Ю.Е.СЕДЕЛЬНИКОВ - Электромагнитная совместимость

Цепи ИП, в которых протекают переменные электрические токи помех, представляют собой слабонаправленные антенны, возбуж­ дающие в окружающем пространстве ЭМП в виде свободно рас­ пространяющихся электромагнитных волн. Функции приемных антенн выполняют металлические проводники цепей рецептора, в которых под действием внешнего ЭМП индуцируются электричес­ кие токи помех.

Рис 2 27 Зависимость характеристического сопротивления от расстояния в ближней зоне

Отличия от случаев связи антенн радиотехнических устройств определяются электрическими характеристиками указанных цепей как антенн:

• При создании антенн обеспечивается режим эффективного излучения и приема в пределах требуемой полосы частот, соответ­

ствующей требуемым значениям несущей частоты и необходимой полосы частот. Электрические цепи ИП и РП не предназначены для выполнения функций передающей и приемной антенн. Вслед­ ствие этого по эффективности они значительно уступают антен­

нам радиоустройств - у них значительно меньшие значения коэф­ фициентов усиления.

• В отличие от антенн радиотехнических устройств физичес­ кие размеры проводников электрических цепей обычно значитель­ но меньше длины волны. Важное свойство таких цепей как элект­ рически коротких антенн состоит в том, что их входные сопротив-

81

ления значительно отличаются от типовых значений внутренних со­

противлений эквивалентных генераторов, соответствующих источни­ ку помех, и входных сопротивлений чувствительных элементов цепей рецепторов помех. Вследствие этого имеет место значительное рас­ согласование «антенн» с генераторами и нагрузками, дополнительно

не менее, несмотря на низкую эффективность электрически корот­ ких проводников как антенн, в пределах отдельных узких полос ча­ стот возможны эффективные излучение и прием вследствие эффек­ та сопряженного согласования, имеющего паразитный характер.

• В большинства случаев радиопередачи и радиоприема ис­ пользуются, как правило, узкополосные процессы. Радиоприем­

ные и радиопередающие тракты обладают почти равномерными коэффициентами передачи в пределах рабочих полос частот. По­ этому спектр и форма передаваемых и принимаемых сигналов до­ статочно близки друг к другу. При излучении и приеме широкопо­ лосных ИРП электрически короткие антенны, которыми являют­ ся соответствующие участки цепей ИП и РП, не могут обеспечи­ вать равномерность частотных характеристик канала передачи. Вследствие этого спектр и форма «принимаемых сигналов», как правило, значительно отличаются от «передаваемых».

Перечисленные особенности определяют важные с точки зре­ ния практики свойства механизмов связи источников и рецепто­

ров ИРП при расположении их в дальней зоне:

-электродинамическая связь источников ИРП и рецепторов, не являющихся радиоприемниками, не играет существенной роли при условии расположения их в дальней зоне. Исключение могут

составлять только случаи влияния наиболее высокочастотных со­ ставляющих спектра излучения ИП;

-указанная связь играет заметную роль для случаев, когда

рецепторами помех являются радиоприемные устройства;

-ввиду сложной конфигурации проводников электрических

цепей источников и рецепторов ИРП значения их характеристик как антенн (диаграмма направленности, коэффициент усиления) практически не поддаются количественному анализу. Вследствие этого при необходимости количественного описания приходится прибегать к использованию эмпирических данных.

82

Связь проводников цепей источников и рецепторов ИРП. Ближняя зона

Связь проводников электрических цепей ИП и РП в ближней зоне соответствует относительно низкочастотным процессам, для которых выполняется условие R < 1/ 2Л Эти случаи широко рас­ пространены на практике и являются одной из основных причин влияния различных ИП на РП при их близком расположении. Осо­ бенности механизмов связи и их количественные характеристики

определяются свойствами ЭМП ближней зоны. Наиболее важны­ ми с практической точки зрения являются следующие свойства:

-проводники электрических цепей ИП и РП в данных случа­ ях представляют собой электрически короткие антенны. Для них характерна способность создавать электромагнитные поля, кото­ рые могут иметь значительную интенсивность в ближней зоне при практически отсутствующем излучении в дальней зоне. Аналогич­ но. в силу принципа взаимности электродинамики, они не могут выполнять функции эффективных приемных антенн в дальней зоне, но при расположении в ближней зоне источника, в них могут ин­

дуцироваться токи помех значительной интенсивности, причем в широких полосах частот;

-характер и количественная мера связи в ближней зоне про­ водников электрических цепей существенно зависят от их типа. Так, электродинамическая связь цепей, представляющих собой источ­

ники одноименного типа (электрического или магнитного), зна­ чительно выше, чем в случае цепей разноименного типа;

-любые реальные электрические цепи имеют черты источни­ ков как электрического, так и магнитного типов. Однако электри­ ческие цепи с высокими значениями напряжений и импедансов представляют преимущественно источники электрического типа,

ацепи с малыми импедансами и большими токами - источники магнитного типа. Таким образом, для проводников высокоомных электрических цепей преобладающей является связь, обусловлен­ ная квазистационарным электрическим полем, а низкоомных, со­ ответственно, магнитным полем;

-связь проводников, соответствующую взаимодействию це­

пей ИП и РП в электрическом поле ближней зоны, можно тракто­ вать, как обусловленную наличием паразитной емкости между про-

83

водниками С12 (рис. 2.27). Напряжение помех, индуцированное в цепи рецептора, равно Ц>п ®Этот механизм связи называется емкостной связью. Напротив, если преобладающим является меха­ низм взаимодействия, обусловленный квазистационарным магнитным полем ближней зоны, связь цепей ИП и РП можно трактовать как обус­ ловленную наличием взаимной индуктивности М12 (рис. 2.28). Соот­ ветственно, индуцированное напряжение помех равно Ц>п~

• Количественный анализ явлений, соответствующих емкостной или индуктивной связи, при необходимости может быть проведен в квазистационарном приближении на основе использования методов теории цепей, а также с использованием современных программных средств, позволяющих учитывать и оценивать электромагнитную связь проводников (например, MICROWAVE OFFICE).

Рис. 2.28. Электрическая и магнитная связи проводников цепей: а, б - схематическое изображение; в, г — эквивалентные схемы

84

Рис 2 29 Структура Т-волн несимметричного(а) и симметричного (б) видов

Оба указанных вида характеризуются нулевым значением кри­ тической частоты и практически равными значениями фазовой скоро­ сти и коэффициента затухания. Поэтому с точки зрения передачи сиг­ налов между различными блоками или устройствами симметричные и несимметричные волны равноценны. Однако эти виды волн облада­ ют различными свойствами в отношении создания помех близко рас­ положенным рецепторам, а также разной мерой восприимчивости по отношению к величине тока, индуцированного в структуре под дей­ ствием внешнего электромагнитного поля. Для симметричных волн токи, индуцированные в близко расположенных проводникахтоками в проводниках структуры, практически противофазны и в значительной мере взаимно компенсируются. Случаю несиммметричных волн, на­ оборот, соответствует почти синфазное сложение наведенных токов. Аналогичные рассуждения приводят к выводу о том, что под действием внешнего электромагнитного поля в рассматриваемой структуре бу­ дут возбуждаться преимущественно несимметричные Т-волны. По­ этому с точки зрения снижения уровня помех в окружающем простран­ стве и степени подверженности действию внешних помех для переда­ чи сигналов между различными блоками и устройствами предпочти­ тельнее использование соединений, поддерживающих распростране­ ние в них симметричных Т-волн.

На практике, в силу различных причин, в системах из соедини­

86

тельных проводников часто присутствуют оба вида волн. Для количе­ ственного описания эффектов, связанных с их распространением, обыч­ но используют понятия симметричных и несимметричных напряже­ ний и токов. Смысл их поясняет рис. 2.30.

Рис 2 30 Симметричные и несимметричные токи и напряжения в системе из двух проводников над землей

Согласно рис. 2.30 значения симметричных и несимметрич­ ных напряжений и токов равны:

<2'23)

где Ix, I,, Ux, U,- соответственно токи в проводниках и напряже­ ния между ними и землей.

При числе проводников больше двух возможно существова­ ние соответственно большего числа видов Т-волн, также характе­ ризуемых величинами симметричных и несимметричных напряже­ ний и токов. Возникновение кондуктивных помех обусловлено возбуждением электромагнитных волн в волноведущей структу­ ре, состоящей из металлических проводников, имеющих электри­ ческие соединения с источником и рецептором. Возможен ряд ме­ ханизмов возбуждения:

- из-за наличия емкостной или индуктивной связи помехонесущих цепей ИП и системы проводников (рис. 2.31) в последних возникают неравные токи помех:

Ix = s/(7?3 +1/>С12) и 12 = еД/?, + 1/>С12). (2.24)

87

- вследствие наличия гальванической связи помехонесущих цепей ИП и системы проводников, обусловленной неидеальной изоляции цепей (рис. 2.32).

Рис 2 31 Возникновение кондуктивных помех при емкостной связи

Рис 2 32 Возникновение кондуктивных помех при гальванической связи (неидеальная изоляция)

Токи помех, протекающие в проводниках, равны:

при наличии гальванической связи помехонесущих цепей ИП

и системы проводников, обусловленной наличием общих участ­ ков электрических цепей (рис. 2.33) токи помех, протекающие

в проводниках, равны:

/, /(Я,+£,)/?! и/, «е/2Д. (2.26)

Рис. 2 33 Возникновение кондуктивных помех при гальванической связи (помехи «по общей земле»)

88

Помимо описанных способов возбуждения токов помех, в проводниках электрических цепей иногда оказывается возможным возникновение кондуктивных помех, обусловленных совместным действием нескольких факторов. В этих случаях в силу одной из перечисленных причин возникают токи помех в электрических проводниках, соединяющих устройство-источник помех с некото­

рым другим устройством (блоком). Вследствие емкостной, индук­

тивной или гальванической связи могут возникнуть токи помех, индуцированные указанными токами, в соединительных провод­

никах другой пары устройств (блоков), являющихся в данном слу­ чае рецепторами помех от рассматриваемого источника. Далее имеет место распространение электромагнитных волн в указанных проводниках и воздействие их на рецепторы как кондуктивных помех (рис. 2.34).

Рис 2 34 Комбинированный механизм возникновения кондуктивных помех

В заключение отметим, что в некоторых случаях воздействие НЭМП на рецепторы обусловлено распространением направляе­ мых электромагнитных волн при отсутствии непосредственных электрических соединений. Эта ситуация оказывается возможной, если устройства - источники помех и рецепторы располагаются внутри замкнутой протяженной области с проводящими граница­ ми (фюзеляж самолета, шахтные сооружения, тоннели и т.д.). Внут­ ренние объемы подобных объектов представляют собой волнове­ дущие структуры, в которых возможно распространение электро­

магнитных волн, не являющихся Т-волнами. Как известно, необ-

89

ходимым условием распространения этих волн является X < 'ккртп,

где Л. тп - критическое значение для тп -их типа. Низшее значение Ххрт„ имеет величину порядка половины поперечного размера вол­ новода. Поэтому в полых металлических сооружениях возможно

распространение высокочастотных НЭМП, обусловленное распро­ странением направляемых волн волноводных типов в случаях, ког­ да их частота выше критического значения /пом > f^mn~ с/2Аповер, где с и Эпопер — скорость света и максимальный размер поперечного сечения объекта соответственно.

2.5.Воздействие НЭМП на рецепторы

2.5.1.Варианты воздействия НЭМП

Электромагнитные поля, создаваемые при работе различных технических средств за пределами их внутренних объемов вслед­ ствие различных механизмов распространения, оказывают влия­ ние на окружающие средства, являющиеся рецепторами помех, которыми могут быть любые радиоприемники, а также широкий

круг радиоэлектронных устройств, не являющихся радиоприемни­ ками. Действующие помехи могут представлять собой электромаг­

нитные поля свободно распространяющихся волн или реактивные электромагнитные поля в ближней зоне *.источника

Другой вариант воздействия помех представляют случаи их

переноса при помощи направляемых электромагнитых волн. В тех случаях, когда направляемыми волнами являются поперечные вол­ ны Т-типа, распространяющиеся в проводниках различных элект­

рических цепей, говорят о кондуктивных механизмах распростра­ нения помех. Возможны различные формы воздействия внешних электромагнитных полей на рецепторы: прием антеннами, индукцирование эдс помехи в электрических цепях, действие кондуктив­ ных помех. Обобщенная схема источников, рецепторов и возмож­

ных путей воздействий показана на рис. 2.35.

* Напомним, что за помехами этого вида в практике ЭМС закрепилось понятие «излучаемые помехи». Такое название подчеркивает возможность влия­ ния их на рецептор при отсутствии электрических соединений цепей источника и рецептора.

90