Критерии оценки и результаты экспериментальных исследований электромагнитной совместимости терри ториально совмещенных коротковолновых радиоузлов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ІССТМИК № < <»7) 2010

УДК 621.391.82(024): В. С. БУДЯК

621.396.2.029.5.001.57

Омский НИИ приборостроения

КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ И РЕЗУЛЬТАТЫ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ

СОВМЕСТИМОСТИ

ТЕРРИТОРИАЛЬНО СОВМЕЩЕННЫХ

КОРОТКОВОЛНОВЫХ РАДИОУЗЛОВ

Приводятся результаты определения критериев оценки электромагнитной совместимости (ЭМС), разработки инженерных методик оценки ЭМС и применения единых методик экспериментальной проверки обеспечения ЭМС опытного образца (фрагмента) территориально совмещенного радиоузла.

Ключевые слова: территориально совмещенные радиоузлы, электромагнитная обстановка. методика экспериментальной проверки.

Одним из направлений разработки коротковолновых (КВ) радиоузлоп, обеспечивающим повышение технико-экономических показателей при создании новых и модернизации действующих КВ радиоузлов (РУ) с малым и средним количеством каналов приема/ передачи информации, является построение КВ РУ па основе территориального совмещения приемных и передающих радиоцентров 11,2).

Однако такое построение РУ приводит к ухудшению показателей их электромашитпой обстановки (ЭМО) на размещаемой территории и необходимости на начальных стадиях проектирования РУ определения критериев оценки ЭМС технических средств РУ. разработки инженерных методик оценки показателей ЭМО на основе анализа математических моделей РУ и применения единых методик экспериментальной проверки достаточности приня тых мер обеспечения ЭМС технических средств РУ па этапах предварительных и государственных испытаний опытных образцов (фрагментов) РУ |2 —4).

Цель работы — для варианта территориально совмещенного (ТС) КВ РУ определить критерии оценки ЭМС, разработать инженерные методики оценки показателей ЭМО и единые методики экспериментальной проверки достаточности принятых мер обеспечении ЭМС технических средств опытных образцов РУ

Критерии оценки ЭМС

Достаточность мер по обеспечению ЭМС технических средств для большинства решаемых задач (в том числе для ТрС РУ) определяется величиной коэффициента (показателя) К,;,(а,,а2,...; р,,(32, ...)е е{0...1} сохранения качества функционирования системы РУ в целом при воздействии непреднамеренных электромагнитных помех (11ЭМП). Величина коэффициента Кф[<х,, a? ...) определяется

качеством функционирования отдельных радио-. электронных средств (РЭС), каждое из которых ха-I рактеризуется некоторой совокупностью парамет-

ров (<х;, а,...; р(, ...), где (сс,.р,) е {0...1} - локальные

нормированные параметры ЭМС. Значения локальных параметров ЭМС, как это показано в [3, 4), характеризуются монотонной функциональной зависимостью от величины отношения мощностей (напряжений) сигнал/(помеха-1-шум) на входе рецептора (радиоприемного устройства (РПУ) из состава РУ), т.е. от отношения С/(П + Ш). Из числа локальных параметров ЭМС РЭС (а,, Р;), количество которых превышает пятьдесят наименований (4), для разработки инженерных моделей ЭМО, обеспечивающих адекватную оценку ЭМО РУ, необходимо выбрать их минимальное количество.

Оценка ЭМО ТС РУ, проведенная на основе анализа разработанной модели, заканчивается принятием решения бинарного типа («да», «нет») о пригодности технических средс тв РУ к совместному функционированию:

— при значениях локальных нормированных

параметров (а,, Р,) < 1 и при значениях коэффициента Кф(а,, ...; Э(, ...)<1 выносится решение «да», т. е.

качество функционирования РУ находится в допустимых пределах;

— при значениях локальных нормированных параметров (а,, Ру)^1 и при значениях коэффициента /Сф(а,, а? Р,, Р^...)>1 выносится решение «нет», т. е. снижение качества функционирования РУ является недопустимым.

Значения локальных параметров (а(, ^) определяются взвешенным значением параметра ЭМС при воздействии НЭМП (А, В.) относительно номинальных [А0), Вц), характеризующих технически«; средства из состава РУ при отсутствии воздействия МЭМП и определяемых техническими условиями на :гги технические средства:

а,= (A,a,)/(AJ.

(1)

(Я/Ь, )/(*?„). (2)

где (А, В;) — значения локальных параметров ЭМС технических средств при воздействии НЭМП;

а,, ЬІ — весовые коэффициенты, учитывающие значения параметров ЭМС (суммарная мощность сигналов излучаемых радиопередающими устройствами — РПДУ РУ; количество РПДУ в составе РУ; возможности по разнесению на местности комплектов приемных и передающих антенн из состава РУ и т.д.); /=/, 2,.../; ;=/. 2. ...і;

Значение Кф(аг а# ...;(3,, (3., ...) определяется как значение средневзвешенного показателя функционирования

(3)

где /= /, 2./;у= 1. 2,..., 7; N=/+7.

Практика разработки уточненных моделей ЭМО РУ различного типа |5. б) подтвердила результаты исследований (7), и:» которых следует, что для всей совокупности НЭМП, поступающих на вход РГ1У из состава РУ, до 8-1 % случаев снижения качества функционировать (с учетом отсутствия в перспективных цифровых РГГУ побочных каналов приема [8]) связано с НЭМ11 шумового характера и блокирующими сигналами гармонического характера.

Наиболее значимыми параметрами ЭМС, согласно (5.6,7). являются:

уровень (суммарный уровень) шумовой компоненты неосновного излучения РПДУ (группировки РПДУ), поступающей в РПУ по основному каналу приема (ОКП) Р'\

— уровень блокирующей помехи (совокупности помех) основного излучения РПДУ (группировки РПДУ) Л/г' гармонического характера, отстроенной (отстроенных) на величину (величины) Д/А от частоты настройки ОКП РПУ [к—1,2,..., — количество РПДУ в составе РУ);

— коэффициент развязки антенн (КРА) источника и рецептора (приемника) сигналов НЭМП Ь |дБ] (или коэффициент затухания сигнала НЭМП па трассе взаимодействия гиач| антенн источника и рецептора I, (дБ)).

С учетом изложенного выше и практики разработки моделей ЭМО значения локальных параметров ЭМС? Р' и Л/,', определяющие значение показателя сохранения качества функционирования РУ, аналитически могут быть определены следующими выражениями [4,5):

Р' (дБм] =Яс|дБм] - (6...10) дБ. (4)

/V/ [дБм] = Л/,[дБм| - 3 дБ, (5)

где Р (дБм) — уропень сигнала на входе РПУ, поступающего от радиоабонента (для КВ трасс протяженностью (1500. .3000) км Рс— минус (85...89) дБм (Ц.— 15,3—9,7 мкВ) для Рт=(46.,.60) дБм |5); Рт — уровень сигнала на выходе РПДУ радиоабонента); в условиях ЭМО с низким уровнем НЭМП шумового характера С/=£,, ГАФ= (3,85...5,4) мкВ в полосе АР— = 3.1 кГц; Е,плф — чувствительность РПУ в телефонном канале в соответствии с требованиями ГОСТ Р52016-2003 к РПУ 1-го класса; прогнозируемое нор-ми рова! в юс значение сх,(Р) = (0,251.. .0,1); а,=1; Л', [дБм) -уровень восприимчивости по блокированию РПУ вне полосы ОКП лдя различных значений отстройки по частоте (для РПУ 1-го класса: ГОСТ Р52016-2003 N,= 150 дБ-мкВ (41,25 дБм; РилЛПУ=75 Ом) при отстройках Д/4>* 10 % от частоты настройки РПУ ^); прогнозируемое нормированное значение [3.(Л/) = =(5,(Лд=0.5;1>=1,0.

Величина средневзвешенного показателя качества функционирования (для к—2) принимает значение **(«,,£,) = (0,417..Д366).

Результаты экспериментальных исследований

Проведение вычислительного эксперимента с использованием разработанных ранее моделей ЭМО (5] и методик оценки показателей ЭМО на этапе проведения аванпроекта ОКР по разработке фрагмента ТС РУ позволило обоснова ть весьма жесткие требования к параметрам разрабатываемых составных частей РУ:

— относительную спектральную плотность мощности шумов при номинальном значении выходной мощности основного колебания РПДУ не более минус 190 дБ/Гц при отстройке на ± 10 % от значения частоты сигнала основного колебания (в опытных образцах РПДУ фрагмента РУ получена величина относительной спектральной плотности мощности шумов минус 186 дБ/Гц);

— ЭДС блокирующей помехи гармонического характера на входе полнодосгуиного коммутатора приемных антенн (КПрА), вызывающей компрессию сигналов на 3 дБ, должна быть не менее 6 В;

— динамический диапазон КПрА по интермоду-ляции 2-го порядка относительно 1 мкВ ЭДС должен обеспечиваться не менее 105 дБ, по интермодуляции З’ГО порядка — не менее 110 дБ.

Оценка КРА (или Лг) расчетным путем может быть получена, как это отмечено в (8], с помощью комплекса программ, значительный объем входных данных которого отражает геометрию излучателей, функции возбуждения излучателей, количество узлов сетки на каждом излучателе, параметры подстилающей поверхности (грунта) иод трассой распространения сигнала НЭМП и так далее. В|5, 6| приведены примеры разработки и практического использования инженерной оценки модели для различных вариантов реализации РУ (ТС — в том числе), разработанной на основе работ А. Зоммерфельда, М.В. Шу-лейкина, А.Н. Щукина. Результаты (9) подтвердили возможность корректной оценки и, определенного на основании формулы Шулейкина — Ван-дер-Поля на расстояниях гп<,АМ>Хр/(2я), что для рабочей частоты >1.5 МГц составляет расстояние г##и>31,8 м (Хр — длина волны сигнала с частотой Гр).

Практическое определение величины КРА образцов (опытных образцов) приемных и передающих антенн из состава ТС РУ. размещенных на местности в соответствии с нормативными монтажными документами, достаточно просто может быть измерено селективными микровольтметрами, например, типа БМ V-11. Микровольтметры этого типа имеют в своем составе калиброванный перестраиваемый совместно с измерительным трактом по частоте генератор сигналов Г с величиной ЭДС выходного сигнала Сг= = 200 мВ (Рг=50 Ом). При условии, что нагрузкой приемной антенны является входное сопротивление КПрА из состава ТС РУ с активным входным сопротивлением РХ(Ч>Д = 75 Ом, входное сопротивление измерительного факта БМЛМ 1 нормируется включением в измерительный тракт трансформатора сопротивлений «75/50 Ом». Тогда КРА Ь {дБ] определится выражением

Ь[дБ1=10/$г

и1ґї*г + *л г)2+*2т1

(6)

где Ег — ЭДС генератора, В;

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 <*7> 2010

и„ — напряжение, измеренное микровольтметром на выходе последовательно включенных приемной антенны и трансформатора сопротивлений, В;

Л,. — выходное сопротивление генератора;

Рлр Хлт — значения активного и реактивного сопротивлений передающей антенны па частоте измерения, Ом;

— значение входного сопротивления микровольтметра, Ом (в нашем случае Я1#=50 Ом).

Следуе т отмстить, что величина КРА, измеренная в реальных (так, как это изложено выше) условиях, учитывает такие сложные для теоретической оценки параметры КВ антенно-фидерных трактов, как КПД приемных 11лк и передающих Т1Л1 антенн для конкретных значений параметров подстилающей поверхности под трассой их взаимодействия, КНД передающих 0АГ и приемных Олк антенн из состава ТС РУ по направлению их взаимодействия (как источника и рецептора НЭМП).

Методика экспериментальной оценки ЭМС опытных образцов РУдолжна обеспечивать минимизацию погрешностей измерения локальных параметров, основными из которых являются:

— погрешность измерения Й, величины Р\ обусловленная влиянием несистемных сигналов НЭМП, поступающих на приемную антенну рецептора (РПУ) ог удаленных источников (станционных помех в т. ч.);

— погрешность измерения величины Р'. обусловленная значительным превышением допустимого

уровня входного сигнала измерительного микровольтметра, определяемого суммой мощных гармонических сигналов основного излучения РПДУ из состава РУ.

Разработанные и апробированные в ходе экспериментальных исследований ЭМС технических средств фрагмента ТС РУ методики измерения значений параметров Р’ и /V/ обеспечили корректность измерений при суммарной мощности РПДУ, подводимой к передающим антеннам Рге>2 кВт и минимальных расстояниях между комплектами приемных и передающих антенн при их размещении на местности 80... 120 м. В цепь измерительного тракта при этом включались аттенюаторы с номиналами «минус ЮдБ» и «минус 20 дБ», а также полосно-пропускающие фильтры (ППФ), средние частоты полос пропускания которых совпадали со значениями частот измерения /„„параметра Р' (Г„,и=0,ШртП1; /и„ = 1,1 т = 1,2,

(ртт - значения рабочих частот основных излучений РПДУ из состава РУ). К параметрам ППФ были предъявлены требования по ослаблению уровня мощных помех, отстроенных от значений /И5)1 на величины >±0,\[рг, до минус 52...68 дБ. Такой вариант схемы измерительного тракта обеспечил возможность измерения значений КРА до величины минус 195...200 дБ.

При обработке результатов измерений параметров Р' и ТЯ' должны быть учтены:

— коэффициенты ослабления ППФ на частотах /или (изменяются от 0.812 (минус 1,8дБ) до 0,55 (минус 5,2 дБ);

208

Рис. I. Вариант размещения на местности фрагмента радиоузла

— разница полос пропускания селективного микровольтметра (АРн$и = 0,2/1,7 кГц) и полосы пропускания ОКП РПУ, согласованной с занимаемой полосой частот сигнала принимаемого класса излучения (или установленной нормативными документами);

— коэффициент ослабления аттенюатора, включаемого в измерительный тракт при измерении суммарною уровня сигнала НЭМП основных излучений РПДУ из состава РУ.

Вариант размещения на местности технических средств фрагмента РУ при проведении экспериментальных исследований ноказан на рис. 1, на котором цифрами над пунктирными линиями обозначены расстояния между антеннами.

При проведении эксперимента в качестве приемных антенн использовались опытные образцы антенн типа УН, ВН и сдвоенная антенна бегущей волны тина ОБ2, а в качестве передающих антенн использовались антенны тина УН, 2ВНС, а также антенна типа «штыревой вертикальный излучатель» (ШВИ) [10].

Натурные измерения значений параметров ЭМС фрагмента ТрС радиоузла проводились при следующих условиях:

— подстилающая поверхность в месте размещения антенн из состава ТрС РУ по своим характеристикам аналогична грунтам болотисгого типа;

— средний уровень внешних НЭМП шумового характера в месге размещения РУ — низкий, чтообус-ловило принятие в качестве нормативной величины значение У(—Е.,ТЛф— 3.05 мкВ в полосе АГ—3,1 кГц; ВЧТЛф - чувстви тельность РПУ в телефонном канале;

— мощность сигнала, подводимая к входам каждой передающей антенны, РГ(1 ^ >1000 Вт.

Экспериментальные измерения параметров ЭМС фрагмента РУ показали достаточность принятых мер по обеспечению ЭМС разработанных технических средств фрагмента РУ:

умаксимальное значение уровня блокирующей помехи на выходе приемной антенны № 2 при одновременной работе двух РПДУ не превысило величины £/'<1,9 В, что в 1,58 раза меньше допустимого уровня блокирующей помехи на входе КПрА;

— суммарный уровень сигнала НЭМП шумовою характера па выходе приемной антенны № 2 в диапазоне рабочих частот изменялся в пределах и' — = (0.35... 1.99) мкВ, что в ряде случаев превышало допустимый уровень сигнала НЭМП шумового ха-рактера (и’^ 1,79 мкВ).

Коррек тность использованных критериев ЭМС и разработанных методик оценки показателей ЭМО подтверждены положительными результатами проведенных связных испы таний фрагмента РУ на трассах протяженностью до 4000 км при одновременном двустороннем (дуплексном) обмене сообщениями с двумя радиоабонентами. Результат проведения связных испытаний фрагмента РУ определялся коэффициентом исправного действия радиолиний, значения которою были получены не ниже, чем значения ко-:х|>фициента исправного действия радиолиний для территориально разнесенных радиоузлов, работающих в аналогичных геофизических условиях.

Выводы

I. Определены критерии оценки ЭМС технических средств территориально совмещенных коротковолновых радиоузлов.

2. Разработаны инженерные методики оценки показателей электромагнитной обстановки и на их основе определены требования к параметрам вновь разрабатываемых технических средств опытного образца (фрагмента) территориально совмещенною радиоузла.

3. Проведены экспериментальные исследования ЭМС фрагмента территориально совмещенного коротковолнового радиоузла с использованием единых методик, подтвердившие корректность разработанных критериев и методик оценки показателей электромагни тной обстановки при размещении на местности территориально совмещенных радиоузлов.

Библиографический список

1. Ломор, Г.Дж. [ 1роблемы, связанные с работой передагшка и приемника КВ радиолиний в непосредственной близости друг от друга / Г.Дж. Ломср : пор. с англ.: иод ред. В.Н. Голубева // Материалы ф. Racal. — М., 1973. - 12 с.

2. Хазан, В.Л. Основные положения методики моделирования работы коротковолновых систем связи, использующих территориально совмещенные приемопередающие радиоцентры /

B.Л. Хазан, Ю.П. Пантюхин, А П. Баранник // Техника средств связи. Сер. ТРС. — 1983. - Выи. 10 (31). — С. 51 —56.

3. Виноградов, Н.М. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств / E.М. Виноградов. В.И. Винокуров. И.П. Харченко. - Л.: Судостроение. 1986. — 264 с.

4. Князев, А.Д. Элементы теории и практики обеспечения электромагнитной совместимосги радиоэлектронных средств / АД. Князев. — М.: Радио и связь, 1984. — 330 с.

5. Будяк, B.C. Электромагнитная совместимость технических средств коротковолновых систем связи / B.C. Будяк, Б.Г. Шадрин, A.B. Коробейникова // Техника радиосвязи. -Омск : Омский НИИ приборостроения. — 2002. - Вып. 7. -

C. 39-45.

6. Будяк, B.C. Разработка модели электромагнитной обстановки комплексных подвижных КВ-УКВ радиоузлов связи /

B.C. Будяк, Б.Г. Шадрин, A.B. Архипова // Сб. докл. 11-й Меж-дунар. науч.-технич. конференции «Радиолокация. Навигация. Связь» (RLNC-2005). — Воронеж : Изд. НПФ ООО «Саквоее», 2005. - Т.2.-С. 1148-1156.

7. Перфилов, 0.10. Особенности проблемы UMC комплексов РЭС/0.10. Перфилов//Антенны. — 2004. — Вып. б (85). —

C. 84 - 88.

8. Перфилов, О.Ю. Метод расчета коэффициентов развязок между антеннами в сосредоточенных комплексах средств радиосвязи / О.Ю. Перфилов // Электросвязь. — 7.001 — No 8. -С. 28-30.

9. Будяк, B.C. Исследование двух моделей оценки коэффициента затухания сигнала в коротковолновом диапазоне / B.C. Будяк. В.П. Кисмерешкин // Сб. докл. IX Российской науч.-технич. конференции по электромагнитной совместимости тех нических средств и электромагнитной безопасности «ЭМС-2006». - СПб.: И за ВИТУ - 2002. - С 361-365.

10. Пат. N«2226021 РФ. МКИ НОЮ 9/34. Антенна штыревая диапазонная мобильная; опубл. 20.03.2.004. - Б юл. №8.

БУДЯК Владимир Серафимович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, почетный радист.

Адрес для переписки: 644009, г. Омск. ул. Масленникова, 231.

Статья поступила в редакцию 13.10.2009 т.

© В. С. Будяк

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК N* 1 1«7) 2010 _______________________________________________________________________________________РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ