Возникновение побочных излучений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Причиной возникновения побочных излучений служат нелинейные процессы в тракте формирования ВЧ сигналов и в антенно-фидерном тракте (АФТ) передатчика (ПРД). К ним относятся излучения на гармониках, на субгармониках, комбинационные, интермодуляционные, паразитные. Интенсивность побочных излучений зависит от диапазона частот ПРД, типа и режима генераторных и усилительных приборов и др.

Излучения на гармониках - это радиоизлучения передатчика на частотах, среднее значение которых в целое число раз больше среднего (или присвоенного) значения частоты основного излучения, т.е. на частотах

,

где n=2, 3,…, а - частота основного излучения.

Гармоники, в основном, создаются мощными каскадами ПРД, активные элементы которых в целях реализации необходимой мощности ПРД и высокого КПД работают с отсечкой в перенапряжённом режиме.

В результате нелинейности АХ и ФЧХ активных элементов передающего ВЧ тракта выходное немодулированное колебание имеет форму, отличающуюся от гармонической, т.е.

.

При излучении модулированных сигналов форма огибающей спектра мощности на гармониках отличается от основного излучения. Например, для ЧМ девиация частоты линейно возрастает с номером гармоники n, что влечет за собой расширение спектра:

Пзn=(1+оn)Пз,

где n - номер гармоники, Пзn- занимаемая полоса на гармонике, Пз- занимаемая полоса на основной частоте, о=0.26-0.3.

Для двоичных ФМ сигналов на четных гармониках влияние манипуляции не проявляется (известный эффект, используемый для выделения несущей частоты в системах синхронизации) и излучения становятся более узкополосными; на нечетных гармониках огибающая спектра мощности повторяет форму огибающей основного излучения.

Мощность N-й гармоники на выходе передатчика зависит:

- от значения соответствующей составляющей в общем несинусоидальном токе выходного каскада передатчика, определяемой степенью нелинейности каскада,

- коэффициента ослабления этой составляющей в избирательных цепях, нагружающих передатчик, в том числе антенном фильтре,

- активного сопротивления антенны на частоте гармоники,

- степени рассогласования между внутренним сопротивлением эквивалентного генератора гармоник и результирующим сопротивлением нагрузок на этой частоте.

В общем случае с ростом номера гармоники ее уровень значительно снижается. Но это не всегда так. Например, в магнетронных передатчиках вторая гармоника часто значительно меньше первой. При анализе ЭМС, особенно в радиокомплексах, следует учитывать влияние составляющих вплоть до 10-го порядка и выше.

Следует отметить, что еще одной причиной порождающей гармоники в излучениях РЭС могут являться нелинейные эффекты, возникающие из-за окислов в местах сочленения металлических конструкций мачт, ферм, опор, на которых установлены мощные радиопередающие устройства.

Уровни излучения на каждой из гармоник, особенно от 2-й до 5-й, имеют разбросы мощности относительно среднего уровня, превышающие 25 дБ даже для однотипных радиопередатчиков. Причинами этого являются:

- рассогласование фильтра с нагрузкой на частоте гармоники (поскольку ЧХ фильтров определяются исходя из согласования на рабочей частоте передатчика);

- рассогласование фильтра по входу;

- разбросы отраженной мощности в антенно-фидерном тракте;

- разброс характеристик и режимов электронных приборов (особенно активных), определяющий степень нелинейности передаточной характеристики.

Теоретически излучения на четных гармониках можно исключить применением двухтактных выходных каскадов передатчика при точной симметрии плеч. Однако неизбежные разбросы значений параметров активных и пассивных элементов снижают этот эффект. Если разбаланс в токах плеч достигает 15-20 % (что уже неплохо), то выигрыш в ослаблении 2-й гармоники, сравнительно с однотактной схемой, составляет около 15 дБ. С ростом номера четных гармоник этот выигрыш уменьшается.

Важным средством ослабления гармоник является применение антенного фильтра НЧ и согласование его с АФУ.

Излучения на субгармониках - это побочные излучения на частотах, лежащих ниже присвоенной частоты, они могут иметь две причины возникновения.

Первая характерна для радиопередатчиков, у которых несущая с частотой формируется из стабильных НЧ колебаний путём умножения их частоты:

.

В этом случае их частоты рассчитываются как

, где m<n.

Вторая причина - это явление параметрического резонанса нелинейной цепи. В транзисторных генераторах емкость p-n перехода коллекторной или эмиттерной цепи вследствие своей нелинейности меняется с изменением амплитуды напряжения или тока. Возникающие при этом субгармонические колебания на частотах

могут привести к неустойчивой работе транзисторного генератора (усилителя) с внешним возбуждением.

Борьба с субгармониками предполагает использование в выходных цепях фильтров высокой частоты. Если же фидерный тракт реализован на волноводах, то их геометрические размеры выбираются таким образом, что субгармоники, имея закритические длины волн, не распространяются по тракту.

Комбинационные излучения - это побочные излучения, возникающие при воздействии на нелинейные элементы ВЧ тракта передатчика колебаний, формирующих несущую. В ПРД комбинационные излучения появляются в том случае, если в нём в качестве задающего генератора используется синтезатор частоты. Основное назначение синтезатора - формирование сетки рабочих частот с заданным шагом, это в ряде схем выполняется путем суммирования опорных частот

,

находящихся обычно в декадном соотношении друг с другом. Выходной сигнал такого синтезатора кроме основной частоты содержит и частично подавленные опорные частоты и их гармоники. Попадая на нелинейный элемент, эти колебания смешиваются, и возникают различные комбинационные составляющие с частотами

, где =1, 2, 3,…

При многократных промежуточных преобразованиях колебаний в синтезаторе возникает множество дискретных составляющих на фоне сплошного спектра шума. Выходной фильтр выделяет необходимую частоту, однако его избирательные свойства конечны и он лишь частично подавляет неосновные колебания. У аналоговых синтезаторов уровень комбинационных излучений составляет величину порядка -50…-70 дБ, а у цифровых -80…-120 дБ относительно мощности основного излучения.

Степень опасности той или иной комбинационной составляющей зависит, во-первых, от ее интенсивности на выходе нелинейного элемента, что определяется ее порядком и уровнем взаимодействующих частотных компонент, а во-вторых, от ее отстройки от основной частоты и, следовательно, степени подавления избирательными цепями в передатчике.

Интермодуляционные излучения - побочные излучения, возникающие в результате воздействия на нелинейные элементы ВЧ тракта одного ПРД излучений другого ПРД. Такие излучения возникают в случаях, когда между одновременно работающими ПРД существует сильная связь. Такая ситуация соответствует работе нескольких ПРД на общую антенну либо близкому расположению нескольких ПРД с раздельными антеннами на ограниченной территории (на корабле, самолете, ракете и др.). В этих случаях в спектрах обоих ПРД кроме основных излучений с частотами и и их гармоник и появляются составляющие с новыми частотами:

, где p; q= 1, 2, 3,…

Эти составляющие называют интермодуляционными и характеризуют порядком интермодуляции

.

Составляющие с частотами , равными сумме или разности частот основных излучений каждого ПРД (), сильно ослабляются выходными избирательными цепями каждого ПРД. Составляющие 3-го порядка достаточно близки по частоте к частотам основных излучений, поэтому их мощность почти не ослабляется выходными цепями, если в их схеме нет специальных режекторных фильтров. То же самое относится и к составляющим 5-го и 7-го порядков, но их мощность значительно меньше мощности составляющих 3-го порядка вследствие уменьшения значений коэффициентов разложения косинусного тока с ростом их номера.

Снижения уровня интермодуляционных излучений можно добиться, обеспечивая пространственное разнесение антенн; улучшая развязку в схемах суммирования мощности передатчиков, работающих на общую антенну, для чего в анетенно-фидерном тракте применяются специальные интермодуляционные фильтры, состоящие из циркулятора и двух узкополосных фильтров и обеспечивающие снижение интермодуляционного излучения до 70 Дб; выбирая режим работы выходного каскада передатчика с меньшим значением соответствующего коэффициента нелинейности и т.д.

В ряде случаев эффективна мера, заключающаяся в снижении мощности сигналов, взаимодействующих на нелинейности за счет удаления передатчиков друг от друга на рассчитываемое координационное расстояние. Снижение влияния интермодуляционных излучений можно обеспечить грамотным частотным планированием, предполагающим исключение из рабочего частотного плана тех частот, которые оказались «поражены» продуктами интермодуляции.

Паразитные излучения - побочные излучения, возникающие в результате самовозбуждения радиопередатчика из-за паразитных связей в его генераторных или усилительных каскадах. Причины появления паразитных излучений случайны, так как не связаны с процессом формирования основного излучаемого колебания. Паразитные резонансные цепи, для которых выполняются условия баланса фаз и баланса амплитуд, образуются различными реактивными элементами, ёмкостью p-n перехода, индуктивностью и ёмкостью монтажных проводов и пр. Частоты этих излучений не кратны частоте основного радиоизлучения и могут быть как ниже, так и выше основной частоты.

Устранить паразитные излучения можно либо изменением параметров цепи, влияющих на условия самовозбуждения, либо введением в соответствующую цепь дополнительного затухания путем подключения «антипаразитных» резисторов.

Для оценки уровня гармоник и интермодуляционных составляющих спектра сигнала, возникающих в приемопередающем тракте аппаратуры, аппроксимируем сквозную амплитудную характеристику нелинейным уравнением:

, (1)

где коэффициенты ai многочлена характеризуют уровень нелинейности i-го порядка. Значения этих коэффициентов обычно вычисляют на основе метода угла отсечки (метода А.И. Берга), использующего кусочно-линейную аппроксимацию вольт-амперной характеристики активного прибора или амплитудной характеристики каскада. При этом коэффициенты ai являются функциями угла отсечки косинусного тока и:

, , (2)

.

Графически значения первых четырех коэффициентов Берга в зависимости от угла отсечки и приведены на рис. 1.

Поскольку наибольшее влияние на возникновение побочных излучений оказывают нелинейности 2-го, 3-го порядков, то в дальнейших выкладках ограничимся 3- м порядком нелинейности.

Рис. 1

Для оценки уровня гармоник на выходе тракта следует входной немодулированный сигнал представить в виде

.

В таком случае:

. (3)

Используем в дальнейшем ряд основных формул тригонометрии:

; ;

.(4)

После преобразований получим:

, (5)

таким образом, из этого выражения можно оценить уровень постоянной составляющей, основной частоты и гармоник 2-го и 3-го порядка.

Для оценки уровня интермодуляционных составляющих на выходе тракта, ограничившись двухсигнальным воздействием, входной сигнал представим в виде

.

В таком случае:

. (6)

После преобразований тригонометрических функций получим:

(7)

Нетрудно заметить, что сигнал с учетом двухсигнального воздействия на нелинейность не выше 3-го порядка содержит:

постоянную составляющую;

частоты основного излучения

;

гармоники 2-го и 3-го порядка на частотах

;

интермодуляционные составляющие 2-го и 3-го порядка на частотах

.

Табуляция значения коэффициентов Берга б0, б 1, б 2, б 3 для значений угла отсечки и от 100 до 1800 с шагом 100 по выражениям (2).

Программная модель выполнена в среде SystemView. Для загрузки схемы для исследования необходимо запустить SysVu_32.exe и вызвать файл Intermod.svu. Данный файл представляет собой максимально упрощенную схему тракта системы передачи, учитывающую нелинейности усилителей, модуляторов и смесителей только посредством коэффициентов нелинейности. Схема лабораторной модели изображена на рис. 2 и состоит:

побочное излучение гармоника берг

Рис.2

Из трех источников синусоидального сигнала с частотами 800, 900 и 1000 Гц и регулируемыми амплитудами и параметрами модулирующего сигнала;

сумматора;

нелинейного элемента с задаваемыми пользователем значениями коэффициентов нелинейности б i в соответствии с выражением (1);

полосового фильтра, имитирующего избирательность приемника одного из каналов с задаваемыми пользователем параметрами;

элементов графического отображения сигнала и анализа.

Чтобы определить название и назначение устройства в составе схемы, достаточно подвести курсор к нужному блоку. Всплывающая подсказка содержит название устройства и его основные характеристики.

Для изменения параметров устройства необходимо выполнить двойной щелчок левой клавишей мыши на выбранном блоке и, выбрав раздел Parameters, установить желаемые величины.

1. Запустить систему SystemView и вызвать файл Intermod.svu, затем:

- задать значения амплитуд сигналов первого, второго и третьего передатчиков (1В, 1В, 0В);

- установить значения коэффициентов нелинейности в свойствах соответствующего элемента (б 0=0, б 1=1, б 2=1, б 3=1);

- нажать на кнопку системного времени (System Time) на панели инструментов;

- в строке Stop Time установить время анализа 1 с и нажать ОК;

- в строке Frequency Resolution установить 1 Hz и нажать ОК;

- нажать кнопку > (RUN SYSTEM) панели инструментов.

Пронаблюдать и зарисовать полученные осциллограммы сигналов. Номер каждой осциллограммы (например, Sink 11) соответствует номеру блока отображения данных (например, 11).

Зарисовать спектр сигнала на выходе нелинейности, для чего:

- войти в меню View и выбрать функцию Analysis Window;

- подвести указатель мыши к осциллограмме W9, соответствующей узлу Sink7 (нелинейному элементу), правой кнопкой мыши вызвать контекстное меню;

- выбрать функцию Sink Calculator/ SPECTRUM, нажать кнопку |FFT|;

- определить значения постоянной составляющей сигнала, амплитуд основных частот, гармоник и интермодуляционных составляющих;

- сопоставить значения, полученные в результате моделирования с теоретическими [выражение (6)];

- включить все три передатчика, для чего задать значения амплитуд сигналов (1 В, 1 В, 1 В), и зарисовать спектр на выходе нелинейности при трехсигнальном воздействии;

- выключить третий передатчик, установив значения амплитуд сигналов (1 В, 1 В, 0 В). Все дальнейшие исследования проводятся при двухсигнальном воздействии.

3. Провести исследование зависимости уровня интермодуляционного излучения на частоте 1000 Гц от параметров нелинейности при фиксированных амплитудах входных сигналов. Для этого:

- установить уровни амплитуды выходных сигналов первого и второго источников из табл. 1 в соответствии с номером бригады;

- выполнить пункты 2, 3 при различных значениях коэффициентов (б1, б2, б3), рассчитанных по выражениям (2), для соответствующих углов отсечки от 100 до 1800 с шагом 100.

При каждом изменении в схеме или в ее параметрах необходимо запускать > (RUN SYSTEM). А для пересчета данных и графиков в окне Analysis следует нажать кнопку Load New Sink Data или комбинацию клавиш Ctrl+N;

- оценить уровень интермодуляционной составляющей, попадающей в полосу третьего частотного канала (1000 Гц);

- сопоставить значения, полученные в результате моделирования, с теоретическими [выражение (5)];

- построить график, сделать выводы.

4. Провести исследование зависимости уровня интермодуляционного излучения на частоте 1000 Гц от амплитуд входных сигналов. Для этого:

- в соответствии с табл. 2 установить значения коэффициентов (б1,б2,б3), соответствующие заданному углу отсечки;

- изменяя амплитуду выходного сигнала первого передатчика от 0 до 1 В при напряжении второго 1 В, снять зависимость уровня интермодуляционной составляющей третьего порядка;

- изменяя амплитуду выходного сигнала второго передатчика от 0 до 1 В при напряжении первого 1 В, снять зависимость уровня интермодуляционной составляющей третьего порядка;

- построить графики, сделать выводы.

5. Ввести фазовую модуляцию в источники сигнала, установив в параметрах PSK источников параметр RATE в соответствии с табл. 3;

- исследовать прохождение спектра источников помех через полосовой фильтр основного (третьего) канала приема при разных степенях нелинейности тракта и параметрах модуляции, для чего:

- при различных значениях коэффициентов (б1, б2, б3), соответствующих углам отсечки от 100 до 1800 с шагом 100 , оценить эффективное значение напряжения помехи на выходе избирательности приемника третьего канала. Это значение может быть получено как оценка СКО выходного сигнала с применением функции Sink Calculator/ Operators/ StdDeviations, выполняемой над сигналом на выходе фильтра;

- зарисовать спектр сигналов на выходе нелинейности и на выходе полосового фильтра;

- варьируя полосой фильтра при фиксированных скоростях модуляции и коэффициентах Берга, соответствующих табл. 2, исследовать эффективность подавления мешающих излучений;

- построить графики, сделать выводы.

Библиографический список

Богданов Н.Г., Лисичкин В. Г. Основы радиотехники и электроники. Нелинейные цепи при гармонических воздействиях. 1999.

Бронштейн И.Н., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М.: Наука, 1986.

Буга Н.Н. и др. Электромагнитная совместимость РЭС. М.: Радио и связь, 1993.

Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высш. шк., 1986.

Заездный А.М. Основы расчетов нелинейных и параметрических радиотехнических цепей. М.: Связь, 1973.

Князев А.Д. Элементы теории и практики ЭМС РЭС. М.: Радио и связь, 1984.

Мещанкин В.М. Характеристики ЭМС радиопередающих устройств: учеб. пособие. М.: МИРЭА, 1992.

Михайлов А.С. Измерение параметров ЭМС РЭС. М.: Связь, 1980.

Управление радиочастотным спектром и электромагнитная совместимость радиосистем: учебн. пособие / Под. ред. д.т.н., проф. М.А. Быховского.- М.: Эко-Трендс, 2006.- 376 с.

Размещено на Allbest.ru