Методика анализа электромагнитной безопасности радиоэлектронных средствпри воздействии непреднамеренных Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.396.6

Г. А. Грошев, А. В. Масаль

МЕТОДИКА АНАЛИЗА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НЕПРЕДНАМЕРЕННЫХ РАДИОПОМЕХ

Предложен подход к анализу электромагнитной безопасности радиоэлектронных средств, основанный на частотно-ограниченных моделях характеристики спектральной плотности мощности источника помех и характеристики частотной избирательности рецептора помех. Для комплексной оценки электромагнитной безопасности предлагается интегральный критерий, включающий в себя энергетический критерий и критерий блокирования. Энергетический критерий учитывает вклад отдельных излучений источников помех в совокупный сигнал взаимных помех, а также приращение мощности продуктов интермодуляции, обусловленных эффектом интермодуляции в рецепторе помех. Критерий блокирования учитывает совокупность парциальных коэффициентов блокирования от отдельных источников помех.

The approach to the analysis of electromagnetic safety of radio electronic means based on is frequency the limited models of the characteristic of spectral density of power of a source of handicaps and characteristic frequency selectivity receptor of handicaps is offered. For a complete rating of electromagnetic safety the integrated criterion including power criterion and criterion of blocking is offered. The power criterion takes into account the contribution of separate radiations of sources of handicaps to total power of handicaps, and also contribution of power of products intermodulation, caused by effect intermodulation in receptor of handicaps. The criterion of blocking takes into account the contribution of partial of factors of blocking from separate sources of handicaps.

Ключевые слова: частотный анализ помех, энергетическая оценка помех, эффект блокирования, эффект интермодуляции, допустимый уровень мощности помех.

Key words: frequency the analysis of handicaps, power rating of handicaps, effect of blocking, effect of intermodulation, allowable level of power of handicaps.

Радиоэлектронные средства (РЭС) всегда функционируют в условиях реальной электромагнитной обстановки (ЭМО). ЭМО — это совокупность электромагнитных процессов в определенной области пространства (рис. 1). Cреди источников искусственных непреднамеренных радиопомех (НРП) особое место занимают радиопередающие устройства (далее источники помех (ИП)), обуславливающие внутрисистемные и межсистемные НРП.

Одним из ключевых свойств РЭС, определяющих эффективность, является электромагнитная безопасность. Электромагнитная безопасность РЭС при воздействии НРП — это свойство, характеризующее допустимое снижение качества функционирования, при котором РЭС способно выполнять требуемую функцию. Безопасное функциониро-

© Грошев Г. А., Масаль А. В., 2013

Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. 2013. Вып. 10. С. 105—113.

1Q5

106

вание РЭС зависит от ЭМО, уровней НРП от различных ИП и помехоустойчивости радиоприемного устройства (далее рецептора помех (РП)), на которое воздействуют ИП.

г

Рис. 1. Формирование ЭМО излучаемыми НРП

С целью оценки электромагнитной безопасности возникает задача определения на выходе РП отношения уровня сигнала к уровню совокупного сигнала взаимных помех (с/п), определяющего качество функционирования РЭС. Необходимо учитывать приращение мощности помех на выходе РП от основного излучения (ОИ), внеполосного (ВИ) или побочных излучений ИП, проникающих через основной канал приема (ОКП), соседний (СКП) либо побочные каналы приема (ПКП) РП, а также воздействие излучений, не соответствующих частотам ОКП и ПКП, на входную часть РП (усилитель радиочастоты, смеситель).

В качестве РП рассматривается радиоприемник супергетеродинного типа. Суммарная мощность помех, поступающая от у-го ИП на РП по всем каналам проникновения помех (КПП), определяется как:

да

Р.у = 1 (^ (/) + 1сву (/)- 5 (/))й/, (1)

0

где Wj — характеристика спектральной плотности мощности у-го ИП дБВт/Гц; Ьсв у — параметр связи между у-м РПД и РП, дБ; Б(/ — характеристика частотной избирательности РП, дБ. Для решения выражения (1) используются частотно-ограниченные модели характеристик РЭС [1]. Частотно-ограниченная модель характеристики ИП (ЧОМ ИП) — это модель огибающей характеристики спектральной плотности мощности ОИ с учетом ВИ и ПИ на гармониках, ограниченная на заданном уровне Хз. На рисунке 2, а и б представлены ЧОМ ИП и частотная модель ИП (ЧМ ИП) соответственно.

ЧМ ИП — проекция на ось частоты участка ограничительной линии Хз, заключенного между точками пересечения с огибающей СПМ р-го излучения. Параметр ртах учитывает максимальный номер гармоники р-го ПИ, относительный уровень аПИ(р) которого не ниже уровня Хз: аПИ(р) > Хз. ЧМ ИП имеет параметры: центральную частоту /у (р), граничные частоты /ц (р), /^.(р) и ширину полосы частот Ву (р).

Хз

=1 р-2 п ртах

А і /.МГц

и Й ►

—//-

Ыр) /(р) /в (р)

/.МГц

107

І-Ч—I 1—1 ни

/н(ц,17,0 Ач-Я.г) /«(//.?.0 б

Рис. 2. Частотно-ограниченные характеристики РЭС

Характеристика СПМ ^ (/, р) р-го излучения имеет место в пределах граничных частот /ну (р) и /^. (р):

(2)

р 1/ • • • / ртах'

' /у (р)' /н; (р)' /в/ (р)' Ву (р)'

(/, р), / є [/ну(р), /ву(р)].

Частотно-ограниченная модель характеристики РП (ЧОМ РП) — это модель огибающей характеристики частотной избирательности ОКП с учетом СКП и ПКП, образованных параметрами ц, ц, £, ограниченная на заданном уровне Хз (= 1, -1 при суммарном, либо разностном преобразовании частоты гетеродина и сигнала в смесителе, ц-гар-моника входного сигнала, которая образуется при воздействии на РП, £-номер гармоники гетеродина). На рисунке 2в и 2г представлены ЧОМ РП и частотная модель РП (ЧМ РП) соответственно. ЧМ РП получается аналогично ЧМ ИП. Параметры цтах и fmж учитывают максимальный номер ПКП, до которого уровень относительной избирательности по ПКП Ьпк(ц, ц, Ї) меньше уровня заданной ограничительной линии Хз, дБ: Ьпк(ц, ц, £) < Хз . ЧМ РП имеет параметры: граничные частоты и ширину полосы частот В(ц, ц, £) на уровне Хз. ХЧИ 5(/, ц, ц, ^) имеет место в пределах граничных частот /н (ц, ц, ^) и /в (ц, ц, і):

5

а

(З)

В [2] представлены разработанные и реализованные в программной среде алгоритмы моделирования частотно-ограниченных характеристик ИП и РП, позволяющие получить все необходимые параметры (2) и (3). Характеристика частотной избирательности РП определяется в области линейного режима работы радиоприемника. Статистические данные для относительного уровня избирательности по ПКП, определенные экспериментально либо из [3], учитывают влияние избирательных свойств входной цепи (ВЦ), амплитудной характеристики усилителя высокой частоты (УВЧ). Для оценки степени блокирования и эквивалентного уровня интермодуляционной помехи в РП следует определить мощность помех на входе УВЧ с учетом избирательных свойств ВЦ. Таким образом, для оценки нелинейных эффектов в РП необходимо иметь модель характеристики частотной избирательности ВЦ. Частотная модель ВЦ определяет граничные частоты ВЦ /Вцн, /Вцв на

уровне Хз, в пределах которых имеет место ХЧИ ВЦ 5вц :

На основе моделей характеристик PЭС (2), (З) и (4) предлагается методика анализа электромагнитной безопасности PЭС. Методика основана на трехэтапной схеме анализа (рис. З):

1) частотный анализ помех (ЧАП);

2) пространственный анализ помех (ПАП);

3) энергетическая оценка помех ^O^.

Для суммарной мощности помех от j-го ИП, воздействующей на PП через все kmax каналы проникновения помех (KПП), выражение (І) можно записать в виде

где k max — количество KH^ fR j, f j — нижняя и верхняя граничные

частоты k-го KПП соответственно; p(k) — номер ПИ, соответствующего k-му KПП; Wj — огибающая характеристики спектральной плотности

мощности р-го излучения j-го ИП в пределах k-го KПП; Las j — параметр связи между j-м ИП и PП в пределах k-го KПП; ^(k) — суммарное, либо разностное преобразование, q(k) — номер гармоники помехи, возникающей при воздействии на P^ t(k) — номер гармоники гетеродина P^ соответствующей k-му KПП; S — огибающая характеристики частотной избирательности PП в пределах k-го KПП.

109

Интегральный критерий качества функционирования РЭС

Рис. 3. Схема анализа электромагнитной безопасности РЭС

На этапе ЧАП осуществляется отбор помех по частотному критерию (ЧК) попадания ОИ, ВИ и ПИ в ОКП, СКП и ПКП и определение частотных параметров КПП. Для этого на этапе ЧАП производится моделирование характеристик ЧОМ ИП, ЧОМ РП и определение параметров частотных моделей ЧМ ИП и ЧМ РП (3), (4) соответственно.

Для выявления наличия КПП используется частотный критерий:

/(р)- /(Ц ц, *) < (Ву (р)- В(ц ц, І))/2. (6)

у

Частотный критерий (6) позволяет оценить излучения ИП (ОИ, ВИ или ПИ на р-х гармониках) и каналы приема. При условии выполнения (6) определяются граничные частоты КПП:

Г /и, ( р( к)), /ну ( р( к) ^ /н (ц( к), ц( к), *( к)), _

/ні (к}_ {/н (ц( к), ц( к), І( к)), /н (р( к)) < /„ (ц( к), ц( к), *( к)), (7)

_ Г/в;- (р(к)), /ві (р(к)) ^ /в (ц(к), ц(к), *(к)),

/ву (^) _ { /в (ц( к), ц( к), *( к)), /в; (р( к)) > /в (ц( к), ц( к), *( к)), (8)

Выражения (7) и (8) позволяют учесть все возможные случаи взаимного расположения частотных моделей излучений ИП и частотных моделей каналов приема РП относительно друг друга. В результате проверки ЧК и определения параметров КПП получаем граничные частоты и ширину полосы частот для каждого к-го КПП:

llO

Ik — І, . . . , k max,

fj (k), /н. (k), fe. (k), В. (k). (9)

Алгоритм проверки ЧK (б) и расчета параметров KПП (7), (8) и (9) представлены в [2]. На этапе ПАП определяется параметр связи между антеннами ИП и PП с учетом направленных свойств антенн и условий распространения радиоволн:

Lcej (f)— Gj (ф.,0., f) + G(c&0, f) + К-Кф. (f)-Кф(f)-Lj (Rj,f),

где Gj и G — коэффициенты усиления трехмерных диаграмм направленности антенн j-го ИП и Pn в направлении друг на друга (ф., ф, 0-, 0 — азимуты и углы места ДНА j-го ИП и г-го Pn в направлении друг на друга); Кп — коэффициент поляризационных потерь; Кф ■, Кф — коэффициенты потерь в фидерах j-го ИП и Pn; L. — потери на трассе между j-м ИП и Pn; R. — расстояние между j-м ИП и Pn. Значение Lce- определяется в пределах k-го Knn только для его средней частоты f (k) — |" /н . (k)+/в . (k)]/ 2.

На этапе ЭOП определяются мощности помех, проникающих на выход Pn через определенные Knn (9), и выявляются наиболее опасные ИП. ЭOП основана на выражении (5), в котором каждое подынтегральное выражение k-го Knn вычисляется численным методом прямоугольников:

P. (k) — Ah(k)Е W'. ((s, k)),

s—0

где Ah( k) — |" /в . (k) - /н . (k )J^ І — шаг расчета значений мощности в пределах k-го Knn; І — количество шагов; W- (f (s, k)) — СПМ в k-м Knn

для s-ro интервала, 0 < s <: 1 - 1. СПМ в к-м КПП для s-ro интервала определяется (рис. 4):

W -Wf [f(s, k)+h(ky2, p(k)] -S[/(s, k)+Kk)/2,r(k)4k),m] +Ьв. [R, f (k)]

Wf(f(s, k))— V І0

где Wmj — !0lg (0,99P0/B99) — максимальное значение СПМ j-го ИП; P0 — пиковое значение мощности ИП, поступающей в фидер; В99 — полоса частот, в пределах которой сосредоточено 99 % мощности излучения; W- [ f (s, k) + h (k)/2, p (k)] — нормированное значение СПМ р-го излучения соответствующего k-му Knn, рассчитанное для s-го интервала;

S [ f (s, k) + h (k )/2, ^( k), q (k), t (k)] — нормированная ХЧИ канала приема, образованного параметрами ^, q, t, соответствующая k-му Knn и рассчитанная для s-го интервала; Lce. [R., f. (k)] — значение параметра

связи между антеннами j-го ИП и г-го Pn на средней частоте k-го Knn. Суммарная мощность по всем Knn от j-го ИП равна

^, = 2 Р, (к).

к-1

Для отбора наиболее опасных помех используется энергетический критерий (ЭК) для отдельного излучения и совокупности излучений ,-го ИП соответственно:

Р;(к) ^Рпдоп., ^Рпдоп., (10)

где Рп доп.=Рср - А — допустимый уровень помехи в совмещенном канале. Первым на этапе частотного анализа нелинейных эффектов (ЧАП НЭ) используется частотный критерий блокирования (ЧК БЛ):

{ї,(Р) * ї(П/Ц/ іX і (11)

1ї,(р) є [їВЦн' їВЦв].

111

Рис. 4. Определение спектральной плотности мощности на выходе РП

Степень блокирования РП характеризуется коэффициентом блокирования

Р/10

кбл доп10

3 10^ вцдоп (д/ )/1010Р ш1п/10юОбл/10

где кбл доп — допустимый коэффициент блокирования РП; Р. — мощность помехи на входе УВЧ, определяется на этапе энергетической оценки помех блокирования (ЭОП БЛ):

Рнэ 3 = 1 (Щ( /, р) + 1св 3 (/, К.) - Бвц1 (/))/

Д/НЭу

Б вц доп — избирательность ВЦ РП при расстройке А/ относительно частоты настройки РПМ, при которой уровень мощности блокирующей помехи равен допустимому значению, дБ; Ршт — чувствительность РПМ, дБВт;

112

Обл — динамический диапазон РПМ по блокированию, дБ; Д/нэу = /нэпу - /нэву — ширина полосы частот, в котором помеха проходит

через ВЦ на вход усилителя радиочастоты. Для отбора помех, вызывающих эффект блокирования, используется критерий блокирования (КБ):

КбЛу ^ Кблдоп. . (12)

После перебора всех дуэльных ситуаций осуществляется комплексная оценка помех (КОП). Суммарная мощность от всех ], отобранных на этапе ЧАП, ИП, включая те из них, которые удовлетворяют выполнению критериев (10), определяется как

Ре = ^

!

Коэффициент блокирования от совокупности К, отобранных на этапе ЧАП НЭ, ИП, включая те из них, которые удовлетворяют выполнению критерия (12), вычисляются по формуле

к^бл = ^ кбл у .

к !

Для отбора помех интермодуляции совместно с частотными условиями (11) необходимо выполнение частотного критерия интермодуляции (ЧК ИМ):

/н Ц, *) < /имц < /в Ц, t\

где /имц = |т/1 + п/2\ — частота ц-го продукта интермодуляции Ы-го порядка; N = \т\+\п\; т, п = ±1, 2, ... Эквивалентный уровень ц-й помехи интермодуляции равен:

Рим = \т\ РП1 + |п| Рп2 - ким,

Ц I I II

где кИМ — коэффициент взаимной модуляции РП, определяемый выражением ким = (Ы - 1)Ря + Nстим + 3Ы + А . Здесь Рз — чувствительность РП; стим — параметр двухсигнальной интермодуляционной избирательности; А — защитное отношение РП в совмещенном канале. Суммарная мощность О продуктов интермодуляции, проникающих на выход РП, определяется формулой

Q

РимЕ = ^ Рим ц .

Ц=1

Для отбора и оценки степени воздействия помех интермодуляции используется энергетический критерий интермодуляции (ЭК ИМ) для Ц-й и совокупности Ц-х помех интермодуляции соответственно:

Ртлп ^ Рп доп.. Римт. ^ Рп доп. .

ч

Заключительным этапом является проверка интегрального критерия безопасности функционирования, учитывающего суммарную мощность помех на выходе РП:

I Ре + Риме < Рп доп,

I кблЕ < кбл доп.

Невыполнение любого из системы критериев свидетельствует о нарушении функциональной безопасности РЭС.

Таким образом, предложена методика анализа электромагнитной безопасности, основанная на частотно-ограниченных моделях радиоэлектронных средств. Такой подход позволяет определить излучения ИИ и каналы приема РИ, образуюших канал проникновения помехи (КИИ), оценить энергетический вклад отдельного КИИ в совокупный сигнал взаимных помех с учетом формы огибаюшей спектральной плотности мошности излучения и характеристики частотной избирательности канала приема, а также количественно оценить нелинейные эффекты блокирования и интермодуляции в РИ.

Список литературы

1. Грошев Г. А. Электромагнитная совместимость в группировке радиоэлектронных средств : учебное пособие | БГАРФ. Калининград, 2001.

2. Масаль А. В. Алгоритм спектрального метода анализа электромагнитной совместимости, основанный на частотно-ограниченных моделях радиоэлектронных средств || Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2011. № б.

3. Уайт Д. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи | нер. с англ. ; нод ред. А. И. Сапгира. м., 1977. Вып. 1.

Об авторах

Георгий Александрович Грошев — канд. техн. наук, проф., Балтийская государственная академия, Калининград.

E-mail: [email protected]

Андрей Витольдович масаль — асп., Балтийская государственная академия, Калининград.

E-mail: [email protected]

About the authors

Dr Georgy Groshev — Prof., Baltic State Academy, Kaliningrad.

E-mail: [email protected]

Andrey Masal — PhD student, Baltic State Academy, Kaliningrad. E-mail: [email protected]