VOSPRIIMChIVOST_PRIEMNYKh_USTROJSTV-Ibatullin

УДК 621.396

Печатается по решению Редакционно-издательского совета ФГАОУВПО Казанский (Приволжский) Федеральный университет

учебно-методической комиссии физического факультета Протокол №8 от 30.06.2010 г.

заседания кафедры радиофизики Протокол №5 от 11 мая 2010 г.

Автор-составитель

доктор физ. мат. наук, проф. Э.А. Ибатуллин

Рецензент

доцент кафедры радиоэлектронных и квантовых устройств КГТУ им. Туполева А.Н., канд. физ. мат. наук, с.н.с. Ю.Л. Комаров

Ибатуллин Э.А.

Восприимчивость приемных устройств через антенну: Учебно-мето-

дическое пособие / Э.А. Ибатуллин. -Казань: Казанский федеральный университет, 2010.-31 с.

Рассмотрены понятие "восприимчивости" приемных устройств к помехам, проникающим через антенну, комбинационные каналы приема, явление блокирования, перекрестные искажения, интермодуляция.

Для студентов старших курсов физического факультета по спецкурсу "Электромагнитная совместимость и помехоустойчивость информационных систем".

© Казанский федеральный университет, 2010

2

1. К ПОНЯТИЮ "ВОСПРИИМЧИВОСТЬ" ПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ

Непреднамеренные электромагнитные помехи (НЭМП) при действии через антенну могут влиять по основному и неосновным каналам приема. Основной канал приема — это полоса частот, находящаяся в полосе пропускания приемника и предназначенная для приема полезного сигнала. Неосновной ка- нал приема — полоса частот, находящаяся за пределами основного канала приема, в котором мешающий сигнал проходит на выход радиоприемника. Неосновные каналы целесообразно разделить на побочные и внеполосные.

Побочный канал приема — это канал, номинальная частота которого имеет фиксированное значение для конкретного приемника и его фиксированной настройки. К побочным каналам относятся комбинационные каналы, включая зеркальный канал приема, канал приема на промежуточной частоте и др. Комбинационный канал образуется в смесителе приемника в результате взаимодействия мешающего сигнала или его гармоники с ко- лебаниями гетеродина или его гармоникой.

Внеполосный канал приема — это неосновной канал, номинальная частота которого может принимать разное значение в зависимости от частоты мешающего сигнала при фиксированной частоте настройки приемника. К внеполосным каналам относятся каналы блокирования, каналы интермодуляционных помех, каналы перекрестных искажений.

При оценке действия НЭМП через антенну по основному каналу приема необходимо учитывать ряд функциональных параметров устройства, а именно: чувствительность приемника, частоту настройки приемника и нестабильность этой частоты, характеристики приемной антенны и избирательности радиоприемника. Такие параметры при оценке действия НЭМП на прием фактически являются параметрами электромагнитной совместимости (ЭМС), выражающими системные свойства приемного устройства. Критерием ЭМС здесь, так же как и в общем случае, является допустимое отношение сигнал- помеха. Если из перечня видов НЭМП исключить кондуктивные помехи, то есть помехи, распространяющиеся в проводящих средах, например в электрических цепях и металлических элементах конструкции изделий, то через антенну по основному каналу приема могут действовать все виды излучаемых помех.

При изучении действия НЭМП в основном канале все более актуальным становится исследование влияния станционных помех, поскольку все чаще возникает необходимость работы радиосредств в одном и том же канале. При этом мешающий сигнал, действующий в основном канале, может быть расстроен относительно полезного сигнала или совпадать с ним по частоте,

3

Рис. 1. Зависимость вероятности ошибочного приема сигнала 4-позиционной ФТ

(скорость 30 МБд) от уровня мешающего сигнала ФТ

5

вероятностная величина через средние значения мощностей (S/I) , пороговые

ограничением влияния помех в основном канале приема станций связи через ИСЗ (земных) или станций радиорелейных линий (РРЛ), работающих совместно в одной и той же полосе частот, и определяется как расстояние в любом азимутальном направлении, в пределах которого одна из таких станций может создавать недопустимые помехи другой. Линия, соединяющая все возможные координационные расстояния, образует координационный контур, внутри которого находится координационная зона. Во избежание нарушения ЭМС между такими станциями они должны быть размещены друг от друга на расстоянии, превышающем координационное. Процедура определения координационной зоны вокруг земной станции космической связи на практике оказывается достаточно сложной.

При анализе влияния НЭМП на любой рецептор, в том числе на радиоприемное устройство, целесообразно пользоваться понятием «восприимчивость», под которым подразумевают свойство рецептора реагировать на НЭМП, являющимися внешней по отношению к рецептору. При этом считают, что помеха может действовать не только через антенну по основному каналу приема, но и помимо антенны, и не только совместно с полезным сигналом, но и без него. Восприимчивость количественно определяется уровнем помехи в конкретном виде ее воздействия на рецептор, например, через антенну по основному или неосновным каналам приема, помимо антенны по цепям питания, коммутации и заземления, а также в виде внешнего поля, влияющего помимо антенны на рецептор в целом или на его элементы. Норма восприимчивости это максимально допустимый уровень помехи, при котором рецептор функционирует с допустимым качеством. Например, если известно допустимое отношение (S/I) , то нормой восприимчивости устройства является максимально допустимыйвх уровень мешающего сигнала, значение которого находится в знаменателе этого отношения.

Понятие «восприимчивость» уточняет представления о параметрах ЭМС рецептора, связанных с действием ЭМП. Например, известное понятие «чувствительность радиоприемного устройства», как отношение минимально возможного уровня полезного сигнала к уровню собственного шума устройства, определяется при отсутствии внешних помех. Следовательно, это понятие не мо- жет характеризовать влияние внешних помех на устройство и с терминологической точки зрения неправильными являются представления о «снижении» или «загрублении» чувствительности устройства при воздействии

6

помех. Внешние помехи могут изменять условия приема полезного сигнала, но не могут изменить один из показателей свойств приемника — его чувствительность к полезному сигналу, определяемую в отсутствие внешних помех. По этой же причине некорректным является и понятие «эффективная чувствительность», используемое иногда в литературе.

2. КОМБИНАЦИОННЫЕ КАНАЛЫ ПРИЕМА

Комбинационные каналы приема (ККП) возникают в преобразователе супергетеродинного приемника при действии мешающего сигнала с частотой, отличающейся от частоты полезного сигнала и соответствующей известной зависимости

Число ККП и восприимчивость приемника к мешающим сигналам в этих каналах тем больше, чем больше нелинейность функции передачи преобразователя. Часто такую функцию аппроксимируют полиномом и чем больше ее нелинейность, тем больше должна быть степень аппроксимирующего полинома. Если функцию передачи можно выразить квадратичной зависимостью, то в этом (наилучшем) случае возникает только один ККП, а именно «зеркальный» (p=q=1). При расчете восприимчивости приемника по ККП необходимо знать ослабление мешающего сигнала при его преобразовании в колебания ПЧ на выходе преобразователя. Ослабление определяется степенью нелинейности функции передачи преобразователя, уровнем напряжения гетеродина, импедансом нагрузки и схемой преобразователя (одноактной, балансной или кольцевой).

В последние годы стали широко применяться кольцевые (двойные балансные) преобразователи с использованием диодов, обладающие компенсирующими свойствами по отношению к токам мешающих сигналов с частотами ряда ККП. Представление функции передачи смесителя рядами Тейлора — Фурье и диодов моделью Эберса — Молля позволяет расчетным путем в пределах частот до 300 МГц определить восприимчивость кольцевого преобразователя по его ККП. Расчеты показывают, что если такой преобра-

7

зователь тщательно сбалансирован, т.е. его ветви имеют одинаковый импеданс, что определяется прежде всего одинаковым значением объемного сопротивления R каждого из диодов, то его восприимчивость к мешающим сигналам на частотах ККП резко уменьшается. Это следует из рис. 2, на котором приведены зависимости для случая, когда значения R на каждом из 4-х диодов преобразователя равны друг другу и стандартное отклонение между ними σR=0. С увеличением стандартного отклонения до σR=1 восприимчивость преобразователя увеличивается, что особенно проявляется при нечетных p и q (рис. 2а). Экспериментальные исследования кольцевого преобразователя, диоды которого имели случайные значения сопротивлений R, показали, что его возможности далеко не реализуются на практике. Это объясняется неидентичностью объемных сопротивлений диодов и несовершенством баланса других компонентов схемы.

Восприимчивость приемного устройства к мешающим сигналам с частотами ККП зависит не только от свойств преобразователя, но и от выбранного значения f , а также от избирательности контуров ВЧ тракта до входа смесителя. Хотя выбор значения f обусловлен рядом факторов, в том числе конструктивных, тем не менее следует иметь в виду, что повышение значения f способствует уменьшению числа ККП, частоты которых могут входить в полосу тракта приемника. При выборе значения f надо стремиться к тому, чтобы ККП, близкие к частоте настройки приемника, соответствовали

Согласно существующим стандартным требованиямпч к приемнику высокогопч класса максимально допустимое напряжение мешающего сигнала с частотой любого побочного канала должно быть не менее чем на 80 дБ больше напряжения полезного сигнала, соответствующего номинальной чувствительности приемника. Наиболее важно выполнить это требование по отношению к побочным каналам, частоты которых находятся в полосе пропу- скания тракта ВЧ приемника, отсчитываемой по ослаблению на уровне 3 дБ. Мешающие сигналы в ККП, частоты которых удалены от этой полосы пропускания, ослабляются за счет избирательности ВЧ тракта приемника. Если предположить, что на входе приемника возможны мешающие сигналы с напряжениями до 130 дБмкВ, то для расчета ослаблении таких сигналов необходимо знать характеристики частотной избирательности ВЧ тракта до

9

уровня ослабления 60...80 дБ. Соответственно должны приниматься меры по повышению избирательности до уровней такого ослабления. Изложенное позволяет заключить, что максимально допустимая восприимчивость на частоте ККП является количественной характеристикой ЭМС приемника. Для определения этой характеристики необходимо выполнить следующие расчеты:

расчет частот ККП по известным методам, существо которых изложено, например, в [2];

расчет ослабления мешающих сигналов с частотами ККП за счет избирательности ВЧ тракта приемника по методам, известным из учебной литературы;

расчет ослабления мешающих сигналов с частотами ККП в нелинейных элементах преобразователя; методы этого расчета затруднительны вследствие значительного изменения функции передачи преобразователя и ее неконтролируемой зависимости от схемы преобразователя, вольтамперной характеристики его нелинейного элемента и уровня мешающего сигнала.

В связи с последним обстоятельством большое значение имеет экспериментальное определение восприимчивости преобразователя частоты по его побочным каналам, а также накопление соответствующих статистических данных, объем которых пока недостаточен.

Радикальным способом уменьшения числа ККП и восприимчивости по ККП является выбор значения f выше возможного значения частоты полезного сигнала. При этом, например, практически исключается зеркальный канал приема.

Поскольку восприимчивость приемника по различным комбинационным каналам различна, то для ее количественной оценки целесообразно ввести понятие «порога», понимая под ним максимально допустимый уровень

соответствующего чувствительности приемника, является динамическим диапазоном D .

отношения сигналккп - шум при действий мешающего сигнала, частота которого находится вне основного канала приема и не совпадает с частотой ККП. Блокирование возникает в активных элементах ВЧ тракта (УВЧ и преобразователей) из-за нелинейного закона изменения коэффициента передачи полезного сигнала одновременно с мешающим. Нелинейность

10