5. Интермодуляция

9.5.1. Порядок интермодуляции. Наиболее опасные порядки интермодуляции

Интермодуляция – самый общий случай нелинейного преобразования электромагнитных колебаний. Интермодуляция состоит в появлении новых частот на выходе нелинейного элемента или в среде с нелинейной проводимостью при действии на них двух или более частот. Эффект интермодуляции может иметь место, как в радиопередатчиках, так и в радиоприемных устройствах. Частота интермодуляционного колебания (частота интермодуляции) представляет собой линейную комбинацию частот, поступающих на нелинейный элемент, где коэффициентами комбинации являются целые числа. Если, например, на нелинейный элемент поступает k колебаний с частотами f₁, …, f_k, то в результате их взаимодействия на этом элементе образуются частоты вида

f_им = | n₁f₁ + n₂f₂ +…+ n_kf_k |,

где f_им – частота интермодуляции; n₁,…, n_k – целые числа, положительные и отрицательные.

Число N = | n₁ | + | n₂ | +…+ | n_k | называется порядком интермодуляции.

В зависимости от числа сигналов (или частот), образующих интермодуляционный продукт (интермодуляционную частоту), говорят о двухсигнальной (двухчастотной) интермодуляции, трехсигнальной (трехчастотной) интермодуляции или, в общем случае, о многочастотной интермодуляции. Теоретически с ростом числа взаимодействующих сигналов и порядка интермодуляции число интермодуляционных сигналов растет очень быстро. Так, например, число интермодуляционных продуктов третьего порядка, возникающих на нелинейном элементе, на который поступает n сигналов, составляет (n³n²). Однако не все виды и не все порядки интермодуляционных продуктов (ИМП) имеют одинаковую значимость с точки зрения их влияния на рабочие характеристики радиоэлектронных средств (РЭС). Уровень ИМП зависит от вида нелинейности и амплитуды взаимодействующих сигналов, а также от характеристик частотной избирательности фильтров на входе и выходе нелинейного прибора. Хотя с повышением порядка интермодуляции амплитуда интермодуляционных продуктов падает, на практике наиболее мощными чаще оказываются продукты третьего, а не второго порядка. Более того, уровни интермодуляционных продуктов нечетных порядков обычно превышают уровни интермодуляционных продуктов четного порядка. Среди двухсигнальных ИМП наибольшей мощностью обладают колебания с частотами f_им = | nf_i  (n1)f_j |, где n  2 – целые положительные числа. Причина – частотная избирательность радиоэлектронных средств. Частотно-избиратель-ные цепи радиоприемников и радиопередатчиков влияют как на уровни сигналов, поступающих на нелинейные приборы, входящие в их состав, так и на уровни интермодуляционных продуктов, образующихся на их выходах. Однако ИМП указанного выше вида испытывают в этих цепях значительно меньшее ослабление, чем ИМП другого вида или продукты четного порядка. Это иллюстрирует рис. 9.13, где представлена амплитудно-частотная характеристика фильтра H(f) на выходе нелинейного прибора, на вход которого поступают мешающие сигналы I_i и I_j с частотами f_i и f_j, соответственно. Расстройка мешающего сигнала I_i, ближайшего к частоте настройки фильтра f₀, относительно частоты f₀ и расстройка между частотами f_i и f_j ближайшего и более удаленного от f₀ мешающих сигналов предполагаются одинаковыми. На рис. 9.13 они обозначены f.

Вобщем случае в описываемой ситуации слева и справа от сигналовI_i и I_j с шагом f по частотной оси появятся интермодуляционные продукты нечетных порядков N = 2n  1 (n  2) с частотами f_им = nf_i  (n  1)f_j или f_им = nf_j  (n  1)f_i. Эти продукты могут попадать в полосу пропускания фильтра, как, например, частота 2f_i  f_j = f₀ в ситуации, представленной на рис. 9.13, или находиться в области расстроек относительно центральной частоты фильтра, где ослабление фильтра может быть еще не очень большим. В тоже время продукты интермодуляции четного, например, второго (f_им = | f_j  f_i |) порядка, испытывают сильное ослабление при прохождении через фильтр, поскольку имеют значительную отстройку от центральной частоты фильтра и лежат далеко за пределами его полосы пропускания. Следует также учесть, что при относительно узкополосных фильтрах на входах нелинейных приборов и благоприятном для образования ИМП второго порядка расположении мешающих сигналов на оси частот, оба или, по крайней мере, один из входных сигналов оказываются существенно подавлены этими фильтрами. В результате интермодуляционный сигнал 2-го порядка имеет небольшой уровень из-за малой амплитуды сигналов, поступающих на нелинейный прибор. Поэтому ИМП четных порядков обычно не представляют значительной опасности и при анализе ЭМС РЭС их часто не рассматривают. Однако РПУ, имеющие широкополосный преселектор или преобразователь с переносом на нулевую частоту, могут испытывать интермодуляционные помехи второго порядка. ИМП второго порядка могут иметь место и в широкополосных радиопередатчиках. На практике встречались случаи, когда интермодуляционные продукты 40-го порядка превышали уровень шумов приемной системы. Ограниченное число измерений показало, что такие высокие порядки интермодуляции, как 11-й, могут быть только на 20 дБ ниже третьего, т. е. уменьшение уровней ИМП с ростом порядка происходит не так уж быстро [9]. Однако ИМП третьего и пятого порядков всегда значительны, поэтому при анализе ЭМС их необходимо учитывать в первую очередь.