CC BY
41Анализ требований по обеспечению электромагнитной совместимости и технических решений для ее обеспечения
Зюзин Владислав Дмитриевич
магистрант, кафедра «Сети и системы коммутации», Московский технический университет связи и информатики, vlados9495@gmail.com
Воронцов Антон Игоревич
магистрант, кафедра «Математической кибернетики», Московский технический университет связи и информатики, admin@panteon.fun
Коробов Александр Владимирович
магистрант, кафедра «Сети и системы коммутации», Московский технический университет связи и информатики, kavmc@mail.ru
Graduate student 2nd year, faculty of Networks and communication systems»
Чернов Виктор Витальевич
студент, кафедра «Многоканальные телекоммуникационные системы», Московский технический университет связи и информатики, chinchoppa1337@gmail.com
Болябкин Михаил Владимирович
студент, кафедра «Многоканальные телекоммуникационные системы», Московский технический университет связи и информатики, bolyabkin16@gmail.com
Конкретная задача обеспечение ЭМС зависит от множества факторов. В рамках данной работы будет произведено исследование ЭМС оборудования связи. Главным вопросом данного исследования является изучения воздействие конкретного типа оборудования связи, его возможного воздействия на ЭМО и возможные меры по защите от электромагнитного влияния. Рассмотрим некоторые типы оборудования связи, их степень влияния на ЭМО. В данной работе будут рассмотрены следующие разновидности оборудования связи:
1) Радиорелейная;
2) Оптическая.
Несмотря на всю сложность технической реализации обеспечения электромагнитной совместимости некоторых отдельных устройств, весь процесс является стандартизированным и конкретные указания продемонстрированы в ГОСТах. Радиорелейная и оптическая типы оборудования связи имеют ключевое значение в развитии современных методов передачи данных. Этим обуславливается выбор данных разновидностей сред передачи для конкретного исследования. Ключевые слова: диапазон, влияние, ггц, электромагнитное поле, ррл, оптические линии передач, связь, линия, частотный диапазон, распространение, оборудование, система, обстановка, передача, помеха, схема, волна, луч.
Типы оборудования связи
Радиорелейная связь
В рамках обеспечения ЭМС оборудования связи радиорелейные линии (РРЛ) являются ключевыми и основополагающими, так как история происхождения проблемы ЭМС возникла именно с них. Ключевой особенностью РРЛ является способ организации работы, основанный на многочисленной ретрансляции радиосигналов. Использование всенаправленных антенн привело к существенному влиянию рРл на другие РРЛ и оборудование связи в целом [2].
В основном, РРЛ классифицируются по диапазону используемых для передачи частот. Системы радиорелейных линий используют сантиметровые и дециметровые диапазоны волн. Выбор частот обуславливает почти полное отсутствие промышленных и атмосферных помех и возможность использования достаточного широкой полосы частот. Узконаправленные РРЛ используют двух и четырехчастотные системы передач. С точки зрения ЭМС наибольший вред электромагнитной обстановке наносят двухчастотные системы, так как отличаются отсутствием достаточной защиты от приема и передачи с боковых и обратных направлений [1]. Четы-рехчастотная схема отличается наибольшей помехозащищенностью, но в силу своей большой стоимости используется реже или при наличии жесткой или крайне жесткой ЭМО. Схема 2 и 4 частотных систем приведена на рисунке 1.
Передача Передача
Рисунок 1 - Типы радиорелейных систем
Далее будут рассмотрена классификация РРЛ по диапазону частот, начиная с ультравысоких частот, а также влияние каждого диапазона на электромагнитную обстановку.
Таблица 1 Диапазоны РРЛ
Диапазон Рабочие частоты Влияние на ЭМО
2 ГГц 1.7-2.1 ГГц В виду явления атмосферной рефракции и особенностей распространения волн, а также больших габаритов антенн данный диапазон достаточно сильно подвержен влиянию помех других ТС
X X
о
го А с.
X
го m
о
ю
2 О M
о
о сч о сч
о>
о ш m
X
zr <
m О X X
4 ГГц 3.4-3.9 ГГц Данный диапазон характеризируется большой загруженностью, так как в нем осуществляют работу многие РРЛ. Особенное влияние оказывает появление большого количество отраженных и рефракционных лучей, в виду особенностей распространения сигнала. С точки зрения влияния на ЭМО данный диапазон оказывает значительное влияние на работу других РРЛ и ТС.
6 ГГц 5.6-6.2 ГГц Менее загруженный диапазон частот, но на этих частотах также присутствует влияние интерференции прямых и отраженных лучей. В связи с этим влияние данного диапазона на ЭМС присутствует, но, при должной защите не критично. Обычно в таких случаях прибегают к экранированию нисходящего сигнала.
8 ГГц 7.9-8.4 ГГц Данный диапазон хорошо освоен в РФ и имеет достаточное применение в РРЛ средней емкости, как аналоговых, так и цифровых. В виду особенностей распространения электромагнитных волн в данном диапазоне проявляется влияние метеоусловий таких как: облачность, дождь, снег и туман. Число РРЛ, используемых данный диапазон, не смотря на достаточную изученность мала, поэтому влияние таких РРЛ на электромагнитную обстановку не существенно.
11-13 ГГц 10.711.7, 12.7-13.2 ГГц Данный диапазон широко используется в спутниковых сетях связи. Влияние атмосферных помех, вызванных рефракционными лучами в данном диапазоне существенно меньше, однако влияние метеоусловий в виду особенностей распространения волн усиливается. Так, для их использования требуются усилители большой мощности, что негативно сказывается на электромагнитной обстановке оборудования связи и других ТС.
15-18 ГГц 14.515.5, 17.7-19.7 ГГц Данный диапазон широко используется для цифровых РРЛ авиалокации и навигации. Диапазон 15 ГГц в РФ широко используется и почти заполнен. Ситуация с 18 ГГц менее печальная. Данный диапазон, не смотря на достаточную освоенность на территории РФ почти не используется. Характеристики данных частотных диапазонов идентичны 11-13 ГГц, но в силу входит усиленное влияние метеоусловий и воды на рассеивание сигнала, что привело к увеличению количества промежуточных станций и соответственному увеличению влияния таких помех на общую электромагнитную обстановку [4].
23 ГГц 21.2-23.6 ГГц Данный диапазон подразумевает использование как цифровых, так и аналоговых систем любой емкости, а также использовать любого типа поляризацию. Огромное влияние на такой диапазон оказывают погодные условия. Так, в дожде ослабление сигнала достигает порядка 320 дБ на км. Причиной пристального влияния при обеспечении электромагнитной совместимости на системы связи, использующие данный диапазон частот является широкое использование таких систем в средствах спутниковой связи.
27 ГГц 25.2527.5 ГГц Характеристики данного частотного диапазона идентичны диапазону 23 ГГц. Обычно частный диапазон занимают РРЛ систем фиксированного радиообслуживания. Ослабление при дожде увеличивается 2-24 дБ на км, а потери в атмосфере существенно меньше и составляют порядка 0.1 дБ на км. Уменьшенное расстояние пролетов линий оказывает влияние на электромагнитную обстановку.
38 ГГц 37-39.5, 38.6-40 ГГц Данный диапазон аналогичен 27 ГГц. Основное применение данный диапазон нашел в организации сетей LTE, 3G, IP. В РФ данный диапазон используется для спутниковой передачи ТВ сигнала высокого качества, скорость передачи до 35 Мбит/c. В связи с ростом потребности использования такого рода радиолиний, возникает потребность в обеспечении электромагнитной совместимости.
55 ГГц 54.2557.2 ГГц Данный диапазон отличается большой восприимчивостью к дождю, вызывая потери порядка 12 дБ на км. Данные РРЛ имеют длину всего несколько километров, что обусловлено большим влиянием ослабления сигнала в атмосфере (до 50 дБ на км).
>60 ГГц >60, 8486 ГГц Данные частотный диапазон становится все популярнее в современном мире. С развитием средств радиоастрономии, метеорологических радиолокаторов, а также высокоскоростных радиорелейных линий привело к бурному развитию освоения диапазона крайне высоких частот (КВЧ). Это привело к появлению теорий об использовании КВЧ в новом поколении 5G сетей. Недостаточные исследования в этом широком диапазоне частот говорит о неизвестном воздействии электромагнитного излучения на ТС.
В данном подразделе была исследована аппаратура радиорелейных линий связи на электромагнитную совместимость. Изучена теория происхождения помех, вызываемых РРЛ системами, а также произведена качественная классификация различных частотных диапазонов РРЛ, отражающая возможный тип возникаемой помехи, а также оценка электромагнитной обстановки [5].
Рисунок 2 - Распространение рефракционных лучей
Огийаьчл
О 30
Рисунок 3 - Распространение дифракционных лучей
Влияние дифракции, отрицательных рефракционных и субрефракционных лучей в атмосфере приводит
к последующему распространению лучей в пространстве и появлению помех. Это основная проблема всех высокочастотных радиорелейных систем с которой достаточно сложно справиться. На рисунках 2 и 3 представлены схемы распространения дифракционных и рефракционных лучей.
Таким образом, можно сказать что влияние РРЛ на электромагнитную совместимость оборудования связи в данном случае является критичным и требует серьезного подхода к улучшению сложившейся электромагнитной обстановке в современном мире. Конечно, большинство проблем, возникающих при воздействии электромагнитной помехи на ТС в данном случае решается еще на этапе проектирования линии радиопередачи. Но, с осваиванием все новых диапазонов частот, предсказать влияние РРЛ на ТС практически невозможно, так как природные явления, которые являются причиной возникновения нарушения ЭМО, по своей природе хаотичны [16].
Оптическая связь
Волоконно-оптическая связь строится на основе электромагнитного излучения сигнала оптического диапазона, основным элементом которой является лазер и оптическое волокно (ОВ), которое является проводящей средой распространения электромагнитного излучения ближнего инфракрасного спектра. Структурная схема оптического волокна представлена на рисунке 4.
очередь приводит к изменению показателей преломления оптического волокна. Изменение преломления вызывает эффект Керра, в следствие которого происходит увеличение дисперсии и затухания в оптическом кабеле. На рисунке 5 представлена схема, показывающая эффект Керра.
Образец Рисунок 5 - Эффект Керра
В качестве образца на схеме выступает оптическое волокно, которое под воздействием высоковольтных электромагнитных полей приводит к появлению так называемой ячейке Керра [9], которая влияет на поляризацию распространяемых электромагнитных волн. Ячейка Керра становится поляризатором на участке оптоволокна, что приводит к нарушению распространения волн.
Одним из паразитных эффектов, влияющий на распространение света в оптических линиях является эффект Фарадея, возникающий в следствие грозовых разрядов, внешних влияний высоковольтных ЛЭП и железных дорог. При недостаточном уровне электромагнитной защищенности, оптические линии подвержены такого рода влиянию, которое приводит к вращению поляризационной плоскости что приводит к увеличению дисперсии и затухания. Физика эффекта Фарадея показана на рисунке 6.
Рисунок 4 - Оптический кабель в разрезе
Отличительными особенностями распространения электромагнитного излучения по оптическому кабелю являются сверхвысокие рабочие частоты. Так как частоты несущих в оптических линиях передачи обычно работают в диапазоне 1014 -1015 ГГц ни одно другое техническое средство, не использует спектр оптического волокна, их воздействие на оптические линии невозможно [11]. Однако, как показано на рисунке 4 классический оптический кабель состоит из металлических деталей, таких как:
1) Медные токоведущие жилы дистанционного питания;
2) Защитная металлическая оболочка;
3) Стержень в виде центрального элемента для повышения упругости кабеля.
Однако, Ов чаще всего прокладывается в связке с высоковольтными кабелями для экономии места в кабельном колодце. Тесное расположение вызывает высоковольтное электромагнитное поле, которые с свою
Рисунок 6 - Эффект Фарадея
В виду не идеальности оптических линий, возникают оптически неактивные участки, при прохождении света в которых начинает влиять электромагнитное поле. Являясь изотропной средой, излучение, проходящее через такие среды, описывается суперпозицией двух лево и правополяризованных волн, но уже с противоположенным знаком вращения. Так, угол изменения плоскости поляризации изменяется на:
0=£(п_-пЧ (1)
Таким образом сами оптических линии подвержены влиянию электромагнитных волн разного типа и рода происхождения. Также, волоконно-оптические линии передач в тракте передачи содержат промежуточные уси-
X X
о
го А с.
X
го т
о
м о м о
лители, регенераторы, мультиплексоры, демультиплек-соры и оптико-цифровые преобразователи [7]. Схема оптической линии представлена на рисунке 7.
о
CS
о
CS СП
о ш m
X
<
m О X X
Рисунок 7 - Схема оптической линии
Почти все перечисленные на схеме активные элементы содержат питающие элементы. Часть из них строятся на основе гальванических связей. Данные факты говорят о том, что влияние ЭМП на это оборудование возможно. Оптические линии уязвимы как с точки зрения активного, так и пассивного оборудования. Изменение электромагнитной обстановки приводит к нарушению функционирования оптических линий. Ухудшение качества передаваемого сигнала требует увеличения количества промежуточных регенераторных станций. Возникающие помехи и увеличение дисперсии приводит к ошибкам и уменьшению скорости передачи данных.
Литература
1. Григорьян С.Г.. Конструирование электронных устройств систем автоматизации и вычислительной техники. - Ростов-на-Дону: Феникс, 2007. - 304 с.
2. Розанов Ю.К., Рябчицкий М.В., Кваснюк А.А.. Силовая электроника. - М.: МЭИ, 2009. - 632 с.
3. Кечиев Л.Н., Степанов П.В.. ЭМС и информационная безопасность в системах телекоммуникаций. - М.: Издательский Дом "Технологии", 2005. - 320 с.
4. Основы управления использованием радиочастотного спектра. Том 1. Международная и национальная системы управления РЧС. Радиоконтроль и радионадзор. - М.: Красанд, 2012. - 340 с.
5. Основы управления использованием радиочастотного спектра. Том 2. Обеспечение электромагнитной совместимости радиосистем. - М.: Красанд, 2012. -554 с.
6. Карякин Р.Н.. Устройство электроустановок производственных зданий. Справочник. - М.: Энергосервис, 2004. - 640 с.
7. Заболоцкий Александр. Импульсные сигналы в многопроводных линиях передачи. - М.: LAP Lambert Academic Publishing, 2011. - 164 с.
8. Тамилин Василий. Оценка электромагнитной совместимости. - М.: LAP Lambert Academic Publishing, 2014. - 92 с.
9. Аполлонский С.М.. Внешние электромагнитные поля технических средств. - М.: Palmarium Academic Publishing, 2012. - 428 с.
10. Шкоркин В. Источники вторичного электропитания. - М.: LAP Lambert Academic Publishing, 2011. - 80 с.
11. Николаев В. Электромагнитная совместимость оборудования самолёта. - М.: LAP Lambert Academic Publishing, 2013. - 164 с.
12. Салтыков В., Салтыкова О., Салтыков А. Электромагнитная совместимость дуговых сталеплавильных
печей. - М.: LAP Lambert Academic Publishing, 2011. -188 с.
13. Аполлонский С.М.. Электромагнитная безопасность. - М.: Palmarium Academic Publishing, 2012. - 512 с.
14. Аполлонский С.М.. Электромагнитное экранирование, T.I. - М.: Palmarium Academic Publishing, 2013. - 480 с.
15. Бардин В.М., Земсков А.В.. Высокочастотные инверторы для сварки на переменном токе. - М.: ДМК Пресс, 2015. - 144 с.
16. Электромагнитная совместимость и молниеза-щита в электроэнергетике. Учебник. - М.: МЭИ, 2011. -544 с.
Analysis of requirements for ensuring electromagnetic
compatibility and technical solutions for its provision Zyuzin V.D., Vorontsov A.I., Korobov A.V., Chernov V.V., Bolyabkin M.V.
Moscow Technical University of Communications and Informatics The specific task of providing EMC depends on many factors. As part of this work, EMC will conduct a study of communication equipment. The main issue of this study is to learn of the impact of a particular type of communication equipment, its possible impact on EMOs and possible measures to protect against electromagnetic influence. Consider some types of communication equipment, their degree of influence on EMOs. The following types of communication equipment will be considered in this work:
1) Radio relay transmission medium;
2) Optical transmission medium.
Despite the complexity of the technical implementation of electromagnetic compatibility of some individual devices, the whole process is standardized and specific instructions are shown in IEC.
Radio relay and optical types of communication equipment are of key importance in the development of modern data transmission methods. This determines the choice of these varieties of transmission media for a particular study. Keywords: range, influence, GHz, electromagnetic field, RRL, optical transmission lines, communication, line, frequency range, propagation, equipment, system, environment, transmission, interference, circuit, wave, beam. References
1. Grigoryan SG .. Design of electronic devices for automation
systems and computer technology. - Rostov-on-Don: Phoenix, 2007 .-- 304 p.
2. Rozanov YK, Ryabchitskiy MV, Kvasnyuk AA. Power electronics.
- M .: MPEI, 2009 .-- 632 p.
3. Kechiev LN, Stepanov pV .. EMC and information security in
telecommunication systems. - M .: Publishing House "Technologies", 2005. - 320 p.
4. Fundamentals of radio frequency spectrum management. Volume 1. International and National RFS Management Systems. Radio monitoring and radio surveillance. - M .: Krasand, 2012 .-- 340 p.
5. Fundamentals of radio frequency spectrum management. Volume 2. Ensuring electromagnetic compatibility of radio systems. - M .: Krasand, 2012 .-- 554 p.
6. Karjakin RN .. Installation of electrical installations of industrial
buildings. Directory. - M .: Energoservis, 2004 .-- 640 p.
7. Zabolotsky Alexander. Pulse signals in multi-wire transmission
lines. - M .: LAP Lambert Academic Publishing, 2011 .-- 164 p.
8. Tamilin Vasily. Evaluation of electromagnetic compatibility. - M .:
LAP Lambert Academic Publishing, 2014 .-- 92 p.
9. Apollonskiy SM .. External electromagnetic fields of technical
means. - M .: Palmarium Academic Publishing, 2012 .-- 428 p.
10. Shkorkin V. Sources of secondary power supply. - M .: lAp Lambert Academic Publishing, 2011 .-- 80 p.
11. Nikolaev V. Electromagnetic compatibility of aircraft equipment.
- M .: LAP Lambert Academic Publishing, 2013 .-- 164 p.
12. Saltykov V., Saltykova O., Saltykov A. Electromagnetic compatibility of arc steel furnaces. - M .: LAP Lambert Academic Publishing, 2011 .-- 188 p.
13. Apollonskiy SM .. Electromagnetic safety. - M .: Palmarium Academic Publishing, 2012 .-- 512 p.
14. Apollonsky S.M .. Electromagnetic shielding, T.I. - M .: Palmarium Academic Publishing, 2013 .-- 480 p.
15. Bardin VM, Zemskov AV High-frequency inverters for alternating current welding. - M .: DMK Press, 2015 .-- 144 p.
16. Electromagnetic compatibility and lightning protection in the power industry. Textbook. - M .: MEI, 2011 .-- 544 p.
