CC BY
4
МЕТОДИКА РАСЧЁТА ЭМС ДЛЯ РЛС БЛИЖНЕГО ОБНАРУЖЕНИЯ В.А. Коптев, магистр
Московский технический университет связи и информатики (Россия, г. Москва)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-4-3-18-24
Аннотация. С увеличением количества радиоэлектронных средств, серьёзно стоит вопрос об обеспечении их совместного функционирования. Такие же проблемы обстоят и в радиолокации, когда в одном устройстве используются несколько подобных систем. Поэтому, даже на начальных этапах разработки, необходимо учитывать их условия совместной работы. Для этого, в данной работе, представлен методика теоретического расчёта состава излучения, из которого состоит выходной сигнал на выходе передатчика. Так же, не малую роль в ЭМС составляет характеристики приёмника, пороги его чувствительности для сигналов на определённых частотах.
Ключевые слова: электромагнитная совместимость, методика расчёта, радиолокация, основное излучение передатчика, нежелательное излучение передатчика, чувствительность приёмника.
Под ЭМС в данной работе понимается -способность нескольким радиосредствам работать одновременно, в реальных условиях эксплуатации, с требуемым качеством сигнала, при воздействии на систему преднамеренный и не преднамеренных электромагнитных (ЭМ) помех и шумов, при этом, не создавать ЭМ помехи другим радиосредствам. Обычно, в реальных условиях, радиоустройствам приходится работать не в одиночестве. Всегда присутствуют электрооборудование, которое создаёт разного рода ЭМ излучение, и требуется учитывать его влияние при эксплуатации оборудования. Оно, по своей природе, имеет стохастический характер, поэтому, влияние стороннего ЭМ излучения имеется возможность описать методами математической статистики и теории вероятности. Из-за этого, сохраняется значительная доля неопределённости, воздействия ЭМ помех на устройства в каждый конкретный момент времени. С целью обеспечить нормальную совместную работу разных электронных и радиотехнических средств и проводится анализ на их ЭМС [1].
В данной работе рассматривает радиолокационная система (РЛС) ближнего обнаружения. Вся математическая обработка сигнала, для определения смещения частоты, задержки и других параметров сигнала, происходит в цифровом тракте. На
аналоговую часть приходится радиоприёмное (РПУ) и радиопередающее (РПДУ) устройства. Они состоят из общей антенно-фидерной системы, приёмной и передающей частоте. В РПДУ генерируется сигнал на несущей частоте, он модулируется, если это необходимо и излучается в пространство, при помощи антенны. Но, помимо, полезного сигнала, на выход антенны, поступает и ряд нежелательного излучения. Последнее, будет работать в качестве мешающего сигнала для других радиоэлектронных средств (РЭС). Тем самым, ухудшается ЭМС, совместно работающих РЭС [1].
Описание аналоговой части РЛС БО.
На рисунке 1 представлена структурная схема аналоговой части РЛС. При передаче, после цифровой обработки, сигнал приходит на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП). Затем, сигнал переносится на радиочастоту, обычно это диапазон сверх высоких частот (СВЧ), при помощи специального устройства - преобразователя частоты. Это может происходить за один раз, либо, задействуя несколько этапов перестроек частоты сигнала, используя промежуточные частоты. Далее сигнал поступает на полосовой фильтр, что погасить образовавшиеся паразитные гармоники, вследствие нелинейных преобразований. После этого происходит усиление сигнала, в определённой полосе частот. И в таком виде,
сигнал проходит ещё ряд фильтраций и согласующих устройств, чтобы в конце аналогового тракта прийти на антенно-фидер-ной систему и быть излучённым в пространство. Обычно, данные операции производятся в устройствах оконечной обработки сигнала. Антенна, фокусирует изучение мощности сигнала в определённом направлении.
На приёмной стороне обработка сигнала проходит сигнал зеркально. Первоначально, антенная система фокусирует направление, откуда принимает сигнал. Это не означает, что копии сигнала или мешающее воздействие не поступает на приём со сторонних направлений, оно всё приходит на антенну, и складывается с полезным
сигналом, только с меньшим коэффициентом усиления. Затем, сигнал проходит фильтрацию, в определённой полосе частот, тем самым уменьшая их влияние на полезный сигнал. Затем, происходит усиление требуемой полосы сигнала, до требуемого уровня. После чего он дополнительно фильтруется, от образовавшихся помех, в следствии прохода через нелинейные элементы. И в конце, спускается на частоту, где сигнал поступает на аналоговоцифровой преобразователь (АЦП). Спуск частоты, так же может происходит в несколько этапов, в зависимости от выбранной архитектуры приёмника. Обычно, данные операции производятся в устройствах первичной обработки сигнала.
Рис. 1. Структурная схема аналогового тракта, обеспечивающего ЭМС
Все эти преобразования сигнала, при приёме и передачи, позволяют обеспечить ЭМС и эффективность использования затраченных мощности данного устройства, для его более качественного функционирования. В частности, обеспечить пространственную селекцию полезного сигнала с помощью антенны, системой фильтров убрать разное нежелательное излучение. Если имеется возможность, подстроить частоту сигнала, чтобы отстроится от других работающих устройств, в соседних полосах частот. Так же, можно использовать мало-шумящие усилители, чтобы не создавать мешающее воздействие другим радиоустройствам. При необходимости, экранировать своё устройство, дабы уменьшить влияние разных ЭМ наводок из внешней среды. В общем, использовать разные методы, чтобы при передаче, сформировать спектр сигнала, требуемой формы (маски), а при приёме, уменьшить влияние мешающего воздействия. В частности, некоторые такие методы, можно реализовать ещё во время цифровой обработки сигнала (ЦОС).
Расчёт основного и нежелательного сигналов.
В начале анализа ЭМС, требуется определить, какая обстановка в радиоэфире для исследуемого диапазона частот. Самый востребованный диапазон частот, для радиолокации - это диапазон C, X и Ku, по классификации IEEE, которые лежат в полосе, соответственно, 4,0-8,0 ГГц, 8,0-12,0 ГГц и 12,0-18,0 ГГц, в каждом из которых имеются поддиапазоны, отведённые для различных служб радиолокации и радионавигации, как для правительственного использования, так и для гражданского использования. Работа в этих диапазонах обеспечивает низкий коэффициент ослабления сигнала при распространении и достаточно высокий уровень значений эффективной площади рассеивания, для хорошей разрешающей способности и точность определения расстояния. При этом аппаратура остаётся, сравнительно, компактной по габаритам.
Работа РЛС подразумевает излучение сигнала на большие расстояния [2]. Для
этого требуется генерировать мощное ЭМ излучение. Эта мощность не вся достаётся основному сигналу, часть мощности уходит на разное нежелательное излечение, которое, так или иначе, образуется, при обработке сигнала, в аналоговой части.
Классификация нежелательного излучения и схематичное его размещение в спектре, показана на рисунке 2. Оно образуется при прохождении сигнала, через элементы у которых нелинейная вольтамперная характеристика.
Рис. 2. Классификация и схематичное размещение в спектре излучения на выходе
РПДУ [1]
Один из самых распространённых сигналов в радиолокации - это сигнал с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ). Его спектр симметричный и занимает определённую полосу частот Вн. Допустим, Вн = 1 МГц. Но в следствии, нестабильности генератора, ширина выделенной полос Вп,
частот должна быть больше полосы Вн. Введём параметр, абсолютного допустимого отклонения частоты А/дои. Отклонение частоты может быть как в лево, так и в право по спектру, это учитывается в формуле (1). Допустим, А/дои = 10 кГц. [3]
Вп=Вн + 2Af„on = 1 МГц + 20 кГц = 1,02 МГц
(1)
Распространение ЭМ поля связано с разными отражениями от рельефа местности и тропосферы, из-за их неоднородности и разных экранирующих свойств. В следствии чего, отражённые сигналы складываются, что приводит к сложному характеру замираний сигнала, в каждой конкретной месте пространства. Для этих точек, напряженность ЭМ поля сигнала является случайной величиной, и она оценивается
статистически: по процентам мест (точек) и времени приема.
При этом, в качестве упрощённой модели принимается, что рельеф местности и неоднородности тропосферы является регулярным, то есть, примерно одинаковыми. Напряженность поля Е, дБмкВ/м, на расстоянии Я, км, от передающей станции, превышаемая в L% мест приема и в Т% времени, в общем случае определяется с помощью формулы (2) [1].
E(R, L, Т) =РЕ + Е(50,50) + F(Ah) + F(h2) + AE(L) + АЕ(Т) (2)
Где, Ps - это эффективно излучаемая мощность, дБВт; E(50,50) - медианное значение напряженности поля (50% мест и времени); F(Лh) - поправочный коэффициент, учитывающий степень неровности местности, дБ; F(h2) - поправочный коэффициент, учитывающий высоту приемных антенн, дБ; АЕ^) — отклонение напряженности от медианного в заданном проценте L мест приема, дБ; АЕ(Т) — отклонение напряженности от медианного в заданном проценте Т времени приема, дБ.
Большинство этих параметров определяются для каждой конкретной местности и условий работы, которые трудно определить теоретическими методами. Поэтому, их можно исключит из рассмотрения
общего случая. Определённо, можно сказать только про Ре, который определяется параметрами работы РЛС. Примем её равной Ре = 200 Вт ~ 23 дБВт [1].
Нежелательное излучение возникает в результате любых нелинейных преобразований сигнала в тракте формирования и иных особенностей работы генераторов частот. Уровень нежелательного излучения определяется относительно основного излучения, и его уровень регламентируется нормативными документами.
Излучение на гармониках - побочное излучение, возникающее на частотах: /п = п/0,где п =2,3 Оценить их уровень можно по формуле (3) [3, 4].
Pr(fn) = Po(fo)+Vrlg(jr) + A
(3)
Где, Р0(/0) - уровень средней мощности основного излучения, дБВт; Уг - коэффициент, характеризующий скорость убывания спектра, дБ/дек; Ат - ослабление излучения на гармонике по отношению к основному, дБ. Коэффициенты Уг и Аг - рассчитывается
статистически для конкретных РПДУ. Но имеются таблицы, усреднённых экспериментальных значений, для разных рабочих диапазонов. Подставим их в (3) и получим уровень мощности сигнала для 2 и 3 гармоник.
Vr = -60 дБ/дек
Аг = -40 дБ
Рг(Гп) = Po(fo) + Vrlg (jr) + Аг = 23 — 60lg(2) -40 = -35,06 Pv(fn) = Po(fo) + Vrlg (j) + Ar = 23 - 60lg(3) -40 = -45,6
г
Относительно, уровня основного излучения, первая и вторая гармоники, ослабляются, соответственно, на -58 и -68 дБВт.
Излучение на субгармониках - побочное излучение, возникающее на частотах: /п = /0/п,где п =2,3 Оценить их уровень можно по формуле (3). [4]
Уст = -20 дБ/дек АСг = -80 дБ
РсгС/п) = Po(fo) + Vcrlg (jr) + = 23 - 20lg(3) - 80 = -63,02
Рсг(Гп) = Po(fo) + Vcrlg (у) + Aa = 23 - 20lg(3) - 80 = -66,5
Относительно, уровня основного излучения, первая и вторая субгармоники ослабляются, соответственно, на -86 и -89 дБВт.
Излучение комбинационное - образуется, при формировании сигнала в синтезаторах несущей частоты из нескольких опорных сигналов генераторов. Сетка синтезатора частот создаётся, путём, смешения
нескольких колебаний с ранами коэффициентами. [к = рД ± ц[2 ± ш/3, где р,ц,т = 1,2,3 ... На этих частотах и будут проявляться комбинационное излучение, его уровень можно оценить по формуле аналогичной (3). [3,4]
Рк(Тк) = Po(fo) + VKlg + Лк = 23 - 160/0(1,001) -40 = -17,07
Для СВЧ передатчиков при 1,001 < /к//с < 1,1, = - 160, дБ/дек, Лк = - 40, дБ. Получается, комбинационное излучение имеет уровень:
V/c
ВДк) = Wc) + № (I1) + ^ = 23 - 160/^(1,1) - 40 = -23,6
И того, в данном диапазоне частот, комбинационное излучение слабее основного сигнала на -(40,07.. .46,6) дБВт и уменьшается с большим удалением от несущей частоты.
Излучение интермодуляционное - образуется, когда нелинейные элементы передатчика взаимодействуют с внешним ЭМ полем от других РЭС, тем самым изменяя его параметры. Эта ситуация может случится, при их близком расположении антенных систем. Оценить их невозможно, даже статистически, так как их мощность зависти от множества факторов, не зависящих от условия работы РЭС в целом или отдельных элементов [3, 4].
Паразитное излучение - обусловлено самовозбуждением передатчика на определённых частотах, из-за разных паразитных связей, между его каскадами. У них отсутствует определённая привязка к частоте и могут возникнуть в любом месте спектра. Оценить уровень излучения нельзя, так как их значения имеют значительный разброс,
даже у однотипных устройств. Принято считать, что его уровень не должен превышать -50 дБ [1, 3].
Шумовое излучение - обусловлено, собственными (тепловыми) шумами элементов передатчика. Он описывается спектральной плотностью мощности и шириной полосы частот. Есть модели, по которым можно количественно посчитать уровень данного излучения. Но он будет очень мал. Принято считать, что его значение, что его значение на 70-80 дБ ниже основного сигнала [1, 3, 4].
Ещё один аспект ЭМС состоит в рассмотрении приёмной части РЭС. Радиоприёмное устройство (РПУ) обладает определённым динамическим диапазоном того сигналы какой мощности могут быть восприняты приёмником. Так как на вход могут поступать помехи, ухудшающие ЭМС. На рисунке 3 схематично представлена характеристика чувствительности приёмника, для сигналов на определённых частотах.
Рис. 3. Схематичная характеристика чувствительности приёмника, в зависимости от частоты сигнала [1]
где, /г - частота генератора супергетеродинного приёмника. 1 - основной канал приема. Поскольку рассматриваемая система - это РЛС, чувствительность приёмника в основном диапазоне частот должна быть максимальная (вплоть до значений порога шумов). 2 - побочный канал приема на промежуточной частоте /р; 3, 4, 5 - побочный канал приема, соответственно, на зеркальной частоте, на комбинационных частотах и на субгармониках частоты настройки приемника.
Где, кБ - постоянная Больцмана, 1,38 * 10-23,Дж/К. Т0 - абсолютная температура окружающей среды, К, в нормальном состоянии, это 290 К. Вш - ширина эффективной полосы шумов РПУ, Гц. - коэффициент шума РПУ, у реальных, хороших
Различают пороговую и реальную чувствительность РПУ. Пороговая чувствительность РПУ определяется минимальным уровнем радиосигнала на его входе при отношении сигнал/шум по мощности на выходе Qвых = Рс/Рш = 1 (0 дБ) - за порог принимается уровень шумов РПУ. Реальная чувствительность РПУ определяется минимальным уровнем мощности полезного сигнала, для нормального приёма, характеризуемое отношением сигнал/шум: ^)вых ^Рс/Рш >1. Чувствительности можно рассчитать по формуле (4) [3, 5].
' с мин
= кБТ0ВшМшд вых (4)
РПУ, это значение ровно 2. @вых - требуемое значение отношения сигнал/шум, для нормального приёма требуется 10 дБ. Рассчитаем по формуле (4) реальную и пороговую чувствительностью:
Рсмин = kBT0BmNmQBMX = 1,38 * 10-23 * 290 * 106 * 2 * 1 = 8* 10-15,Вт Рсмин = kET0BmNmQBblx = 1,38 * 10-23 * 290 * 106 * 2 * 10 = 8* 10-14,Вт
Так же, при приёме и передаче реализуется пространственную селекцию, в каком направлении излучать и с какого направления принимать сигнал. Это обеспечивается при помощи антенных систем, которые имеют свою не однородную диаграмму направленности - коэффициент усиления в разных направлениях различается и определяется, для каждой конкретной антенны.
Заключение.
В данной работе приведена методика расчёт параметров ЭМС РЛС БО, которой
Библиографический список
1. Управление радиочастотным спектром и электромагнитная совместимость радиосистем. Учебн. пособие / Под ред. д.т.н., проф. М.А. Быховского. - М.: Эко-Трендз, 2006. -376 с.: илл.
2. Сперанский В.С. Радиолокация, радиолокационные системы и устройства. - М.: Брис-М, - 2011 - 257 с.
3. Бадалов А.Л., Михайлов А.С. Нормы на параметры электромагнитной совместимости РЭС. Справочник. - М.: Радио и связь, 1990.
4. Буга Н.Н., Канторович В.Я., Носов В.И. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств. - М.: Радио и связь, 1993.
5. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и систем / В.И. Владимиров и др.; Под ред. Н.М. Царькова. - М.: Радио и связь, 1985.
THE METHOD OF CALCULATING THE EMC FOR SHORT-RANGE RADAR
можно пользоваться, для расчётов ЭМС, для аналогичных РЭС. Представлена структурная схема аналогового тракта РЛС, обеспечивающая ЭМС. Определены и рассчитаны параметры основного и нежелательных излучений в составе сигнала, на выходе РПДУ, определены причины, откуда они возникают. Рассчитаны пороговые значения мощности сигнала для определения чувствительности РПУ.
V.A. Koptev, Graduate Student
Moscow Technical University of Communications and Informatics (Russia, Moscow)
Abstract. With the increase in the number of electronic means, there is a serious question of ensuring their joint functioning. The same problems exist in radar, when several similar systems are used in one device. Therefore, even at the initial stages of development, it is necessary to take into account their working conditions. For this purpose, in this paper, a method is presented for the theoretical calculation of the composition of radiation, which consists of the output signal at the output of the transmitter. Also, the characteristics of the receiver and its sensitivity thresholds for signals at certain frequencies play a significant role in EMC.
Keywords: electromagnetic compatibility, calculation method, radar, main radiation of the transmitter, unwanted radiation of the transmitter, receiver sensitivity.
