Электромагнитная совместимость рэс реферат
Обновлено: 02.07.2024
Под электромагнитной совместимостью радиоэлектронных средств понимают их свойство функционировать без ухудшения качественных показателей в условиях совместной работы. Другими словами, каждое из радиоэлектронных средств не должно неблагоприятно воздействовать на соседние РЭС и одновременно должно противостоять их воздействию.
Прикрепленные файлы: 1 файл
Лек ЭМС.doc
ПРОБЛЕМА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ,ПРИЧИНЫ ЕЁ ВОЗНИКНОВЕНИЯ, ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ, ПАРАМЕТРЫ И МОДЕЛИ ЭМС РЭС
1. ИСТОРИЯ И ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ ЭМС РЭС
Менее IOO лет прошло с момента практического применения электромагнитных волн. На сегодняшний день электромагнитные волны используются для передачи и приема информации в радиовещании, телевидении, радиосвязи, радиолокации, радионавигации, радиоастрономии, радиоуправлении летательными и другими аппаратами. Кроме того, широкое применение электромагнитные волны находят в медицине, геологии, метеорологии и многих других областях народного хозяйства. Спектр электромагнитных волн охватывает диапазон от 10 -3 до10 22 Гц. Участок этого диапазона от единиц герц до 3000 ГГц используется в радиотехнике и поэтому относится к радиочастотному диапазону.
О динамике развития радиотехнических систем (РТС) Х можно судить на основании следующих данных [I, .2].
В 1936 г. в США насчитывалось 600 радиовещательных станций, к концу 60-х годов их стало более 6000, а число телевизионных передатчиков увеличилось до 600. К 1972 г. в CША насчитывалось уже 18 тыс. радиовещательных и телевизионных станций с мощностью излучения от 500 Вт до 5 мВт. В среднем на площади в 10 км 2 пригородно- городской зоны находилось по одной станции, что соответствовало средней плотности потока мощности около 156 Вт/(октава*км 2 ).
С 1961 по 1966 г• число радиолокационных станций (РЛС) в США выросло с 3 до 15 тыс. В 1972 г. только крупных РЛС с мощностью излучения от 100 кВт* до 5 мВт насчитывалось около 3 тыс., что в пересчете на среднюю плотность излучения РЛС в пригородно-городской зоне дает величину 31500 Вт/(октава*км 2 ).
В 1950 г. в США насчитывалось 100 тыс. подвижных служб радиосвязи, в 1975 г. их было уже 5,8 млн, а в 1980 г. - 7млн. Эти службы работали в KB и УКВ диапазонах и имели среднюю мощность излучения около 100 Вт. Только в диапазонах метровых и дециметровых волн к 1981 г. в США насчитывалось более 9млн передатчиков, устанавливаемых в основном на подвижных объектах.
х Радиотехнические системы составляют один из основных подклассов радиоэлектронных средств.
С 1958 по 1974 г. в США было выдано 1млн лицензий на право пользования частной радиосвязью, 2-й миллион был выдан за 8 месяцев 1975 г., 3-й миллион за декабрь 1975 г. В 1972 г. в среднем на 25 км 2 пригородной зоны приходилось до 50 передатчиков с плотностью мощности 2540 Вт/(октава*км 2 ). Приведем данные по оценке загрузки KB диапазона. Этот диапазон (λ = 10. 100 м) занимает полосу частот в 27 МГц. Если выбрать рабочую полосу приемника в 3 кГц, то в KB диапазоне можно разместить 9000 каналов, Однако уже к 1975 г. в США было более миллиона передатчиков в KB диапазоне, из которых более тысячи имели мощность излучения, превышающую 100 кВт.
Таким образом, вышеприведенные данные показывают, что число действующих РТС с каждым годом непрерывно растет. Количество передвижных радиостанций удваивается каждые 4-5 лет, еще быстрее увеличивается число РЛС.
Многие РТС работают в непосредственной близости друг от друга. Особенно это относится к бортовым РТС. Так, на типовом американском боевом фрегате имеется около 20 связных приемников, 3 поисковых РЛС, 3 навигационных приемника, 2 спутниковых телевизора, собачка и около 10 других радиоэлектронных средств. Для выхода в эфир РТС имеют около 40 антенн, размещенных на площади 150x15 м 2 . На современных авианосцах число антенн составляет несколько сотен; так, на авианосце "Энтерпрайз" расположено около 500 антенн. Расстояние между соседними антеннами в СВ и KB диапазонах менее 30 м, а в СВЧ диапазоне менее 10 м.
Большое количество РТС и скученность антенн приводят к значительным взаимным помехам. Напряжение высокочастотных помех на входных зажимах корабельных радиоприемников достигает 50. 100 В. Значительный уровень взаимных помех возникает даже в РТС, устанавливаемых на гражданских судах. Так, измерения, проведенные на теплоходе "Казахстан", показали [2], что судовые РЛС создают на баке средний поток мощности 0,1 Вт/м , что эквивалентно напряженности электрического поля более 200 В/м.
Еще острее проблема ЭМС возникает в самолетных, спутниковых и космических РТС. В табл. I.I приведены некоторые данные по количеству РТС и обслуживающих их антенн на американских самолетах.
Наряду с возрастанием количества и плотности размещения РТС наблюдается тенденция к существенному возрастанию их мощности излучения. Известны клистроны со средней мощностью I мВт и импульсной около 100 мВт. В силу неидеальности частотных характеристик радиопередающих устройств, последние, наряду с генерацией на основной частоте, имеют в спектре генерируемой мощности гармоники и субгармоники основной частоты, а также другие виды побочного и внеполосного излучений.
В табл. I.2 и I.3 приведены данные по относительному уровню n1-х гармоник и побочным излучениям в некоторых типах передатчиков и генераторных приборов (в децибелах относительно уровня мощности на основной частоте).
Анализ этих таблиц показывает, что в мощных РТС уровень внеполосного и побочного излучений может быть весьма значительным. Так, расчеты внеполосного излучения одной из РЛС с импульсной мощностью излучения 5 мВт показали, что уровень излучения четвертой гармоники составляет 200 Вт и лежит в диапазоне воздушной навигации. Мощности же большинства передающих устройств РТС навигации оказываются менее 200 Вт. У другой РЛС с магнетронным передатчиком, имевшим импульсную мощность 10 мВт, наблюдалось побочное излучение в полосе 200 МГц с мощностью 10 кВт, Средний уровень гармоник излучения современных РЛС составляет I. I00 Вт, что после пересчета в децибелы относительно одного ватта (дБ*Вт) дает 0. 20 ДБ*Вт. Чувствительность типовых приемников РЛС составляет -130. -160 ДБ*Вт (отдельные приемники имеют чувствительность -220 дБ*Вт). Следовательно, мощность гармоник РЛС на 130. 180 дБ превышает чувствительность средних приемников РЛС. Борьба с такой помехой даже с учетом потерь распространения составляет очень сложную задачу.
Приведенные данные позволяют сформулировать основные причины обострения электромагнитной обстановки, приведшие к возникновению проблемы ЭМС РЭС:
непрерывный рост числа действующих РТС, вызвавший увеличение плотности размещения РТС и перегрузку отдельных участков радиотехнического диапазона;
повышение мощности передатчиков и чувствительности приемников РТС;
противоречие между ограниченностью пространства, в пределах которого могут размещаться бортовые РТС, и все возрастающей сложностью радиотехнических задач, решаемых этими системами, приводящее к противоречию между улучшением "собственных'' характеристик отдельных РТС и обеспечением их ЭМС;
резкое увеличение числа действующих помех на самолетные и спутниковые РТС. Так, на приемники РТС, устанавливаемые на высокоорбитальных спутниках, действуют сигналы передатчиков почти с половины земного шара;
миниатюризация радиоаппаратуры, приведшая к усилению паразитного взаимовлияния отдельных элементов и устройств радиоаппаратуры;
возрастающий уровень и количество помех от радиоэлектронных, электротехнических и энергетических устройств (ЭВМ, генераторы постоянного и переменного тока, медицинская радиоэлектронная аппаратура, сварочные аппараты и пр.).
Пренебрежение проблемой ВИС приводит не только к значитель-ным народно- хозяйственным и экономическим потерям, но может явиться причиной и трагического исхода. В качестве примера можно привести обстоятельства гибели английского атомного эсминца “Шеффилд” в период Фолклендско-Мальвинского конфликта. На этом эсминце не были обеспечены условия ВМС для РТС космической связи с базой и корабельной РЛС, в результате чего одновременно могла работать только одна система. Поэтому во время сеанса связи не была обнаружена ракета, выпущенная аргентинским самолетом, и эсминец погиб.
§ I.2. ПРОБЛЕМА ЭМС РЭС И НЕПРЕДНАМЕРЕННЫЕ ПОМЕХИ
Под электромагнитной совместимостью радиоэлектронных средств понимают их свойство функционировать без ухудшения качественных показателей в условиях совместной работы. Другими словами, каждое из радиоэлектронных средств не должно неблагоприятно воздействовать на соседние РЭС и одновременно должно противостоять их воздействию.
На начальном этапе развития радиоэлектроники ЭМС обеспечивалась обычно одним из двух путей:
распределением частот в процессе эксплуатации в освоенных диапазонах или выбором частоты разрабатываемой РТС в новых осваиваемых участках радиочастотного спектра;
схемно-конструктивным усовершенствованием каждым разработчиком РТС отдельных узлов приемной или передающей радиоаппаратуры.
Однако по мере увеличения числа РЭС и все более полного использования радиодиапазона применение традиционных подходов к решению задач ЭМС без учета интересов всех пользователей радиочастотного спектра оказалось недостаточным. Поэтому и возникло новое направление радиоэлектроники, обслуживающее проектирование, разработку и эксплуатацию РЭС в условиях существующих ограничений. С научной точки зрения проблема ЭМС РЭС - это выявление закономерностей мешающего взаимодействия одновременно работающих РЭС и изыскание путей минимизации такого взаимодействия.
I.2.I. Непреднамеренные электромагнитные помехи
Сигналы мешающих РЭС не несут полезной информации для работы собственной РТС и в этом плане могут быть классифицированы как помехи для рассматриваемой РТС. Принципиальное отличие этих помех
заключается в том, что они являются непреднамеренными, т.е. не носят
антагонистического характера, хотя и оказывают мешающее воздействие. К непреднамеренным помехам относятся также помехи естественного происхождения.
Уровень помех измеряется или в единицах напряженности электрического поля (В/м, мкВ/м, дБ*мкВ/м) или в единицах плотности мощности (Вт/м 2 , дБ*Вт/м 2 ). Для характеристики распределения плотности помехи по частоте используется единица измерения дБ Вт/(м 2* кГц) или дБ*Вт/(м 2 * октава).
Спектр непреднамеренных помех простирается от единиц герц до верхнего предела радиодиапазона (3000 ГГц). По спектральным и временным характеристикам различают сосредоточенные, импульсные и флуктуационные помехи. Сосредоточенная помеха является узкополосным колебанием, параметры которого меняются медленно по сравнению с центральной частотой колебания. Источниками сосредоточенных помех являются многие РТС связи, например с амплитудной модуляцией. Импульсная и флуктуационная помехи - широкополосные. Источниками импульсных помех являются многие РЛС, некоторые источники индустриальных помех, грозовые разряды и пр. Флуктуационная помеха является случайным процессом, и ее можно рассматривать как предельный случай множества случайных импульсных помех. К флуктуационным помехам относятся шумы космического происхождения и внутренние шумы радиоаппаратуры.
Рис. I.I Источники непреднамеренных помех
Систематизация непреднамеренных помех по источникам их происхождения представлена на рис. I.I. В литературе имеются довольно подробные данные по спектральному составу и уровню непреднамеренных помех [I,2,3] естественного и искусственного происхождения. Не останавливаясь подробно на этом вопросе, приведем усредненные экспериментальные данные уровня непреднамеренных помех, на входе согласованной приемной антенны. Этот уровень можно определить с помощью шумовой температуры антенны Та (в градусах Кельвина), которая характеризует мощность Рш непреднамеренных помех, включая собственные шумы, приходящейся на единицу полосы частот 2Δf:
где k = I,38*I0 23 Дж/К - постоянная Больцмана.
На рис. 1.2 показана зависимость нормированной к шумовой температуре антенны Т0= 273*К в широком диапазоне частот для некоторых источников помех [3] . Как видно, непреднамеренные помехи искусственного происхождения в диапазоне f > I. 2 ГГц имеют преобладающее значение.
Для ЭМС бортовых радиосистем и в СВЧ диапазоне помехи радиотехнического происхождения являются определяющими.
Рис. I.2 Зависимость шумовой Рис.1.3 Пути воздействия РЭС I температуры антенны от частоты для: и РЭС 2
I - внутренних шумов;
2 - индустриальных помех в городе;
3 - сельской местности;
4 - радиопомех космического происхождения;
5 - атмосферных радиопомех
1.2.2. Пути и характер воздействия помех на РЭС
Воздействие помех на РЭС может происходить, различными способами. На рис. I.3 стрелками показаны основные каналы, по которым сигналы РЭС I проникают в РЭС 2. По каналам I, 2 электромагнитное поле, излучаемое антенной АI РЭС I, через окружающее пространство проникает в антенну А2 РЭС 2 или принимается другими элементами конструкции РЭС 2 (не идеально экранированными линиями передачи, фланцами, разъемами, корпусом, соединительными проводами и пр.). Один из видов канала.2 - контактные помехи, возникающие на нелинейных контактах, особенно на подвижных объектах. Нелинейный контакт осуществляет модуляцию падающего на него высокочастотного поля. В результате в спектре высокочастотного поля появляются новые составляющие. Каналы I, 2, действуют как для больших расстояний между РЭС (дальняя зона одной или обеих антенн А| А2), так для малых расстояний (ближняя и промежуточная зоны). Канал 3 обеспечивает излучение и прием поля элементами конструкций РЭС I и РЭС 2, в том числе за счет паразитных емкостных и индуктивных элементов связи. Эффективность канала 3 проявляется, как правило, в ближней и отчасти промежуточной зонах. Канал 4 формируется за счет возможной гальванической связи между обоими РЭС, например по "общей земле", утечки изоляции и. т.д. Канал 5 образуется общими цепями питания РЭС I м РЭС 2.
Среди всех приведенных каналов наиболее опасным с точки зрения ЭМС РЭС является канал I, особенно для удаленных в пространстве РТС. Механизм взаимного влияния РТС по каналу связи через их антенны обеспечивает более 70-90% всех мешающих воздействий. При близком размещении РЭС, в частности на борту, существенный вклад могут вносить и остальные механизмы проникновения непреднамеренных помех.
Воздействие непреднамеренных помех приводит к обратимым или необратимым явлениям в РЭС. Так, при мощной помехе с мощностью в импульсе около или превышающей 0,5. 5 Вт может произойти разрушение активных приборов (смесителей, детекторов). Кроме того, мощный сигнал помехи вызывает насыщение входных цепей, и поэтому требуется определенное время для восстановления чувствительности приемного устройства. При обратимых воздействиях возможно понижение чувствительности приемника из-за срабатывания автоматической регулировки усиления (АРУ) по помехе.
Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств – это способность радиоэлектронных средств одновременно функционировать в реальных условиях эксплуатации с требуемым качеством при воздействии на них непреднамеренных помех и не создавать недопустимых радиопомех другим радиоэлектронным средствам. При этом непреднамеренной считают любую радиопомеху, создаваемую источником искусственного происхождения, не предназначенную для нарушения функционирования радиоэлектронных средств.
Техническое средство (ТС) – это изделие, оборудование, аппаратура или их составные части, функционирование которых основано на законах электротехники, радиотехники и (или) электроники, содержащие электронные компоненты и (или) схемы, которые выполняют одну или несколько следующих функций: усиление, генерирование, преобразование, переключение и запоминание.
Техническое средство может быть радиоэлектронным средством (РЭС), средством вычислительной техники (СВТ), средством электронной автоматики (СЭА), электротехническим средством, а также изделием промышленного, научного и медицинского назначения (ПНМ установки).
Электромагнитная совместимость технических средств – способность технического средства функционировать с заданным качеством в заданной электромагнитной обстановке и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам.
Оценка ЭМС базируется на оценке качества работы технического средства. Технические средства разных видов различаются по принципам своей работы и своим рабочим характеристикам, и, следовательно, оценка влияния внешних электромагнитных помех может выполняться по-разному для разных видов ТС. В дальнейшем ограничимся рассмотрением РЭС, в состав которых входят радиопередающие и радиоприемные устройства. Основное внимание будет уделено оценке ЭМС систем телекоммуникации.
Условия, в которых работают РЭС, часто называют электромагнитной обстановкой. В общем случае под электромагнитной обстановкой (ЭМО) понимают совокупность электромагнитных явлений, процессов в заданной области пространства, частотном и временном диапазонах. Для телекоммуникационных систем ЭМО определяется как пространственное распределение электромагнитных полей в местах, где размещаются антенны этих систем. Числовой характеристикой ЭМО обычно является значение напряженности электромагнитного поля (выражается в вольтах на метр [В/м]) или плотности потока мощности (ватт на метр квадратный [Вт/м 2 ]).
Однако качество работы РЭС, в состав которого входит радиоприемное устройство, зависит не только от электромагнитной обстановки. Оно определяется также помехоустойчивостью и/или помехозащищенностью РЭС. Понятия помехоустойчивости и помехозащищенности распространяются на помехи, которые могут поступать в радиоаппаратуру самыми разными путями (например, через антенну приемника или по цепям питания). Иногда эти понятия рассматривают как синонимы, хотя это не так.
Помехоустойчивость РЭС – способность РЭС сохранять заданное качество функционирования при воздействии на него внешних помех с регламентируемыми значениями параметров в отсутствие дополнительных средств защиты от помех, не относящихся к принципу действия или построения РЭС.
Помехозащищенность РЭС – способность ослаблять действие электромагнитной помехи за счет дополнительных средств защиты от помех, не относящихся к принципу действия или построения РЭС.
Причины появления проблемы ЭМС
1. Основной причиной, порождающей проблему электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств, является ограниченность освоенного радиочастотного спектра при непрерывном росте числа его потребителей.
Если рассмотреть, например, диапазон высоких частот (3…30 МГц), то он занимает полосу 27 МГц. При ширине канала 3 кГц (например, при однополосной амплитудной модуляции) в нем можно разместить 9000 каналов. Число желающих пользоваться этим диапазоном (и действительно работающих в нем) неизмеримо больше числа каналов, которые можно в нем выделить, и превышает миллион пользователей. Это означает, что многие РЭС в этом диапазоне частот работают на одинаковых частотах. Такая возможность существует, если между средствами, работающими на одной и той же частоте, уровень помех не приводит к недопустимому снижению качества работы РЭС.
Возможность многократного использования радиочастот зависит от условий распространения радиоволн в том или ином диапазоне частот, технических характеристик приемо-передающих и антенных устройств, используемых типов сигналов и видов модуляции и т. д. С большим успехом многократное использование той же самой частоты применяется в сотовой подвижной связи. Однако не всегда разнесение РЭС по расстоянию может быть использовано для обеспечения ЭМС и повышения эффективности использования радиочастотного спектра. Особо остро проблема ЭМС встает при размещении радиосредств различного назначения на ограниченных площадях (морские порты, аэродромы и т. п.) и объектах, как подвижных (корабль, самолет и т. п.), так и стационарных (приемо-передающие центры, мачты для размещения приемных и передающих антенн и т. п.).
Радиоэлектронные системы кораблей, особенно военных, несут серьезные потери в своих рабочих характеристиках из-за электромагнитных помех, не учтенных при проектировании корабля и размещении на нем радиооборудования. Проблема ЭМС на боевых кораблях обостряется дополнительно ввиду наложения нескольких факторов, а именно [54]:
– более высокая насыщенность радиоэлектронным оборудованием, чем раньше, при меньшей гибкости в его размещении из-за наличия антенных фазированных решеток;
– рост мощности передатчиков. Увеличение уровня мощности связных передатчиков приводит к увеличению дальности связи. Однако это единственный положительный фактор такого подхода. Все остальные эффекты, связанные с ростом мощности передатчиков, являются отрицательными;
– повышение чувствительности систем к электромагнитным полям, особенно систем, использующих твердотельные приборы;
– переход в контурах управления от механических систем к электрическим и электромагнитным с применением твердотельных приборов;
– ужесточение норм на уровни излучений, облучающих обслуживающий персонал.
Последнее обстоятельство расширяет область опасных излучений и накладывает дальнейшие ограничения на размещение оборудования на верхней палубе и надстройках.
Хотя число электронных систем, устанавливаемых на современных боевых кораблях, растет, пространство, пригодное для их размещения, разве что уменьшается. Менее половины имеющихся надстроек могут быть использованы для установки антенн. Из-за необходимости обеспечить свободную траекторию стрельбы для различных систем оружия эти антенны в основном концентрируются в середине корабля на грот и фок-мачтах. Ограниченность пространства для монтажа антенн приводит к тому, что передающая и приемная антенны систем, работающих в диапазоне средних частот (СЧ), и систем, работающих в диапазоне высоких частот (ВЧ), размещаются на расстояниях менее 30 м друг от друга, а для систем сверхвысоких частот (СВЧ) расстояние составляет менее 10 м. При этом расстояние между антеннами систем, работающими в разных диапазонах частот (например, антенной системы связи, работающей в диапазоне ВЧ, и антенной РЛС диапазона СВЧ) часто составляет менее 3 м. Большое количество РЭС и скученность антенн приводят к значительным взаимным помехам между корабельными РЭС. Нет ничего необычного в том, что на входе корабельного радиоприемника могут появиться высокочастотные напряжения, значения которых составляют десятки вольт.
Вышки, на которых размещаются антенны телевизионного вещания, ретрансляторов или базовых станций подвижной сотовой связи, широко используются для размещения других систем телекоммуникации, что также требует решения задач обеспечения ЭМС.
Ввиду ограниченности частотного ресурса, выделяемого для средств, работающих на объектах, и ограниченных возможностях пространственного разнесения антенн РЭС, решение проблемы обеспечения ЭМС РЭС на объектах является особенно трудным.
2. Наличие у радиоэлектронных средств параметров ЭМС.
Параметры, характеризующие радиоэлектронное средство, можно разбить на две группы. К первой группе относятся параметры, определяющие функциональное назначение РЭС, ко второй – параметры ЭМС. Параметрами, определяющими функциональное назначение РЭС, являются параметры, изменение которых влияет на качество передачи и/или приема информации в радиоканале при отсутствии непреднамеренных помех. Эти параметры определяют энергетические потенциалы радиопередающих устройств на выделенных им для работы радиоканалах, а также способность радиоприемных устройств качественно принимать полезный сигнал при отсутствии непреднамеренных помех за пределами отведенного для работы РЭС частотного канала. Параметрами ЭМС являются параметры, значение которых влияет на качество совместной работы совокупности радиоэлектронных средств при наличии непреднамеренных помех за пределами радиоканала, отведенного для работы РЭС.
Например, функциональными параметрами радиопередатчика являются мощность излучения передатчика на присвоенной ему частоте, ширина полосы частот основного излучения передатчика и др., а параметрами ЭМС – уровни излучений на гармониках, уровни шумовых излучений и др. Излучения на гармониках или шумовые излучения передатчика находятся за пределами радиоканала, который отведен для работы радиопередатчика. Однако, попадая в основной канал приема РЭС, содержащих радиоприемные устройства, которые работают на соответствующих частотах, эти излучении могут снизить качество приема полезных сигналов. Для радиоприемного устройства (РПУ) параметрами, определяющими качество его работы в соответствии с функциональным назначением, являются чувствительность, избирательность, динамический диапазон по основному каналу приема и др., в то время как параметрами ЭМС выступают такие параметры, как восприимчивость РПУ по побочным каналам приема (ПКП), динамические диапазоны по нелинейным эффектам и др., определяющие качество работы РПУ при наличии непреднамеренных помех от других РЭС, излучения которых лежат за пределами полосы пропускания приемника. Для антенных систем функциональными параметрами являются, например, ширина главного лепестка диаграммы направленности антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях и коэффициент усиления антенны, а параметрами ЭМС – уровни боковых и задних лепестков относительно главного.
Параметры ЭМС радиоприемных и радиопередающих устройств нормируют. Нормативные требования к параметрам ЭМС РЭС устанавливают, исходя из технических и конструкторско-технологических возможностей получить желаемые значения параметров, что определяется развитием радиотехники и электроники на момент разработки норм, а также исходя из предполагаемых условий эксплуатации оборудования, для которого нормируются параметры ЭМС. Нормы, с одной стороны, устанавливают требования к параметрам мешающих излучений, а с другой стороны, требования к минимальной помехоустойчивости РЭС в заданных условиях эксплуатации. В связи с этим нормативные требования к параметрам ЭМС для гражданской и военной радиоаппаратуры могут существенно различаться. Выполнение норм, установленных на параметры ЭМС, облегчает решение проблемы обеспечения ЭМС, но не устраняет саму проблему.
3. Влияние окружения на уровни и спектральный состав непреднамеренных помех.
Отражения от окружающих объектов увеличивают или уменьшают уровень помехи. Нелинейности окружения изменяют спектральный состав помех.
4. Наличие внешнего фона.
Существенный вклад в формирование электромагнитной обстановки вносят излучения со стороны различного рода энергетических и промышленных установок, которые не предназначены для излучения электромагнитной энергии, но в силу специфики своей работы являются источниками непреднамеренных помех. Это так называемые индустриальные помехи. Наличие индустриальных помех часто не позволяет полностью реализовать потенциальные возможности радиоаппаратуры, в частности чувствительность РПУ, и усложняет совместную работу РЭС. Влияние индустриальных помех особенно заметно в крупных промышленных городах, на больших промышленных предприятиях и на подвижных объектах, имеющих крупное энергетическое оборудование и радиоэлектронные системы, таких, как самолеты и корабли.
Последствия отсутствия ЭМС и особенности изучения
проблемы ЭМС РЭС
В литературе можно найти примеры, когда под действием радиопомехи любительского диапазона частот сенсорное устройство привело в действие систему пожаротушения промышленного предприятия, или излучение РЛС от судна доставки, ежедневно в определенное время проплывавшее мимо завода, воздействовало на аналоговые приборы, связанные с системой аварийного отключения завода, вызывая его остановку [54]. В этих случаях следствием были экономические потери предприятий.
Важную роль проблема ЭМС играет в военной технике. Катастрофы самолетов военно-морских сил США и НАТО, вызванные непреднамеренными помехами во время военных учений, потери беспилотных целей, пожары в отсеках кораблей и другие подобные происшествия в мирное время, связанные с отсутствием ЭМС, служат подтверждением актуальности этой проблемы [55].
Подобные примеры можно продолжить, но и приведенных достаточно, чтобы понять важность рассматриваемой проблемы.
Отметим особенности изучения проблемы ЭМС РЭС:
1. Рассматриваются только непреднамеренные помехи. Специально организованные помехи являются областью, которой занимается направление, именуемое радиоэлектронной борьбой.
2. Неограниченный уровень помех. Эта особенность проблемы приводит к тому, что приемные устройства, которые для полезного сигнала обычно рассматриваются как линейные, при действии помех могут таковыми уже не быть. И, следовательно, при анализе ЭМС РЭС, в аппаратуре должны рассматриваться возможные нелинейные эффекты.
3. Каждое РЭС рассматривается как возможный источник и рецептор помехи. Эта особенность вытекает из определения ЭМС РЭС, согласно которому каждое РЭС должно работать с требуемым качеством в условиях непреднамеренных помех и не создавать недопустимых помех другим РЭС.
4. Доступность для управления некоторых параметров источников и рецепторов помех. С целью обеспечения ЭМС РЭС на этапе разработки, например, частотно-территориальных планов систем телекоммуникации имеется возможность в некоторых пределах варьировать положение РЭС и их рабочие частоты. В некоторых случаях возможно изменение технических параметров РЭС, например мощности, излучаемой передатчиком.
электроника , сварочные аппараты , э лектроинструмент и т . д ..
электромагнитных воздействий , как : Электромагнитные
Источники электромагнитных помех на электрических станциях и
К приемникам электромагнитных воздействий относятся теле и
радиоприемники , силовые электроприемники , системы авто матизации ,
автомобильная микроэлектроника , управляющие приборы и регуляторы ,
средства релейной защиты и автоматики , устройства обработки информации
и т . д .. Многие электрические устройства могут одновременно действовать
С учетом изложенного электрическое устройство считается
электромагнитных помех не выше допустим ых , а в качестве приемника
обладает допустимой чувствительностью к посторонним влияниям , т . е .
Электромагнитные влияния могут проявляться в виде обратимых и
необратимых нарушений . Так , в качестве обратимого нарушения можно
назвать шум при телефонном разговоре . К необратимому на рушению
сбой в работе системы релейной защиты , приведший к
отключению нагрузки . В табл . 1.1. приведены примеры повреждений и
неправильной работы устройств РЗА вызванных воздействиями
Примеры повреждений и неправильно й работы устройств РЗА из - за
Повреждение электронного реле Высокий уровень имп ульсных
Короткие замыкания на землю в цепях высоког о напряжения
Для количест венной оценки электромагнитной сов мести мост и широкое
применение нашли т . н . логарифмические масштабы , позволяющие наглядно
представлять соотношения величин , отличающихся на несколько порядков .
Существует два вида логарифмических отношений – уровень и степень
Уровни определяют отношение величины к базовому значению .
Степень передачи определяется отношением входных и выходных величин
и служит характеристикой ее трансляционных ( передаточных )
1.2.1. Логарифмические относительные характеристики . Уровни помех .
С применением десятичного логарифма определяются следующие
В данных соотношениях введен множитель 20, обеспечивающий
простое выражение мощности в относительных логарифмических единицах :
Кроме дес ятичных логарифмов используются также и натуральные
логарифмы . При этом уровень помех измеряе тся в неперах :
Между децибелом и непером существуют соотношения : 1 Нп = 8,686 дБ
Приведем наиболее часто исполь зуемые характерные значения дБ и
соответствующие им отношения стоящие под знаком логарифма :
2:1 – 6 дБ ; 10:1 – 20 дБ = 2,3 Нп ; 100:1 – 40 дБ = 4,6 Нп ; 1000:1 – 60
дБ = 6,9 Нп ; 10 000:1 – 80 дБ = 9,2 Нп ; 100 000:1 – 100 дБ = 11,5 Нп ; 1000
Таким образом , при обоих представлениях уровень помехи
одну и ту же величину с каждым последующим порядком .
Обозначения дБ и Нп указывают исключительно на вид использованной
функции логарифма (lg или ln). Данные обозначения не являются
Одним из понятий , характеризующих степень передачи си стемы ,
Как правило , степень помехоподавления зависит от частоты . В качест ве
одной из количественных характеристик степени помехоподавления на той
или иной частоте служит логарифм отношения напряжений на входе U
фильтра , который называется коэффициент затухания а
напряженности поля в точках пространства перед экрано м Н
Помехи , создаваемые источниками ( напряжения , токи , электрические и
магнитные поля ), могут возникать как в виде периодически повторяющихся ,
так и случайно распределенных во времени величин . В обоих случаях реч ь
может идти как об узкополосных , так и о широкополосных процессах .
Процесс называется узкополосным , когда энергия спектра сосредоточена в
основном в относительно узкой полосе частот около некоторой
При систематизации , в первом приближении , не смотря на
бесконечное разнообразие вариантов , выделяют четыре типа помех .
Рис . 1.2. Систематизация разновидностей электромагнитных помех
- синусоидальная , постоянно действующая периодическ ая помеха
частотой 50 Гц , проникающая из системы питания или высокочастотная
несущая волна . Данная помех а имеет спектральную плотность ,
- последовательность прямоугольных ( например , тактовых ) импульсов .
Данная бесконечная последовательность может быть представлена в форме
ряде Фурье и яв ляется примером шир окополосного процесса с дискретным
- периодические затухающие однократные импульсы , случ айно
возникающие , например , в сист еме электроснабжения . и представляю щие
- одиночные импульсы , образованные двумя экспонентами ( например ,
разряды атмосферного и статического электр ичества ) и представля ющие
Помехи , возникающие в проводах , могут рассматриваться как
Рис . 1.3. Помехи , связанные с передачей сигналов по линии
- паразитные емкости относительно заземленного корпуса ; Q
полные сопротивления источника и приемника помех ; i
Противофазные напряжения пом ех ( поперечные , симметричные )
Противофазные помехи возникают через гальванические или полевые связи
или преобразуются из синфазных помех в системах , несимметричных
относительно земли . Конкретные примеры возникновения противофазных
Противофазные напряжения помех непосредственно накладываются
на полезные сигналы в сигнальных цепях или на напряжение питания в цепях
могут быть восприняты как полезные сигналы в устройствах автоматизации
Синфазные напряжения помех ( несимметричные , продольные
напряжения ) возникают между каждым проводом и землей ( u
1.3.) и воздействуют на изоляцию проводов относительно земли .
Синфазные помехи обусловлены главным образом разностью
потенциалов в цепях заземления устройства , например между то чками 1 и 2
на рис . 1.3., вызванной токами в земле ( аварийными , при замыканиях
высоковольтных линий на землю , рабочими или токами молнии ) или
Другими важными понятиями ЭМС являются понятия : земля и масса .
С понятием " заземление " инженеры , работающие с сильно точными
устройствами , связ ывают , как правило , вопросы техники безопасности и
грозозащиты , например устранение недопустимо высоких напряжений
прикосновения . Инженеры же , работаю щие в области электроники , - скорее
электромагнитную совместимость их схем , например устранение контуров
заземления , влияние частоты 50 Гц , обращение с экранами кабелей и т . д .
Следует строго различать два понятия — защитное заземление
( защитный провод ) для защиты людей , животных и т . д . и массу , систему
опорного потенциала , электрических контуров ( это справедливо как для
сильноточных , так и для слаботочных цепей ). Земля и масса , как правило , в
одном месте гальванически связан ы друг с другом , но между ними
существует большое различие : провода заземления проводят ток только в
аварийной ситуац ии , нулевые провода - в нормальной рабочей ситуации и
часто представляют общий обратный провод нескольких сигнальных
контуров , ведущи й к источнику . Это различие сущест венно и
– сопротивление заземлителя потребителя и подстанции ;
В нормальном режиме по нейтральному проводу Н протекает обратный
ток электроприемников и его потенциал вследствие падения напряжения на
его сопротивлении отличается от потенциала земли ( за исключением
эквипотенциальной шины , где он равен потенциалу земли ). Защитный
провод ЗП в нормальном режиме тока не проводит и его потенциал
потенциалу земли . Поскольку корпус оборудования присоединен к
защитному проводу ЗП , то и его потенциал также равен потенциалу земли и
При замыкании одного из фазных проводов ( на рис . 1.4. провода Л
на корпус оборудования в фазном проводе возникает большой ток короткого
замыкания и оборудование отключается предвключенным защитным
общую систему опорного потенциала , по отношению к которой измеряются
узловые напряжения цепи ( шина , провод оп орного потенциала , корпус ,
нулевая точка ). В простой цепи это просто обратный провод , в электронной
схеме - общий обратный провод для всех электрических контуров ( рис . 1.5.
а , б ). Масса может , но не должна иметь потенциал земли . Однако , как
правило , она в одном мест е непременно соединена с защитным проводом и
тем самым заземлена . Масса выполняет те же функции , что и нейтральный
провод . Прежде всего , на работу схемы не оказывает влияния заземление
массы . Однако если занимающая достаточно обширное пространство масса
заземлена в нескольких местах , возникает конт ур заземления ( см . рис . 1.3).
Тогда при различных потенциалах точек заземления могут протекать уравни -
тельные токи , а на полных сопротивлениях массы возникать падения
напряжения , которые накладываются на напряжения , действующие вдоль
отдельных контуров цепи и являются противофазными помехами . При
высоких частотах это даже не требует гальванического заземления , так как
Под электромагнитной совместимостью (ЭМС) радиоэлектронных средств (РЭС) понимают способность радиоэлектронных средств одновременно функционировать в реальных условиях эксплуатации с требуемым качеством при воздействии на них непреднамеренных радиопомех и не создавать недопустимых радиопомех другим радиоэлектронным средствам.
В проект разрабатываемого РЭС рекомендуется включать специальный раздел, подробно излагающий пути выполнения требований межсистемной и внутренней ЭМС – план обеспечения ЭМС (ПОЭМС). Он составляется на основе действующих технических условий, стандартов, норм, правил и других документов и определяет программу обязательных работ, проведение которых обеспечит в последующем высокую надежность работы данной аппаратуры при допустимом запасе на ЭМП. При этом в ПОЭМС следует указывать возможные отклонения от установленных требований, если они технически оправданы.
Ранее такие требования к аппаратуре не предъявлялись. Однако опыт показал, что при современной насыщенности электронной аппаратурой это необходимо, причем на выполнение требований к ЭМС расходуется 5-10% стоимости радиоэлектронной аппаратуры [1].
В настоящее время в контракт (договор) на поставку аппаратуры обязательно включаются пункты, оговаривающие санкции за отсутствие ПОЭМС или несоблюдение его требований. Так, например, если разработчиком не предусмотрены все необходимые меры для того, чтобы данное устройство обеспечивало нормы на электромагнитные помехи (ЭМП) при работе в системе, заказчик должен составить рекламацию на невыполнение соответствующих требований.
Для надзора за выполнением ПОЭМС основная роль отводится специалистам по контролю ЭМС, обязанность которых заключается в обеспечении точного соблюдения установленных методов и принципов контроля. При этом в ПОЭМС указываются их права и обязанности, а также оговаривается необходимость организации повышения квалификации и регулярной консультативной помощи в вопросах ЭМП и ЭМС.
Монтаж и установку подсистем (компоновку комплекса) следует выполнять персоналу, компетентному в вопросах ЭМС.
В ПОЭМС рекомендуется ввести следующие разделы, порядок освещения которых не регламентируется.
Основные сведения. Обоснование ПОЭМС, его назначение, сфера действия, используемые ТУ, нормы, стандарты, термины, определения, аббревиатуры и т.д.
Руководство работами и ответственность. Схема организации и план-график работ, подразделения и ответственные исполнители по отдельным устройствам; организация контроля ЭМС; возможности и обязанности субподрядчиков; план организации семинаров повышения квалификации.
Основные параметры ЭМС. Выделенные рабочие частоты для данного устройства или системы; мероприятия по ограничению рабочего диапазона частот; полоса пропускания приемника; опорные частоты и гармоники генераторов; обоснование формы применяемых импульсов, крутизны их фронта и спада, скважности; спектр излучения передатчиков, минимизация мощности излучения и подавления его паразитных компонентов; восприимчивость отдельных узлов устройства.
Монтаж. Монтажная схема; прокладка и разнос силовых и сигнальных кабелей и цепей; принципы кабельного экранирования.
Данные об отдельных устройствах и узлах. Типовые элементы, узлы, блоки; методы заземления; обоснование применяемых фильтров и их характеристики; взаимное расположение и разнос блоков с учетом ориентации электромагнитных полей; критичность с точки зрения ЭМС отдельных узлов, их экранировка и изоляция.
Конструкция и ее влияние на уровень ЭМП. Выбранные при проектировании металл, тип литья, характер покрытия, габариты, секционность конструкции, методы установки и размещения узлов; устройства вентиляционных проемов и отверстий.
Дополнительные данные, обусловленные специфичностью РЭС. Полная частотная матрица всех рабочих частот приемников, гетеродинов, передатчиков; оценка влияния потенциальных источников внутрисистемных электромагнитных помех (ВЭМП) – мультивибраторов, коммутаторов, генераторов синхросигналов, стробимпульсов и т.д.; оценка степени взаимного влияния подсистем РЭС, в состав которого входит более двух антенн, и рассмотрение способов снижения этого влияния.
Методики и программа измерений характеристик ЭМС. Составляется на основе действующих стандартов и правил. Основное содержание ПОЭМС конкретизируется двумя примерами – для относительно простого устройства, не удовлетворяющего требованиям военного ведомства, и сложного комплекса.
Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи. / Под. ред. А. И. Сапгира; Сов. радио, М, 1978. 272 с.
Основные термины (генерируются автоматически): ЭМС, цепь питания, выполнение требований, кожух приемника, конец цепи, металлическая сетка, переменный ток, план обеспечения, простое устройство, силовая сеть.
Читайте также: