Электронная совместимость радиоэлектронного оборудования (стр. 1 )

Министерство транспорта Российской Федерации

Государственная служба гражданской авиации

федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

московский государственный

технический университет

гражданской авиации

Кафедра технической эксплуатации радиотехнического оборудования и связи

Электронная совместимость

радиоэлектронного оборудования

Особенности анализа

Часть 1

Рекомендуется УМО

для межвузовского использования в качестве учебного пособия

для студентов специальности 201300

Москва – 2004

УДК 629.735.05:621.396.6.

Печатается по разрешению редакционно-издательского совета

Московского государственного технического университета ГА

Рецензенты: д-р техн. наук, проф. ;

канд. техн. наук, доц.

Электронная совместимость радиоэлектронного оборудования. Особенности анализа. Часть 1. – М.: МГТУ ГА, 20с.

Данное учебное пособие издается в соответствии с учебным планом для студентов специальности 201300 «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования» всех форм обучения.

Обеспечение заданного уровня функционирования радиоэлектронного оборудования в сложной электромагнитной обстановке является задачей, разрешение которой часто входит в сферу профессиональных интересов инженеров по технической эксплуатации радиоэлектронного оборудования.

В настоящем пособии с позиций системной методологии излагается теоретические и практические аспекты проблемы обеспечения электромагнитной совместимости радиотехнических систем, функционирующих в условиях воздействия непреднамеренных электромагнитных помех.

Рассмотрено и одобрено на заседании кафедры “ ” ноября 2003г. и методического совета факультета авиационных систем и комплексов “ ” декабря 2003г.

Введение

Материалы настоящего учебного пособия представляют собой дополнительные данные по отношению к работе [13], учитывающие развитие теоретических аспектов проблемы обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) РЭО и их приложения в области решения практических задач, возникающих при профессиональной деятельности инженеров по технической эксплуатации транспортного радиооборудования.

В первую очередь, это касается вопросов, связанных с оценкой влияния электромагнитных помех на комплексы радиоэлектронного радиооборудования, входящие в состав наземных и бортовых РЭС ГА. Также дополнены разделы, связанные с анализом статистических характеристик смеси сигналов и помех и особенностями их влияния на цифровые элементы оборудования.

Новым, по сравнению с предыдущем изданием, является рассмотрение вопросов анализа электромагнитной обстановки на борту ВС с учетом размещения РЭО в приборных отсеках и методики предварительной оценки электромагнитной совместимости РЭО, используемого в спутниковых сетях навигации и УВД.

Необходимо обратить внимание студентов, изучающих дисциплину “Электромагнитная совместимость РЭО ГА”, на обязательное использование материалов [13] и настоящего пособия, дополняющих друг друга в соответствии с учебной программой курса.

1. Прогнозирование и анализ электромагнитных помех

1.1. Анализ ЭМП.

Анализ ЭМП является инженерным инструментом, применение которого вносит ценный вклад в разработку РЭО на различных ее этапах:

·  предварительное планирование и проектирование систем и приборов;

·  подготовка требований и технических условий на системы и приборы;

·  подготовка гибких планов испытаний в соответствии с техническими условиями (ТУ);

·  оценка результатов испытаний;

·  проверка как ТУ, так и приборов при несоблюдении условий;

·  оценка систем в конкретной рабочей обстановке.

Для каждого из перечисленных выше случаев применения анализа ЭМП требования прогнозирования, имеющаяся входная информация и желаемые результаты на выходе могут значительно различаться между собой. В последующих подразделах будет проведено краткое рассмотрение основных операций анализа на каждом этапе разработки системы или прибора.

Первый этап разработки состоит дефиниции системы или прибора. На этом этапе прибор или система, исходя из постановки задачи или формулировки применения, развивается до своей наивысшей основной формы, которая может быть как идеей, которая возникает в исследовательской лаборатории, так и рабочими требованиями потенциальных заказчиков.

Затем разработчики подходят к определению основных характеристик системы, таких, как размер, вес, тип модуляции, скорость обработки данных, ширина полосы передаваемой информации, мощность передатчика, чувствительность приемника, усиление антенны, ослабление паразитного сигнала и т. п. Существенно, что основные характеристики приборов и систем определяются и устанавливаются на данный момент времени, необходимо на этапе дефиниции рассмотреть электромагнитную совместимость.

На этапе дефиниции разработчик предсказывает и анализирует проблемы ЭМП, с которыми ему, вероятно, придется столкнуться:

1.  ЭМП внутри или между элементами системы (в дальнейшем “ЭМП в интрасистеме”);

2.  ЭМП между элементами одной или нескольких систем, которые, как полагается, будут работать в одной и той же части пространства (в дальнейшем “ЭМП в интерсистеме”);

3.  ЭМП между элементами системы и электромагнитной средой, в которой они должны будут работать.

Проблемы измерений обычно не обсуждаются на этом этапе разработки системы, так как материальной части ее еще не существуют.

ЭМП в интерсистеме часто возникают в результате приема сигналов передающих антенн одной системы приемными антеннами другой. Проблема таких помех особенно серьезна, когда требуется одновременная работа большого количества систем в ограниченном физическом пространстве, например, на судне, самолете, автомобиле, здании, военной базе, промышленном объекте, госпитале или городе.

Метод прогнозирования, который применяется на этапе дефиниции системы, должен основываться на гипотетических или типичных характеристиках ЭМП для отдельных элементов системы. Концентрация обуславливается видом взаимодействия этих элементов со всей системой с точки зрения ЭМП. Прогнозирование ЭМП на этапе дефиниции поможет инженеру в выборе частотных диапазонов; распределении параметров системы (таких, как мощность передатчика, усиление антенны, чувствительность приемника, тип модуляции, время нарастания сигнала, ширина полосы, занимаемая передаваемой информацией); в задании ТУ системы с точки зрения ЭМП; в определении возможных недостатков системы и осознании объема проблемы.

Проектирование и опытно-конструкторские работы – второй этап в разработке системы. На этом этапе система от предварительных ТУ трансформируется до готового изделия. В процессе проектирования системы появляется множество решений, которые затем должны быть воплощены в готовые элементы. Вообще говоря, можно считать, что прибор состоит из комбинации определенных функциональных каскадов – усилителей, смесителей или преобразователей частоты, фильтров, модуляторов, детекторов, устройств отображения или считывания, источников электропитания и т. п.

При разработке каждого прибора существует множество важных факторов, включая электромагнитную совместимость, которые должны рассматриваться. Например, в случае приемной аппаратуры необходимо определить число усилительных и преобразующих каскадов, которые будут использоваться, и установить распределение усиления, избирательности и чувствительности между этими каскадами. Еще более важно разработать общую схему приемной аппаратуры с полным описанием усиления, частотных характеристик, входных и выходных импедансов, динамического диапазона и уровней восприимчивости для каждого каскада. Инженеры, ответственные за проектирование и разработку системы, озабочены, главным образом, проблемами ЭМП в интрасистеме. В результате они должны заниматься ЭМП, возникающими при внешнем воздействии антенн различных элементов системы, а также при внутреннем взаимодействии кабелей, излучениях через корпус, проникновения через корпус и т. п.

Заключительным этапом разработки прибора является его установка и работа. На этом этапе необходимо рассматривать электромагнитную совместимость в различных аспектах, например, эффект расположения, частотное распределение, пределы эффективной излучаемой мощности и зона действия антенны.

Вообще говоря, методы прогнозирования, которые могут быть полезны на рабочем этапе, подобны применяемым на этапе дефиниции. Инженеры, отвечающие за совместную работу всех систем, как правило, думают в первую очередь о взаимодействии элементов системы как друг с другом, так и с элементами других систем, а не о собственных характеристиках этих элементов. Таким образом, на рабочем этапе главная проблема ЭМП связана с сигналами, которые наводятся в элементах внутри одной системы или в элементах других рассматриваемых систем от приемо-передающей антенны.

При этом следует заметить, что уже работающая аппаратура пригодна для специфических измерений, которые могут потребоваться в процессе анализа ЭМП.

Этапы разработки и анализа ЭМП в интерсистеме сведены вместе на рис.1.1.

Рис. 1.1. Этапы анализа ЭМП в интерсистеме

Кроме того, на рисунке приведены типичные входные данные, имеющиеся для анализа на каждом этапе, и определены типы входных данных, которые могут быть получены. Из рис. 1.1 видно, результаты анализа зависят от входной информации.

1.2. Основные расчетные соотношения.

Для оценки ЭМП между одиночным передатчиком и одиночным восприимчивым приемником необходимо сравнить мощность передатчика (РА) с порогом восприимчивости приемника (РR).

Величина возможной помехи может быть получена путем рассмотрения разности между РА и РR. Эта разность называется уровнем помехи (IM) и является мерой всего вклада в помеху. В общем виде IM есть функция частоты (f), времени (t), расстояния между передатчиком и приемником (d) и направления (p).

. (1.1)

Уровень помех в (1.1) определяется следующим образом:

·  если IM положительна – имеется потенциальная возможность появления помех;

·  если IM отрицательна – вероятности возникновения помех нет, или почти нет.

Подставляя в (1.1) выражения для РА и РR, получим:

, (1.2)

где

- мощность колебаний на частоте fE, дБм (децибел, отнесенный к 1мВт);

- усиление передающей антенны при частоте fE в направлении к приемнику, дБ;

- потери при распространении на частоте fE между передатчиком и приемником, дБ;

- усиление приемной антенны на частоте fE в направлении к передатчику, дБ;

- порог восприимчивости приемника на частоте отклика fR, дБм;

- коэффициент, зависящий от ширины полос передатчика (ВТ) и приемника (BR) и разноса по частоте между излучением передатчика и откликом приемника, дБ.

Уравнение (1.2) применимо при прогнозировании помех различных типов. В большинстве случаев главная трудность состоит в определении параметров этого уравнения. Несмотря на то, что это могло бы показаться сравнительно легкой задачей при использовании передающей и приемной аппаратуры, это не так. Действительно, в дополнение к полезному сигналу каждый передатчик производит большое количество паразитных колебаний, и каждый приемник соответственно имеет множество паразитных откликов на выходе. Кроме того, необходимо рассматривать излучение в непредусмотренных направлениях по непредусмотренным путям распространения. Должно быть определено также взаимодействие между передатчиками и приемниками, имеющими в корне различные функции, цели и технические характеристики. Следовательно, для простого случая прогнозирования ЭМП, когда имеется одна пара – передатчик и приемник - необходимо получать информацию для каждого выхода передатчика и отклика приемника, причем основные уравнения прогнозирования должны быть применимы для каждой комбинации выходной сигнал – отклик.

Одним важным соображением, которое нужно учитывать при применении уравнения прогнозирования помех, является объем использования результатов измерений и/или аналитических методов для получения входных функций.

Для оценки некоторых проблем, возникающих при определении входных функций, рассмотрим параметры передатчика. Измерения паразитных выходных сигналов предположительно идентичных передатчиков (т. е. передатчиков одной номенклатуры, отличающихся только серийным номером) выявили различия между ними в пределах 50дБ, носящие случайный характер. На рис.1.2 представлены данные для передатчиков одной номенклатуры с различными резонансными частотами. Эти данные типичны для большого числа передатчиков, которые были испытаны и сообщения о которых получены из различных источников. Кроме того, подобные случайные расхождения измеряемых величин могут быть отнесены за счет разброса параметров распространения, антенны и приемного устройства.

Рис.1.2. Гармоники на выходе передатчиков,

полученные экспериментальным путем

В связи с большим случайным разбросом значений, который может иметь место на каждом из входов при анализе, не имеет смысла пытаться представлять входные данные как детерминированные. Вместо этого входные данные определяются как вероятностные числа (т. е. как члены правдоподобия, чьи различные уровни превышаются).

Случайная природа входных данных при прогнозе является важным фактором при нахождении компромисса между аналитическим моделированием и измерениями. Чтобы получить обоснованные статистические представления, необходимо либо сделать большое количество измерений, либо разработать и осуществить детальные аналитические модели, которые обладали бы такой же чувствительностью к разбросу значений параметров узлов и элементов, как система, которая была представлена.

1.3. Уровни анализа.

Для анализа электромагнитных взаимодействий, которые имеют место в среде при наличии в ней электронных систем связи, желательно подразделить всю проблему на уровни сложности таким образом, чтобы решение на любом уровне вносило вклад в анализ на следующем, более высоком уровне. Примеры уравнений, которые могут рассматриваться при анализе:

·  электромагнитная среда;

·  система;

·  подсистема;

·  прибор;

·  узел;

·  элемент.

Таким образом, модели элементов служат основным строительным блоком для создания моделей узлов, модели узлов – для создания моделей приборов и т. д., в противоположность этому, данные измерений могут служить входными величинами при анализе на любом уровне. Рис.1.3 является иллюстрацией соотношения между аналитическими моделями и измерениями на всех уровнях анализа.

В идеале экспериментальные данные могут в нескольких точках быть вкраплены в цепь анализа. Если в какой-либо точке цепи требуемая информация имеется в наличии, необходимость в анализе на более низком уровне отпадает.

Поскольку анализ ЭМП интерсистемы касается взаимодействия приборов, подсистем и систем, он зависит в значительной степени от моделей, используемых для представления характеристик приборов. Если имеются подходящие математические модели и входные данные (информация), можно было бы, по-видимому, начать анализ электромагнитных помех на уровне элементов. Однако следует учитывать, что в большинстве случаев нежелательно или непрактично моделировать проблему ЭМП на таком уровне, т. е. уровне деталей. Вместо этого часто лучше основывать модели приборов на данных измерений. К сожалению, во многих случаях это также проблематично, так как имеющиеся способы измерений и данные могут не удовлетворять требованиям аналитических моделей.

Рис.1.3. Уровни анализа

В табл. 1.1 приведены некоторые достоинства и недостатки использования экспериментальных данных и аналитических моделей в качестве входной информации при решении проблемы ЭМП в интерсистеме.

Таблица 1.1.

Сравнение методов измерения и анализа

В табл. 1.2, несмотря на трудности обобщения, предлагаются типичные ситуации с точки зрения наиболее подходящего метода их исследования – анализа или измерений.

Таблица 1.2.

Выбор метода исследования типичных ситуаций проблемы ЭМП в интерсистеме.

Поиск компромисса при выборе между анализом и измерениями лучше всего может быть проиллюстрирован на нескольких примерах. Во-первых, рассмотрим проблему представления характеристик антенны при анализе ЭМП. Пусть необходимо определить излучение антенны во всех направлениях для ряда различных местоположений в широком диапазоне частот и поляризации (включая случаи уже созданной или еще проектируемой аппаратуры), в ближней и дальних зонах.

Типичным случаем является представление характеристик излучений антенны диаграммой направленности. Однако во многих случаях (особенно когда используется вращающаяся антенна) представлять излучение антенны так подробно и не практично, и не нужно. Поэтому при анализе ЭМП в интерсистеме диаграмму направленности часто заменяют функцией распределения вероятностей.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 7 8 9