CC BY
6СИСТЕМЫ СВЯЗИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ
УДК 621.396 DOI: 10.24412/2782-2141-2024-1-26-38
Оценка электромагнитной совместимости корабельной станции спутниковой евязи Ku диапазона в условиях взаимных помех от СВ-КВ радиопередающих устройств
Ильмер Д. В., Шаповалов Ф. А., Помазунов С. А., Исламов А. И.
Аннотация: Введение: В современных условиях оснащение кораблей и судов, особенно специального назначения, большим количеством радиоэлектронных средств для обеспечения навигации, радиосвязи, безопасности мореплавания, работы специальной аппаратуры и вооружения, приёма информационно-развлекательного контента и других приводит к невозможности рационального размещения всех антенных устройств с учётом требований электромагнитной совместимости. Соответственно, актуальным является прогнозирование воздействия тех или иных излучающих систем, особенно большой мощности, на приёмные устройства при различном взаимном расположении антенн. Особый интерес вызывают антенные системы спутниковой связи, которые нельзя располагать в секторах излучения радиолокационных станций и очень сложно поднять выше из-за массогабаритных характеристик. При этом их невозможно расположить очень низко из-за образования теневых секторов надстройками, мачтами и другими антеннами в направлении на космические аппараты, что приводит к решению очень сложной задачи по их рациональному размещению на кораблях и судах. Целью работы является количественный анализ воздействия излучений Г-образной проволочной антенны диапазона средних волн - коротких волн на работу корабельной спутниковой станции связи Ки диапазона. Результат: заключается в количественном определении степени воздействия излучений Г-образной проволочной антенны диапазона средних волн - коротких волн на приёмный тракт спутниковой станции связи Ки диапазона с учётом эффективной излучённой мощности и взаимного расположения антенн. Практическая значимость: выполненные результаты расчёта позволяют выработать рекомендации по взаимному размещению антенн на судах и кораблях с учётом выполнения требований по электромагнитной совместимости.
Ключевые слова: антенна, взаимное расположение антенн, коэффициент усиления, побочный канал, промежуточная частота, помехоустойчивость, радиопередатчик, радиоприёмник, напряженность электромагнитного поля, непреднамеренные помехи, спутниковая связь, чувствительность, электромагнитная совместимость, эффективная излучённая мощность.
Введение
В современных условиях оснащение кораблей и судов, особенно специального назначения, большим количеством радиоэлектронных средств для обеспечения навигации, радиосвязи, безопасности мореплавания, работы специальной аппаратуры и вооружения, приёма информационно-развлекательного контента и других приводит к невозможности рационального размещения всех антенных устройств с учётом требований электромагнитной совместимости (ЭМС). Соответственно, актуальным является прогнозирование воздействия тех или иных излучающих систем, особенно большой мощности, на приёмные устройства при различном взаимном расположении антенн. Особый интерес вызывают антенные системы спутниковой связи, которые нельзя располагать в секторах излучения радиолокационных станций и очень сложно поднять выше из-за массогабаритных характеристик. При этом на малотоннажных кораблях и судах часто устанавливают однопостовые станции спутниковой связи, что приводит к невозможности их расположения, как на больших кораблях побортно. Поэтому на таких кораблях их нельзя располагать очень низко из-за образования теневых секторов надстройками, мачтами и другими антеннами в
направлении на космические аппараты. Кроме того, существуют корабли специального назначения с одной большой открытой палубой и одной небольшой надстройкой, типа авиа-и вертолётоносцев, где большинство антенн различного назначения оказываются размещены почти на одном горизонтальном уровне. Такая ситуация складывается на одном из новых проектов кораблей, где между антенной спутниковой приёмной телевизионной системы Ku диапазона и проволочной Г-образной антенной диапазона средних волн - коротких волн (СВ-КВ) расстояние составляет 10 м. Поэтому стоит задача количественно оценить воздействие сигналов СВ-КВ диапазона, излучаемых этой антенной на работу спутниковой приёмной системы.
Метод оценки помехозащищённости приёмника спутниковой системы Ku диапазона от сигналов, излучаемых передатчиками СВ-КВ диапазонов на Г-образную проволочную антенну
Один из методов вычисления степени воздействия помех создаваемых излучением сигналов СВ-КВ корабельных передатчиков на приёмник спутниковой станции связи описан в [1]. В данном документе критерием для определения того, в какой степени излучения сигналов СВ-КВ корабельных передатчиков могут затрагивать работу корабельной спутниковой станции связи, является порог чувствительности приемника станции. Порог чувствительности принимается соответствующим уровню чувствительности приемника, рассчитанному для соответствующих частот fsR, на которых возможно создание побочных каналов приема. Вычисление частот побочных каналов fsR может быть описано следующим выражением [1, 2]:
f Pfbo - flF : BR
-^-^ (1)
где: fio - частота гетеродина (МГц);
fiF - промежуточная частота (МГц);
BR - ширина полосы, дБ, на промежуточной частоте (МГц);
p, q- номер гармоник гетеродина и сигнала помехи, соответственно (p, q = 0, 1, 2.. .и т. д.).
Порог чувствительности приемника по побочному каналу на входе приемника, Pr(/sr), может быть описан следующим образом [ 1 ] :
Jsr
JOR , (2)
где: Pr(/or) - основная чувствительность приемника (дБм);
foR - основная частота приемника (МГц);
I, J - постоянные для характеристики подавления в отсутствие настройки (дБ/декада и дБ, соответственно).
Мощность сигнала помехи, создаваемой излучениями СВ-КВ передатчиков на входе приемника спутниковой станции связи P1(fsR), определяется для основных гармоник передатчика согласно следующему уравнению:
Pi(fsR) = Pr(foT) + A log n + B - La, (3)
где: Pt(/ot) - эффективная излучаемая мощность (дБм);
n - номер гармоники частоты передатчика (for) относительно частоты побочного канала приемника (fsR), n = fsR /foT;
A, B - постоянные для характеристики уровней гармонических излучений передатчика (дБ/декада и дБ, соответственно);
Lп - потери (дБ), включая воздействие распространения между антеннами, их взаимное расположение, потери в фидерных линиях от приёмника и передатчика до антенн.
Эффективная излучаемая мощность PT(foT) определяется формулой:
PT(foT)= Рпрд + ва, (4)
где: Рпрд - мощность передатчика, подводимая к антенне (дБм);
Оа - коэффициент усиления передающей антенны.
Более точно Ьп можно описать следующим образом [1]:
X
Ьп = I ф прд+2 0 1 —+в+У+1 0 1 (« а (9 , ф , X)+/ф пр м ( 5 )
где: /ф прд - потери в фидерной линии антенны передатчика (дБ);
X - длина волны (для соответствующей гармоники) (м);
г - расстояние между антенной телевизионной станции и антенной СВ-КВ передатчиков (м);
0(9, ф, X) - усиление антенны приемника спутниковой станции относительно азимута, 9, и угла места, ф;
/ф прм - потери в фидерной линии приемника (дБ);
в, у - потери на рассогласование по поляризации и от физических препятствий (дБ).
Коэффициент усиления антенны приемника телевизионной станции рассчитывается по формуле:
О = 10^(к(л£> / Х)2^(ф)), (6)
где: к - эффективность или коэффициент использования поверхности антенны;
Б - диаметр антенны (м);
X - длина волны (м);
ф - угол прихода волны (гр).
Исходные данные для расчётов
Примем для расчётов помехозащищённости характеристики приёмной спутниковой телевизионной судовой станции, поскольку частоты и другие характеристики таких станций общедоступны, в отличие от станций спутниковой связи.
Диапазон рабочих частот таких станций обычно составляет [3] 10700 - 12750 МГц. Этот диапазон обычно делится на верхний и нижний. Произведём расчёт для нижнего диапазона, так как он ближе к СВ-КВ диапазону и ожидаемое воздействие от СВ-КВ помех должно быть в нижнем диапазоне больше.
Приведём исходные данные для расчёта по формуле (1) частот побочных каналов /я.
Частота гетеродина/ьв равна 9750 МГц.
Промежуточная частота равна 1450 МГц.
Ширина полосы Бя на промежуточной частоте в нашем случае равна 1000 МГц.
Поскольку приёмник работает на промежуточной частоте, то рассмотрим самый сложный случай - канал помех на промежуточной частоте и произведём расчёты с числом р = 0 (номер гармоник гетеродина) для этого случая. Отсюда /бя = 1450 ± 500 МГц.
Произведённые расчёты возможных частот в основном канале приёма для промежуточной частоты показали, что частоты КВ диапазона имеют возможность попадать в полосу промежуточной частоты только начиная с 40-х гармоник на частотах от 30 МГц и заканчивая на 480-х гармониках на частотах 3 МГц. Расчёты показали, что частоты СВ-КВ диапазона для промежуточной частоты станции сигналов спутникового цифрового телевидения имеют большую плотность и весь спектр излучений в СВ-КВ диапазоне попадает в виде гармоник от 40-х до 5000-х в канал промежуточной частоты станции сигналов спутникового цифрового телевидения. Для дальнейших расчётов выберем конкретные частоты и покажем, какими они являются гармониками для промежуточной частоты станции сигналов спутникового цифрового телевидения (табл. 1).
Приведём исходные данные для расчётов по формуле (2) порога чувствительности на входе приемника Ря/я).
Основная чувствительность приемника Ря(/оя) равна минус 60 дБ [3].
Основная частота приемника/вя равна 1450 МГц.
Постоянные для характеристики подавления в отсутствие настройки выберем в соответствии с [1]: I равна минус 20 дБ/декада и J равна 80 дБ.
Приведём исходные данные для расчётов по формуле (3) мощностей сигналов помех, создаваемых излучениями СВ-КВ передатчиков на входе приемника спутниковой станции связи Р^я).
Эффективная излучаемая мощность Рт(/от) определяется формулой (4). Мощность на выходе передатчиков СВ-КВ Рпрд = 1000 Вт (60 дБм).
Коэффициент усиления Оа проволочной Г-образной антенны был найден с помощью моделирования в программе MMANA-GAL [4].
Модель Г-образной СВ-КВ проволочной антенны была выполнена в большом приближении к размерам и конструкции реальной антенны в соответствии [5]. В соответствии с [5] был взят диаметр антенны 0,5 м и расстояние между кольцами 4 м. Таким образом, расстояние между крайними кольцами вертикальной части составило 8 м, а горизонтальной части - 16 м. Под антенной проводами длиной 60 м имитируется палуба шириной 12 м. Высота палубы над морской водой составляет 15 м. Модель антенны в программе MMANA-GAL приведена на рис. 1.
Рис. 1. Модель Г-образной проволочной антенны в программе MMANA-GAL
В программе MMANA-GAL для расчётов была введена реальная земля с параметрами морской воды средней солености - g = 5 S/m, s = 70 Ф/м. При расчётах на каждой выбранной частоте были получены коэффициенты усиления антенны Ga, которые использовались при нахождении эффективной излучённой мощности в формуле (4) и далее, как эффективная излучённая мощность в формуле (3) для расчёта мощности сигнала помехи.
В табл. 1 представлены выбранные для расчётов частоты передатчиков СВ-КВ диапазонов, номера гармоник n частоты передатчика (for) относительно промежуточной частоты приемника (fsR), коэффициенты усиления Г-образной СВ-КВ проволочной антенны Ga, эффективная излучаемая мощность Pr(for), рассчитанная по формуле (4).
Постоянные для характеристики уровней гармонических излучений передатчиков СВ-КВ диапазонов для нашего случая примем A = -60 дБ/декада, B = -20 дБ [1].
Приведём исходные данные для расчётов по формуле (5) для потерь на рассогласование между антеннами.
Потери в фидерной линии антенны передатчика выберем из технических характеристик на применяемый для проволочных антенн на кораблях кабель. В соответствии с ГОСТ 11326.54-79 на кабель радиочастотный марки РК 50-44-15 потери в фидере передающей антенны СВ-КВ передатчиков на частотах ниже 1 МГц составляют 0,001 дБ/м,
на частоте 10 МГц - 0,004 дБ/м, на частоте 20 МГц - 0,005 дБ/м, на частоте 30 МГц -0,007 дБ/м. Потери при температуре 20 °С для кабеля длиной 50 м на частотах до 1 МГц составят не более 0,05 дБ, от 1 до 10 МГц - не более 0,2 дБ, от 10 до 20 МГц - не более 0,25 дБ, от 20 до 30 МГц - не более 0,35 дБ. Поскольку зависимость от частоты на потерях в фидерной линии незначительна и длина фидера точно неизвестна, то примем среднюю величину для всех расчётов /ф прд = 0,2 дБ.
Таблица 1 - Характеристики излучаемых сигналов СВ-КВ диапазонов
Частота передатчика /от, МГц Номер гармоники промежуточной частоты п = /ж /от Коэффициент усиления Г-образной СВ-КВ проволочной антенны Ga, дБи Эффективная излучаемая мощность Рт/от), дБм
0,3 4800 -25,88 34,12
0,5 2900 -21,42 38,58
0,7 2070 -18,53 41,47
1,0 1440 -15,63 44,37
1,5 965 -10,88 49,12
3 483 6,3 66,3
5 290 4,06 64,06
10 145 2,58 62,58
20 72 1,39 61,39
30 48 2,53 62,53
Потери в фидерной линии антенны станции спутникового телевидения выберем из технических характеристик на применяемый для спутниковой антенны кабель. Приёмник станции спутникового телевидения обычно находится в непосредственной близости от антенны из-за больших потерь в кабелях на высоких частотах. В соответствии с ГОСТ 11326.48-79 на кабель радиочастотный марки РК 50-13-17 потери на частотах ниже 1 МГц составляют менее 0,005 дБ/м, на частоте 10 МГц - 0,01 дБ/м, на частоте 20 МГц -0,015 дБ/м, на частоте 30 МГц - 0,02 дБ/м. Таким образом, в 20-30 метровом кабеле на частотах СВ-КВ диапазонов они могут составить 0,1 дБ. В эти потери можно включить прохождение СВ-КВ сигналов по высокочастотной части антенны спутниковой связи до кабеля, в которую входят параболическая антенна с рупором и конвертер. Формул для расчётов этих потерь нет. Примем для расчётов общие потери в высокочастотном тракте приёмника с кабелем /ф прм 1 дБ.
Расстояние между антенной телевизионной станции и антенной СВ-КВ передатчиков исходя из жёстких условий г = 10 м.
Потери на рассогласование по поляризации в и от физических препятствий у. В нашем случае можно принять, что препятствий между антенной СВ-КВ передатчиков и антенной телевизионной станции нет, а поляризационные потери в случае телевизионного сигнала с круговой поляризацией для сигналов СВ-КВ передатчиков с вертикальной поляризацией составляют 3 дБ. Если спутниковая станция настроена на приём сигналов с вертикальной поляризацией, то потери на поляризацию равны 0 дБ.
Приведём исходные данные для расчёта коэффициента усиления антенны приемника телевизионной станции G по формуле (6).
Эффективность или коэффициент использования поверхности антенны для большинства параболических антенн равен примерно к = 0,55.
Диаметр антенны примем равным Б = 1,25 м.
Длина рабочей волны X = 0,025 м;
Угол прихода волны выберем небольшим с учётом наибольшего воздействия помехи
ф = 25
В нашем случае коэффициент усиления антенны с выбранным небольшим угломестным положением ф = 25 ° (для сложной ситуации) и частоты 12 ГГц равен 40,5.
Для расчётов примем наихудшую ситуацию, когда по азимуту 0 антенна приемника телевизионной станции направлена на антенну СВ-КВ передатчиков и коэффициент усиления максимален.
Расчет воздействия непреднамеренных помех СВ-КВ диапазона, излучаемых Г-образной антенной на порог чувствительности приемника станции спутниковой связи Ки диапазона
В табл. 2 представлены результаты расчёта по приведённой выше методике для выбранных гармоник (частот) промежуточной частоты приёмника станции сигналов спутникового цифрового телевидения, которые входят в спектр излучения радиопередатчиков СВ-КВ диапазонов. Данные результаты расчётов представлены с учётом поляризационных потерь 3 дБ, когда сигналы спутникового телевидения имеют круговую поляризацию.
Таблица 2 - Результаты расчётов воздействия непреднамеренных помех СВ-КВ диапазона на порог чувствительности приемника станции спутниковой связи Ки диапазона
Частота Номер Порог Мощность Отношение
гармоники гармоники чувствительности сигнала помехи, мощности сигнала
основного промежуточной приемника на создаваемой помехи к порогу
канала частоты, промежуточной излучениями чувствительности
промежуточной частоты, МГц п = /я //от частоте в полосе 1000 МГц, Ря/я), дБм СВ-КВ передатчиков на входе приемника, Л/ж), дБм приемника Л/О/Ря/я), дБ
0,3±0,1 4800 20,0±3,5 -245,0 -12,25±1,75
0,5±0,17 2900 20,0±3,5 -223,0 -11,15± 1,61
0,7±0,24 2070 20,0±3,5 -208,4 -10,42±1,48
1,0±0,34 1440 20,0±3,5 -193,1 -9,65±1,34
1,5±0,52 965 20,0±3,5 -174,3 -8,71±1,24
3±1,03 483 20,0±3,5 -133,0 -6,65±1,05
5±1,72 290 20,0±3,5 -117,5 -5,87±0,87
10±3,44 145 20,0±3,5 -94,9 -4,74±0,70
20±6,94 72 20,0±3,5 -72,0 -3,60±0,56
30±10,41 48 20,0±3,5 -56,8 -2,84±0,43
В [1] для установления критической величины отношения мощности сигнала помехи к порогу чувствительности приёмника Pl(fsR)/PR(fsR) приведены экспериментальные данные с измерением помех от КВ передатчика, работающего мощностью 1,5 кВт на расстоянии между антеннами передатчика и станции спутниковой связи 8,6 м. Было установлено, что при Pl(fsR)/PR(fsR) < -1 дБ не возникало затруднений при приеме эталонных телексных сообщений на станцию спутниковой связи с частотой несущей 1537,75 МГц. При отношении Р1 (fsR)/PR(fsR) ~ 2 дБ, качество связи было признано удовлетворительным. В случае если значение Pl(fsR)/PR(fsR) равно или превышает 5 дБ, воздействие помех приводит к полному блокированию телефонного канала.
Данные результаты позволяют косвенно оценить воздействие помех на работу спутниковой телевизионной станции, поскольку телевизионный сигнал имеет другие
несущие и промежуточные частоты, другую полосу сигнала и модуляцию по сравнению с телексными режимами работы. Учитывая, что несущие и промежуточные частоты телевизионной станции находятся на большем разнесении от помех, чем у телексной станции, а модуляция OFDM сигналов цифрового телевидения DVB-2/2S имеет значительно более устойчивое кодирование, чем телексные сигналы, то можно сделать вывод, что полученные результаты в вышеприведённых экспериментах позволяют применить их к нашим расчётам.
Таким образом, из полученных результатов расчётов можно сделать выводы, что даже в самых сложных условиях при полной мощности излучения, при направлении антенны спутниковой станции по азимуту на Г-образную антенну СВ-КВ передатчиков и при попадании гармоник в полосу промежуточной частоты спутниковой телевизионной станции, помех приёму телевизионного сигнала не должно происходить, что связано с нахождением спектра излучения СВ-КВ передатчиков на очень удалённых гармониках от промежуточной частоты спутниковой телевизионной станции.
Однако при работающем на излучение передатчике СВ или КВ диапазона на Г-образную проволочную антенну следует учитывать другой фактор воздействия на любую радиоэлектронную аппаратуру, который состоит в возможности наводок от электромагнитного поля (ЭМП) с преобладающей электрической компонентой, создаваемого в так называемом ближнем поле. Рядом с источником излучения на расстояниях 0,01-0,05Х расположена ближняя зона, или индуктивное поле, на расстоянии, 0,05-1,6Х -промежуточная зона и на расстояниях более 1,6Х - дальняя зона поля излучения [6]. Данная картина представлена на рис. 2 [7, 8].
Ю-4 10-* 10"2 1СГ1 1 101
Рис. 2. Зависимость ЭМП от расстояния до излучателя
Если в источнике ток значительно меньше напряжения, как в нашем случае, в ближней зоне преобладает электрическая составляющая ЭМП. Вблизи антенны в виде штыря или натянутого провода, где преобладающим является электрическое поле, а импеданс источника Zo - генератора велик, полное волновое сопротивление также велико. По мере увеличения расстояния интенсивность электрического поля падает, так как оно создает дополняющее его магнитное поле (рис. 2). В нашем случае на расстоянии от Г-образной антенны 10 м длина волны, на которой начнёт образовываться дальняя зона, составит X = 2п10 = 62,8 м и более. Эта длина волны соответствует частоте 4,7 МГц. Частота с длиной волны 0,05Х соответствует 1,5 МГц, т. е. весь диапазон частот ниже этого значения
будет составлять для антенны спутниковой связи ближнюю зону, в которой для этих частот преобладает электрическая составляющая Е ЭМП.
Таким образом, на частотах СВ диапазона при длинах волн в сотни метров в ближней зоне до 10 м создаётся мощное реактивное ЭМП, которое образует наводки в проводах, кабелях, электрорадиоэлементах. Можно оценить количественно величину ЭМП, создаваемую Г-образной проволочной антенной в зоне антенны спутникового телевидения в зависимости от величины тока в антенне, длины волны и разноса антенн между собой.
Количественная оценка напряжённости ЭМП СВ диапазона в ближнем поле
Составляющие электромагнитного поля электрического вибратора в сферической системе координат (г, ф, 0) в ближней зоне (рис. 3) могут быть описаны приближёнными выражениями [9]:
Ег =-——- si п со ^ с о s 0 , (7)
2пЮ88 Г
0
Е0 =-——- si п ю I si п 0 , (8)
4пЮ88 Г
0
Н ф = si п 0 с о s ю I, (9)
ф 4пг 2 '
где: Ег - составляющая напряженности электрического поля на расстоянии г от передающей
антенны;
Е0 - составляющая напряженности электрического поля, перпендикулярная к Ег;
Нф - составляющая напряженности магнитного поля, силовые линии которого имеют
сдвиг по фазе на п/2 относительно силовых линий электрического поля;
ю - круговая частота равная 2л/, где / - частота передатчика;
8 - диэлектрическая проницаемость воздуха, равная 1,00057 Ф/м;
80 - электрическая постоянная, равная 8,854 • 10-12 Ф/м;
I - ток в передающей антенне, А;
I - высота передающей антенны, равная в нашем случае 9 м;
0 - угол места между направлением от передающей антенны к приёмной;
X - длина волны СВ-КВ передатчика, м.
Рис. 3. Сферическая система координат размещения антенн Для расчётов выберем частоты / менее 1,5 МГц с длиной волны X более 200 м, которые создают в зоне приёмной антенны ближнее поле СВ передатчика. Критерием
критичности создаваемого ЭМП в области антенного поста выберем требования из руководящих документов по ЭМС на кораблях и судах.
В соответствии с п. 2.1.3 РД 31.64.26-2000 [10] нормы параметров помехозащищённости по сети Э.Д.С. должны составлять не менее:
- 146 дБмкВ/м - для радиоприёмников первой категории сложности, антенных усилителей и коммутаторов;
- 140 дБмкВ/м - для радиоприёмников второй категории сложности.
В соответствии с п. 2.5.2 РД 31.64.26-2000 [10] для судовых электронных и электротехнических средств, размещаемых на палубе и мостике, для которых отсутствуют особые требования в Государственных стандартах РФ (ГОСТ Р) и в технических условиях завода изготовителя, электрическое поле излучаемых помех на частотах от 300 кГц до 30 МГц на расстоянии 3 м не должно превышать 52-34 дБмкВ/м.
Выполненные расчёты показали, что составляющая напряжённости ЭМП Ег на расстоянии 10 м от Г-образной антенны в зависимости от изменения угла 0 от 0 ° до 90 ° и тока в антенне от 2 до 10 А составляет от 110 до 153 дБмкв/м. При этом наибольшие напряженности Ег достигают при 0 = 0 ° и постепенно снижаются при увеличении 0 до 90 достигая минимума. На расстоянии 20 м от Г-образной антенны составляющая напряжённости ЭМП Ег при той же закономерности изменения угла 0 от 0 ° до 90 ° и тока в антенне от 2 до 10 А составляет от 92 до 141 дБмкв/м, т. е. снижается в среднем на 15 дБмкв/м. На рис. 4-6 для примера показаны зависимости напряжённости ЭМП Ег от частоты / при 0 равном 60, 45 и 0 ° соответственно для разных токов в антенне с учётом превышения уровня ЭМП более 140 дБмкв/м на расстоянии 10 м между антеннами. Из рисунков видно, что с ростом частоты уровень ЭМП не значительно снижается.
Составляющая напряжённости ЭМП Е0 на расстоянии 10 м от Г-образной антенны в зависимости от изменения угла 0 от 0 ° до 90 ° и тока в антенне от 2 до 10 А составляет от 98 до 147 дБмкв/м. При этом наибольшие напряженности Ег достигают при 0 = 90 ° и постепенно снижаются при уменьшении 0 до 0 °, достигая минимума. На расстоянии 20 м от Г-образной антенны составляющая напряжённости ЭМП Ег при той же закономерности изменения угла 0 от 0 ° до 90 ° и тока в антенне от 2 до 10 А составляет от 86 до 135 дБмкв/м, т. е. снижается в среднем на 12 дБмкв/м. На рис. 7-9 для примера показаны зависимости напряжённости ЭМП Ее от частоты / при 0 равном 90, 60 и 45 ° соответственно для разных токов в антенне на расстоянии 10 м между антеннами. Из рисунков видно, что с ростом частоты уровень ЭМП снижается не значительно.
Рис. 4. Зависимость напряжённости ЭМП Е от частоты / при 0 = 60 °
Рис. 5. Зависимость напряжённости ЭМП Ег от частоты / при 0 = 45 °
Рис. 6. Зависимость напряжённости ЭМП Ег от частоты / при 0 = 0 °
Рис. 7. Зависимость напряжённости ЭМП Ед от частоты / при 0 = 90 °
Рис. 8. Зависимость напряжённости ЭМП Ед от частоты / при 0 = 60 °
Рис. 9. Зависимость напряжённости ЭМП Ед от частоты / при 0 = 45 °
Расчёт составляющей напряжённости ЭМП Нф показал, что на расстоянии 10 м от Г-образной антенны в зависимости от изменения угла 0 от 0 ° до 90 ° и тока в антенне от 2 до 10 А её величина составляет от 46 до 95 дБмкв/м. Это значительно ниже помех от электрической составляющей напряжённости ЭМП.
Однако образование наводок в кабелях, проводах и элементах радиоэлектронной аппаратуры от электрической и магнитной составляющих ЭМП ближней зоны происходит по-разному. Электрическое поле влияет на рецептор через паразитную емкостную связь с источником, а магнитное поле - через паразитную индуктивную связь. Поэтому необходимо учитывать и магнитную составляющую помех ЭМП, хотя она имеет меньшую величину, чем электрическая. На основании полученных данных о величинах составляющих ЭМП помех для обеспечения помехоустойчивости радиоэлектронной аппаратуры выбирают соответствующий электрическому и магнитному полю экран [7].
Количественная оценка величины наводок от помех ЭМП составляет сложную задачу и зависит от многих факторов, таких, например, как длина проводников, их диаметр, экранировка, их направление прокладки (совместно с другими линиями, параллельно или перпендикулярно и т. п.), качество заземления, наличие экранов, материалы из которых они изготовлены, конструкция и качество экранировки и т. д.
Из полученных результатов расчётов можно сделать вывод, что для снижения влияния наводок от ближнего электромагнитного поля необходимо увеличивать разнос между передающей антенной СВ-КВ диапазона и антенными постами станций спутниковой связи, особенно в вертикальной плоскости.
Для повышения помехоустойчивости в условиях непреднамеренных помех на кораблях и судах необходимо в полной мере выполнять требования раздела 3 «Правила обеспечения ЭМС на судах и других МПО» РД 31.64.26-2000 [10].
Выводы
1) Непреднамеренные помехи от излучения сигналов СВ-КВ передатчиков на корабельную Г-образную проволочную антенну не должны создавать нарушений в работе спутниковых станций связи Ku диапазона при разнесении антенн на 10 и более м.
2) Корабельная Г-образная проволочная антенна при мощности СВ передатчика 1 кВт может создавать в ближнем электромагнитном поле на расстоянии 10 м электрическую составляющую ЭМП достигающую более 150 дБмкВ/м, что превышает требования установленные в руководящих документах по ЭМС к радиоэлектронным средствам, размещаемым на верхних палубах и мостиках. Такие уровни электромагнитного поля могут вызывать наводки в монтаже и элементах радиоэлектронной аппаратуры. Для уменьшения воздействия ближнего электромагнитного поля необходимо увеличивать разнос между передающей антенной СВ-КВ диапазона и антенными постами станций спутниковой связи, особенно при возможности в вертикальной плоскости. Для повышения помехоустойчивости в условиях непреднамеренных помех на кораблях и судах необходимо в полной мере выполнять требования раздела 3 «Правила обеспечения ЭМС на судах и других МПО» РД 31.64.26-2000.
Литература
1. R-HDB-51-2006-0AS-PDF-R Помехи и шумы в морских подвижных спутниковых службах. Справочник. Подвижная спутниковая служба. Добавление 3 - Помехи и шумы в морских подвижных спутниковых системах, использующих частоты в области 1,5 и 1,6 ГГц. // Источник: Отчет МСЭ-R M.764-2, 2008. С. 31-40.
2. Артёмова Т. К., Гвоздарёв А. С., Фомичёв Н. И. Электромагнитная совместимость: Задачник // Ярославльский гос-й. универ-т имени П. Г. Демидова. - Ярославль: ЯрГУ, 2012. - 56 с.
3. URL: http://www.shs-systems.ru/catalog/satellite/prolnb/smw_quattro.html (дата обращения: 22.03.2024).
4. Гончаренко И. В. Компьютерное моделирование антенн. Все о программе MMANA // Издательство «РАДИОСОФТ», 2002. 80 с.
5. Рабочий альбом типовых конструкций, часть 1 (600-19.020) ЕИУА.360043.004 «Узлы крепления судовых антенн, конструктивно-монтажные узлы» // П/Я В-2156, 1972. С. 28-30.
6. Скворцов В. Заземление и экранирование как способы обеспечения электромагнитной совместимости электронных устройств // Силовая электроника. 2020. № 2. С. 36-43.
7. Чернышев А. И., Шиняков Ю. А., Селяев А. Н., Гаврилов А. М. Особенности помеховых электромагнитных полей в ближней зоне излучения от импульсных преобразователей электрической энергии // Проблемы энергетики. 2003. № 1-2. С. 80-92.
8. Панасюк Ю. Н., Пудовкин А. П. Электромагнитные поля. Учебн. пособ. - Тамбов: Издательско-полиграфический центр ФГБОУ ВПО «ТГТУ». 2014. С. 50-52.
9. URL: https://neo-chaos.narod.ru/useful/emc/near_far_fields.pdf. (дата обращения: 22.03.2024) // Интернет-ресурс кафедры № 26 НИЯУ «МИФИ». Литература: Электромагнитная совместимость. Раздел I.2.4. Ближние и дальние поля. С. 43-51.
10. РД 31.64.26-2000. Нормы и правила обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) на морских подвижных объектах и методы комплексной оценки ЭМС, 2000. 104 с.
References
1. R-HDB-51-2006-0AS-PDF-R Interference and noise in maritime mobile-satellite services.
Spravochnik. Podvizhnaya sputnikovaya sluzhba. Dobavlenie 3 - Pomexi i shumy" v morskix podvizhny"x sputnikovy"x sistemax, ispol"zuyushhix chastoty" v oblasti 1,5 i 1,6 GGcz [Directory. Mobile satellite service. Appendix 3 - Interference and noise in maritime mobile satellite systems using frequencies in the 1.5 and 1.6 GHz region]. Istochnik: OtchetMSE -RM.764-2 [Source: Report ITU-R M.764-2]. 2008. Pp. 31-40.
2. Artyomova T. K., Gvozdarev A. S., Fomichev N. I. E"lektromagnitnaya sovmestimost": Zadachnik [Electromagnetic compatibility: Problem book]. Yaroslavl" gosudarstvennyj. universitet imeni P. G. Demidova [Yarosl. state University named after P. G. Demidova]. Yaroslavl. YarSU Publ., 2012. 56 p. (In Russian)
3. URL: http://www.shs-systems.ru/catalog/satellite/prolnb/smw_quattro.html (access date: 03.22.2024).
4. Goncharenko I. V. Komp"yuternoe modelirovanie antenn. Vse o programme MMANA [Computer modeling of antennas. All about the MMANA program]. Radiosoft Publishing House, 2002. 80 p. (In Russian)
5. Rabochij al"bom tipovy"x konstrukcij, chast" 1 (600-19.020) EIUA.360043.004 «Uzly" krepleniya sudovy"x antenn, konstruktivno-montazhny"e uzly"» [Working album of standard designs, part 1 (600-19.020) EIUA.360043.004 "Attachment units for ship antennas, structural and installation units"]. P/Ya V-2156, 1972. pp. 28-30. (In Russian)
6. Skvortsov V. Zazemlenie i e"kranirovanie kak sposoby" obespecheniya e"lektromagnitnoj sovmestimosti e"lektronny"x ustrojstv [Grounding and shielding as ways to ensure electromagnetic compatibility of electronic devices]. Power Electronics Publ., 2020. No. 2. P. 36-43. (In Russian)
7. Chernyshev A. I., Shinyakov Yu. A., Selyaev A. N., Gavrilov A. M. Osobennosti pomexovy"x e "lektromagnitny"xpolej v blizhnej zone izlucheniya ot impul"sny"xpreobrazovatelej e "lektricheskoj e "nergii [Features of interference electromagnetic fields in the near zone of radiation from pulsed electrical energy converters]. Energy problems Publ., 2003. No. 1-2. pp. 80-92. (In Russian)
8. Panasyuk Yu. N., Pudovkin A. P. E"lektromagnitny"e polya. [Electromagnetic fields]. Tambov. Izdatel"sko-poligraficheskij centr FGBOU VPO «TGTU» [Publishing and printing center of the Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Professional Education "TSTU"]. 2014. Pp. 50-52. (In Russian)
9. URL: https://neo-chaos.narod.ru/useful/emc/near_far_fields.pdf. (date of access: 03/22/2024) // Internet resource of department No. 26 of the National Research Nuclear University "MEPhI". Literature: Electromagnetic compatibility. Section I.2.4. Near and far fields. pp. 43-51.
10. RD 31.64.26-2000. Normy" i pravila obespecheniya e"lektromagnitnoj sovmestimosti (E"MS) na morskix podvizhny"x ob""ektax i metody" kompleksnoj ocenki E"MS [Norms and rules for ensuring electromagnetic compatibility (EMC) on marine mobile objects and methods for comprehensive assessment of EMC]. 2000. 104 p. (In Russian)
Статья поступила 15 марта 2024 г.
Информация об авторах
Ильмер Дмитрий Валерьевич - Кандидат технических наук. Начальник отдела АО «НИИ «Нептун». Область научных интересов: проектирование антенно-фидерных систем. Тел.: +7(812)327-49-96 доб. 224. E-mail: [email protected].
Шаповалов Фёдор Александрович - Инженер 3 категории АО «НИИ «Нептун». Область научных интересов: проектирование антенно-фидерных систем. Тел.: +7(812)327-49-96 доб. 180. E-mail: [email protected].
Помазунов Сергей Александрович - Временный генеральный директор АО «НИИ «Нептун». Соискатель ученой степени кандидата технических наук. Область научных интересов: проектирование антенно-фидерных систем. Тел.: +7(812)327-09-72. E-mail: [email protected].
Исламов Альберт Ильдарович - Заместитель генерального директора по научно-техническому развитию АО «НИИ «Нептун». Соискатель ученой степени кандидата технических наук. Область научных интересов: проектирование антенно-фидерных систем. Тел.: +7(812)327-09-72. E-mail: [email protected].
Адрес: 199178, Россия, г. Санкт-Петербург, В.О. 7-я линия, д. 80, корп. 1, лит. А.
Assessment of electromagnetic compatibility of the ship's satellite communication station of the Ku band in the conditions of mutual interference from MF-HF radio
transmitters devices
D. V. Ilmer, F. A. Shapovalov, S. A. Pomazunov, A. I. Islamov
Annotation: Introduction: In modern conditions, equipping ships and vessels, especially for special purposes, with a large number of radio-electronic equipment to ensure navigation, radio communications,
navigation safety, operation of special equipment and weapons, reception of infotainment content and others leads to the impossibility of rational placement of all antenna devices taking into account the requirements of electromagnetic compatibility. Accordingly, it is relevant to predict the impact of certain radiating systems, especially high power ones, on receiving devices with different relative positions of antennas. Of particular interest are satellite communication antenna systems, which cannot be located in the radiation sectors of radar stations and are very difficult to raise higher due to their weight and size characteristics. At the same time, they cannot be positioned very low due to the formation of shadow sectors by superstructures, masts and other antennas in the direction of spacecraft, which leads to solving a very difficult problem of their rational placement on ships and vessels. The purpose of the work is to quantitatively analyze the impact ofMF-HF radiation from an L-shaped wire antenna on the operation of a Ku-band shipborne satellite communication station. Result: consists in quantitatively determining the degree of impact of the MW-HF radiation of the L-shaped wire antenna on the receiving path of the Ku band satellite communication station, taking into account the effective radiated power and the relative position of the antennas. Practical significance: the completed calculation results make it possible to develop recommendations for the relative placement of antennas on ships and ships, taking into account the fulfillment of electromagnetic compatibility requirements.
Keywords: electromagnetic compatibility, unintentional interference, noise immunity, antenna, radio transmitter, radio receiver, satellite communications, electromagnetic field strength, effective radiated power, sensitivity, intermediate frequency, side channel, gain, relative position of antennas.
Information about Authors
Ilmer Dmitry Valerievich - Candidate of Technical Sciences. Head of the department of JSC "Research Institute "Neptune". Research interests: design of antenna-feeder systems. Tel.: +7(812)327-49-96 ext. 224. E-mail: [email protected].
Shapovalov Fedor Aleksandrovich - Engineer of the 3rd category of JSC "Research Institute "Neptune". Research interests: design of antenna-feeder systems. Tel.: +7(812)327-49-96 ext. 180. E-mail: [email protected].
Pomazunov Sergey Alexandrovich - Interim General Director of JSC "Research Institute "Neptune". Applicant of the academic degree of Candidate of Technical Sciences. Research interests: design of antenna-feeder systems. Tel.: +7(812)327-09-72. E-mail: [email protected].
Islamov Albert Ildarovich - Deputy General Director for Scientific and Technical Development of JSC "Research Institute "Neptune". Applicant of the academic degree of Candidate of Technical Sciences. Research interests: design of antenna-feeder systems. Tel.: +7(812)327-09-72. E-mail: [email protected].
Address: 199178, Russia, St. Petersburg, V.O. 7th line, d. 80, bldg. 1, lit. A. Tel. +7(812)327-09-72. E-mail: [email protected].
Для цитирования: Ильмер Д. В., Шаповалов Ф. А., Помазунов С. А., Исламов А. И. Оценка электромагнитной совместимости корабельной станции спутниковой cвязи Ku диапазона в условиях взаимных помех от СВ-КВ радиопередающих устройств // Техника средств связи. 2024. № 1 (165). С. 26-38. DOI: 10.24412/2782-2141-2024-1-26-38.
For citation: Ilmer D. V., Shapovalov F. A., Pomazunov S. A., Islamov A. I Assessment of electromagnetic compatibility of the ship's satellite communication station of the Ku band in the conditions of mutual interference from MF-HF radio transmitters devices. Means of Communication Equipment. 2024. No. 1 (165). Pp. 26-38. DOI: 10.24412/2782-2141-2024-1-26-38.(in Russian).
