздействий источников помех на рецепторы, кроме излучения и приема ан­ теннами, обычно рассматривают как пути распространения инду­ стриальных помех.

Независимо от видовой принадлежности механизмов распро­ странения НЭМП наибольший практический интерес представля­ ют следующие вопросы:

•выявление конкретного механизма распространения НЭМП

ипричин, приводящих к появлению в каждом конкретном случае механизма распространения помех;

66

•оценка затухания (ослабления) помех на пути распростра­

нения;

•определение преобладающих факторов, определяющих ос­

лабление на пути распространения с целью последующего исклю­ чения конкретного механизма распространения или хотя бы уве­ личения ослабления помех до приемлемого уровня.

Для любого конкретного механизма величина ослабления НЭМП на пути распространения определяется коэффициентом

передачи четырехполюсника, соединяющего генератор (источник помех) и нагрузку (рецептор помех) (рис. 2.19).

Рис. 2.19. К распространению НЭМП

В зависимости от конкретной ситуации более удобно пользоваться теми или иными формами записи параметров это­ го четырехполюсника. Для случая излучения и приема антенна­ ми радиотехнических устройств наиболее распространенным и удобным является использование коэффициента передачи по мощности Zcp = PpxJPwn- Для механизмов, соответствующих рас­

пространению индустриальных помех, традиционно использу­ ют величины коэффициента передачи по напряжению или на­ пряженности поля:

4 ~ -^рп/^ип»

■^ср ~ Ц>г/^ИП’

где Е, Н - значения напряженности электрического и магнитного полей в непосредственной близости от источника и рецептора; U - напряжение в электрической цепи на выходе источника и вхо­ де рецептора соответственно. Для величин мощности величину Zcp, выраженную в дБ, традиционно называют затуханием на пути распространения, а величины Zcp для напряжений или напряжен­ ности поля коэффициентами переноса помех.

67

2.4.2. Излучение и прием антеннами

радиотехнических устройств

Механизм связи ИП и РП при излучении и приеме помех антен­ нами (как и механизм передачи-приема сигналов) состоит в следую­ щем. Электромагнитные колебания, соответствующие помехе, пере­ даются от радиопередатчика к передающей антенне направляемыми электромагнитными волнами, распространяющимися

сти £ф ип. Передающая антенна преобразует направляемые волны в фидере в свободно распространяющиеся радиоволны в простран­ стве. Приемная антенна осуществляет обратное преобразование свободно распространяющихся волн в направляемые волны в при­ емном фидере. Отношение мощностей принятой Рпр и передавае­ мой Рпрд волн называется коэффициентом связи антенн:

Направляемые волны в приемном фидере ослабляются соответ­ ственно его коэффициенту7 передачи £ф рш. Величину суммарного ос­ лабления помехи обычно представляют произведением этих **:величин

Таким образом, величина суммарного ослабления определяется как свойствами фидеров, так и коэффициентами связи антенны.

2.4.3. Коэффициент связи антенн

Величина £свшт в значительной мере зависит от электрических размеров антенн 7?ант/ А. и расстояния между ними R. Различают следующие характерные случаи:

* Напомним, что передающим фидером называется совокупность линий передач и включенных в них элементов, расположенных между выходом пере­ датчика и входом антенны, приемным - соответственно, между выходом прием­ ной антенны и входом радиоприемника.

’* В действительности соотношение (2.20) достаточно точно описывает процесс намеренной передачи сигналов, т.е. в пределах полосы частот основно­ го излучения и основного канала приема, так как в этих полосах антенны хоро­ шо согласованы с фидерами Вне рабочей полосы согласование не обеспечивает­ ся. Вследствие переотражения между элементами фидеров и входами антенн ве­ личина коэффициента связи антенн может значительно отличаться от соотноше­ ния (2.20). Запись в форме (2.20) преследует скорее качественные цели - показать роль характерных факторов, влияющих на эту величину. Кроме того, соотноше­ ние (2 20) может служить основой для ориентировочных оценок.

68

-J? >7^=7?^//.-дальняя зона;

-R < 1 / 2it - ближняя зона;

-1/2л: < R < R&- зона Френеля.

Случай расположения антенны в ближней зоне обычно ха­ рактерен для радиосредств относительно низкочастотных диапа­ зонов, расположенных на ограниченной территории. Характерный пример представляет случай антенн судовых средств коротковол­ новой радиосвязи.

При расположении антенны в ближней зоне коэффициент свя­ зи имеет значительную величину до (-5......-10дБ), слабо зависит от конструкции, поляризации, диаграмм напряженности и ориентации антенн и имеет тенденцию к быстрому снижению (порядка Rr' или быстрее по мере удаления антенн друг от )друга*. Количественная оценка значения £сваят в случае антенн в виде вибраторов или щелей может быть получена из рассмотрения взаимодействующих антенн как системы связанных излучателей с использованием соотношений для расчета собственных и взаимных сопротивлений. В более об­ щем случае, расчет 7)свант для большего числа вариантов слабона­ правленных антенн, в том числе с учетом влияния элементов конст­ рукции и объекта установки, может быть проведен методами вы­ числительной электродинамики с использованием современных па­ кетов программ - MMANA[21], FEKO [22] и др.

Расположение в зоне Френеля чаще всего характерно для ан­ тенн средней или высокой направленности, расположенных на раз­ личных объектах ограниченных размеров (самолет, корабль). Для этого случая коэффициенты связи антенн также имеют значитель­ ную величину (до -10 ... -30... -50 дБ). Коэффициент связи антенн, расположенных по отношению друг к другу в зоне Френеля, зави­ сит, и при этом весьма сложным образом, от типа антенн, их пара­ метров, включая поляризацию, расстояние, и взаимной ориента-

* Следует отметить, что для ближней зоны характерно значительное отли­ чие коэффициентов связи электрически коротких антенн в зависимости от их типа. Антенны одного типа, например, когда обе антенны электрического типа обла­ дают значительно большими коэффициентами связи по сравнению с разнотип­ ными. например, передающей в виде вибратора (электрический тип) и прием­ ной - в виде рамки (магнитный тип). Причины этого явления будут рассмотре­ ны в разд 2.4.5.

69

ции. Количественная оценка £свант для этих случаев представляет зна­ чительные трудности. Один из путей преодоления - использование приближенных соотношений, соответствующих расположению в даль­ ней зоне, с поправкой, зависящей от соотношения между значениями расстояния и условной границы дальней зоны [4].

При расположении взаимодействующих антенн в дальней зоне коэффициент связи антенн определяется коэффициентами уси­ ления антенн в направлении друг на друга, поляризационными свойствами антенн, расстоянием между ними и ослаблением ра­ диоволн на радиотрассе.

Коэффициент связи антенн в свободном пространстве. Если антенны располагаются в свободном пространстве, коэффициент связи можно представить в следующем виде:

=(Ky„,Ky,nflm(0„<p1)fm(eJ,<p2)i™)(VM2. (2.2i)

где КУ11ПКУРПГИП (б|,(р!)77рп(6,,(?.,)- коэффициенты усиления и

значения ДН по мощности антенн источника и рецептора в на­ правлении друг друга; кпоя — коэффициент, учитывающий поляри­ зационные свойства антенн: кт = 1 при совпадающей и кпо~ 0 при ортогональной поляризации, X - длина волны, соответствующей частоте /.

Расчет величины Хсзант для частот, соответствующих ОКП приемника и ОИ радиопередатчика, не вызывает принципиальных трудностей, так как значения коэффициентов усиления обеих ан­ тенн и ДН обычно известны с достаточной точностью. Ситуация оказывается принципиально отличающейся для случаев, когда хотя бы одна из антенн работает на частоте, значительно отличающей­ ся от частот в пределах полосы основного излучения передатчика или основного канала *приема приемника. Для этих частот значе­ ния коэффициентов усиления и ДН антенн могут существенно от­ личаться от значений в рабочих полосах частот. Изменение направ­ ленных свойств антенн, работающих вне рабочей полосы частот, является следствием:

* Основные и неосновные каналы приема рассматриваются в разд. 2.5. Ча­ стоты неосновных каналов приема могут значительно отличаться от частот основного канала.

70