Управление РЧС Bihovskiy

Эквивалентную мощность радиопомехи, приведенной ко входу i-го РПМ, Pij инт для интермодуляции 3-го порядка, создаваемой при действии на его входе двух сигналов, частоты которых не совпадают с частотами основного и побочных каналов приема i-го РПМ, вычисляют по формуле [1]

где Ki инт = Pi инт /Pi мин — коэффициент интермодуляции, равный отношению уровня помехи, возникающей в результате интермодуляции в i-м РПМ, к уровню сигнала, соответствующего чувствительности РПМ, определенных на его выходе, при расчете Pi инт в [1] рекомендуется брать Pi оп = Pi мин и Ki инт = 0,25; Pi оп — уровень сигнала, при котором определялась характеристика частотной избирательности, Вт; Pi мин — уровень сигнала, соответствующего чувствительности i-го РПМ, Вт; Pij1 — мощность радиопомехи на входе i-го РПМ от j-го РПД на рабочей частоте fj1, Вт; Pij2 — мощность радиопомехи на входе i-го РПМ от j-го РПД на рабочей частоте fj2, Вт; P(fj1, fj2) — уровень двух одинаковых сигналов на входе РПМ,

создающих интермодуляцию в РПМ при заданном Ki инт, Вт; при расчете Pi инт в [1] рекомендуется брать P(fj1, fj2), равный 10–7…10–5 Вт.

Примеры.

1.Рассчитаем мощность радиопомехи на входе РПМ при следующих исходных данных:

Pj = 10 Вт; Gji = Gij = 0,01; λ = 1 м; r = 10 м; K1 = 0,05; K2 = 1; K3 = K4 = 0,1.

По формуле (7.5) найдем Pij = 3,1 10–8 Вт.

2.Рассчитаем мощность радиопомехи, приведенной ко входу РПМ, при следующих исходных данных:

Pij = 3,1 10–8 Вт; K5 = 1; K6 = –50 дБ = 10–5. По формуле (7.6) найдем Pij пр = 3,1 10–13 Вт. 3. Рассчитаем эквивалентную мощность радиопомехи, приведенной ко входу РПМ при

следующих исходных данных:

Pij1 = 3,1 10–13 Вт; Pij2 = 8 10–14 Вт; Pij3 = 2 10–14 Вт; Pik доп = Pij доп = 3,1 10–13 Вт. По формуле (7.9) найдем Pi∑ = 3,1 10–13 + 8 10–14 + 2 10–14 = 4,1 10–13 Вт.

4. Рассчитаем эквивалентную мощность радиопомехи, приведенной ко входу, при интермодуляции в ПРМ при следующих исходных данных:

Ki инт = 0,25; Pi мин = 1 10–13 Вт; Pij1 = Pij2 = 1 10–8 Вт; P(fj1, fj2) = 1 10–7 Вт.

По формуле (7.10) найдем Pij инт = 0,25 10 –16 Вт.

7.3.3. Расчет допустимой мощности радиопомех на входе РПМ

Допустимую мощность радиопомехи Pi доп на входе i-го РПМ от j-го РПД при детерминированной оценке качества функционирования РЭС вычисляют по формуле [1]

где Piс — средняя мощность полезного сигнала на входе РПМ i-го РЭС, дБВт; А — требуемое защитное отношение, равное отношению средних значений мощностей сигнала и помехи для конкретного сочетания видов сигнала и помехи, дБ.

Значение Pi с, как правило, не равно Pс мин, которое соответствует пороговой чувствительности РПМ — рецептора помехи, а соответствует конкретному уровню принимаемого полезного сигнала. Для упрощения расчетов можно положить значение Pi с, равное реальной чувствительности РПМ.

Допустимые значения мощности радиопомехи на входе РПМ при учете явлений блокирования и перекрестных искажений вычисляют по формуле [1]

где Pi(допбл) , Pi(доппи) — допустимые мощности непреднамеренных радиопомех на входе i-го РПМ

от j-го РПД, вызывающие приемлемые эффекты блокирования и перекрестных искажений соответственно, дБВт; Pi мин — чувствительность РПМ i-го РЭС, дБВт; Di — динамический диапазон РПМ i-го РЭС по блокированию и перекрестным искажениям, дБ. Значения Di приводятся в карточке ГКРЧ РФ (форма № 1) с тактико-техническими данными РЭС и для различных РЭС находятся в пределах 60…80 дБ.

Примеры.

1. Рассчитаем допустимую мощность радиопомехи на входе i-го ПРМ от j-го ПРД при следующих исходных данных: Pi с = –130 дБВт; A = 10 дБ. По формуле (7.11) находим

Pi доп = –130 – 10 = –140 дБВт.

2. Рассчитаем допустимое значение мощности радиопомехи на входе ПРМ при учете явлений блокирования и перекрестных искажений при следующих исходных данных: Pi мин =

=–133 дБВт; Di = 80 дБ. По формуле (7.12) находим Pi(допбл) = Pi(доппи) = –133 + 80 = –53 дБВт.

7.3.4.Расчет частот и уровней интермодуляционных излучений РПД

Из указанных в разд. 7.2 видов побочных радиоизлучений, возникающих при одновременной работе РЭС, расположенных на одном объекте, наибольшую опасность представляют интермодуляционные излучения. Такие излучения образуются в случаях, когда между одновременно работающими РПД имеется такая сильная связь, что они влияют друг на друга. Величина связи определяется тем, что РПД объекта работают или на антенны, размещенные в непосредственной близости друг от друга, или на одну широкополосную антенну. Нелинейными элементами при этом являются выходные каскады РПД, работающие на достаточно близких частотах.

Частоты интермодуляционных излучений РПД объекта можно определить по формуле [7]

где f1, f2, f3, …, fX — частоты РПД объекта; m, n, p, … — положительные целые числа. Расчет частот интермодуляционных излучений 3-го порядка всех РПД объекта (их ко-

личество обозначим через X) выполняется в следующем порядке:

–выписываются в возрастающем порядке частоты всех радиопередатчиков объекта и создается таким образом «Перечень частот № 1»: f1, f2, …, fX–1, fX;

–создаются две копии этого перечня: «Перечень № 2» и «Перечень № 3»;

–для учета помех интермодуляции до 3-го порядка включительно считывают первое

значение частоты f1 из «Перечня № 1», затем считывают первое значение частоты из «Перечня № 2» и из их суммы последовательно вычитают значения частот от f1 до fX из «Перечня частот № 3». Значения частоты интермодуляционной помехи 3-го порядка вида f = f1 + f2 – f3 и образующие ее частоты f1, f2 и f3 заносят в итоговую таблицу

№1, а в случае попадания ее в полосу частот основного и побочных каналов приема любого из всех радиоприемников объекта (их количество обозначим через Y) в соответствии с (7.3) — заносят в итоговую таблицу № 2. В итоговую таблицу № 2 заносят также номера каналов приема помех и номера радиоприемников, подвергающихся воздействию интермодуляционных помех;

–изложенная операция выполняется последовательно для других частот из «Перечня

№2», а затем повторяется для следующей частоты из «Перечня № 1» до его исчерпания. При этом из «Перечня № 2» считываются частоты, большие или равные считанному значению частоты из «Перечня № 1», а каждое значение частоты, считываемое

из «Перечня частот № 3» должно быть больше или меньше считанного значения частоты из «Перечня № 1 или № 2». При равенстве частот из «Перечней № 1 и № 2» определяются помехи вида 2 f1 – f3, а при неравенстве — вида f1 + f2 – f3.

В результате итоговая таблица № 1 будет содержать перечень частот интермодуляционных излучений 3-го порядка всех РПД объекта, а итоговая таблица № 2 — частоты интермодуляционных излучений 3-го порядка всех X РПД объекта, попадающих в основные и побочные каналы приема всех РПМ объекта, номера и частоты РПД, участвующих в образовании упомянутых помех, а также каналы приема помех и номера РПМ, подвергающихся воздействию помех.

Расчет частот интермодуляционных излучений 5-го и 7-го порядка всех X РПД объекта выполняется аналогичным образом с той лишь разницей, что:

–создаются соответственно четыре или шесть копий перечня частот всех РПД объекта: «Перечень № 2»…«Перечень № 5» или «Перечень № 2»…«Перечень № 7»;

–для учета помех интермодуляции до 5-го порядка включительно считывают первое

значение частоты f1 из «Перечня № 1», затем считывают первое значение частоты из «Перечня № 2», затем считывают первое значение частоты из «Перечня № 3» и из их суммы вычитают первое значение частоты из «Перечня № 4», а из полученного ре-

зультата последовательно вычитают значения частот от f1 до fX из «Перечня № 5». Значения частоты интермодуляционной помехи 5-го порядка вида f = f1 + f2 + f3 – f4 – f5 и образующие ее частоты f1, f2, f3, f4 и f5 заносят в итоговую таблицу № 1, а в случае попадания ее в полосу частот основного и побочных каналов приема любого из всех РПМ объекта в соответствии с (7.3) заносят в итоговую таблицу № 2. В итоговую таблицу № 2 заносят также номера каналов приема помех и номера РПМ, подвергающегося воздействию интермодуляционных помех. Упомянутые операции выполняют последовательно для каждой из последующих частот в «Перечне № 4», а затем все повторяется для следующей частоты из «Перечня № 3», для следующей частоты из «Перечня № 2» и для следующей частоты из «Перечня № 1» соответственно до их исчерпания. При этом необходимо, чтобы каждое значение частоты, считываемое из «Перечня № 3» было больше или равно считанному значению частоты из «Перечня № 2»; каждое значение частоты, считываемое из «Перечня № 2» было больше или равно считанному значению частоты из «Перечня № 1»; каждое значение частоты, считываемое из «Перечня № 4 или № 5» было больше или меньше считанного значения час-

тоты из «Перечня № 1, № 2 или № 3». При равенстве упомянутых частот из «Перечней № 1, № 2 и № 3» и равенстве частот из «Перечней № 4 и № 5» будут анализироваться помехи 5-го порядка вида 3 f1 – 2f5, а при неравенстве — вида f = f1 + f2 + f3 –

– f4 – f5 и другие комбинации частот мешающих РПД, представленные в табл. 7.1. Аналогичным образом могут быть определены частоты помех интермодуляции 7-го по-

рядка вида f = f1 + f2 + f3 + f4 – f5 – f6 – f7.

Мощность интермодуляционных излучений зависит от мощности РПД, принимающих участие в образовании помех, от величины связи между их выходными каскадами, типа активного прибора в выходных каскадах и от частотного разноса РПД.

Общей аналитической формулы для расчета мощности интермодуляционных излучений, пригодной для инженерной практики, в настоящее время нет. Лишь в [9] установлено, что для ориентировочного расчета мощности интермодуляционных излучений нечетных

а)

б)

в)

Рис. 7.2. Спектр излучений четырехканальной базовой станции сухопутной подвижной радиосвязи:

а— излучения на рабочих частотах; б — интермодуляционные излучения 3-го порядка;

в— интермодуляционные излучения 5-го порядка

а)

б)

в)

Рис. 7.3. Спектр излучений восьмиканальной базовой станции сухопутной подвижной радиосвязи:

а— излучения на рабочих частотах; б — интермодуляционные излучения 3-го порядка;

в— интермодуляционные излучения 5-го порядка

7.3.5. Расчет внеполосных характеристик антенн

Определение необходимых для анализа ЭМС РЭС характеристик размещенных на объекте передающих и приемных антенн на рабочих частотах обычно не вызывает затруднений. Коэффициент усиления, или коэффициент направленного действия (КНД), уровни боковых и задних лепестков, характеристики направленности, поляризационной развязки и согласования, а также ряд других параметров для рабочей полосы частот приводятся в технической документации на антенну.

К сожалению, этого нельзя сказать о характеристиках антенн на частотах, существенно отличающихся от рабочих. Внеполосные характеристики антенн в настоящее время не нормируются, не контролируются при их производстве или сертификации и не приводятся в эксплуатационной и иной технической документации. (Отметим, что специалисты в области ЭМС надеются в ближайшем будущем добиться внедрения нормирования внеполосных характеристик антенн в практику технического регулирования.)

В то же время расчет мощности радиопомехи на входе рецептора предполагает, как было показано выше (разд. 7.3.2), знание коэффициента усиления антенны РПМ — рецептора помех в направлении антенны РПД — источника помехи на частоте помехи. Частота помехи может весьма существенно отличаться от рабочей частоты антенны рецептора, а при этом, как известно [14], пространственные и энергетические характеристики антенны могут не только количественно, но и качественно отличаться от паспортных.

Напомним кратко об особенностях распространенных типов антенн диапазонов ОВЧ и УВЧ, с которыми связана возможность приема помехи на частотах, существенно отличающихся от рабочих, на примере наиболее распространенных типов антенн базовых (центровых) станций подвижной радиосвязи.

Для базовых станций сотовой связи обычно используют антенны с секторными диаграммами направленности [15, 16]. Эти антенны представляют собой многоэтажные линейные антенные решетки панельных излучателей, т.е. вибраторных излучателей со сплошным металлическим рефлектором. В ряде случаев (для сотовых структур с небольшим коэффициентом повторного использования частот [16]) в качестве антенн базовых станций сотовых сетей используют всенаправленные антенны (решетки вертикальных вибраторов или коллинеарные антенны). В качестве антенн базовых станций (радиоцентров) профессиональных транкинговых систем подвижной радиосвязи в зависимости от конфигурации зоны обслуживания используют всенаправленные антенны (вибраторные излучатели, линейные решетки на их основе, коллинеарные антенны, кольцевые антенные решетки с круговыми диаграммами направленности) или направленные антенны (панельные излучатели, линейные решетки на их основе, антенны Уда–Яги, логопериодические антенны, кольцевые антенные решетки с секторными диаграммами направленности).

Излучающие системы всех упомянутых антенн представляют собой совокупность определенным образом возбужденных линейных проводников, преимущественно с резонансными электрическими длинами. Тем самым предопределена возможность квазипериодического характера энергетических характеристик антенн [14]. Напомним, что даже для уединенного симметричного полуволнового вибратора на частотах, близких к утроенной, упятеренной и т.д. рабочей частоте, имеют место резонансы, причем входной импеданс вибратора при этом не слишком отличается от импеданса на рабочей частоте [14], т.е. на соответствующих частотах антенна излучает (принимает) электромагнитные волны примерно так же хорошо, как на рабочей частоте. (Резонансы имеют место и вблизи четных гармоник рабочей частоты, но при этом входное сопротивление вибратора существенно выше.)

Квазипериодический характер имеют и частотные характеристики устройств фидерного тракта в составе антенн, реализованных на длинных линиях: симметрирующих и согласующих устройств, делителей мощности, распределительных линий, шлейфов, четвертьволновых стаканов и т.д. При объединении активных вибраторов, пассивных проводников-пере- излучателей и узлов фидерного тракта в сложную антенную систему благодаря взаимодействию элементов характер частотной зависимости энергетических характеристик существенно усложняется, появляются дополнительные резонансы, в том числе на частотах, не кратных рабочей.

Характеристика направленности антенны на частотах, значительно отличающихся от рабочей, нередко становится существенно отличной от паспортной. По мере роста частоты ДН деформируется, а начиная с какого-то момента — «разваливается» (главный лепесток ДН расщепляется на несколько узких лепестков, между которыми имеются глубокие провалы; появляются или резко увеличиваются боковые лепестки и т.д.).

Все вышесказанное приводит к тому, что на частотах, существенно отличающихся от рабочей частоты антенны, возможен весьма эффективный прием помех, причем с самых различных направлений, вообще говоря, не совпадающих с направлением главного излучения (приема) на рабочей частоте.

Итак, для анализа ЭМС необходимы достаточно точные данные по внеполосным характеристикам усиления антенны РЭС — рецептора. Соответствующие характеристики, вообще говоря, могут быть определены экспериментально с использованием известных методов измерения параметров антенн [17]. Однако в большинстве случаев при проектировании объектов связи и телерадиовещания проведение подобных измерений не только экономически неэффективно, но и практически трудноосуществимо. Напомним, что речь идет либо об антенне планируемого к развертыванию (т.е. еще не поставленного или даже не закупленного) оборудования, либо об антенне действующего РЭС (для которой вывод из эксплуатации, а тем более демонтаж и доставка на антенный полигон обычно не допускаются).

Гораздо более эффективным вариантом является расчет внеполосных характеристик антенны на основе имеющихся данных о ее конструкции, геометрических (электрических) размерах элементов излучающей части антенны и входящих в ее состав устройств фидерного тракта (симметрирующих, согласующих, распределительных, диаграммообразующих) и т.д. При этом для расчета пространственных и импедансных характеристик антенн и антенных систем должны использоваться строгие электродинамические методы (методы интегрального уравнения, метод обобщенной эквивалентной цепи и т.п.) [18, 19], обеспечивающие достаточно точный расчет не только характеристик направленности, но и входного импеданса антенны, и созданные на их основе современные программные продукты (в частности, известная программа NEC, ряд версий которой имеется в свободном доступе; см., на-

пример, ресурс http://emlib.jpl.nasa.gov/EMLIB/files.html#non-local). Учет фидерных, сим-

метрирующих, согласующих, распределительных, диаграммообразующих и иных устройств в составе систем питания антенн (антенных систем, антенных решеток) должен выполняться также на основе применения строгих методов электродинамики, теории цепей, теории многополюсников и т.д. (например, с использованием программы Microwave Office).

Итак, в качестве характеристики внеполосного усиления должен использоваться коэффициент усиления антенны как функции угловых координат на частотах, соответствующих существенным уровням возможного внеполосного приема (контролируемые частоты).

Вчисло контролируемых частот должны быть включены [20]:

–частоты, соответствующие максимумам интенсивности приема в паразитных полосах приема антенны;

–рабочие частоты антенн, расположенных вблизи мощных источников радиопомех.

Частоты, соответствующие максимумам интенсивности приема, определяются по результатам расчета (измерения) входных параметров антенны в широкой полосе частот. Действительно, если пренебречь активными потерями мощности в проводниках, излучаемая антенной мощность PΣ определится выражением

где Р0 — мощность на входе антенны; Γ, Kст, Kб — соответственно коэффициент отражения, коэффициент стоячей волны напряжения (КСВН) и коэффициент бегущей волны (КБВ) на входе антенны.

Из (7.16) следует, что частоты, соответствующие максимумам излучаемой (а в силу принципа взаимности и принимаемой) антенной мощности определяются минимумами коэффициента отражения (минимумами КСВН, максимумами КБВ).

Общий алгоритм анализа включает следующие основные этапы [20–22]:

–предварительный расчет частотной характеристики входного импеданса антенны в широкой полосе частот;

–определение контролируемых частот;

–расчет характеристик направленности и коэффициента усиления антенны для контролируемых частот.

Характеристики внеполосного коэффициента усиления для конкретного типа антенны могут при необходимости рассчитываться заранее и фиксироваться (в форме графиков, таблиц и т.д.).

В качестве примера рассмотрим результаты расчета внеполосных характеристик антенн вертикальной поляризации для базовых станций транкинговой подвижной радиосвязи. Расчеты проводились методом обобщенной эквивалентной цепи [18] с учетом продольных и поперечных размеров всех входящих в антенны проводников.

Первая из рассматриваемых антенн представляет собой линейную решетку вибраторных излучателей. Излучатель — симметричный полуволновый вибратор с симметрирующим устройством на отрезке трехпроводной линии [16]. На рис. 7.4 приведены результаты расчета КБВ на входе вибратора (пунктирная кривая) и излучателя в целом (сплошная кривая). КБВ на входе вибратора определялся относительно сопротивления, равного резонансному сопротивлению вибратора на рабочей частоте, а на входе излучателя — относительно волнового сопротивления тракта (в данном случае 50 Ом). Видим, что в окрестностях частот 3f0 и 5f0 действительно имеются полосы интенсивного приема как у вибратора, так и у излучателя в целом. В число контролируемых должны быть включены, как минимум, часто-

ты 3,2f0 и 4,5f0.

На рис. 7.5, б в качестве примера приведены расчетные характеристики внеполосного коэффициента усиления четырехэтажной линейной решетки, построенной из вышеописанных вибраторных излучателей (общий вид решетки — на рис. 7.5, а) с использованием распределителя мощности 1:4 на основе четвертьволнового трансформатора, на частотах 3,2f0 и 4,5f0, соответствующих максимумам КБВ (рис. 7.4). Видим, что внеполосный коэффициент усиления решетки G в отдельных направлениях весьма высок (близок к коэффициенту усиления G0 на рабочей частоте f0).

Рис. 7.4. Частотные характеристики входного КБВ симметричного вибратора и излучателя на его основе

Рис. 7.5. Четырехэтажная линейная решетка вибраторных излучателей (а)

и ее характеристика внеполосного коэффициента усиления на частотах 3,2f0 и 4,5f0 (б)

Рассмотрим еще несколько типичных примеров.

На рис. 7.6, б приведены расчетные характеристики внеполосного коэффициента усиления пятисекционной коллинеарной антенны на четвертьволновых стаканах [16, 21] на частотах 3,1f0 и 4,9f0 (соответствуют максимумам КБВ). Антенна (конструкцию поясняет эскиз на рис. 7.6, а) представляет собой решетку полуволновых вибраторов, возбуждаемых волной, бегущей в коаксиальной линии, через щели в экране, причем плечо вибратора представляет собой внешний проводник резонансного четвертьволнового «стакана»