КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени А.Н. ТУПОЛЕВА

Кафедра конструирования и производства микроэлектронной аппаратуры

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ УСТРОЙСТВ

Методические указания к практическим занятиям

По дисциплине «Проектирование устройств»

направление: 080500 «Менеджмент»                                                        

специальность: 080502 «Экономика и управление на предприятии»         

(указывается их номер и наименование)

форма обучения: очная                                                                                  

(очная, очно-заочная, заочная)

Казань 2007 год

Содержание

стр

Введение 2

Оценка параметров радиоприемных устройств в ЭМС. 12

Оценка нежелательных излучений радиопередающих устройств 11

Использование фильтров в ЭМС. 16

Использование экранов в ЭМС. 19

Использование заземления в ЭМС. 21

Литература 24

Введение

Направление радиоэлектроники, призванное обеспечить одновременную и совместную работу различного радиотехнического, электронного и электротехнического оборудования - называется электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств (ЭМС РЭС).

Причины, вызывающие обострение проблемы ЭМС:

• возрастает общее число одновременно действующих РТУ, в особенности устанавливаемых на подвижных объектах;

• повышается мощность радиопередатчиков, достигая для некоторых типов радиосредств десятков мегаватт;

• расширяются полосы частот, используемые многими современными радиосредствами;

• повышается загрузка диапазона радиочастот, притом, что многие участки уже сейчас сильно перегружены;

• шире внедряются электронные средства автоматического управления, контроля, диагностики на основе аналоговой и цифровой техники;

• увеличивается оснащенность подвижных объектов средствами радиоэлектроники, при повышении плотности компоновки аппаратуры;

• ухудшаются условия функционирования РЭС летательных аппаратов, так как они оказываются в зоне прямой видимости увеличивающегося числа наземных РЭС, расположенных на значительной территории.

Основными задачами, стоящими перед специалистами при проектировании электронных средств в области обеспечения электромагнитной совместимости, являются:

- определение восприимчивости к электромагнитным помехам аппаратуры на любом ее структурном уровне.

- прогнозирование электромагнитной совместимости и возможности появления электромагнитных помех.

- определение эффективных мер защиты электронных средств от электромагнитных помех.

Целью данных методических указаний является изучение основных расчетных методов используемых для обеспечения совместной работы радиоэлектронных средств (РЭС) на различных уровнях иерархии конструкций и использование системного подхода при решении проблем несовместимости РЭС с учетом достижений мировой практики.

В результате студент должен иметь представление:

- об основных задачах и проблемах электромагнитной совместимости (ЭМС) при проектировании электронных средств;

- о методах расчета основных характеристик изделий влияющих на ЭМС, оценки влияния факторов на характеристики изделий;

- о способах выполнения доработок изделий радиоэлектронного оборудования с целью

уметь:

- анализировать схемы радиоэлектронных устройств различного назначения с целью выявления наиболее важных узлов для обеспечения ЭМС;

- рассчитывать и измерять технические характеристики и параметры узлов и устройств аналого-дискретной или цифровой обработки сигналов влияющих на ЭМС;

- использовать современную вычислительную технику с целью моделирования или исследования радиоэлектронных устройств для решения задач обеспечения ЭМС.

Анализ ЭМС включает:

• проверку влияния изменения рабочей частоты в различной аппаратуре комплекса на ЭМС;

• определение влияния излучения дополнительного передатчика на существующую аппаратуру комплекса;

• оценку уровня помех, возникающих в приемнике, при введении его в существующий комплекс;

• выбор места расположения передатчика или приемника с точки зрения минимального влияния помех;

• нахождение источника и причины возникновения помехи;

• определение метода и степени подавления данной помехи;

• получение информации об окружающей электромагнитной обстановке (ЭМО) для конкретного места расположения аппаратуры;

• получение информации о восприимчивости данного приемника или группы приемников;

• расчет потерь распространения на заданном участке;

• участие в выборе таких параметров системы, как мощность, усиление, чувствительность и избирательность;

• проверку соответствия данной аппаратуры установленным нормам;

• выбор наилучшего частотного диапазона для рассматриваемой системы;

• определение требований к частотно-территориальному разносу аппаратуры, находящейся в непосредственной близости;

• распределение частот для совместной эксплуатации

• аппаратуры;

• оценку эффективности системы в эксплуатации.

Наиболее важными этапами прогноза являются:

1) предварительный анализ на стадии эскизного проектирования для оценки возможности возникновения ЭМП и определения требований ЭМС к аппаратуре;

2) анализ (основанный на статистической обработке данных) возможности возникновения ЭМП между узлами аппаратуры;

Рис. 1. Иллюстрация межсистемных помех.

S — полезный сигнал; Iс - помехи от .систем радиосвязи; Ir — помехи от РЛС; Inc — помехи от систем автомобильного зажигания.

3) анализ, базирующийся на требованиях ограничительных документов (норм, стандартов);

4) прогноз характеристик системы или ее эксплуатационной эффективности (оценка влияния ЭМП на функционирование системы).

Чтобы определить, существует ли возможность возникновения ЭМП от передатчика в приемнике, необходимо рассмотреть восприимчивость приемника с учетом направленности как излучений потенциальных ИП (рис. 1), так и приема РП. При анализе учитывают мощность передатчика Р_Т, усиление передающей антенны в направлений приемника G_Т, потери распространения между передатчиком и приемником L, усиление приемной антенны в направлении передатчика G_R, допустимый уровень помехи на входе приемника Р_R.

Такие характеристики, как. внеполосныё излучения передатчиков, каналы побочного приема, боковые и задний лепестки диаграммы направленности антенн, возможные пути распространения часто оказываются неизвестными при расчетах, что затрудняет прогнозирование. Экспериментальное определение этих характеристик показывает, что они имеют большой разброс для однотипных РЭС, отличающихся только серийными номерами. Поэтому желательно определять такие характеристики статистическим методом. В таком случае результат прогноза будет носить вероятностный характер.

При оценке воздействия на приемник всех излучений передатчика можно предположить, что каждое излучение принадлежит только одному передатчику, и рассматривать помеховые ситуации, которые существуют между одним потенциально мешающим передатчиком и эталонным приемником. При наличии сигнала на выходе мешающего передатчика (излучение может быть основным и побочным) действующая мощность на входе приемника как функция частоты f, времени t, пространственного разноса d и поляризации р передающей и приемной антенн оценивается выражением

Р_А(f, t, d, р) = Р_T (f,t) + C_TR (f, t, d, р), (1.1)

где Р_T (f,t) — мощность передатчика, дБм; C_TR (f, t, d, р) — функция, характеризующая потери распространения между передатчиком и приемником с учетом усиления приемной и передающей антенн (G_Т, и G_R), дБ.

Сравнивая действующую мощность на входе приемника Р_А(f, t, d, р) с допустимой мощностью Р_R (f, t), можно определить помеховую ситуацию для любой частоты на выходе передатчика, влияние которого рассматривается. Требование ЭМС заключается в том, чтобы

Р_А(f, t, d, р) < Р_R (f, t), .(1.2)

и, наоборот, если

Р_А(f, t, d, р) ≥ Р_R (f, t), . (1.3)

условие ЭМС не соблюдается. Величина Р_R, как правило, -определяется уровнем собственного шума приемника, пересчитанным к его входу, и уровнем принимаемого сигнала,

Оценка нежелательных излучений радиопередающих устройств

Огибающая внеполосных излучений определяется:

М(Δf) = M(Δf_i) +M_i lg(Δf / Δf_i), Δf  [Δf_i, Δf_i+1]

Δf – частотная расстройка, M(Δf_i) – снижение мощности внеполосных излучений на краю полосы Δf_i в дБ, относительно 0 дБ; M_i – наклон огибающей спектра в пределах (i+1) полосы Δf_i+1.

Для импульсного излучения:

M(Δf₁) = 0 при Δf₁ = 1 / π τ_min

M(Δf₂) = 20 lg (τ_ф / τ_min) при Δf₂ = 1 / π τ_ф

M(Δf₃) = 20 lg (η² / τ_ф τ_min) при Δf₃ = 1 / π η

τ_min –минимальная длительность импульса; τ_ф – длительность фронта импульса; η = 0,02 τ_min – скругление фронта импульса.

Задача 4.1. Построить огибающую внеполосных излучений для импульсного сигнала со следующими параметрами τ_ф = 0,1 мкс, τ_min = 10 мкс.

Задача 4.2. Импульсный передатчик РЛС мощностью 500 Вт, работает на частоте 10 ГГц, τ_ф = 1 мкс, τ_min = 3,5 мкс. Соответствует ли он требованиям ЭМС если он имеет излучение мощностью 0,1 Вт на частоте 12 ГГц.

Для количественного описания излучений на гармониках используют выражение:

P_ип(m f₀) = P_ип(f₀) +A lg m +B

Интермодуляционных и других паразитных излучений

P_ип(f_п) = P_ип(f₀) +A lg (f_п /f₀) +B

где P_ип(f₀) – уровень основного излучения; дБВт; m – номер гармоники; f_п – частота побочного излучения; А, В – коэффициенты аппроксимации.

Частота МГц	А, дБ/декада	В, дБ	σ, дБ
< 30	- 70	- 20	10
30 … 300	- 80	- 30	15
> 300	- 60	- 40	20
усредненные	- 70	- 30	20

Средние уровни побочных излучений относительно основного, дБ

Тип прибора	2 гарм.	3 гарм.	Паразитное
Магнетрон	47	44	59
Стабилитрон	14	39	30
ЛОВ	31	51	43
ЛБВ	37	44	42
Клистрон (имп)	42	46	42
Клистрон (непрер)	53	53	53

Оценка параметров радиоприемных устройств в эмс

Порог восприимчивости можно вычислить, зная полосу пропускания приемника и коэффициент шума F:

Р_R(f_0R)[Вт] = FkTB_R, (4.1)

где k = 1,38·10^-23 Вт/кГц — постоянная Больцмана; Т — температура, К; В_R — полоса пропускания приемника, Гц.

Пример 4.1. Рассмотрим, типовой приемник с кристаллическим смесителем, работающий в L-диапазоне (1,3 ГГц) и имеющий номинальное Значение В_R = 2 МГц. Согласно рис. 9 коэффициент шума приемника составляет приблизительно 8 дБ. Тогда порог восприимчивости приемника для ППП может быть вычислен по (4.1):

P_R(f_0R) = -174 + 10 lg B_R + F [дБ] = -174 + 10 lg (2 · 10⁶) +8 = - 103 дБм.

Задача 1

Приемник с кристаллическим смесителем, работает на частоте 1,3 ГГц и имеет номинальное значение В_R = 2 МГц определить коэффициент шума и порог восприимчивости при Т = 22°С.

Пример 4.2. Пусть приемник, настроенный на частоту 130 МГц, принимает помеху от передатчика РЛС, работающего на частоте 1250 МГц. Промежуточная частота f_IF = 30 МГц. Помеха прослушивается в приемнике как тон с частотой 800 Гц, что соответствует частоте манипуляции РЛС, и меняется по амплитуде с частотой сканирования антенны РЛС.

Рассмотрим, каким образом могут возникнуть помехи радиоприему, если частота гетеродина выше частоты сигнала.

Частота гетеродина определяется выражением

f_L0 = f_0R + f_IF = 130 + 30 = 160 МГц.

По формуле для. 8-й гармоники гетеродина и q = 1 частота помехи

=1250 и 1310 МГц.

где р—номер гармоники частоты гетеродина; q — номер КПП; f_L0 — частота гетеродина; f_IF — промежуточная частота.

Таким образом, РЛС может создавать ЭМП. Следует заметить, что ЭМП в данном случае можно значительно уменьшить, установив на входе приемника фильтр нижних частот с частотой среза 200— 500 МГц.

Задача 2

Приемник настроен на частоту 130 МГц, имеет промежуточную частоту f_IF = 30 МГц. Помеха от передатчика РЛС, работающего на частоте 1250 МГц, имеет тон с частотой 800 Гц, что соответствует частоте манипуляции РЛС. Будет ли помеха прослушиваться в приемнике. Определить номера гармоник гетеродина и помехи, если частота гетеродина выше частоты сигнала.

ДЕТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПОМЕХ

Пример 4.3. Предположим, что передатчик, управляющий движением самолетов, настроен на частоту f₁ = 360 МГц. Определим частоту излучения другого передатчика, которая может вызвать помехи из-за взаимной модуляции второго и третьего порядка в приемнике настроенном на частоту f_0R = 300 МГц и расположенном вблизи передатчика. В этом случае f₁/ f_0R = 1.2, т.е. частота передатчика в 1,2 раза больше частоты приемника.

Продукты взаимной модуляции приводят к помехам, если они попадают в полосу канала ПЧ. Излучения, которые могут образовать такие продукты, должны удовлетворять соотношению |mf₁ ± nf₂| = |f_0R ± B_R|, где f₁, f₂ — частоты двух источников помех; f_0R — частота настройки приемника; В_R — полоса пропускания по ПЧ; m, n — целые числа.

Из рисунка следует, что внутри области, определяемой выражением 0 < f₂/f_0R < 2f_0R частоты продуктов взаимной модуляции второго и третьего порядка составляют

0,1 (третьего порядка f₁— 2 f₂),

0,2 (второго порядка f₁ — f₂),

1,1 (третьего порядка- 2 f₂ — f₁),

1,4 (третьего порядка: 2 f₁ — f₂)

Для рассматриваемого случая наиболее «опасные» частоты с точки зрения помех, обусловленных взаимной модуляцией определяются соотношениями f₂/ f_0R = 1,1 и f₂/ f_0R = 1.4, т е f₂ = 330; 420 МГц. Поэтому для обеспечения нормальной работы приемника должны быть приняты дополнительные меры защиты от колебаний этих частот Колебания частот, соответствующих f₂/ f_0R = 0,2, т е. 30 и 60 МГЦ, будут существенно ослаблены входными фильтрами.

Задача 3

Передатчик, управляющий движением самолетов, настроен на частоту f₁ = 360 МГц. Определить частоту излучения другого передатчика, которая может вызвать помехи из-за взаимной модуляции второго и третьего порядка в приемнике настроенном на частоту f_0R = 300 МГц и расположенном вблизи передатчика.