УДК 621.396
doi:10.21685/2072-3059-2022-2-4
Оценка допустимого уровня узкополосных электромагнитных помех в рабочей полосе частот сверхширокополосного радиоволнового средства обнаружения метрового диапазона волн
Н. Н. Токарев
Научно-исследовательский и конструкторский институт радиоэлектронной техники -филиал АО «ФНПЦ «ПО «Старт» им. М. В. Проценко», Заречный, Пензенская область, Россия пПок51 @таП.т
Аннотация. Актуальность и цели. В радиоволновых средствах обнаружения (РВСО) метрового диапазона волн, размещаемых скрытно в земле, для реализации их положительных качеств используются методы сверхширокополосного (СШП) зондирования. Актуальной задачей при использовании СШП зондирующих сигналов является обеспечение устойчивости РВСО к внешним электромагнитным помехам. Целью работы является определение уровня допустимых узкополосных электромагнитных помех СШП РВСО при формировании в полосе рабочих частот приемника нескольких частотных каналов, которые могут отключаться при воздействии на них узкополосной помехи. Материалы и методы. Использованы известные модели распространения электромагнитных волн в РВСО с подземными антеннами. Результаты. Смоделированы реальные фильтры частотных каналов, определены амплитуды сигналов на выходе фильтров и с учетом критерия отключения каналов определены допустимые напряженности поля помех, когда в работе остается хотя бы один частотный канал. Выполнено сравнение допустимых напря-женностей поля помех в РВСО с четырьмя частотными каналами и в обычном од-ноканальном РВСО без возможности отключения каналов. Результаты расчетов показали, что разделение полосы рабочих частот приемника РВСО на частотные каналы с возможностью отключения каждого из них при воздействии помехи позволяет повысить допустимые напряженности поля помех в рабочей полосе частот РВСО. По сравнению с обычным одноканальным приемником без возможности отключения каналов это повышение составляет более порядка или более двух порядков в зависимости от частоты помехи. Выводы. Повышение допустимого уровня узкополосных электромагнитных помех в многоканальном РВСО достигается уменьшением области перекрытия частотных характеристик самого низкочастотного и самого высокочастотного каналов путем увеличения крутизны склонов их частотных характеристик или увеличения их разнесения по частоте.
Ключевые слова: разделение полосы рабочих частот на частотные каналы, отключение частотных каналов при воздействии помехи, допустимая напряженность поля помех
Для цитирования: Токарев Н. Н. Оценка допустимого уровня узкополосных электромагнитных помех в рабочей полосе частот сверхширокополосного радиоволнового средства обнаружения метрового диапазона волн // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2022. № 2. С. 46-57. doi:10.21685/2072-3059-2022-2-4
© Токарев Н. Н., 2022. Контент доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 License / This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.
An evaluation of the narrow-band electromagnetic interference's permissible level in the operating frequency band of an ultra-wideband radio wave detection tool for the meter wave range
N.N. Tokarev
Research and design institute of radioelectronic technology -
branch of "Start research and production enterprise named after M.V. Protsenko", Zarechny, Penza region, Russia
nntok51 @mail. ru
Abstract. Background. In radio wave detectors (RWDs) of VHF band, which are buried, methods of ultra-wideband (UWB) sounding are used to realize their positive qualities. An urgent task when using UWB probing signals is to ensure the stability of RWDs to external electromagnetic interference. The purpose of the work is to determine the level of permissible narrow-band electromagnetic interference of UWB of RWDs when organizing several frequency channels in the operating frequency band of the receiver, which can be turned off when exposed to narrow-band interference. Materials and methods. The article uses well-known models of electromagnetic wave propagation in RWDs with buried antennas. Results. In the work, real filters of frequency channels are simulated, the amplitudes of the signals at the output of the filters are determined, and, taking into account the criterion for switching off channels, the permissible interference field strengths are determined when at least one frequency channel remains in operation. Comparison of admissible interference field strengths in RWDs with four frequency channels and in the usual single-channel RWD without the possibility of switching off the channels is made. The calculation results showed that the division of the operating frequency band of RWD receiver into frequency channels with the possibility of switching off each of them when exposed to interference makes it possible to increase the permissible interference field strength in the operating frequency band of RWD. Compared to a conventional single-channel receiver without the ability to turn off channels, this increase is more than an order of magnitude or more than two orders of magnitude depending on the frequency. Conclusions. An increase in the permissible level of narrow-band electromagnetic interference in a multichannel RWD is achieved by reducing the overlapping area of the frequency characteristics of the lowest and highest frequency filters by increasing the steepness of the slopes of their frequency characteristics or increasing their frequency spacing.
Keywords: separation of the operating frequency band into frequency channels, switching off frequency channels when exposed to interference, permissible interference field strength
For citation: Tokarev N.N. An evaluation of the narrow-band electromagnetic interference's permissible level in the operating frequency band of an ultra-wideband radio wave detection tool for the meter wave range. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki = University proceedings. Volga region. Engineering sciences. 2022;(2):46-57. (In Russ.). doi:10.21685/2072-3059-2022-2-4
Введение
В радиоволновых средствах обнаружения (РВСО) метрового диапазона длин волн для полного использования их положительных качеств, таких как работоспособность при размещении скрытно в земле, устойчивость к помехам от растительности и гидрометеоров (дождя, снега, гололеда и т.п.), и повышения функциональной эффективности применяются методы сверхширокополосного (СШП) зондирования [1, 2]. Важнейшей проблемой при использовании СШП-зондирования является обеспечение устойчивости к воздействию внешних электромагнитных помех, в том числе в рабочей полосе ча-
стот РВСО. Наиболее эффективным средством защиты СШП-приемников от узкополосных помех является частотная режекция, позволяющая вырезать из спектра СШП-сигнала полосу частот помехи [3]. Однако этот способ пригоден, когда известна частота помехи. В работе [4] предложен способ подавления узкополосных электромагнитных помех в СТТТП РВСО, который заключается в разделении общего канала приема на отдельные более узкополосные частотные каналы, отключаемые при появлении в них посторонних помех. При достаточно узкой по сравнению с шириной спектра СШП-сигнала полосе частот каждого канала его отключение не сильно ослабит энергетику СШП-сигнала. В статье [5] определены минимальные полосы частотных каналов, чтобы обеспечить в них требуемые отношения сигнал/помеха при заданных расстояниях между передатчиком (ПРД) и приемником (ПРМ) в диапазоне рабочих частот РВСО. Следующей актуальной задачей при решении проблемы устойчивости РВСО к воздействию внешних электромагнитных помех является оценка допустимых уровней этих помех, при которых сохраняется не отключенным хотя бы один частотный канал, и обеспечивается работоспособность РВСО. Этому посвящена настоящая работа.
1. Частотные характеристики фильтров СШП-сигнала
Для обеспечения возможности исключения некоторых полос из общей полосы частот СШП-сигнала на входе ПРМ РВСО содержится некоторое количество сравнительно узкополосных полосовых фильтров. На рис. 1 приведены экспериментальные частотные характеристики (ЧХ) четырех фильтров, полосы которых в сумме перекрывают полосу рабочих частот РВСО. Будем решать поставленную задачу на примере данных фильтров, для этого составим их модель.
<8>
Trc1 ^ dB Mag 10 dB/ RefOdB 1
ЯВИ
__/
1 Л Л Л' \
1 / Y ) ' \ \
1 / , V \ \ \
/ . / / А \ \ 1 \
/ / / / ч х Л \
V / / \ V \ \
If ШЫ г {/, Л г j \>*Л UA
ijj i» ||У| Жг г N ил/v ж
Chi Center 50 MHz PwrOdBm Span 99.99998 MHz
Date: 22.MAY.2017 16:SS:3I
Рис. 1. Экспериментальные ЧХ фильтров
Аналитически ЧХ полосового фильтра удобно описывать выражением
G (f) =
V fH J
1 +
V fH J
1 +
V fB J
(1)
где / - частота; / - нижняя частота полосы пропускания фильтра; fв - верхняя частота полосы пропускания фильтра; 2v - показатель степени, определяющий крутизну спада ЧХ.
Подбором параметров ЧХ (1) получены аналитические выражения, описывающие ЧХ четырех (п = 1...4) фильтров, соответствующих экспериментальным (рис. 1):
Gn (f) =
f V fHn J
\2v
1 +
^ f ^ V fHn J
1 +
'f ^ V fBn J
где Ап - коэффициент, имитирующий затухание;
при п = 1: /н1 = 29 МГц, /в1 = 38 МГц, V: = 13, А: = 0,65; при п = 2: /н2 = 37 МГц, /в2 = 46 МГц, V2 = 13, А2 = 0,5; при п = 3: /,3 = 44 МГц, /3 = 53 МГц, vз = 13, А3 = 0,4; при п = 4: /,4 = 51 МГц, /4 = 61 МГц, V4 = 15, А4 = 0,4. Полученные теоретические ЧХ показаны на рис. 2.
О
-10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80
Gnf), дБ 1 — //= 1
/ Л j * ■ 1 ' 1 + +1 -- n=2
/ j J V л 1 \ ++ 1 ■ 1 ... a- 3 4
/ j " j J ъ l
/ ■ j j J J A 1 +
J ! J J ; \
J J 1 1 J ■ J i l v ■ 1
I 1 1 J 1 J ■ J ■» \ 1 1 + 1
0 10 20 30 40 50 60 70 80 Частота/ МГц Рис. 2. Теоретические ЧХ фильтров
90 100
(2)
n
Эти теоретические фильтры будем использовать далее для оценки допустимого уровня внешних электромагнитных помех. Для сравнительной оценки в качестве альтернативного варианта используем фильтр с ЧХ, равной сумме четырех ЧХ (2):
4
О0( /) = 2 Gn (/).
п=1
Суммарная ЧХ приведена на рис. 3. Фильтр с такой ЧХ соответствует обычному одноканальному РВСО, в котором отсутствует возможность отключения каналов.
0 - 10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80
О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Частота/ МГц Рис. 3. ЧХ суммарного фильтра
2. Амплитуда принимаемого импульсного СШП-сигнала
Приращение амплитуды принимаемого импульсного СШП-сигнала в РВСО метрового диапазона при проходе нарушителя в зоне обнаружения составляет единицы процентов [6]. РВСО работоспособно, пока сохраняется возможность зафиксировать это приращение. Поэтому критерием отключения частотного канала при воздействии внешней узкополосной электромагнитной помехи примем превышение уровнем помехи в этом канале 90 % амплитуды сигнала. При этом 10-процентное превышение амплитуды сигнала над уровнем помехи позволяет фиксировать отрицательные приращения сигнала в единицы процентов. С дальнейшим повышением уровня помехи она подавляет сигнал.
Определим амплитуды импульсного сигнала в каналах РВСО. РВСО содержит ПРД и ПРМ, расположенные в земле на глубине й на расстоянии Л0 друг от друга. Антенны ПРД и ПРМ представляют собой симметричные вибраторы с длиной плеча Ь. Напряжение ий принимаемого сигнала в ПРМ найдем так же, как в работе [6]. Принятый сигнал подвергается фильтрации в полосах частотных каналов, а его временная форма и огибающая получаются обратным преобразованием Фурье:
/в
Un (t) = j Ud (/ )S (/ )Gn (/ У 2%/tdt,
/н
где
S (/) =
n
1 + exp (-i2n/ • ^) 1 -(2 / • tM )2
спектральная плотность импульсного зондирующего СШП-сигнала в виде полуволны синусоиды; - длительность импульса.
На рис. 4 приведены примеры временной формы и огибающих принимаемых сигналов после фильтров с суммарной ЧХ Оо(/) и с ЧХ 01(/). При расчетах принято: Яо = 30 м, Ь = 1 м, ^ = 15 нс, земля сухая. Сигнал с выхода более широкополосного фильтра имеет меньшую длительность и большую амплитуду.
Uo(t), В \1 Л«\, В
1 1 1 ъ 1 1 i Ai ^ —-
О 50 100 150 200 250 Время t, нс
а)
Время ^ нс б)
Рис. 4. Сигналы и их огибающие на выходе суммарного (а) и первого (б) фильтров
Амплитуда принимаемого импульсного сигнала отсчитывается в момент его максимума:
ипт = \ип ((т )|,
Л 2й /—
где т =--I--../£2 +--- время прохождения сигналом расстояния Ло
с с 2
в воздухе и двойного расстояния й в земле с учетом половины длительности импульса; с - скорость света; 82 - относительная диэлектрическая проницаемость земли.
В табл. 1 приведены значения амплитуд импульсов сигнала после суммарного фильтра и четырех его составляющих фильтров.
Таблица 1
п 0 1 2 3 4
ипт> В 0,093 0,02 0,019 0,021 0,033
3. Оценка допустимых уровней помех
Напряженность поля узкополосной помехи на поверхности земли над антенной ПРМ примем равной Ер во всем диапазоне частот. Это поле создает в подземной антенне на глубине й в зависимости от частоты напряжение:
ир (/) = вчк2йЕр
0 sin £2 (Т + Т sin £2 (Т
и $+ Г й $
Л s^n к^Т,
sin к2 Т * sin к2 Т
-Т 2 о 2
(3)
; ; г'°2 ; 2п/
где £2 = £1 (£2--- волновое число земли; £1 =- - волновое число
V 2л/£о с
воздуха; 02 - проводимость земли; 8о = 10-9/36п (Ф/м) - диэлектрическая постоянная.
Выходное напряжение помехи после фильтрации п-м фильтром равно ирп (/) = ир (/) • Оп (/). (4)
Как было принято, критерием неработоспособности канала с п-ым фильтром является превышение напряжением помехи 90 % амплитуды сигнала в этом канале. Приравняем напряжение помехи (4) к 90 % амплитуды сигнала ипт из табл. 1, получим уравнения (для каждого п):
ир(/) • Оп(/) = 0,9 • ипт . (5)
В этом уравнении ир (/) зависит от напряженности внешнего поля
помех Ер (см. (3)). Решая уравнения (5) относительно Ер, получим частотные зависимости допустимых уровней узкополосной помехи для каждого канала с п-м фильтром. Для графического построения этих зависимостей уравнения (5) удобнее решать с помощью предусмотренной в Mathcad функции:
Ерп (/) = гоо{ [ир (/, Ер ) • Оп (/) " 0,9 • ипт, Ер, еЪ е2 ], где е\ и е2 - минимальная и максимальная границы искомого решения.
Для суммарного фильтра с ЧХ Gо(/) (рис. 3) и амплитудой сигнала Пош = 0,093 В (табл. 1) частотная зависимость допустимой напряженности поля узкополосной помехи, воздействующей на РВСО, показана на рис. 5. Эта зависимость обратна ЧХ фильтра. Суммарный фильтр принят нами за альтернативный вариант, когда ПРМ РВСО имеет единственный канал обнаружения. График зависимости показан в двух масштабах. Левая шкала показывает общий вид графика (сплошная кривая), а правая шкала показывает более детально область полосы пропускания фильтра (пунктирная кривая). Этот детальный график показывает, что электромагнитные помехи с частотами, попадающими в полосу пропускания фильтра, имеют допустимый уровень около 0,1 В/м.
Epo/),
В/м
Epo/), В/м
Частота/ МГц Рис. 5. Допустимые уровни помех одноканального РВСО
Аналогичные частотные зависимости допустимых помех, рассчитанные для четырех более узкополосных фильтров, приведены на рис. 6.
_ Epi{f). В/м
.....Ерф. В/м
Ep3(f). В/м " £>(/), В/м
Частота / МГц Рис. 6. Допустимые уровни помех четырех каналов РВСО
Как и следовало ожидать, графики частотных зависимостей для каждого из четырех фильтров аналогичны графику для суммарного фильтра. Однако эффект получается от их совместного использования. Хотя соседние полосы низких уровней воздействующего поля перекрываются, в каждой полосе на участках с низким уровнем имеются три, два или хотя бы один участок высокого уровня поля соседних каналов. На каждой частоте имеется хотя бы один канал с уровнем поля выше 10 В/м, исключение составляет участок частот в области перекрытия полос самого низкочастотного и самого высокочастотного фильтров. Этот участок графиков детализирован на рис. 7,а, а на рис. 7,б показан результирующий график допустимых узкополосных помех четырехканального РВСО. Этот график показывает участок частот, где допустимый уровень помех РВСО ниже 10 В/м. На всех остальных частотах он выше 10 В/м.
0
42 43 44 45 46 47 48 49 Частота /, МГц
а)
8 6 4 2 О
42 43 44 45 46 47 48 49 Частота /, МГц
б)
Рис. 7. Детализация области пересечения полос 1-го и 4-го каналов (а) и результирующий график допустимого уровня помех (б)
1 ъ _ ЕР1 (Д В/м .... ШВ/м /
1 1 1 1 /
1 1 / /
\ ч \
Область потери работоспособности РВСО при воздействии узкополосной помехи - это область напряженности поля выше кривой на рис. 7,б. Область сохранения работоспособности РВСО - это область ниже кривой на рис. 7,б.
Координаты точки минимума графика на рис. 7,б составляют по оси частот 45,3 МГц, по оси напряженности поля помех 1,865 В/м. Для повышения минимума напряженности поля помех нужно увеличивать крутизну спадов ЧХ или увеличивать их разнесение по частоте, а для этого нужно увеличивать количество каналов с уменьшением ширины их частотных полос. На рис. 1 ЧХ самого низкочастотного и самого высокочастотного каналов пересекаются в точке с затуханием около минус 40 дБ относительно максимума ЧХ низкочастотного канала. Для того чтобы минимум допустимого поля помех был не 1,865 В/м, а 10 В/м, нужно, чтобы упомянутые ЧХ пересекались в точке с затуханием на 20^(10/1,865) = 14,6 дБ ниже.
На рис. 8 приведено сравнение графиков допустимого поля помех од-ноканального и четырехканального РВСО в рабочей полосе частот. Минимальный выигрыш проанализированного четырехканального ПРМ РВСО по сравнению с одноканальным в полосе частот перекрытия ЧХ крайних фильтров составляет 25,6 дБ (1,865 В/м против 0,1 В/м), в остальной рабочей полосе частот - не менее 40 дБ (не менее 10 В/м против 0,1 В/м).
£ 6 4 2
О
20 30 40 50 60 70 80 Частота/ МГц
одноканальное РВСО четырехканальное РВСО
Рис. 8. Сравнение допустимых помех одноканального и четырехканального РВСО
Заключение
Повышение устойчивости С111П РВСО к воздействию внешних узкополосных электромагнитных помех обеспечивается формированием в полосе рабочих частот ПРМ РВСО нескольких частотных каналов, которые могут отключаться при воздействии на них узкополосной помехи. Допустимой является напряженность поля помехи, при воздействии которой в результате отключения каналов в работе остается хотя бы один частотный канал и сохраняется работоспособность РВСО. Критерием отключения частотного ка-
Ep(/), В/м ■ ■ j ■
■ ■ ■
■ 1 j j
j 1 j i
■ 1 1 1 j г г
нала принято превышение уровня помехи над 90 % амплитуды сигнала. Превышение амплитуды сигнала над уровнем помехи на 10 % позволяет фиксировать изменения амплитуды сигнала на единицы процентов при пересечении нарушителем зоны обнаружения и сохранять работоспособность РВСО.
В работе смоделированы реальные ЧХ фильтров, определены амплитуды сигналов на выходе фильтров и с учетом критерия отключения каналов определены допустимые напряженности поля помех в диапазоне рабочих частот РВСО. Сравнение допустимых напряженностей поля помех в четырех-канальном и одноканальном РВСО показало, что в первом они более чем на порядок выше, чем во втором в сравнительно узкой полосе частот перекрытия ЧХ самого низкочастотного и самого высокочастотного каналов. В остальной полосе рабочих частот допустимые напряженности поля помех в четырехканальном РВСО более чем на два порядка выше, чем в однока-нальном. Повышение допустимой напряженности поля помех в полосе перекрытия ЧХ самого низкочастотного и самого высокочастотного каналов может быть достигнуто увеличением крутизны спадов их ЧХ или увеличением их разнесения по частоте.
Список литературы
1. Токарев Н. Н. Повышение характеристик радиоволновых средств обнаружения методами широкополосного зондирования // Современные охранные технологии и средства обеспечения комплексной безопасности объектов : материалы IX Всерос. науч.-практ. конф. (Россия, Пенза - Заречный, 18-20 сентября 2012 г.). Пенза : Изд-во ПГУ, 2012. С. 122-126.
2. Токарев Н. Н. Подготовленный нарушитель и эффективность СФЗ // Безопасность. 2021. № 1. С. 66-69.
3. Иммореев И. Я. Сверхширокополосные радары: новые возможности, необычные проблемы, системные особенности // Вестник Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана. Сер.: Приборостроение. 1998. № 4. С. 25-56.
4. Патент 2595979 Российская Федерация. Способ обнаружения нарушителя с использованием сверхширокополосного сигнала (варианты) / Первунинских В. А., Токарев Н. Н. Опубл. 27.08.2016, Бюл. № 24.
5. Токарев Н. Н. Способ подавления узкополосных электромагнитных помех в радиоволновых средствах обнаружения с широкополосным зондированием // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2021. № 4. С. 69-82.
6. Токарев Н. Н. Влияние отражений от стволов деревьев на сигналообразование радиоволновых средств обнаружения метрового диапазона в лесу // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2020. № 1. С. 43-57.
References
1. Tokarev N.N. Improving the characteristics of radio wave detection means by broadband sensing methods. Sovremennye okhrannye tekhnologii i sredstva obespecheniya kompleksnoy bezopasnosti ob"ektov: materialy IX Vseros. nauch.-prakt. konf. (Rossiya, Penza - Zarechnyy, 18-20 sentyabrya 2012 g.) = Modern security technologies and means of ensuring the integrated security of objects: proceedings of the 9th All-Russian scientific and practical conference (Russia, Penza - Zarechniy, September 18-20, 2012). Penza: Izd-vo PGU, 2012:122-126. (In Russ.)
2. Tokarev N.N. Prepared violator and effectiveness of PPS. Bezopasnost = Safety. 2021;(l):66-69. (In Russ.)
3. Immoreev I.Ya. Ultra-wideband radars: new opportunities, unusual problems, system features. Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. N. E. Baumana. Ser.: Priborostroenie = Bulletin of Bauman University. Series: Instrument engineering. 1998;(4):25-56. (In Russ.)
4. Patent 2595979 Russian Federation. Method for detecting an intruder using an ultrawideband signal (options). Pervuninskikh V.A., Tokarev N.N; publ. 27.08.16, bull. № 24. (In Russ.)
5. Tokarev N.N. Method for suppressing narrow-band electromagnetic interference in radio wave detection tools with broadband sounding. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki = University proceedings. Volga region. Engineering sciences. 2021;(4):69-82. (In Russ.)
6. Tokarev N.N. Influence of reflections from tree trunks on the signal formation of radio wave detection devices in the meter range in the forest. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki = University proceedings. Volga region. Engineering sciences. 2020;(1):43-57. (In Russ.)
Информация об авторах / Information about the authors
Николай Николаевич Токарев
кандидат технических наук, главный специалист по радиотехническим средствам обнаружения, подразделение № 134, Научно-исследовательский и конструкторский институт радиоэлектронной техники -филиал АО «ФНПЦ «ПО «Старт» им. М. В. Проценко» (Россия, Пензенская область, г. Заречный, пр. Мира, 1, корп. 1)
E-mail: nntok51@mail.ru
Nikolay N. Tokarev Candidate of engineering sciences, key specialist in radio-wave detectors, department No. 134, Research and design institute of radioelectronic technology -branch of "Start research and production enterprise named after M.V. Protsenko" (building 1, 1 Mira avenue, Zarechny, Penza region, Russia)
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов / The authors declare no conflicts of interests.
Поступила в редакцию / Received 14.03.2022
Поступила после рецензирования и доработки / Revised 04.05.2022 Принята к публикации / Accepted 27.05.2022