9. Нелинейные эффекты в приемопередающей аппаратуре и их оценка в задачах эмс

1. Анализ нелинейных явлений в каскадах радиоаппаратуры

Нелинейные явления, которые влияют на качество работы РЭС и их электромагнитную совместимость (ЭМС), могут иметь место как в радиоприемных устройствах (РПУ), так и в радиопередатчиках (РПД).

В РПУ нелинейные явления обычно имеют место в каскадах, предшествующих первому усилителю промежуточной частоты – в УВЧ и первом смесителе (в преселекторе приемника). Это происходит, когда на вход РПУ поступают мешающие сигналы больших уровней, а ослабление их фильтрами преселектора относительно невелико. Диапазон частотных расстроек, в пределах которого наиболее вероятно возникновение нелинейных эффектов определяется, в первую очередь, полосой пропускания преселектора. Если учесть, что практический нижний предел для относительной ширины полосы фильтров преселектора составляет около 20 % [1], то это значение может служить ориентиром для оценки минимальной области частот, в пределах которой следует анализировать уровни мешающих сигналов, поступающих в РПУ. Появление мешающего сигнала (или нескольких мешающих сигналов) в полосе преселектора еще недостаточно для возникновения нелинейного эффекта. Необходимо, чтобы мешающий сигнал имел уровень, достаточный для того, чтобы приемник вел себя как нелинейный прибор. Обычно это имеет место, когда мешающий РПД и приемник-жертва имеют незначительный территориальный разнос (например, находятся на одном объекте) или удаленный передатчик излучает очень большую мощность в направлении на приемник.

Специфические нелинейные процессы, не связанные с процессом формирования несущей частоты или повышения кпд (эффективности излучения) передатчика и ведущие к появлению в эфире новых мешающих сигналов, имеют место в радиопередающих устройствах, когда антенны нескольких передатчиков находятся вблизи друг друга или несколько передатчиков работают на одну антенну.

Радиоприемные и радиопередающие устройства составлены из каскадно-соединенных электронных приборов – усилителей и смесителей. Анализируя работу таких приборов, их часто представляют последовательным соединением безынерционного нелинейного элемента (электронного прибора) и линейного инерционного фильтра (нагрузки), как показано на рис. 9.1, где обозначены: НЭ – нелинейный элемент; F(u_вх(t)) – передаточная характеристика НЭ; ЛФ – линейный фильтр; H(f) – частотная характеристика ЛФ. Преобразование спектра входного сигнала происходит в нелинейном элементе, а с помощью фильтра выделяется полоса частот, в которой находится спектр полезного сигнала. Для безынерционного нелинейного электронного прибора связь между мгновенными значениями напряжений сигналов на входе и выходе прибора описывается выражением вида

u_вых(t) = F(u_вх(t)), (9.1)

где функция F(u_вх(t)) может иметь достаточно сложный вид и, по существу, представляет собой передаточную функцию для мгновенных значений сигналов.

Линейная идеализация передаточной функции мгновенных значений, т. е. представление ее в виде F(u_вх(t)) = а₁u_вх(t), дает хорошие результаты только при очень малых уровнях входных сигналов. В общем случае, передаточная функция является нелинейной, что приводит к нежелательным откликам, которые возникают в дополнение к полезному сигналу, или снижают уровень полезного сигнала и искажают его структуру на выходе прибора, если на входе, кроме полезного сигнала, имеют место нежелательные мешающие сигналы. Поскольку РПУ содержит некоторый ряд таких нелинейных каскадов, то нелинейные характеристики каждого каскада будут вносить свой вклад в ухудшение общей характеристики приемника.

В радиопередатчиках особую роль играет оконечный усилитель мощности, который для повышения кпд РПД обычно работает в нелинейном режиме. Попадание извне мешающих сигналов в оконечный каскад РПД приводит к появлению в излучениях передатчика новых частот, которых не было, пока отсутствовали мешающие сигналы.

Наиболее часто функцию F(u_вх(t)) аппроксимируют полиномом М-й степени с постоянными коэффициентами, т. е. выражение (9.1) представляют в виде

. (9.2)

Это соотношение обычно используют для анализа нелинейных эффектов в радиоприемных устройствах.

Основными видами нелинейных эффектов, которые могут иметь место в каскадах РПУ, являются компрессия (сжатие) полезного сигнала, блокирование, перекрестные искажения и интермодуляция. Основным нелинейным эффектом, возникающим в совокупности близко расположенных или работающих на одну антенну передатчиков, является явление интермодуляции. При рассмотрении этих эффектов ограничимся представлением передаточной функции мгновенных значений полиномом третьей степени, т. е. положим:

. (9.3)