Общие сведения о проблеме электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств и сиcтем

В соответствии с [1] под “ РЭС” подразумеваются “ технические средства, предназначенные для передачи и/или приема радиоволн, состоящие из одного или нескольких передающих и/или приемных устройств либо комбинации таких устройств, включая вспомогательное оборудование ”. В качестве примера РЭС можно привести: любой радиопередатчик или радиоприемник; базовую станцию сети мобильной сотовой связи; ретранслятор одного или нескольких радиосигналов и т.п. Под “РЭС” может подразумеваться и совокупность РЭС меньшего масштаба, разнесенных в пространстве и образующих систему радиосвязи (например радиорелейная линия связи или система спутниковой связи, состоящие из совокупности ряда приемопередающих станций, каждая из которых может рассматриваться как “ элементарное РЭС”). Таким образом, при описании рассматриваемой электромагнитной обстановки необходимо предельно четко определять, что именно в данном контексте подразумевается под радиоэлектронным средством. Ниже под термином “РЭС” для определенности будетподразумеваться элементарное РЭС, а обозначения комбинаций из этих элементарных РЭС будут определяться в каждой конкретной ситуации отдельно (например, “пролет радиорелейной линии” или “приемопередатчики базовой станции).

Термин «ЭМС» означает способность РЭС функционировать с требуемым качеством при воздействии непреднамеренных помех, создаваемых передатчиками других РЭС, и не создавать недопустимых помех другим РЭС. Под непреднамеренными помехами приему полезного радиосигнала (ПС) понимают мешающие радиосигналы (МС), излучаемые без умысла затруднить прием ПС, или мешающие приему электромагнитные излучения, не связанные с передачей какой-либо информации (например, при работе двигателя автомобиля). При проведении анализа влияния непреднамеренных помех на рецептор помех учитываются частотные, пространственные, временные, энергетические и поляризационные характеристики ПС и МС, а такжеособенности процессов распространения ПС и МС на соответствующих трассах. Указанные характеристики определяются, в частности, видами модуляции и энергетическими cпектрами ПС и МС, амплитудно-частотными характеристиками фильтров высокочастотных трактов рецепторов помех, диаграммами направленности передающих антенн ПС и МС и приемной антенны ПС, соотношением мощностей и поляризаций ПС и МС на входе рецепторов помех, а также их частотной расстройкой. В разделе 1.2 дано относительно подробное рассмотрение разновидностейнепреднамеренных помех и их классификация.

Актуальность проблемы ЭМС проявилась уже в самом начале развития радиотехники после создания первых функционально полноценных систем радиосвязи (сухопутных и морских). Например, в начале прошлого века при эксплуатации радиотелеграфных линий связи между ними отмечались взаимные помехи[1]. В дальнейшем по мере увеличения количества РЭС, возрастания их энергетических характеристик и повышения диапазонов используемых частот проблема ЭМС становилась все актуальнее и потребовала развития теории и практики решения этой проблемы.

Парадоксально, что “передатчиком” полезного радиосигнала для первого в мире приемника электромагнитных волн А.С.Попова являлись электрические разряды при грозе (“грозоотметчик Попова”), которые затем превратились в один из видов радиопомех! Передаваемая информация состояла в обнаружении самого факта прошедшей грозы.

Проблемы ЭМС РЭС постоянно обостряются в связи с быстрым развитием парка РЭС в условиях современного научно-технического прогресса. Проблема обеспечения работы совокупностей РЭС без создания недопустимых помех друг другу стала соизмеримой по важности с проблемой обеспечения надежности технических средств радиосистем. Разработкой методов и способов обеспечения ЭМС при условии рационального использования радиочастотного спектра (РЧС) занимаются обособившиеся, хотя и тесно связанные между собой научно-технические направления “ЭМС радиоэлектронных средств и систем” и “Управление использованием радиочастотного спектра”. Ниже будут рассматриваться только проблемы ЭМС, но следует иметь в виду, что все результаты такого рассмотрения используются для обеспечения наилучшего управления использованием радиочастотного спектра.

Создание эффективных методов решения задач ЭМС в настоящее время составляет важную, интенсивно развивающуюся часть науки о радиотехнике. В ее развитии принимают участие многие десятки государств, являющихся членами Международного Союза Электросвязи (МСЭ). Их представители изучают проблемные вопросы и методы их решения в составе Исследовательских комиссий МСЭ и ряда других органов МСЭ. Согласованные в рамках органов МСЭ предложения по улучшению ЭМС обсуждаются на периодически проводимых Всемирных Конференциях по Радиосвязи (ВКР) и в случае их принятия вносятся в главные мировые документы в области радиосвязи – Международный Регламент Радиосвязи (РР), Международную Таблицу распределения частот (МТРЧ) и другие документы МСЭ [3]. Кстати, МСЭ является старейшей международной организацией в мире: в исходном виде он был создан в 1865 году! Высочайший заслуженный авторитет этой организации позволил практически исключить межгосударственные конфликты в области ЭМС радиосредств и систем около 200 государств мира, входящих в МСЭ.

Радиоволнам каждого диапазона присвоены названия, характеризующие их по частоте (f)или по длине волны (. Поскольку = C, где С – скорость света (300 тыс.км/с), то С/f. Если частоту (f) выражать в МГц, а длину волны ( в метрах, получим возможность быстрого устного пересчеста в f(МГц) и наоборот по формулам: (м) = 300 / f (МГц) или (см) = 30 / f (ГГц) (1.1)

Таким образом, величине = 1м соответствует f = 300МГц; = 300м соответствует f = 1МГц; = 1 cм соответствует f = 30МГц. Отсюда легко найти, например, диапазон дециметровых волн: = 1м…0,1м.; f = 300…3000 МГц. Таблица частотных диапазонов со всеми вариантами их наименований приведена в Приложении 1.

На начальном этапе развития радиотехники понятие электромагнитной совместимости подразумевало преимущественно правильный выбор частотного диапазона для данной совокупности РЭС. В настоящее время Международная Электротехническая Комиссия определяет ЭМС как способность оборудования или системы удовлетворительно работать в данной электромагнитной обстановке без внесения в нее какого-либо недопустимого электромагнитного возмущения. Таким образом, область применения понятия ЭМС существенно шире по сравнению с областью радиосистем различного назначения[1].

Следует иметь в виду, что специалисты по ЭМС могут занимаются разными аспектами ЭМС: один – вопросами ЭМС систем и сетей радиосвязи и радиовещания, в которых взаимодействующие РЭС разнесены на большие расстояния, измеряемые километрами (назовем это направлением “макроЭМС”), второй – проблемами ЭМС РЭС, находящихся в одном помещении (назовем это направлением “миниЭМС”), а третьего интересуют взаимные злектромагнитные влияния отдельных каскадов и даже их элементов внутри одного РЭС (назовем это направлением “микроЭМС”)!

Ниже основное внимание будет уделяться вопросам злектромагнитной совместимости РЭС, входящих в состав систем и сетей радиосвязи, а также обособленных РЭС, достаточно удаленных друг от друга (т.е. вопросам “макроЭМС”). Лишь в малой степени будут рассмотрены вопросы “миниЭМС”.

При этом под термином “радиосвязь” будем подразумевать использование любых систем передачи и приема (или только приема либо передачи) полезной информации посредством использования излучаемых радиоволн.

В [1] все такие системы распределены по более чем 40 группам, называемых радиослужбами. Радиослужбы отличаются типами передаваемой информации (например, звук или изображение), методами ее доставки пользователю (например, наземные или спутниковые), степенью подвижности источников и потребителей информации (например, фиксированные и подвижные), количеством потребителей данного сообщения (например, конечное количество определенных потребителей или радиотелевещание) и многими другими чертами (например, морские, воздушные, сухопутные, исследования ресурсов Земли и т.д.).

Ниже не будут рассматриваться cистемы радиопротиводействия, служащие для создания эффективных умышленных помех радиосистемам некоего противника. Такие системы могут быть названы “системами обеспечения анти-ЭМС радиосистем и сетей противника”.

Если миллионы одновременно работающих на Земле РЭС и систем радиосвязи, отличающихся географическим положением, назначением, мощностью передатчиков, характеристиками антенных и радиоприемных устройств, используемыми полосами частот, видами модуляции, кодирования, поляризации и др., уподобить музыкантам колоссального радиооркестра Земли, то автором исполняемой партитуры будет уместно назвать Теорию ЭМС, а дирижером этого оркестра – МСЭ, осуществляющий управление использованием радиочастотного спектра на базе точного исполнения на практике всех требований Теории ЭМС!

1.2 Непреднамеренные помехи и каналы их проникновения в радиоприемное устройство вместе с полезным сигналом

1.2.1 Непреднамеренные помехи и их классификация

Все помехи радиоприему можно разделить на помехи естественного и искусственного происхождения, а также на преднамеренные и непреднамеренные, внутрисистемные и межсистемные. Помехи искусственного происхождения возникают в процессе человеческой деятельности и могут быть как преднамеренными, так и непреднамеренными. Помехи естественного происхождения не связаны с процессами жизнедеятельности человека, существуют независимо от них и, следовательно, являются непреднамеренными.

Таким образом, к непреднамеренным помехам относятся помехи радиоприему естественного и искусственного происхождения, которые не создаются специально.

К естественным источникам непреднамеренных помех относятся атмосферные помехи, шум неба, электромагнитное излучение Солнца и других естественных космических объектов, электростатические помехи, возникающие вследствие электризации различных элементов конструкции объекта, на котором установлено РЭС (например, летательного аппарата) и др. При этом естественные помехи на частотах ниже 10 кГц имеют преимущественно атмосферное происхождение. Их причиной являются электрические и магнитные бури в низких широтах, распространяющиеся вокруг Земли по “волноводу” между ионосферой и поверхностью Земли. Причиной космического шума являются излучения галактик и Солнца. Его уровень значительно уменьшается на частотах ниже 10 МГц из-за поглощающих свойств земной атмосферы и отражений от верхней внешней границы ионосферы. На частотах ниже 300 МГц уровни искусственных и естественных помех обычно оказываются выше уровня собственных шумов приемника.

К искусственным источникам непреднамеренных помех прежде всего относятся другие РЭС, различные промышленные, научные, бытовые и медицинские электроустановки и высокочастотные устройства, системы зажигания двигателей. В связи с увеличением числа одновременно работающих РЭС и ростом их энергетических характеристик непреднамеренные помехи, создаваемые другими РЭС, в большинстве случаев становятся преобладающими. Это обусловливает необходимость углубленного изучения влияния непреднамеренных помех именно этой группы источников. При этом прежде всего следует анализировать типовой случай излучения и приема сигналов через антенны, хотя возможны случаи проникновения помех и помимо антенн. Характерной особенностью непреднамеренных помех является многообразие каналов их формирования. В этом аспекте рассматриваются основной и неосновной каналы излучения. Неосновное излучение лежит за пределами отводимого для основного (рабочего) излучения участка радиочастотного спектра. При этом необходимо различать неосновное внеполосное излучение, спектр которого примыкает к частотам основного излучения, и неосновное побочное излучение на гармониках, субгармониках, комбинационных и интермодуляционных частотах, которые удалены по частоте от частот основного излучения.

Подобно частотным признакам помех можно говорить и о неосновных пространственных каналах излучения, в частности об излучении по боковым и заднему лепесткам ДН антенны. Также следует учитывать поляризационные свойства помех, которые могут отличаться от поляризационных свойств полезного сигнала.

Изучение влияния непреднамеренных помех, создаваемых другими РЭС, на качество приема радиосигналов являетсяглавной задачей курса теории ЭМС радиоэлектронных средств и систем.

Характеристики радиопередающих устройств, к которым предъявляются определенные требования с точки зрения обеспечения ЭМС радиосредств, рассмотрены в Приложении “Требования к РПДУ по ЭМС”.