Расчет развязки между близко расположенными антеннами

Под близко расположенными антеннами понимаются антенны, находящиеся по отношению друг к другу в ближней зоне, при этом взаимное влияние между ними учитывается специальным параметром – развязкой. Развязка между антеннами (γ) характеризуется отношением мощности, принимаемой одной из антенн к мощности, излучаемой другой антенной. В общем случае расчет развязки между ними должен выполняться на основе электродинамического анализа антенн, т.е. путем решения электродинамической задачи определения токов, протекающих по всем проводникам антенн. Разработано большое количество численных методов анализа, требующих значительных вычислительных затрат [бузов_сподобаев; выч мет в эл-дин]. В [1] рассмотрен “метод наведенных ЭДС”, позволяющий обойтись небольшими объемами вычислений. Там же дана инженерная методика оценивания развязки между антеннами диапазонов ОВЧ и УВЧ (м и дм волн).

 

11.8 Методы обеспечения ЭМС РЭС, расположенных на одном объекте

В предыдущем разделе были рассмотрены основные методы анализа ЭМС, расположенных на одном объекте. Рассмотрим теперь методы решения проблемы обеспечения ЭМС РЭС, расположенных на одном объекте. Важность этой проблемы обусловлена тем, что на многих объектах на относительно небольшом расстоянии расположено несколько приемопередающих антенн, что приводит к взаимному влиянию РЭС друг на друга.

Методы обеспечения внутриобъектовой ЭМС

Для обеспечения внутриобъектовой ЭМС РЭС используют следующие принципы разделения сигналов РЭС: частотное, временное и пространственное.

Частотное разделение сигналов РЭС предполагает использование таких правил назначения частот, которые исключали бы работу РЭС на совпадающих частотах, а также возможность попадания основных, внеполосных и побочных излучений РПД в основные, соседние и побочные каналы приема РПМ РЭС объекта. В случае невозможности подбора таких частот возможно использование временного разнесения излучений РЭС. В этом случае работа некоторых РЭС осуществляется в различные не перекрывающиеся интервалы времени.

Можно уменьшить помехи, обусловленные внеполосными и побочными излучениями РПД, а также помехи по побочным каналам приема, применяя на выходе РПД дополнительные специальные фильтры, уменьшающие уровень излучения за пределами основной полосы частот. Другой метод состоит в повышении развязки между антеннами, расположенными на одном объекте и их фидерными трактами. Кроме того, для обеспечения внутриобъектовой ЭМС могут использоваться специальные электромагнитные экраны, устраняющие или значительно затрудняющие проникновение помех от одной антенны к другой.

Выбор частот для дополнительных РЭС на объекте

Одним из важных мероприятий при размещении дополнительного РЭС на действующем объекте является выбор таких частот приема и передачи, при которых обеспечивается совместное функционирование РЭС при допустимо малом уровне непреднамеренных взаимных помех. При этом должны быть учтены все возможные варианты проникновения помех различного типа на вход РПМ (за счет различных излучений РПД и различных каналов приема РПМ). Для определения таких частот необходимо провести частотный анализ и расчет энергетических параметров помеховых сигналов, что было рассмотрено в разделах 11.3 и 11.4. Так, например, анализ показывает, что для выбора 8 равноотстоящих по частоте каналов, свободных от помех интермодуляции 3-го порядка, минимальное число каналов должно быть равно 40. Имея одну исходную группу из таких восьми каналов, можно образовать множество сходных групп, прибавляя к каждому каналу исходной группы любое, но одно и то же целое число.

Технические методы уменьшения помех в комплексе РЭС объекта

Уменьшение взаимных помех при совместной работе нескольких РЭС на одном объекте достигается в основном путем улучшения параметров РПД и РПМ, определяющих их ЭМС (защищенность от помех по цепям питания и управления, внеполосные и побочные излучения РПД, побочные каналы приема РПМ), а также улучшением развязки между антеннами и фидерными трактами этих РЭС. Для этого используют дополнительные фильтры в цепях питания и управления, фильтры на выходах РПД и входах РПМ, ферритовые циркуляторы в фидерных трактах многоканальных РПД, а также различные дополнительные экраны.

Для подавления побочных излучений РПД используют различные типы СВЧ фильтров: отражающие (несогласованные с СВЧ трактом вне полосы пропускания) и поглощающие (согласованные во всей используемой полосе частот). К ним предъявляются достаточно высокие требования по согласованию с фидерным трактом и вносимым потерям (не более нескольких десятых долей дБ). Варианты возможной реализации таких фильтров таковы:

В многоканальных системах для уменьшения интермодуляционных помех, возникающих на нелинейностях выходных каскадов передатчиков, используют ферритовые циркуляторы, пропускающие с малыми потерями сигнал передатчика в антенну и препятствующие прохождению его на выходы других РПД многоканальной системы. Кроме уменьшения уровня интермодуляционных помех использование циркуляторов повышает надежность работы РПД, так как при этом РПД гарантированно отлично согласован с антенной ввиду поглощения циркулятором волн, отраженных от недостаточно согласованной нагрузки – антенны. Снижение восприимчивости приемника к помехам по побочным каналам приема решается на схемотехническом уровне, а к прямым наводкам на входы УПЧ и УНЧ – дополнительным экранированием этих касРкадов или приемника в целом.

Методы повышения развязки между антеннами РЭС.

Развязка между антеннами характеризуется отношением мощности, принимаемой одной из антенн, к мощности, излучаемой другой антенной. Для повышения развязки целесообразно использование следующих основных методов: - оптимальное взаимное расположение антенн на приемо-передающих радиотехнических объектах; - применение поляризационного разнесения между антеннами при их близком расположении по отношению друг к другу; - учет направленных свойств антенн и влияния на них металлических конструкций антенных опор; - использование экранирующих свойств элементов металлической конструкции опор; - использование дополнительных экранирующих структур.

Общая для нескольких антенн металлическая антенная опора влияет как на характеристики каждой антенны, так и на характеристики развязки между антеннами. Реальных ситуаций взаимного расположения антенн на общей опоре может быть очень много. Решать электродинамическую задачу для каждого частного случая весьма обременительно. Однако, имеет смысл произвести точные расчеты для небольшого количества типовых задач, результатами решений которых можно воспользоваться для реальных ситуаций. В [1,2] проведен анализ трех типовых задач такого рода:

1/ два вертикальных симметричных вибратора, разнесенных по горизонтали; 2/ два вертикальных симметричных вибратора, разнесенных по вертикали; 3/ два горизонтальных симметричных вибратора, разнесенных по вертикали

Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3

Рис. 11.1 Типовые варианты взаимного расположения антенн на общей опоре

На рисунке 11.2 приведен результат расчета развязки для варианта 1 в случае симметричных полуволновых вертикальных вибраторов в зависимости от относительной длины опоры L/ в случае, когда высоты центров вибраторов и опоры одинаковы, а геометрические соотношения указаны на самом рисунке. Расчет выполнялся по методу, изложенному в [1]. Как следует из рис.11.2, влияние металлических конструкций опоры на развязку между антеннами в данном варианте взаимного расположения антенн достаточно велико. При относительно малой длине металлоконструкции развязка уменьшается, затем (вблизи резонансного значения относительной длины L/ =0,5 резко увеличивается, после чего монотонно уменьшается, стремясь к предельным значениям. При этом максимальное значение развязки относительно слабо зависит от расстояния R между вибраторами, немного превышая 29 дБ.

Рис. 1.2 Результаты расчета развязки симметричных полуволновых вертикальных вибраторов в зависимости от относительной длины опоры L/

В случае расположения антенн на высокой металлической вертикальной мачте развязка в рассматриваемом случае будет определяться асимптотическим значением при больших значениях L/ . Например, в случае мачты (или иного вертикального проводящего элемента) круглого сечения диаметром 0,015 и расстоянии между вибраторами 0,625 это асимптотическое значение будет равно 24,3 дБ. При вдвое большем расстоянии (1,25 27,5 дБ, что естественно само по себе ввиду большей удаленности антенн. Увеличение диаметра проводящего элемента приводит к небольшому возрастанию асимптотического значения развязки при возрастании L/

Таким образом, при наличии ограничений на пространственное разнесение вибраторных антенн можно увеличить их развязку за счет использования специальных пассивных проводящих элементов, оптимальный размер которых примерно равен линейному размеру вибратора. Чрезмерное увеличение длины проводящего элемента может уменьшить развязку по сравнению с максимальным значением. Чтобы не допускать этого при уже существующих больших размерах рассматривамых элементов используют искусственное их “электрическое рассечение” в нужных местах с помощью установки “металлических изоляторов” по высокой частоте типа «четвертьволновый стакан», представляющих собой закороченные на конце отрезки длинных линий длиной [1].

Пример: Пусть, например, требуется увеличить развязку двух вертикальных вибраторов, работающих в диапазоне = 5м (вариант 1 на рис. 11.1). Длина каждого вертикального полуволнового вибратора составит примерно 2,5 м. для получения наибольшей развязки вибраторы по возможности следует разнести по горизонтали на расстояние 2,5 м и в середине между ними разместить вертикально металлический элемент с поперечным диаметром (или иным габаритом) порядка 0,015 = 0,015*5 = 0,075 м = 7, 5 cм. При этом следует ожидать развязки между вибраторами немного меньше 29 дБ. Увеличение диаметра элемента развязки несущественно влияет на величину развязки.

Помимо варианта 1 на рис. 11.1 возможен вариант 2 разнесения вертикальных вибраторов по вертикали (если высота помещения это позволяет). Такой вариант разнесения антенн весьма часто встречается на практике – например, при размещении группы антенн на общей вертикальной опоре или на “поясе” башни c разнесением антенн по высоте.

На практике часто встречается и вариант 3 -- два горизонтальных симметричных вибратора, разнесенных по вертикали. Его применение особенно оправдано при ограниченной высоте помещения, в котором расположены РЭС. В этом случае исследуется влияние на развязку горизонтальных вибраторов вертикального элемента их крепления при его смещении по горизонтали относительно плоскости симметрии взаимодействующих гоизонтальных вибраторов.

Методы обеспечения ЭМС при помощи электромагнитных экранов

Обычно при конструировании РЭС удается обеспечить эффективность экранирования их узлов и элементов, достаточную для выполнения требований к уровню паразитных излучений РЭС и/или его восприимчивости к помехам.

Однако в условиях повышенной концентрации взаимовлияющих РЭС для обеспечения ЭМС приходится прибегать к дополнительным средствам, одним из которых является применение электромагнитных экранов. Электромагнитные экраны позволяют защитить оборудование от воздействия внешних электромагнитных полей или локализовать излучение каких-либо РЭС. Эффективность экранирования определяется степенью ослабления электрической или магнитной составляющей ЭМП, которая количественно описывается коэффициентом экранирования:

, (11.12)

где К_Е, К_Н, и К_П - коэффициенты экранирования по электрическому, магнитному полям и плотности потока мощности, соответственно;

Е0 и Н0 – напряженность электрического и магнитного полей в данной точке пространства без экрана; Е1 и Н1 – напряженность электрического и магнитного полей в данной точке пространства при наличии экрана.

Наиболее общим является электромагнитное экранирование, обеспечивающее защиту от переменных электромагнитных полей. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что форма экрана незначительно влияет на его эффективность. Главными факторами, определяющими качество экрана, являются проводимость металла и конструктивные особенности. Для электрически толстых экранов (толщина металла у которых существенно превышает толщину скин-слоя) коэффициент экранирования по плотности потока мощности определяется выражением:

КП = Косл·d, дБ, (11.13)

где d – толщина экрана, мм;

Косл – коэффициент ослабления ЭМВ в экране, дБ/мм. Для различных металлов и частот его можно определить из таблицы 11.Пр. 3.

 

Таблица 11.Пр. 3.

Коэффициент ослабления ЭМВ в экране, дБ/мм

Частота, МГц	Металл
Сталь	Медь	Алюминий	Цинк	Латунь
0,1	47,6	32,3	29,5	26,4	25,6
0,3	52,0	37,1	34,3	31,2	26,8
1,0	56,5	42,3	39,5	37,5	35,6
3,0	60,8	47,2	44,1	40,8	40,0
10,0	65,6	52,3	49,5	46,4	45,6
30,0	69,5	57,1	54,3	51,1	50,4
100,0	75,6	62,3	59,5	56,3	55,6
300,0	77,4	67,6	64,1	60,8	60,0
1000,0	81,6	72,3	69,5	66,4	65,6

 

Детальное современное рассмотрение комплексных вопросов обеспечения ЭМС на объекте дано в [ СОНИИР ]