- •Анализ электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств
- •Оглавление
- •10. Описание антенных устройств в задачах эмс 198
- •11. Оценка потерь на трассах распространения 223
- •12. Критерии оценки эмс 261
- •13. Организационные методы обеспечения эмс 289
- •Список использованных сокращений
- •Введение
- •1. Проблема эмс и причины ее появления
- •Основные понятия и определения
- •Причины появления проблемы эмс
- •Последствия отсутствия эмс и особенности изучения проблемы эмс рэс
- •2. Источники и рецепторы электромагнитных помех (эмп)
- •Классификация эмп по связям с источником помехи и некоторые их характеристики
- •2.1.1. Естественные эмп.
- •Чувствительность некоторых полупроводниковых приборов к электростатическому разряду
- •2.1.2. Искусственные эмп
- •Рецепторы эмп. Внутрисистемная и межсистемная эмс
- •Пути проникновения помех. Виды помех в электрических цепях
- •3. Измерение параметров эмс технических средств
- •Измерение кондуктивных помех и восприимчивости к ним
- •Измерение помех излучения и восприимчивости к ним
- •4. Технические методы подавления и защиты от помех
- •Экранирование
- •Фильтрация
- •Заземление
- •5. Радиочастотный спектр и его использование
- •Радиочастотный спектр и диапазоны частот
- •Диапазоны частот электромагнитных колебаний
- •Основные понятия, связанные с использованием рчс
- •Регулирование использования рчс в Российской Федерации
- •Стандартизация и международная кооперация в области эмс
- •6. Общий подход к анализу и обеспечению эмс
- •Требования к методам анализа эмс
- •Анализ параметров эмс систем на стадии разработки
- •Анализ внутрисистемной и межсистемной эмс рэс
- •Основные направления по решению проблемы эмс
- •7. Описание излучений радиопередатчиков в задачах эмс
- •Виды излучений радиопередатчиков
- •Основное и внеполосное сигнальное излучения
- •7.2.1. Класс излучения
- •7.2.2. Параметры и модели основного и внеполосных излучений
- •Границы областей внеполосных излучений относительно центральной частоты основного излучения в зависимости от диапазона рабочих частот передатчика и необходимой ширины полосы частот
- •Точки излома спектральной маски для рис. 7.2
- •Точки излома масок спектров, представленных на рис. 7.3
- •Параметры модели (7.1)
- •Побочные излучения радиопередатчиков
- •Параметры модели (7.9)
- •Предельные значения мощности побочных излучений в контрольной полосе
- •Шумовые излучения передатчика
- •Параметры эмпирической модели, представленной выражением (7.10)
- •8. Описание радиоприемных устройств в задачах эмс
- •Общие характеристики радиоприемных устройств, определяющие их совместимость с окружением
- •Основной канал приема радиоприемника и его описание
- •Побочные каналы приема и их описание
- •Параметры модели (8.9)
- •Оценка коэффициента частотной коррекции
- •Результаты расчета относительной расстройки частоты Δp
- •9. Нелинейные эффекты в приемопередающей аппаратуре и их оценка в задачах эмс
- •Анализ нелинейных явлений в каскадах радиоаппаратуры
- •Компрессия сигнала в радиоприемнике. Параметры, определяющие динамический диапазон приемника по основному каналу приема
- •Эффект блокирования радиоприемного устройства. Основные параметры, характеристики и методы их измерения
- •Перенос шумов гетеродина
- •9.4.1. Фазовый шум генератора
- •9.4.2.Перенос шумов гетеродина
- •Интермодуляция
- •9.5.1. Порядок интермодуляции. Наиболее опасные порядки интермодуляции
- •9.5.2. Интермодуляция в радиоприемных устройствах. Параметры, связанные с эффектом интермодуляции
- •9.5.3. Интермодуляция в радиопередатчиках
- •9.5.4. Точка пересечения и расчет уровней интермодуляционных продуктов на нелинейном элементе
- •9.5.5. Измерение и расчет точек пересечения
- •9.5.6. Динамический диапазон приемника по интермодуляции и связь параметров нелинейности
- •9.5.7. Оценка мощности интермодуляционных продуктов с использованием точки пересечения
- •Перекрестные искажения
- •Оценка нелинейных явлений в задачах эмс рэс
- •9.7.1. Оценка эффекта блокирования рпу
- •Представление функции Pb(X) при оценке эффекта блокирования
- •Характеристики блокирования приемников некоторых цифровых систем связи
- •9.7.2.Оценка уровней интермодуляционных продуктов в радиопередатчиках
- •Параметры эмпирической модели (9.66)
- •9.7.3. Оценка интермодуляции в радиоприемниках
- •Границы частотных интервалов для анализа нелинейных эффектов в приемнике
- •Эмпирические модели для оценки эффекта интермодуляции в радиоприемниках
- •9.7.4. Оценка перекрестных искажений
- •10. Описание антенных устройств в задачах эмс
- •Некоторые общие сведения о характеристиках антенн
- •Особенности описания антенных устройств в задачах эмс
- •Детерминированное описание диаграмм направленности антенн
- •10.3.1. Дна в области рабочих частот.
- •10.3.2. Дна на нерабочих частотах
- •Параметры диаграмм направленности за пределами диапазона рабочих частот антенн.
- •Статистическое описание диаграмм направленности антенн
- •Параметры функции f(g) для области бокового усиления
- •Потери в антенно-фидерном тракте и потери рассогласования
- •Учет поляризационных характеристик антенн и сигналов
- •Ослабление мешающих сигналов при несовпадении поляризации с приемной антенной
- •Ближняя зона
- •11. Оценка потерь на трассах распространения
- •Общие положения
- •Модели для оценки потерь на трассах распространения и цифровые карты местности
- •Графические модели
- •Аналитические модели
- •Расчетные соотношения, используемые в классической модели Хата
- •Расчетные соотношения, используемые в модели cost 231 Хата
- •Расчетные соотношения, используемые в модифицированной модели Хата
- •Среднеквадратическое отклонение (ско) потерь на трассах распространения
- •Оценка потерь на дифракцию
- •11.5.1. Зоны Френеля.
- •11.5.2. Дифракция на клине
- •11.5.3. Дифракция на цилиндре
- •12. Критерии оценки эмс
- •Рабочие характеристики и оценка качества работы рэс
- •12.2. Виды рабочих характеристик рэс различного назначения
- •12.3. Критерии эмс
- •Защитные отношения для систем тв (625 строк), работающих в соседнем канале
- •Защитные отношения для аналоговых каналов звукового сопровождения тв
- •Защитные отношения для цифровых каналов звукового сопровождения тв, дБ
- •Защитные отношения по совмещенному каналу для некоторых современных систем связи, дБ
- •Защитные отношения для некоторых современных систем связи в зависимости от расстройки помехи, дБ
- •12.4. Моделирование процессов управления мощностью передатчиков в сетях сухопутной подвижной связи
- •13. Организационные методы обеспечения эмс
- •13.1. Частотно-территориальное планирование
- •13.2. Управление параметрами радиосигналов
- •13.3. Радиоконтроль и его роль в управлении использованием радиочастотного спектра и обеспечения эмс
- •Заключение
- •Список литературы
- •Анализ электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств
- •197376, С.- Петербург, ул. Проф. Попова, 5
Детерминированное описание диаграмм направленности антенн
Математическое описание ДНА используется при оценке уровней сигналов и помех, поступающих на входы радиоприемных устройств в анализируемой совокупности РЭС. Диаграмма направленности формируется в дальней зоне излучения антенны. Поэтому она используется только при оценке ЭМС РЭС, расположенных в дальней зоне по отношению друг к другу. Поскольку форма ДНА зависит от частоты, при описании диаграммы направленности выделяют две области: область рабочих частот антенны и область нерабочих частот антенны. Рассмотрим описание ДНА в каждой из этих областей отдельно.
10.3.1. Дна в области рабочих частот.
В этой области форма ДНА изменяется в допустимых пределах, и при расчетах эти изменения не учитывают, считая, что форма ДНА в рабочей полосе частот антенны не изменяется.
Всферической системе координат диаграмма направленности является функцией, описывающей значение коэффициента усиления антенны в зависимости от направления прихода электромагнитной волны,g(, ) (рис. 10.2). При описании обычно полагают, что направление максимального излучения (приема) ДНА совпадает с направлением оси x, от которой в плоскости xoy отсчитывается азимутальный угол . Угол места θ, в отличие от классической сферической системы координат, где он отсчитывается от оси z, при описании ДНА отсчитывают от плоскости xoy. Такая система отсчета углов используется для описания координат точек земной поверхности. В ней угол представляет долготу, а θ – широту точки на поверхности земли.
Диаграмму направленности антенны можно записать в виде:
g(, ) = g0 gN(, ), (10.2)
где g0 – максимальный коэффициент усиления антенны; gN(, ) – нормированная ДНА, значения которой лежат в интервале [0,1], и gN(0, 0)=1.
Хотя описание ДНА в относительных единицах используется достаточно часто, в инженерных расчетах диаграмму направленности обычно описывают в децибелах относительно изотропной антенны [dBi], которые часто обозначают просто дБ:
G(, ) = G0+GN(, ), (10.3)
где G(, ) – диаграмма направленности антенны, dBi; G0 – максимальный коэффициент усиления антенны, dBi; GN(, ) – нормированная ДНА, значения которой GN(0, 0) = 0, GN(, ) ≤ 0 и выражены в децибелах относительно G0.
При анализе ЭМС совокупности РЭС, размещенных в дальней зоне, необходимо располагать информацией о трехмерных диаграммах направленности антенн, которые используют исследуемые средства. Обычно имеется информация только о двух ортогональных сечениях ДНА в горизонтальной и в вертикальной плоскости, т. е. GH() = G(, 0) и GV() = G(0, ). Их соответственно называют диаграммой направленности в горизонтальной и диаграммой направленности в вертикальной плоскости. ДНА в горизонтальной и в вертикальной плоскости получают либо посредством измерений, либо на основе теоретического анализа. Эти диаграммы используются для построения трехмерной ДНА, а точнее, для определения коэффициента усиления антенны в направлении, которое не лежит ни в одной из исходных плоскостей. Обычно в качестве исходного материала используют нормированные ДНА в горизонтальной и в вертикальной плоскости. Получив с их помощью значение GN(,), вычисляют G(, ), используя (10.3).
Предварительно диаграммы направленности в горизонтальной и в вертикальной плоскости приводят к виду, удобному для дальнейшей работы. ДНА делят на две области: область главного лепестка и область боковых и задних лепестков. ДНА в области главного лепестка аппроксимируют удобной аналитической функцией.
Если ДНА получена по напряженности поля, то в качестве такой функции могут быть использованы прямоугольная функция, трапецеидальная функция, exp[–1.39(x/x0)], cos2[1.14(x/x0)], sin[2.81(x/x0)]/[2.81(x/x0)] и др. Здесь x – угол в плоскости (горизонтальной или вертикальной), для которой производится аппроксимация ДНА; x0 – ширина ДНА в соответствующей плоскости на уровне –3 дБ.
Для ДНА, полученных по мощности, при аппроксимации главного лепестка также используют прямоугольную или трапецеидальную функции, или квадрат функций, перечисленных выше. Следует заметить, что с помощью указанных функций сечения нормированной ДНА определяют усиление в относительных единицах (не в децибелах).
В спецификациях на антенну обычно указывают ширину главного лепестка ДНА в горизонтальной и в вертикальной плоскостях на уровне –3 дБ. Если данных для аппроксимации главного лепестка недостаточно, можно использовать то обстоятельство, что ширина главного лепестка на уровне –10 дБ примерно в два раза больше, чем на уровне –3 дБ.
Для систем радиосвязи CEPT выделяет девять типов направленных антенн, разбитых на четыре группы, которые используются на практике в системах подвижной и фиксированной связи. Для каждого типа предложена математическая модель, описывающая сечение ДНА, которое может быть использовано для представления диаграммы направленности антенны в горизонтальной и/или вертикальной плоскости [37].
Вобласти боковых и задних лепестков ДНА чаще всего аппроксимируют некоторым постоянным уровнем. Значение этого уровня выбирают, используя статистику измерений коэффициента усиления по боковым и задним лепесткам для конкретного типа антенны, либо на основании теоретических исследований. Часто постоянный уровень соответствует максимальному уровню боковых лепестков. В некоторых случаях для антенн с высокой направленностью уровни, моделирующие лепестки диаграммы направленности в передней и задней полусферах ДНА, могут различаться. Пример построения такой ДНА в декартовой системе координат показан на рис.10.3. На рис. 10.4 представлен в полярных координатах один из образцов сечений ДНА, рекомендуемых CEPT для оценки ЭМС при координации частотных присвоений системам мобильной и фиксированной связи в приграничных районах. Если ГЛ ДНА обладает круговой симметрией (ДНА игольчатого типа), то для ее пространственного описания достаточно одного сечения. Угол относительно оси, соответствующей максимальному коэффициенту усиления в данном сечении, полностью определяет усиление антенны и в любом другом направлении, не лежащем в плоскости сечения, но имеющем такой же угол прихода электромагнитной волны, как и рассматриваемый.
Втом случае, когда круговая симметрия отсутствует, но ДНА имеет относительно узкий главный лепесток, как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости, коэффициент усиления по главному лепестку может быть получен на основе эллиптической аппроксимации поперечных сечений главного лепестка, как это показано на рис10.5. Для этого нормированные в горизонтальной и вертикальной плоскостях ДНА квантуют по уровню. Для каждой плоскости уровни квантования берут одинаковыми. Ширина диаграмм направленности на этих уровнях определяет оси эллипсов, описывающих сечение ДНА. Каждый уровень усиления определен границами двух эллипсов. Задача состоит в том, чтобы определить, между границами каких эллипсов лежит направление луча, для которого ищется коэффициент усиления антенны.
Обозначим i и i ширину ДНА в горизонтальной и в вертикальной плоскости на i-ом уровне квантования, соответственно. Для луча, направление которого определяет пара углов (, ), эти углы сравнивают с полуосями (i /2, i /2) каждой эллиптической границы. Если > i /2 или > i /2, этот эллипс из рассмотрения исключают. В качестве коэффициента усиления GN(, ) выбирают значение усиления, соответствующее первому эллипсу, полуоси которого не меньше координат луча ( i /2, i /2), а координаты луча (, ) удовлетворяют неравенству:
Если луч лежит за пределами главного лепестка, коэффициент усиления антенны принимается равным коэффициенту усиления по боковым (задним) лепесткам. Получив значение GN(, ), окончательный коэффициент усиления устанавливают, используя соотношение (10.3).
Другой метод описания ДНА предполагает, что диаграмма в горизонтальной плоскости на каждом азимуте φ формируется наклоненной на угол θ вертикальной диаграммой направленности. В этом случае формула для оценки коэффициента усиления антенны имеет вид:
G(, ) = G0 + GH() + GV(), (10.4)
где GH(), GV() – нормированные ДНА в горизонтальной и вертикальной плоскости, соответственно, дБ.
Эта формула ориентирована на антенны, у которых диаграмма направленности в горизонтальной плоскости близка к круговой. Однако, ввиду ее простоты, формулу часто используют и для направленных антенн.
Наконец, для фиксированной службы в предположении, что диаграммы направленности антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях являются симметричными, используя [38], выражение для вычисленияGN(, ), дБ, можно представить взвешенной суммой нормированных коэффициентов усиления GH() и GV(), дБ:
Теперь из (10.3), можно вычислить G(, ).