Характеристики и параметры радиоприемных устройств, влияющие на ЭМС РЭС, и их нормирование

Идеальный с точки зрения ЭМС радиоприемник должен иметь только один основной канал приема – т.е. полосу частот, предназначенную для приема основного излучения нужного РЭС. Однако в реальных супергетеродинных приемниках наряду c основным каналом приема имеются также и нежелательные неосновные каналы приема, расположенные вне полосы частот основного канала приема. Поэтому мешающие сигналы могут поступать на выход приемника как через основной, так и через неосновные каналы приема. Это обстоятельство учитывается при решении проблем ЭМС.

Частотно-избирательные свойства приемника позволяют выделять полезный сигнал на фоне мешающих излучений. Частотная избирательность приемника характеризует его способность ослаблять МС, отличающиеся по спектру от ПС. При этом различают односигнальную и многосигнальную частотные избирательности приемника. При малых уровнях полезного и мешающего сигналов радиочастотный тракт приемника работает в линейном режиме и его избирательные свойства характеризует односигнальная избирательность, определяемая формой АЧХ высокочастотного тракта приемника (от входа приемной антенны до входа демодулятора ).

В идеальном случае АЧХ ВЧ тракта приемника должна иметь П-образную форму: все существенные компоненты энергетического спектра ПС должны передаваться с одинаковым коэффициентом передачи рассматриваемого тракта, а за условными пределами границ спектра ПС коэффициент передачи ВЧ тракта должен быть близок к нулю. Реально во многих профессиональных системах радиосвязи удается получить трапецевидную АЧХ ВЧ тракта с крутыми “скатами”, достаточно близкую к П-образной.

В реальных условиях на вход радиоприемника наряду с полезным могут поступать интенсивные мешающие радиосигналы, что может привести к появлению нелинейных эффектов в тракте приема. В этом случае необходимо рассматривать многосигнальную избирательность, которая характеризует способность приемника выделять слабый полезный сигнал на фоне суммы собственных шумов и сильных мешающих сигналов, находящихся за пределами полос пропускания основного и побочных каналов приема. Количественно многосигнальная избирательность определяется отношением уровней одновременно поступающих на вход сигналов на одной или нескольких заданных частотах и на частоте настройки приемника при заданном отношении суммарной мощности составляющей помехи к мощности полезного сигнала на его выходе.

При односигнальном воздействии оценивают параметры основного и побочных каналов приема, влияющие на ЭМС радиоприемника при его работе в линейном режиме. К параметрам основного канала приема относятся следующие: - чувствительность; - динамический диапазон; - частотная избирательность; - полоса пропускания; - коэффициент прямоугольности АЧХ тракта ВЧ; - частота настройки приемника; - нестабильность частоты гетеродина; - отношение сигнал/шум на выходе. К параметрам побочных каналов приема (на промежуточной, зеркальной, комбинационных частотах, на субгармониках) относятся восприимчивость к помехам, частота и чувствительность . Чувствительность радиоприемника характеризует его способность обеспечивать прием полезного сигнала на фоне собственных шумов при отсутствии помех и воспроизводить его на выходе с заданным качеством. Различают пороговую и реальную чувствительность радиоприемника.

Пороговая чувствительность приемника – это минимальный уровень сигнала на его входе Pпор при равных уровнях полезного сигнала и собственных шумов приемника на его выходе, т.е. при отношении сигнал/шум на выходе, равном 1: Q_вых = (Р_с/Р_ш )вых =1, или 0 дБ. За порог восприимчивости приемника к помеховым сигналам в основном канале приема также принимается уровень собственных шумов, т.е.пороговая чувствительность Р_пор Реальная чувствительность приемника – это минимальный уровень сигнала на его входе, при котором обеспечивается номинальная мощность полезного сигнала на его выходе и заданное превышение уровня мощности полезного сигнала над уровнем шумов Qвых min доп., т.е. на выходе приемника должно выполняться условие: Qвых = (Pc/Pш)вых > Qвых min доп. Реальная чувствительность приемника определяется выражением [Буга-Кантрвич]:

, (5.1)

где: k_Б = 1,38·10^-23, Дж/К – постоянная Больцмана; Т_о – абсолютная температура окружающей среды, К; Т_А – эффективная шумовая температура антенны, К; В_ш – ширина эффективной полосы шумов приемника, Гц; N_ш – коэффициент шума приемника; Q_вых – требуемое отношение сигнал/шум на выходе приемника.

В диапазоне частот 30…120 МГц при комнатной температуре (Т_о = 293 К) отношение Т_А/ Т_о = 1,8·10^-6/f ³, где f – в мегагерцах. На частотах f > 120 МГц отношение Т_А/ Т_о = 1 и формула (4) примет вид: , (5.2)

а пороговая чувствительность (порог восприимчивости) равна: . (5.3)

Динамический диапазон основного канала Dок – это отношение максимальной амплитуды сигнала Емакс(fо) на входе приемника, при которой нелинейные искажения Кни равны допустимому значению, к его минимальной амплитуде Емин(fо) при которой отношение сигнал/шум (Qвых) на выходе равно заданной величине. Этот параметр является мерой линейности основного канала приема в отсутствии радиопомех и характеризует допустимые пределы изменения амплитуды входного сигнала, в которых обеспечивается требуемое качество выходного сигнала.

Частотная избирательность – обеспечивает возможность выделения полезного сигнала на фоне помеховых сигналов благодаря различиям в их спектральных характеристиках. Величина ослабления сигнала в зависимости от расстройки частоты определяется формулой: , (5.4)

где К(fо) и К(Δf) - коэффициенты усиления линейной части высокочастотного тракта приемника на частоте настройки (fо) и при расстройке на частоту Δf соответственно. Упрощенный вид графика частотной избирательности приведен на рисунке 5.1.

Полоса пропускания приемника по основному каналу В3 ограничена двумя частотами (f1 и f2), на которых ослабление сигнала равно 3 дБ. Ширину полосы пропускания В3 выбирают равной необходимой ширине частот Вн с учетом допустимого отклонения частоты радиолинии ∆fрл в обе стороны от присвоенной частоты:

В3 = Вн + 2∆fрл = Вн + 2(∆fпр и ∆fпд ), (5.5)

где ∆fпр и ∆fпд – нестабильность настройки частоты приемника и передатчика, соответственно. Идеальная характеристика избирательности, в отличие от реальной, должна иметь П- образную (прямоугольную) форму. Представление о степени близости реальной характеристики избирательности к идеальной оценивается коэффициентом прямоугольности Кх, равным отношению ширины полосы частот Вх на уровне Х дБ, к ширине полосы пропускания В3 на уровне 3 дБ, т.е. Кх = Вх / ВПр. 3.

Рис. 5.1. Характеристика частотной избирательности приемника

В реальных приемниках коэффициент прямоугольности К₆₀ = 2…4. Недостаточная крутизна склонов характеристики избирательности приемника является причиной появления в основном канале помех от радиопередатчиков, работающих на частотах соседних каналов, смещенных на величину ±Df_ск относительно частоты основного канала f_о. Величина ослабления помех по соседним каналам нормируется. Например, для бытовых радиовещательных приемников нормы требуют, чтобы ослабление помехи по соседним каналам приема лежало бы в пределах 26…56 дБ в зависимости от класса радиоприемника. Наряду с основным каналом приема существуют неосновные каналы приема помеховых сигналов. Они приема подразделяются на побочные и внеполосные. К внеполосным относятся нежелательные каналы приема, номинальные частоты которых при фиксированной частоте настройки приемника могут иметь различные значения в зависимости от частоты мешающего сигнала. Частота внеполосного канала (опасного МС) при этом не совпадает с частотами основного или побочных каналов приема, а уровень в ряде случаев может достигать таких значений, при которых в приемнике возникают нелинейные эффекты блокирования, перекрестной модуляции и интермодуляции. Побочным каналом приема называется полоса частот, находящаяся за пределами основной полосы пропускания, в пределах которой МС может с недостаточно большим ослаблением проникать в тракт промежуточной частоты приемника и подвергаться демодуляции с созданием помехи на выходе приемника. Наличие таких каналов приема обусловлено недостаточной избирательностью радиотракта приемника и нелинейностью процесса преобразования частоты в смесителе, на выходе которого образуется колебания гармоник и комбинационных частот полезного сигнала, гетеродина и помех. При этом могут образовываться различные типы побочных каналов. Номинальные частоты побочных каналов имеют фиксированное значение для данного приемника при его фиксированной настройке на частоту сигнала fo и, следовательно, не зависят от частоты МС . Например, побочный канал на промежуточной частоте имеет среднюю частоту fпк = fпр, а побочный канал на зеркальной частоте имеет среднюю частоту fпк = fз = fг + fпр = 2fс + fпр . В соответствии с установленными нормами радиосигналы в побочных каналах приемника должны ослабляться на несколько десятков дБ. Так в приемниках магистральной радиосвязи 1, 2 и 3-го классов мешающие сигналы на зеркальной частоте должны ослабляться не менее, чем на 90, 70 и 60 дБ соответственно, а в бытовых радиоприемниках – не менее, чем на 40…70 дБ [ ].

Избирательность радиоприемника по комбинационным каналам приема на гармониках гетеродина и нелинейным побочным каналам приема ?? также нормируется.

Наиболее опасны помехи по побочным каналам, имеющим сравнительно небольшую расстройку относительно частоты полезного сигнала. К таким помехам относятся помехи по зеркальному и промежуточному каналам. Восприимчивость приемника к мешающим сигналам оценивается как для МС, воздействующих через антенну и фидерный тракт, так и для МС, проникающих по цепям питания, управления и т.д. При этом основное внимание при анализе ЭМС уделяется, как и прежде, межсистемным помехам, поступающим в рецептор помех от других РЭС через антенну.

Рис 5.2. Характеристика восприимчивости супергетеродинного радиоприемника к воздействию непреднамеренных помех по основному и побочным каналам приема: 1 – основной канал приема на частоте f_o = f_г – f_пр ; 2 – побочный канал приема на промежуточной частоте f_пр; 3 – побочный канал приема на зеркальной частоте f_г + f_пр ; 4 – побочные каналы приема на комбинационных частотах 2f_г ± f_пр ; 5 – побочные каналы приема на субгармониках частоты настройки приемника 0,5 f_o =0,5(f_г – f_пр) и зеркальной частоты 0,5(f_г + f_пр) ;

Восприимчивость является мерой способности радиоприемника реагировать на непреднамеренные помехи и зависит от его чувствительности и избирательности по основному и неосновным каналам приема. На рис 5.2 приведен типичный вид характеристики восприимчивости супергетеродинного радиоприемника к воздействию непреднамеренных помех по основному и побочным каналам приема:

По оси ординат отложены максимально допустимые значения мощности МС на входе рецептора Pмс доп. в зависимости от частоты МС. Как и следовало ожидать, наименьшее значение Pмс доп. оказывается при попадании МС в основную полосу пропускания приемника (кривая 1), а для всех побочных каналов (кривые 2-5) величина Pмс доп. оказывается существенно меньше. Различна и “ширина” различных опасных зон. Каждая зона тем уже, чем больше “порядок” комбинации частот (сумма коэффициентов перед комбинируемыми частотами), дающих в итоге f пр. Например, для побочного канала с fмс =2fг-fпр (кривая 4) компонента ПЧ образуется в нелинейном устройстве преобразователя частоты следующим образом: 2fг - f мс = 2fг - 2fг + fпр = fпр, т.е. имеет порядок 2+2+1=5; а для канала с fмс = fпр порядок равен 1.

5.2. Характеристики и параметры радиоприемника при многосигнальном воздействии

В общем случае межсистемные помехи взаимодействуют с полезным сигналом аддитивно, однако следует учитывать, что при высоком уровне помех (например, при воздействии на приемник нескольких мешающих сигналов одновременно) в нем могут возникнуть явления блокирования, перекрестных и интермодуляционных искажений, что обусловлено нелинейностью тракта приема. Эффект блокирования приемника проявляется в уменьшении амплитуды полезного сигнала и значительного результирующего уменьшения отношения сигнал/шум на выходе радиоприемника. Блокирование возникает в УВЧ и смесителе приемника из-за нелинейности вольтамперных характеристик активных приборов в результате ввода преобразователя радиочастоты в промежуточную частоту мощной входной смесью суммарного полезного и мешающего воздействия в режим нелинейности, далекий от оптимального. Параметрами частотной избирательности радиоприемника по блокированию являются коэффициент блокирования, динамический диапазон и уровень восприимчивости по блокированию. Эти параметры нормируются. Например, для приемников магистральной радиосвязи КВ диапазона уровень блокирующей помехи должен быть не менее 60…130 дБмкВ в зависимости от ее расстройки и класса радиоприемника.

Перекрестное искажение полезного сигнала означает перенос модуляции с мешающего сигнала на полезный. Эти искажения возникают в УВЧ и преобразователе частоты при воздействии на них наряду с полезным сигналом мешающего сигнала с частотой, близкой к частоте полезного сигнала. Параметрами частотной избирательности радиоприемника по перекрестным искажениям являются коэффициент перекрестных искажений, динамический диапазон и уровень восприимчивости по перекрестным искажениям. Блокирование приемника при высоком уровне сигналов на его входе приводит к подавлению полезного сигнала на выходе приемника-рецептора из-за попадания преобразователя радиочастоты в промежуточную частоту в режим нелинейности, далекий от оптимального. Это приводит к резкому падению качества приема из-за большого ослабления уровня сигнала промежуточной частоты на выходе преобразователя частоты и значительному уменьшению отношения сигнал/шум на входе демодулятора. Перекрестные и интермодуляционные искажения приводят к образованию на выходе преобразователя частоты вредных дополнительных частотных продуктов нелинейности: мешающих приему комбинаций входных сигналов и просачиванию модулирующих сообщений разных МС на выход рецептора.

Частоты мешающих сигналов при этом могут иметь значения, не совпадающие с частотами основного и побочных каналов приема. Таким образом, образующиеся при этом каналы приема помеховых сигналов являются внеполосными. Наличие мощных помеховых сигналов проявляется в ухудшении избирательности приемника, т.е. приводит к расширению его полосы пропускания и ухудшению коэффициента прямоугольности частотной характеристики. Для оценки устойчивости радиоприемника к воздействию мощных мешающих радиосигналов используется дополнительный измеряемый параметр -- двухсигнальная избирательность радиоприемников, который также нормируется; например, для бытовых радиоприемников этот параметр должен быть не хуже: 44 дБ по соседнему каналу и 50 дБ - по зеркальному каналу.

Детальную информацию о тонких явлениях в радиоприемных устройствах при многосигнальном входном воздействии, касающуюся проблем ЭМС, можно найти в [1, т.2, Буга и др] .

***

Глава 6. Характеристики и параметры антенн, определяющие ЭМС РЭС

В составе современных РЭС используется большое количество разнообразных типов антенн. Их можно подразделить на три группы:

1/ антенны осевого излучения;

2/ апертурные антенны;

3/ фазированные адаптивные решетки (ФАР).

К антеннам осевого излучения относятся директорные антенны (“волновой канал”, спиральные и ряд других типов антенн). К апертурным антеннам относятся рупорные антенны, различные разновидности антенн с параболическим рефлектором (“параболические антенны”), комбинированные рупорно-линзовые, рупорно-параболические и перископические антенны. ФАР могут обладать дополнительными преимуществами перед антеннами других групп, но ниже будет предполагаться применение традиционных антенн первых двух групп.

Требования, предъявляемые к основным характеристикам и параметрам антенны в составе РЭС, определяются задачами, решаемыми данным РЭС.

Характеристики излучаемого антенной электромагнитного поля зависят от расстояния между антенной и точкой наблюдения. В теории антенн принято все пространство вокруг антенны делить на три зоны: ближнюю, дальнюю и промежуточную. Напряженность электромагнитного поля, создаваемая антенной в данной точке, зависит от разности хода волн , образованных отдельными излучающими элементами антенны, рассматриваемыми как элементарные излучатели. Когда выполняется условие << λ, где λ – длина волны, антенна может рассматриваться как точечная. Пространство, в котором это условие выполняется, называется дальней зоной или зоной Фраунгофера, в которой напряженность поля изменяется обратно пропорционально расстоянию. На практике граница дальней зоны R дз определяется по формуле:

R дз = 2 / λ, (6.1)

где L – максимальный размер апертуры антенны.

В ближней зоне напряженность поля слабо зависит от расстояния. Граница ближней зоны (зоны Релея) определяется неравенством:

R бз < /2λ, (6.2)

где L – максимальный размер апертуры антенны. Таким образом, приближенно имеем:

R дз = 4 R бз (6.3)

Промежуточная зона определяется неравенствами: (6.4)

Обычно характеристики антенны указываются для дальней зоны, в которой электромагнитное поле с антенной уже не связано. Вместе с тем при решении ряда задач, например, расчета условий внутриобъектовой ЭМС или расчета санитарных зон вокруг передающей радиостанции, требуются соответствующие характеристики антенн в ближней зоне.

В качестве примера оценки размеров ближней и дальней зон излучения рассмотрим широко применяемую параболическую антенну диаметром 1,2 м, работающую на частоте 4 ГГц (λ=7,5 см). В этом случае L=1,2 м и

R бз < /2λ = 1,44/2*7.5*10(-2) = 9,6 м

R дз = 2 / λ = 2*1,44/ 7.5*10(-2) = 38,4 м

Таким образом, фигурирующие в технических данных диаграммы направленности таких антенн вполне соответствуют действительности лишь на расстояниях порядка 40 и более метров от раскрывов этих антенн. На меньших расстояниях диаграммы направленности антенн еще не сформированы окончательно и обладают более слабыми характеристиками направленности. При анализе ЭМС в ближней зоне приходится использовать совсем иную методологию учета направленных свойств антенн (см. главу .. ).