Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств (ЭМС РЭС)
Способность радиоэлектронного средства (РЭС) функционировать в реальных условиях эксплуатации с требуемым качеством при воздействии на него непреднамеренных помех, не создавая при этом радиопомех другим РЭС группировки войск. Проблема ЭМС, прежде всего, с особенностями функционирования РЭС, в состав которых, как правило, входят три основных элемента – радиопередающее, радиоприемное и антенно-фидерное устройства. При этом радиопередающее устройство предназначено для генерирования, модуляции и усиления токов высокой частоты, радиоприемное устройство – для селекции, преобразования, усиления и детектирования электрических сигналов, а антенно-фидерное устройство – для излучения и селекции электромагнитных колебаний радиодиапазона, а также их преобразования в электрические токи.
Каждый из названных элементов РЭС по-своему влияет на ЭМС. Радиопередающее устройство, являющееся источником радиоизлучений, характеризуется следующими параметрами: частота, ширина спектра, мощность, вид модуляции. В структуре излучения радиопередающего устройства выделяют следующие виды излучений: основное, внеполосное и побочное.
С учетом выделенных видов излучения основными параметрами радиопередающих устройств, влияющими на ЭМС, являются: мощность основного излучения, ширина спектра основного излучения, несущая частота (центральная частота спектра основного излучения), диапазон рабочих частот, стабильность передатчика, частоты (ширины полосы частот) и уровни внеполосных и побочных излучений и др.
Вклад радиоприемного устройства в проблему ЭМС РЭС определяется наличием различных каналов приема, как сигналов, так и помех.
Выделяют основной канал приема (минимальная полоса частот, в которой возможно обеспечить качественный (достоверный) прием сообщения с требуемой скоростью) и неосновные каналы приема, которые в свою очередь делятся на соседние (полосы частот, равные основному каналу и непосредственно примыкающие к его нижней и верхней границам) и побочные (полоса частот за пределами основного канала приема, находясь в которой сигнал или помеха проходят на выход радиоприемника). Наличие неосновных каналов приема определяется не только параметрами элементной базы приемного тракта, но и принципами построения радиоприемного устройства.
Из побочных каналов приема наиболее известен так называемый зеркальный канал. Данный канал приема является обязательной принадлежностью супергетеродинных приемников. Отличительной особенностью зеркального канала приема является одинаковая с основным каналом приема чувствительность.
Основными параметрами радиоприемного устройства, влияющими на ЭМС, являются: чувствительность, диапазон рабочих частот, ширина полосы пропускания, значение промежуточной частоты, избирательность, величина ослабления по зеркальному каналу и др.
Рассматривая антенно-фидерное устройство с точки зрения их влияния на ЭМС, отметим, что оно решает задачи пространственной, поляризационной и в определенной мере частотной селекции радиоволн. При этом пространственная селекция осуществляется благодаря направленным свойствам большинства типов антенн, которые характеризуются зависимостью уровня излучаемого или принимаемого излучения от направления. Эта зависимость называется диаграммой направленности. Как правило, диаграмма направленности имеет основной и боковые лепестки излучения (приема).
Возможности антенных систем по поляризационной селекции определяются ее типом, например, штыревая антенна формирует (принимает) электромагнитное колебание с вертикальной поляризацией, спиральная – с круговой.
Частотная селекция антенн определяется зависимостью ее параметров от частоты излучаемых или преобразуемых радиоизлучений. Параметрами антенно-фидерных устройств, влияющими на ЭМС являются: ширина диаграммы направленности, уровень боковых лепестков, рабочий диапазон и др. Необходимо отметить, что многие из названных параметров составляют тактико-технические характеристики радиопередающего, радиоприемного и антенно-фидерного устройств.
Таким образом, даже одно РЭС обладает большим количеством параметров и характеристик, определяющих его ЭМС, а обеспечить нормальное совместное функционирование десятков различных РЭС на одном объекте или сотен и тысяч РЭС в группировке войск является серьезной задачей.
Принципы построения и использования методик оценки анализа электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств 2. Анализ электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств
Одновременная работа множества радиоэлектронных средств (РЭС) всегда сопровождается появлением непреднамеренных помех между ними. При соответствующей организации работы РЭС влияние этих помех может быть сведено к минимуму, и они не будут оказывать практически значимого влияния на качество работы РЭС. Если условия, обеспечивающие требуемое качество работы РЭС, выполняются, то говорят, что имеет место электромагнитная совместимость РЭС.
Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств — способность радиоэлектронных средств одновременно функционировать в реальных условиях эксплуатации с требуемым качеством при воздействии на них непреднамеренных помех и не создавать недопустимых радиопомех другим радиоэлектронным средствам.
Оценка ЭМС РЭС лежит в основе расчета кривых и норм частотно- территориального разноса РЭС, анализа и корректировки частотно- территориальных планов РЭС.
2.1. Принципы построения и использования методик оценки ЭМС
Проблема электромагнитной совместимости (ЭМС) возникает тогда и только тогда, когда имеются источник помехи, рецептор помехи и путь, по которому помеха поступает от источника к рецептору. Эти элементы лежат в основе построения методик оценки ЭМС.
В основе подавляющего большинства алгоритмов анализа ЭМС, используемых в настоящее время на практике, лежит структурная схема, представленная на рис. 2.1.
Ис і очник помехи
Персі а г чи к
исрсіаїчнка
UpwvpaiKfBn распространения
АФТ — антенно-фидерный тракт (передатчика и приемника соответственно) Рт — мощность, подводимая к антенне передатчика
!(/) — уровень помехи на входе РПУ
Рис. 2.1. Алгоритм анализа ЭМС
При анализе ЭМС РЭС источником помех во всех случаях, кроме случая анализа интермодуляционных продуктов (ИМП), выступает одиночный передатчик, как это показано на рис. 2.1. При исследовании ИМП источниками помех являются совокупности передатчиков, образующих соответствующий интермодуляционный продукт. Рецептором электромагнитной помехи является радиоприемное устройство (РПУ).
Для каждого приемника исследуемой совокупности РЭС осуществляется перебор возможных источников помех и выполняется оценка влияния их излучений на качество работы системы, в состав которой входит выделенный приемник.
Оценка совместимости производится на основе выбранных критериев оценки ЭМС, которые могут носить общий характер, не связанный с конкретным назначением РЭС, либо быть связаны как с функциональным назначением РЭС, так и с видом эффектов (линейных или нелинейных), которые вызывает помеха в приемнике.
Основная область использования методик оценки ЭМС — анализ частотно-территориальных планов и подготовка некоторых исходных данных для их разработки. Последнее относится к разработке норм частотно-территориального разноса РЭС одинакового или разного функционального назначения. Анализ внутрисетевой и межсистемной ЭМС позволяет выявлять возможные источники помех и, исходя из имеющихся ресурсов (пространственных и частотных), предлагать варианты их модернизации, при которых обеспечиваются требования ЭМС. При этом часто (с целью сокращения времени анализа) анализ ЭМС проводится в несколько этапов, начиная с ситуации «наихудшего» случая и постепенно приближаясь к реальной ситуации.
Анализ ЭМС, построенный на основе схемы (рис. 2.1), включает в себя следующие основные шаги:
- 1) расчет уровня помех на входе радиоприемного устройства (РПУ);
- 2) расчет коэффициента частотной коррекции и коррекция уровня помехи, приведенного к входу приемника в полосе его пропускания, для линейных каналов приема;
- 3) оценка нелинейных эффектов в РПУ;
- 4) оценка ЭМС.
Для выполнения описанной процедуры необходимо располагать математическими моделями элементов, представленных на рис. 2.1.
- 2.2. Характеристики и параметры радиоэлектронных средств, влияющих на ЭМС
- 2.2.1. Радиопередающие устройства’ В задачах анализа ЭМС математической моделью радиопередатчика (РПД) является совокупность математических описаний его излучений. Виды излучений, которые могут иметь место у радиопередатчиков, представлены в табл. 2.1.
Одиночный передатчик
Градации видов излучения
Совокупность передатчиков
Все излучения передатчиков принято делить на желательные излучения и нежелательные излучения. В категорию желательных излучений попадает основное излучение. Остальные излучения, присущие передатчикам, принадлежат к категории нежелательных излучений.
В число нежелательных радиоизлучений включают помимо излучений через антенну также радиоизлучения радиоэлектронного средства, обусловленные индустриальными помехами РЭС и его составных частей.
Нежелательные излучения, излучаемые радиопередатчиками через антенну, делятся на внеполосные и побочные радиоизлучения.
Внеполосные радиоизлучения состоят из сигнальных и шумовых.
Сигнальные внеполосные излучения обусловлены модуляцией несущей частоты информационным сигналом, а шумовые — собственными шумами элементов радиопередатчика и модуляцией этими шумами генерируемых колебаний.
Если рассматривать указанные излучения с энергетической точки зрения, то наиболее мощным среди представленных излучений является, конечно, основное излучение, за которым следуют излучения на гармониках. Другие виды побочных излучений присутствуют не у всех передатчиков, и их уровни, так же как уровни внеполосных излучений, ниже.
В совокупностях близко расположенных передатчиков или передатчиков, работающих на одну антенну, возникает еще один вид побочных радиоизлучений — интермодуляционные излучения. Уровни интермодуляционных излучений зависят от многих факторов, включая уровни мощности основных излучений взаимодействующих передатчиков, коэффициенты связи между антеннами, характеристики частотной избирательности выходных фильтров и т. п.
2.2.2. Радиоприемные устройства. Математическая модель радиоприемного устройства (РПУ) представляет собой совокупность математических описаний каналов приема помех и нелинейных явлений, которые могут иметь место в радиоприемных устройствах при попадании на входы мощных мешающих сигналов. В некоторых ситуациях РПУ выступает как источник помех излучения на частотах гетеродинов, входящих в его состав. В табл. 2.2 представлены виды каналов приема, характерные для супергетеродинных радиоприемников, виды возможных нелинейных эффектов в радиоприемных устройствах, и излучения РПУ, которые могут создавать помехи расположенным поблизости радиоэлектронным средствам.
Виды каналов приема
Виды каналов приема РПУ
Градации видов каналов приема и нелинейных эффектов в РПУ
Основной канал приема
Соседние каналы приема
1 -й, 2-й . п-й соседний канал
Побочные каналы приема
На промежуточных частотах
Субгармонические (частот настройки, зеркального канала и т. п.)
Излучения гетеродинов приемника
К каналам приема, которые обычно учитываются в методиках оценки ЭМС, относятся основной канал приема (ОКП), соседние каналы приема (СКП) и побочные каналы приема (ПКП).
К нелинейным явлениям, которые могут возникать в РПУ в результате действия помех по СКП, относятся блокирование, интермодуляция и перекрестные искажения. Следует сразу отметить, что когда речь идет о перечисленных нелинейных явлениях всегда подразумевается, что частоты мешающих сигналов не лежат в полосах пропускания ОКП или ПКП.
При блокировании РПУ помеха на выход приемника не проходит, однако на выходе изменяется отношение сигнал/шум, либо вследствие уменьшения уровня полезного сигнала, либо вследствие увеличения уровня шума.
Уменьшение уровня полезного сигнала является следствием снижения коэффициента усиления тракта УВЧ при действии мощной помехи. Увеличение уровня шума обусловлено эффектом переноса шумов гетеродина при блокировании помехой смесителя.
Явление интермодуляции заключается в образовании новых частот на нелинейных элементах аппаратуры. Новые частоты представляют собой линейную комбинацию частот сигналов, поступающих на нелинейный элемент, и могут возникать как в радиопередатчиках, так и в радиоприемных устройствах.
В общем случае при взаимодействии на нелинейном элементе к частот интермодуляционные частоты связаны с образующими их исходными частотами выражением вида
J инт 1 1 J 1 2«’2 k J к 1 ’
где fumi — интермодуляционная частота; тк — целые положительные или отрицательные числа;/р частоты сигналов, поступающих на нелинейный элемент.
Сумма видаМ= (mJ + . +|mj называется порядком интермодуляции.
Некоторые из интермодуляционных частот могут попасть в полосу пропускания приемника и существенно снизить качество приема полезного сигнала.
Обычно с понижением порядка интермодуляции уровень интермодуляционных продуктов (ИМП) растет. На практике наибольшую опасность представляют двухсигнальные ИМП нечетного порядка вида
где fUHm — частота ИМП; / , / — частоты сигналов, образующих ИМП; п —целое положительное число.
На практике встречаются высокие уровни трехсигнальной интермодуляции третьего порядка вида
Более того, при прочих равных условиях уровень трехсигнальной интермодуляции третьего порядка теоретически выше уровня двухсигнальной интермодуляции того же порядка. Однако расстановка частот, необходимая для образования трехсигнального ИМП, и наличие избирательности по частоте в РПУ приводят к тому, что высокие уровни трехсигнальных ИМП встречаются на практике реже, чем двухсигнальных.
Одним из параметров, характеризующих РПУ по нелинейным эффектам, является уровень восприимчивости РПУ к соответствующему эффекту.
За уровень восприимчивости РПУ к нелинейному эффекту принимают минимальный уровень радиопомехи (для интермодуляции — двух одинаковых по значению радиопомех) на входе РПУ, при котором нелинейные искажения, связанные с эффектом, имеют заданное значение.
Нелинейные искажения характеризуются соответствующими коэффициентами. В качестве коэффициента нелинейных искажений при блокировании используется коэффициент блокирования, при интермодуляции — коэффициент интермодуляции, при перекрестных искажениях — коэффициент перекрестных искажений.
Для эффектов интермодуляции и перекрестных искажений соответствующие им коэффициенты определены как отношение откликов, возникающих на выходе РПУ в результате соответствующего нелинейного эффекта, к заданным откликам на полезный сигнал.
Возможность появления нелинейного эффекта в РПУ определяется динамическим диапазоном и характеристикой избирательности РПУ по соответствующему нелинейному эффекту.
Зависимость уровня восприимчивости РПУ к соответствующему нелинейному эффекту от частоты испытательного сигнала (для интермодуляции от частоты испытательного сигнала, ближайшего к частоте настройки испытуемого РПУ) представляет характеристику частотной избирательности радиоприемного устройства по соответствующему нелинейному эффекту.
Под динамическим диапазоном приемника по нелинейному эффекту понимают отношение уровня восприимчивости к соответствующему нелинейному эффекту к чувствительности радиоприемного устройства.
Если на оси ординат характеристик частотной избирательности РПУ по нелинейным эффектам отложить отношение уровня восприимчивости к нелинейному эффекту к чувствительности РПУ, то эти характеристики будут отражать изменение динамического диапазона РПУ по соответствующему нелинейному эффекту в зависимости от частоты помехи. Для характеристики линейных свойств приемной и усилительной аппаратуры, особенно зарубежной, используются еще два параметра — точка компрессии 1 дБ и точка пересечения интермодуляции. Последняя чаще именуется просто как точка пересечения. Эти понятия иллюстрирует рис. 2.2.
Рис. 2.2. Точка компрессии 1 дБ и точка пересечения т-ого порядка
Точка компрессии 1 дБ определяет уровень входного сигнала, при котором усиление рассматриваемого прибора снижается на 1 дБ по сравнению с усилением в линейном режиме работы. Вообще-то эта точка определяет верхнюю границу динамического диапазона приемника по О КП. Однако часто она рассматривается как точка насыщения приемника. Считается, что при превышении помехой этого уровня начинается эффект блокирования УВЧ приемника. В общем случае эффект блокирования проявляется только при наличии на входе РПУ как полезного, так и мешающего сигналов и зависит не только от уровня помехи, но и от уровня полезного сигнала.
Чтобы получить представление о точке пересечения, воспользуемся несколькими известными соотношениями. Связь между уровнями сигналов на входе Рвх и выходе Рвых линейного усилительного прибора дает соотношение
вых вх ’ V 7
где G — коэффициент усиления прибора, дБ.
Здесь Рвх и Р»Ых выражены в децибельной форме, например, в дБм.
Если в приборе имеет место интермодуляция m-го порядка вида
гдеf^f- частоты сигналов, образующих интермодуляционную частотуД,, а суммарный уровень сигналов на этих частотах, соответственно Р. и Л, не превышают точку компрессии 1дБ, то уровень интермодуляционного продукта, возникающего на нелинейности усилительного прибора на частоте составляет
Р = к-Р + (т — кР — К. , , (2.2)
им.т і 4 7 j к, (т-к) ’ ‘ ‘
где К.к(т к) — коэффициент преобразования сигналов на частотах^ и/ в сигнал на частоте/^.
Соотношение (2.1) показывает, что изменение полезного сигнала на 1дБ на входе усилительного прибора приводит к изменению сигнала на его выходе также на 1дБ. Из соотношения (2.2) следует, что изменение каждого из сигналов, образующих интермодуляционный продукт на 1дБ (в одну сторону), приводит к изменению уровня ИМИ на m дБ (в ту же сторону).
Интермодуляционный отклик на выходе усилительного прибора появляется, когда уровни взаимодействующих сигналов значительно превышают чувствительность прибора PR. Построенные на одном графике прямые (1.2) и (2.2) (последняя строится при условии Р. = Л) , имеют наклоны, соответственно, 1дБ/дБ и m дБ/дБ и пересекаются в точке, называемой точкой пересечения /и-го порядка (см. рис. 2.2).
Различают точки пересечения по входу и по выходу прибора. Точка пересечения по выходу определяет уровень мощности на выходе прибора, который при принятых допущениях о поведении основного и интермодуляционного откликов, является одинаковым для интермодуляционного продукта и сигналов, его образующих. Точка пересечения по входу определяет уровень составляющих на входе прибора, при котором на выходе эти составляющие совпадают по уровню с уровнем образуемого ими ИМП. Эти точки отличаются на коэффициент усиления рассматриваемого прибора в линейном режиме.
Точка пересечения непосредственно не измеряется и получается расчетным путем, но оказывается параметром, удобным для оценки уровня ИМП.
Связь между точкой пересечения 3-го порядка ІРЗ и точкой компрессии 1 дБ, а также между динамическим диапазоном по интермодуляции т-го порядка и точкой пересечения m-го порядка IPm отображают формулы, приведенные на рис. 2.2. Здесь же представлены выражения для вычисления уровней двухсигнальных ИМП «1-го порядка через точку IPm.
Соотношения, связывающие уровни взаимодействующих сигналов с уровнем ИМП и точкой пересечения соответствующего порядка, могут использоваться не только для оценки уровней интермодуляционных продуктов в радиоприемных устройствах, но и для оценки уровней ИМП, возникающих в РПД.
- 2.2.3. Антенные системы. Параметры и характеристики антенных систем, влияющие на ЭМС, включают:
- • диаграммы направленности антенн (ДНА);
- • коэффициенты усиления антенн в области главного и боковых лепестков ДНА;
- • ширину ДНА (обычно на уровне ЗдБ) в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Кроме того, при решении задач ЭМС необходима информация о длине и погонном затухании в антенно-фидерном тракте (АФТ) и коэффициенте стоячей волны по напряжению (КСВН) (или полных потерях в АФТ), а также о поляризационных состояниях поступающих электромагнитных волн и приемных антенн.
На практике в методиках оценки ЭМС чаще используется детерминированное описание ДНА. Обычно известны ДНА в горизонтальной и вертикальной плоскостях. В тоже время в задачах, связанных с анализом ЭМС, особенно, если речь идет об антеннах, имеющих направленность в горизонтальной плоскости, необходимо учитывать трехмерный характер ДНА. Для построения трехмерной диаграммы направленности антенны в области главного лепестка по известным диаграммам в горизонтальной и вертикальной плоскостях используют разные подходы.
Один из них состоит в том, что диаграммы направленности антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях, нормированные относительно максимума, квантуют по уровню. И далее аппроксимируют сечения главного лепестка ДНА эллипсами, в качестве осей которых выбирают значения ширины диаграмм на соответствующем уровне квантования.
Другой подход состоит в допущении, что ДНА может быть представлена произведением вида
G(a,/0=4/«W)’
где G(«, Р) — коэффициент усиления антенны в направлении, определяемом ушами прихода радиоволны (а,/)) относительно направления максимального усиления антенны — нормированные относительно максиму
ма ДНА в горизонтальной и вертикальной плоскостях, соответственно.
В области боковых лепестков усиление антенны аппроксимируют постоянным значением коэффициента усиления (одним или двумя значениями -для передней и задней полусферы ДНА).
Определенную трудность представляет моделирование характеристик антенн за пределами их рабочего диапазона и в ситуациях, когда приемные антенны располагаются в ближней зоне излучений передающих антенн. Последнюю задачу чаще всего решают, определяя коэффициенты связи между антеннами на основании решений уравнений электродинамики.
Оценка потерь в антенно-фидерном тракте производится на основании информации о длине АФТ и потерях на единицу длины кабеля или волновода, используемого в АФТ.
Потери на рассогласование АФТ с соответствующей антенной в рабочем диапазоне частот РПУ и РПД определяются на основании данных о КСВН антенны.
Теоретически ортогональные поляризации обеспечивают полную развязку соответствующих им сигналов. Однако, как показывает та же теория, даже очень небольшое нарушение ортогональности приводит к тому, что ослабление мешающего ортогонального сигнала антенной резко падает и его уровень на нагрузке антенны возрастает. Учитывая, что на практике идеально ортогональных сигналов не существует, в задачах анализа ЭМС ослабление ортогональных сигналов выбирают в пределах 16 — 25 дБ в зависимости от коэффициента усиления антенны.
Существуют определенные ограничения на учет поляризационных характеристик излучений в зависимости от расстояния между взаимодействующими антеннами, частот на которых происходит излучение или прием радиосигналов и направлений излучений (по главному или боковым лепесткам ДНА).
2.3. Оценка потерь в пространстве распространения
В тех случаях, когда приемная антенна находится в зоне ближнего поля передающей антенны, величину потерь в пространстве распространения оценивают, как отмечалось выше, коэффициентом связи между антеннами.
При этом под коэффициентом связи понимают выраженное в децибелах отношение уровня сигнала, подведенного к АФТ передатчика, к уровню сигнала на выходе приемной антенны, нагруженной на входное сопротивление приемника.
Значение коэффициента связи зависит от многих факторов: частоты, геометрии антенн и их относительного расположения, положения элементов конструкции объекта, на котором размещаются антенны, относительно антенн. В некоторых частных случаях можно воспользоваться относительно простыми приближенными выражениями для оценки коэффициентов связи. Однако в большинстве случаев оценка коэффициента связи может быть выполнена только на основе решения уравнений электродинамики, учитывающих факторы, влияющие на величину коэффициентов связи.
В дальней зоне величина потерь на трассе распространения зависит от вида распространения и характера местности, над которой происходит распространение. Основными видами распространения являются: распространение прямой волной, распространение земной волной, тропосферное распространение, ионосферное распространение, волноводное распространение и явление дифракции.
Модели, используемые для оценки потерь на трассах распространения, делят на статистические и детерминистские.
Статистические модели носят теоретико-эмпирический характер. Их получают на основании обработки большого объема экспериментальных измерений. Ряд статистических моделей требует информации об усредненных характеристиках трассы распространения или местности, над которой распространяется электромагнитная волна. Для получения такой информации могут быть использованы цифровые карты местности.
Детерминистские модели основаны на учете влияния рельефа местности и препятствий на каждом конкретном направлении распространения электромагнитной волны и местных условий в точке приема. При определении потерь на трассе распространения и напряженности поля в интересующих точках территории во внимание принимается путь лучей, приходящих от передатчика в эти точки. При использовании таких моделей информация о рельефе местности вдоль трассы распространения радиосигнала и применение цифровых карт местности становятся обязательными условиями.
Большинство моделей, используемых для оценки потерь на трассах распространения, являются статистическими. Детерминистские модели используются, в основном, для оценки потерь на дифракцию.
Особое место среди моделей занимает модель оценки потерь в свободном пространстве. Эта модель является теоретической. Модель оценки потерь в свободном пространстве может быть использована для решения практических задач, если влияние окружения на характер распространения радиоволн не существенно. Кроме того, поскольку медианные потери для условий распространения, отличных от свободного пространства, не могут быть меньше потерь в свободном пространстве, то эта модель служит критерием применимости других моделей в конкретных ситуациях.
Вопросам оценки потерь на трассах распространения уделяется большое внимание в документах Международного Союза Электросвязи (МСЭ). В настоящее время имеется порядка 80 рекомендаций МСЭ, связанных с расчетами потерь для различных условий распространения. Среди рекомендаций можно выделить рекомендации, в которых представлены расчетные формулы для оценки медианных базовых потерь при распространении радиоволн, а также рекомендации, содержащие графики изменения напряженности поля в зависимости от расстояния при определенных условиях излучения. Графики получены либо расчетным путем, либо посредством обработки результатов натурных измерений.
В число рекомендаций, предоставляющих графический материал, входят достаточно широко используемые рекомендации МСЭ-Р 368 и 370. Эти рекомендации содержат наборы семейств параметрических кривых, отображающих зависимость напряженности поля от расстояния при эффективной излучаемой мощности 1 кВт.
Кривые, приведенные в рек. 368, получены расчетным путем для гладкой однородной сферической Земли и эталонной атмосферы. Излучающим элементом является короткий вертикальный несимметричный вибратор, а передающая и приемная антенны находятся на поверхности земли. Кривые представлены параметрическими семействами. Параметром кривых является частота излучаемого сигнала, а параметрами семейств вид поверхности, над которой происходит распространение радиоволн (водная поверхность, земля), и значения электрических характеристик поверхности — удельной проводимости а и диэлектрической проницаемости є. Кривые позволяют получить значение вертикальной составляющей напряженности поля при распространении электромагнитных колебаний земной волной в диапазоне частот от 10 кГц до 30 МГц.
Кривые, представленные в рек. 370, построены на основании экспериментальных исследований за несколько лет, главным образом в зонах с умеренным климатом, до расстояний более 500 км. Излучающим элементом является симметричный полуволновой диполь.
Минимальное расстояние, с которого начинаются кривые, равно 10 км. Кривые представляют значения напряженности поля, превышаемые в 50 % мест в течении t % времени. Параметром кривых, представленных в каждом семейства, является эффективная высота антенны передатчика hr Кривые построены для высоты приемной антенны hR= 1 Ом и неровности поверхности Д/г = 50м.
Параметрами семейств, представленных кривых, являются:
процент времени, в течении которого поле превышает значения, определяемые кривыми семейства (в рекомендации t = 50 %, 10 %, 5 % и 1 %);
диапазон частот, для которого может быть использовано конкретное семейство кривых (30-250 МГц и 450-1000 МГц);
поверхность, над которой рассматривается распространение электромагнитной волны (суша, море холодное, море теплое).
Для случаев, когда неровность поверхности и/или высота приемной антенны отличаются от значений, для которых построены кривые, приведены графики для получения соответствующих поправочных коэффициентов.
Кривые, приведенные в рек. 370, предназначены для использования при планировании радиовещательных служб для решения проблем, связанных с помехами на больших территориях, и не могут быть использованы для линий связи между отдельными пунктами.
Если кривые, представленные в Рекомендациях МСЭ-Р 368 и 370, дают значения напряженности поля, то другие модели позволяют вычислять базовые (иногда их называют «основные») потери на трассах распространения. Базовые потери — это потери на трассе между изотропными антеннами. Модели представляют набор расчетных формул с указанием условий применения конкретной формулы.
В число моделей, используемых в методиках оценки ЭМС, входят такие модели, как модели Окумура — Хата, модель Эгли, модель Лустгартена -Медисона, модель Уолфиша — Икегами, а также модели оценки потерь на дифракцию.
2.3.1. Модель Окумура — Хата- В настоящее время используются три разновидности модели Окумура — Хата (обычно называемые моделями Хата). Это так называемая классическая модель Хата, модель COST 231 Хата и усовершенствованная модель Хата, предложенная Европейским комитетом по радиосвязи (ERC).
Во всех моделях, чтобы учесть влияние окружения на уровень принимаемого сигнала, выделены три типа окружения в окрестности приемной антенны: открытая (сельская) область, пригородная область и городская область. Определения типов областей носят качественный характер.
Для городской области установлены две градации: города средних размеров и большие города с высокой плотностью застройки.
Область применения классической модели Хата определяется следующими параметрами:
— диапазон частот/= 150- 1500 МГц;
высота подъема антенны базовой станции hh = 30 — 200м;
- — высота подъема антенны мобильной станции hm = 1 — 10 м;
- — длина трассы d = 1 — 20 км.
Область применения модели COST 231 Хата совпадает с областью применения классической модели Хата, за исключением диапазона частот, границы которого определены как 1500 — 2000 МГц.
Модифицированная модель Хата имеет более широкие границы применения, чем модели рассмотренные выше:
диапазон частот/^ 30 — 3000 МГц;
- — высота подъема антенн базовой и мобильной станций hm = 1 — 200м;
- — длина трассы d= 0.1 -100 км.
- 2.3.2. Модель Эгли. Модель Эгли разработана для сельской местности с неровностью поверхности, не превышающей 15 м. Отличается простотой вида. Согласно Эгли средние базовые потери распространения L (дБ) вычисляются по формуле:
- (76.3-10 1g(A_)
Z, = 20 1g(/) + 40 1gW)-20 1g(A.) + «
где f — частота, МГц; d — расстояние от передатчика до точки приема, км; hlf hm — эффективные высоты антенн базовой и мобильной станций соответственно, м.
2.3.3. Модель Лустгартена — Мэдисона. Модель Лустгартена — Мэдисона разработана на основе большого эмпирического материала. Основные исходные данные: структурные высоты антенн / передающей hT и приемной hR / (высоты точек питания антенн); частота излучения передатчика; длина трассы, поляризация излучения (горизонтальная или вертикальная), тип подстилающей поверхности.
Что понимается под электромагнитной совместимостью рэс
Электромагнитная совместимость
Электромагнитная совместимость технических средств (ЭМС) – способность технического средства функционировать с заданным качеством в заданной электромагнитной обстановке и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим техническим средством (ГОСТ 30372-95). Измерение электромагнитной совместимости — актуальная и востребованная услуга на сегодняшний день.
Необходимость учёта ЭМС (расчет электромагнитной совместимости, измерение электромагнитной совместимости) обусловлена массовым внедрением микропроцессорной техники на объектах энергетики – электростанциях и подстанциях. В начале 90-х годов XX века оказалось, что при всём удобстве эксплуатации микропроцессорные устройства релейной защиты, автоматики, телемеханики, связи, учёта электроэнергии и пр. работают неправильно, либо отказывают вследствие влияния сильноточных и высоковольтных электрических цепей объектов энергетики и работы системы молниезащиты.
Впервые требования к обеспечению ЭМС при проектировании были сформулированы в действующем и в настоящее время документе РД 34.20.116-93 «Методические указания по защите вторичных цепей электрических станций и подстанций от импульсных помех». Этот документ по ЭМС относится ко всем объектам электроэнергетики – электростанциях, подстанциях, переключательных пунктах всех собственников, не только электростанций и предприятий электрических сетей, но и заводских, и тяговых подстанций напряжением 110 кВ и выше.
РД 34.20.116-93 предписывает выполнение мероприятий по обеспечению ЭМС при проектировании, причём выбор защитных мероприятий по вновь вводимым объектам должен осуществляться на основе проектных расчётов с последующей проверкой по результатам натурных измерений достаточности принятых проектных решений и качества их практической реализации строительно-монтажными организациями. Для реконструируемых объектов выбор защитных мероприятий должен осуществляться на основе расчетов и предварительных испытаний.
Таким образом, для любого объекта электроэнергетики комплекс мероприятий по обеспечению ЭМС включает:
— предпроектное обследование (для реконструируемых объектов);
— проектирование с учётом требований по обеспечению ЭМС, включая выполнение расчётов основных видов помех – оценки влияния высоковольтного оборудования объекта электроэнергетики и системы молниезащиты на низковольтное микропроцессорное оборудование вторичных систем;
— опытное определение обеспечения ЭМС, являющееся частью приемо-сдаточных испытаний объекта, выполняется в объёме предпроектного обследования.
Общим для электростанций и подстанций магистральных и распределительных сетей напряжением выше 6 кВ документом по ЭМС является СО 34.35.311-2004 «Методические указания по определению электромагнитных обстановки и совместимости на электрических станциях и подстанциях». В соответствии с данным документом проводится обследование электромагнитной обстановки на объектах электроэнергетики, в том числе:
— измерение напряжений переменного тока частоты 50 Гц на контрольных кабелях при однофазных и двухфазных коротких замыканиях (кондуктивных помех);
— измерение напряжений импульсных помех на контрольных кабелях, возникающих при коммутациях и коротких замыканиях высоковольтного оборудования (кондуктивных импульсных помех);
— измерение напряжений излучаемых импульсных помех на контрольных кабелях, возникающих при коммутациях и коротких замыканиях высоковольтного оборудования (наведённых импульсных помех);
— измерение наведённых импульсных помех, возникающих при ударах молний в молниеотводы;
— измерение кондуктивных импульсных помех от токов молний;
— измерение напряжённости электромагнитных полей радиочастотного диапазона в местах установки микропроцессорной аппаратуры;
— измерение электростатического потенциала тела человека (оператора) в помещениях, где установлена микропроцессорная аппаратура;
— измерение напряжённости магнитного поля промышленной частоты в местах установки микропроцессорной аппаратуры в нормальных режимах и при коротких замыканиях;
— измерение напряжённости импульсного магнитного поля в местах установки микропроцессорной аппаратуры при протекании токов молний по молниеотводам и токоотводам молниеприёмников зданий и сооружений;
— регистрация помех в цепях питания микропроцессорной аппаратуры переменного и постоянного тока.
СО 34.35.311-2004 дополнительно к РД 34.20.116-93 вводит ещё два этапа комплекса мероприятий по обеспечению ЭМС:
— периодическую проверку электромагнитной обстановки с периодичностью не реже 1 раза в 12 лет;
— внеплановую проверку электромагнитной обстановки в случаях неправильной работы или повреждении микропроцессорных устройств из-за воздействия электромагнитных помех.
Данные проверки электромагнитной обстановки проводятся в полном объёме обследования электромагнитной обстановки в соответствии с СО 34.35.311-2004.
СО 34.35.311-2004 также определяет требования к составу лабораторного оборудования, необходимого для проведения измерений электромагнитной обстановки. Данное оборудование является достаточно сложным и дорогим (рисунок 1).
Рисунок 1 – Комплекс лабораторного оборудования
для проведения измерений электромагнитной обстановки
Кроме того, СО 34.35.311-2004 определяет требования к программному обеспечению, используемому для проведения пересчёта испытательных уровней помех к уровням помех, возникающих при коротких замыканиях и коммутациях высоковольтного оборудования, ударах молний. В качестве примера стандарт рекомендует использовать программы ОРУ-М и Interferences разработки ОАО НПФ «ЭЛНАП» (рисунки 2-4). Данные программы, по сути не являясь сложными, тем не менее требуют от инженера глубоких знаний теории расчёта переходных процессов в электрических цепях и понимания специальных вопросов техники высоких напряжений. Расчёты с использованием программ Interferences и ОРУ-М занимают длительное время за счёт того, что моделируемая электромагнитная обстановка представляется в виде системы дифференциальных уравнений общим количеством до нескольких тысяч. Расчёт электромагнитной обстановки на крупной подстанции выполняется одним инженером на двух компьютерах в течение месяца и более времени.
Рисунок 2 – Модель открытого распределительного устройства 220 кВ
в программе Interferences
Рисунок 3 – Результаты расчёта переходных процессов
(наведённых помех) в программе Interferences
Рисунок 4 – Результаты расчёта кондуктивных помех
и токов в экранах контрольных кабелей в программе ОРУ-М
Для подстанций, собственником которых является ОАО «ФСК ЕЭС», дополнительно к перечисленным документам по ЭМС обязательными для применения являются следующие стандарты ОАО «ФСК ЕЭС»:
— СТО 56947007-29.240.10.028-2009 «Нормы технологического проектирования подстанций переменного тока с высшим напряжением 35-750 кВ»;
— СТО 56947007-29.240.043-2010 «Руководство по обеспечению электромагнитной совместимости вторичного оборудования и систем связи электросетевых объектов»;
— СТО 56947007-29.240.044-2010 «Методические указания по обеспечению электромагнитной совместимости на объектах электросетевого хозяйства»;
— СТО 56947007-29.130.15.114-2012 «Руководящие указания по проектированию заземляющих устройств подстанций напряжением 6-750 кВ».
СТО 56947007-29.240.043-2010 подробно описывает работы, выполняемые на каждом этапе комплекса мероприятий по обеспечению ЭМС, а также дополнительно к РД 34.20.116-93 и СО 34.35.311-2004 вводит ещё три этапа:
— требование к поставляемому на электросетевой объект оборудованию – применение сертифицированных технических средств на помехоустойчивость в соответствии с ГОСТ 51317.6.5-2006;
— авторский надзор за выполнением проектных решений по ЭМС при производстве строительно-монтажных работ;
— выполнение ремонтных работ по устранению выявленных недостатков ЭМС и не требующих разработки проектной документации.
Кроме того, СТО 56947007-29.240.043-2010 при проектировании требует выполнять расчёты напряжённости электромагнитного поля в местах установки микропроцессорного оборудования, а СТО 56947007-29.240.044-2010 обязывает для выполнения всех расчётов электромагнитной обстановки использовать конкретное специализированное программное обеспечение:
— ОРУ-М – для расчёта кондуктивных помех и определения токов в экранах, броне и оболочках кабелей;
— Interferences – для расчёта наведённых импульсных помех;
— ЭМП ВЛ – для расчёта напряжённости электромагнитных полей от высоковольтной ошиновки и магнитных полей тока молнии;
— Реактор МП – для расчёта напряжённости магнитных полей от однофазных реакторов без ферромагнитного сердечника.
Следует отметить, что использование программ ЭМП ВЛ и Реактор МП (рисунки 5-7) требует от инженера глубоких знаний теории электромагнитного поля.
Рисунок 5 – Главное окно программы ЭМП ВЛ
Рисунок 6 – Результаты расчёта напряжённости электрического
и магнитного поля под ошиновкой распределительного устройства 220 кВ
Рисунок 7 – Ограничение зоны установки и использования
микропроцессорного оборудования в помещении реакторной,
определённое с использованием программы Реактор МП
Стандарты ОАО «ФСК ЕЭС» подробно описывают перечень расчётов, выполняемых при проектировании с учётом ЭМС, перечень проектных мероприятий по обеспечению ЭМС для подстанций разнообразного исполнения (открытое, закрытое, комплектное элегазонаполненное). В том числе при проектировании на основе выполнения расчётной оценки электромагнитной обстановки решаются вопросы по компоновке объекта, молниезащите, заземлению, выбору уровней помехоустойчивости микропроцессорного оборудования, применению различных типов кабельной канализации (экранированные кабели, кабельные каналы, металлорукава, металлические короба, трубы и т.д.), строительных решений по организации полов, применению устройств защиты от импульсных перенапряжений.
Наиболее эффективным проектным мероприятием по обеспечению ЭМС является изменение компоновки объекта (расположение элементов объекта, трассировка кабелей, выполнение молниезащиты и заземления). При этом процесс проектирования с учётом ЭМС становится итерационным – оптимальная электромагнитная обстановка на проектируемом объекте достигается последовательным выполнением следующих действий:
– разработка исходной версии компоновки объекта, с учётом формальных требований РД 34.20.116-93, СТО 56947007-29.240.043-2010, СТО 56947007-29.240.044-2010 по допустимым расстояниям приближения вторичных кабелей и микропроцессорного оборудования к источникам помех – высоковольтному оборудованию, ошиновке, элементам системы молниезащиты и заземления;
– расчёт электромагнитной обстановки исходной компоновки объекта с использованием программ ОРУ-М, Interferences , ЭМП ВЛ и Реактор МП;
– разработка предложений по изменению компоновки объекта по результатам расчётной оценки электромагнитной обстановки;
– реализация предложений по изменению компоновки, при этом часто возможности реализации предложений ограничены смежными вопросами – землеотвода, отходящими инженерными коммуникациями, при реконструкции – вопросами демонтажа и необходимости сохранения части застройки территории объекта;
– повторный расчёт изменённой электромагнитной обстановки после изменения компоновки объекта, разработка предложений по её изменению, реализация предложений по изменению, снова повторный расчёт изменённой электромагнитной обстановки и т.д. до достижения оптимальной с точки зрения ЭМС электромагнитной обстановки на объекте.
На крупном объекте электроэнергетики (например, подстанции 500 кВ) описанный итерационный процесс разработки мероприятий по обеспечению ЭМС продолжается длительное время (годы), в течение всего времени проектирования объекта. Если строительство объекта предусматривается этапами, с проведением строительных работ на действующем объекте, то мероприятия по обеспечению ЭМС должны разрабатываться для каждого этапа строительства, а их эффективность должна подтверждаться обследованием электромагнитной обстановки, которое нужно проводить по окончании каждого этапа строительства.
Следует отметить, что в Постановлении Правительства РФ от 16.02.2008 №87 «О составе разделов проектной документации и требованиях к их содержанию» и других нормативных документах, определяющих состав проектной документации, отсутствует требование выполнения отдельного раздела проектной документации «Мероприятия по обеспечению электромагнитной совместимости». Однако заказчики проектной продукции в технических заданиях на проектирование часто требуют наличие такого раздела, где приводятся все сведения о применённых в проекте мероприятиях по обеспечению ЭМС. В таком случае состав раздела проектной документации по ЭМС принимается в соответствии с СТО 56947007-29.240.10.028-2009.
Таким образом, жизненный цикл обеспечения ЭМС объекта электроэнергетики включает:
1) для реконструируемого объекта – предпроектное обследование электромагнитной обстановки, для объекта нового строительства – вертикальное электрическое зондирование грунта на площадке строительства на глубину не менее 100 м (выполняется в составе инженерно-геофизических исследований инженерно-геологических изысканий);
2) выполнение проектной документации с учётом требований ЭМС, включая расчётную оценку электромагнитной обстановки на объекте после окончания строительства и разработку соответствующих мероприятий по обеспечению ЭМС. Для обеспечения прохождения экспертизы проектной документации (особенно сметной части) в ведомостях объёмов проектной документации обязательно учитывается не только микропроцессорное оборудование с заданными уровнями помехоустойчивости, экранированные кабели и прочие элементы кабельной канализации, но и специальное оборудование и материалы, необходимые для обеспечения ЭМС – элементы заземления, ЭМС-зажимы, разъёмы кабелей, ЭМС-шкафы, прокладки, антистатические напольные покрытия, устройства защиты от импульсных перенапряжений и т.д.;
3) прохождение государственной или негосударственной экспертизы проектной документации;
4) подготовка конкурсной документации на закупку и собственно закупка микропроцессорного оборудования с заданными в проектной документации уровнями помехоустойчивости, элементов кабельной канализации и специального оборудования и материалов, необходимых для обеспечения ЭМС;
5) разработка рабочей документации, учитывающей все проектные мероприятия по обеспечению ЭМС и конкретный тип закупленного оборудования;
6) контроль полноты объёма поставки на объект микропроцессорного оборудования с заданными уровнями помехоустойчивости, элементов кабельной канализации и специального оборудования и материалов, необходимых для обеспечения ЭМС;
7) авторский надзор за выполнением проектных решений по ЭМС при производстве строительно-монтажных работ;
8) обследование электромагнитной обстановки при проведении пуско-наладочных работ, устранение выявленных недостатков ЭМС;
9) плановая проверка электромагнитной обстановки с периодичностью не реже 1 раза в 12 лет и внеплановая проверка электромагнитной обстановки в случаях неправильной работы или повреждении микропроцессорных устройств из-за воздействия электромагнитных помех;
10) выполнение ремонтных работ по устранению выявленных недостатков ЭМС и не требующих разработки проектной документации.
При выполнении поэтапной реконструкции объекта при проектировании (п. 2 жизненного цикла обеспечения ЭМС) расчётная оценка электромагнитной обстановки и разработка мероприятий по обеспечению ЭМС выполняется для каждого этапа реконструкции, п. 6-8 жизненного цикла обеспечения ЭМС повторяются на каждом этапе реконструкции.
В соответствии с действующими нормативными документами, работы по обеспечению электромагнитной совместимости на объектах электроэнергетики являются продолжительными во времени, должны проводиться в течение всего времени существования объекта, начиная от выбора площадки под новый объект и заканчивая выводом его из эксплуатации. Поскольку работы по ЭМС требуют наличия специализированной электротехнической лаборатории и программного обеспечения, кадрового обеспечения инженерами-электриками по специальности «Техника высоких напряжений» и смежным специальностям, имеющими опыт расчёта переходных процессов в электрических цепях и электромагнитных полей, работы по ЭМС целесообразно отдавать на подряд в специализированные организации, имеющие соответствующий опыт работы, персонал, лабораторию и программное обеспечение.
Несмотря на наличие всеобъемлющей нормативной базы по ЭМС, выполнение требований ЭМС, как правило, предусматривается на объектах ОАО «Российские сети» (объединяющего ОАО «ФСК ЕЭС» и ОАО «Холдинг МРСК»), иногда предусматривается на крупных объектах генерации и практически никогда не предусматривается на прочих объектах электроэнергетики (электромагнитная совместимость в электроэнергетике) – заводских и тяговых подстанциях, маломощных объектах генерации. В связи с массовой заменой устаревшего электромеханического оборудования вторичных систем на данных объектах на микропроцессорное без учёта требований ЭМС, в ближайшие несколько лет ожидаются массовые отказы микропроцессорного оборудования на таких объектах. Считаем целесообразным собственникам крупных заводов, служб электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД» и прочих объектов электроэнергетики задуматься о необходимости проведения периодических обследований электромагнитной обстановки и включении требований по обеспечению ЭМС в технические задания на проектирование.
Оценка ЭМС сетей радиосвязи
В настоящее время ввиду массового роста числа пользователей радиочастотным спектром, проблема ЭМС РЭС приобретает весьма важное значение не только в рамках отдельных служб радиосвязи, но и между разными службами. Успешное решение этой проблемы необходимо связывать прежде всего с развитием новых спектрально эффективных радиотехнологий, позволяющих при ограниченном частотном ресурсе существенно повышать потенциальную емкость сетей радиосвязи общего пользования. Эта комплексная проблема объединяет все элементы радиоинтерфейса современных сетей связи, включая радиосигналы как носители информации, средства их генерации, обработки и излучения (приема) и способы организации радиосвязи, — все в совокупности определяющее множественный (многостанционный) доступ в сети на основе методов частотного, временного, кодового и пространственного (или их совокупности) разделения каналов пользователей.
Под электромагнитной совместимостью РЭС понимается их способность одновременно функционировать в реальных условиях эксплуатации с требуемым качеством при воздействии на них непреднамеренных радиопомех, не создавая недопустимых радиопомех другим радиосредствам. Другими словами, ЭМС РЭС — это свойство РЭС функционировать без ухудшения качественных показателей ниже допустимого в заданной электромагнитной обстановке. Под электромагнитной обстановкой будем понимать совокупность электромагнитных полей РЭС различных служб радиосвязи в рассматриваемой области пространства. Оценка ЭМС РЭС является общей задачей и неотъемлемой частью процесса согласования условий совместной работы РЭС. В ходе оценки ЭМС РЭС вырабатываются условия, удовлетворяющие критерию ЭМС в данной электромагнитной обстановке. Эти условия могут включать: территориальные ограничения на размещение станции — источника помех; ограничение ЭИИМ станции — источника мешающих сигналов в направлении на станцию, подверженную помехе; защитные полосы и частотные ограничения РЭС; значение необходимого подавления боковых лепестков диаграмм направленности передающей и приёмной антенн; оптимизацию параметров расположения РЭС и ориентации антенн и др.
За критерий обеспечения ЭМС обычно принимают защитное отношение радиоприемника — минимальное допустимое отношение сигнал/радиопомеха на входе приемника, обеспечивающее требуемое качество функционирования в условиях воздействия непреднамеренных радиопомех. Численное значение защитного отношения, как правило, зависит от типа помехового сигнала. Иногда значение защитного отношения радиоприемника приводят к полосе пропускания его линейной части (совмещенный канал), т.е. не учитывают ослабление помехи за счет избирательных свойств приемника.
Для решения проблемы ЭМС РЭС используются организационные и технические меры. Технические меры обеспечения ЭМС обусловлены изменением технических параметров РЭС (например, снижение уровней внеполосных и побочных излучений передатчиков, повышение избирательных свойств приемников, снижение уровней боковых лепестков диаграмм направленности антенн и др.). Они достаточно эффективны, но могут быть применимы в основном при разработке новых типов оборудования. Для РЭС, находящихся в эксплуатации, наиболее приемлемыми и действенными мерами обеспечения ЭМС являются организационные меры. Они включают рациональное назначение рабочих частот, сочетаемое с введением частотных, территориальных, временных и пространственных ограничений, накладываемых на РЭС, — все вместе представляющее собой основу частотно-территориального планирования (ЧТП) сетей сухопутной подвижной связи, отвечающее требованиям эффективного использования спектра.
Уравнение ЭМС РЭС
Уравнение ЭМС РЭС устанавливает взаимосвязь энергетических, частотных и пространственных параметров РЭС полезного сигнала (рецептора радиопомех) и мешающих сигналов (источников непреднамеренных радиопомех), при которых обеспечивается требуемое качество функционирования РЭС. Обычно уравнение ЭМС составляют для "дуэльной" ситуации, когда оценка ЭМС производится для двух РЭС, одно из которых рассматривается в качестве приемника полезного сигнала, а второе РЭС является источником непреднамеренных радиопомех. В общем случае, возможно, учесть несколько источников непреднамеренных радиопомех.
Важнейшими факторами, которые необходимо учитывать при анализе ЭМС РЭС, являются потери при распространении радиоволн на трассе и флуктуации уровней принимаемых сигналов и радиопомех.
Считают, что качественная передача информации по радиоканалу обеспечивается в том случае, если выполняются следующие два условия:
• флуктуации уровня полезного сигнала, обусловленные его замираниями как вследствие многолучевости, так и вследствие препятствий, возникающих на пути распространения радиоволн, приводят к уменьшению интенсивности полезного сигнала ниже чувствительности РПМ (определяемой требуемой вероятностью ошибочного приема цифровых сигналов на выходе решающего устройства радиоприемника) не более чем в заданном ηs проценте времени;
• флуктуации уровня полезного сигнала и непреднамеренной радиопомехи приводят к снижению отношения сигнал/помеха ниже защитного на входе радиоприемника не более чем в заданном ηlпроценте времени.
Флуктуации интенсивности полезного и мешающего сигналов в диапазонах волн, выделенных для подвижной связи, подчиняются логнормальному закону, т.е. мощность полезного PS и мешающего Р I сигналов в месте приема (на входе приемника) может быть записана следующим образом:
где Pos , POI — медианные значения мощности сигнала и радиопомехи; XS , XI — случайные гауссовские величины с нулевым средним значением и с дисперсией σ 2 , определяющей глубину флуктуации этих уровней (обычно принимают, что для городов с малой и средней этажностью застройки стандартное отклонение σ = 6 дБ, а для пригородов и сельской местности σ = 4 дБ).
Тогда ηS и ηI выраженные в процентах, определяются интегралами вероятности:
, (3.2)
. где Рмин — чувствительность радиоприемника; АВХ — защитное отношение на входе радиоприемника; kS , kI — коэффициенты, учитывающие допустимый процент времени ухудшения качества радиосвязи ниже заданного уровня.
Отметим, что если ηS = ηI = 5% (что обычно принимается в качестве вероятностного критерия оценки границы зоны покрытия сотовой сети), то kS , = kI = k = 1.65, которое характеризует пороговые уровни сигнала и отношения сигнал/помеха. Снижение пороговых уровней может привести к увеличению времени некачественного обслуживания абонентов.
Условия, указанные в формулах (3.2), выполняются в процентах времени ηS и ηI в том случае, если имеют место следующие соотношения:
Р OS = РМИН + k σ (3.3)
. (3.4)где k σ — запас на замирания полезного сигнала, обеспечиваемый в системе радиотелефонной связи на входе РПМ.
Баланс мощности в сетях подвижной связи должен быть выбран таким образом, чтобы на границе зоны обслуживания сети всегда выполнялось требуемое соотношение, а территориальный и/или частотный разнос между совмещаемыми сетями должен быть таким, чтобы выполнялось соотношение (3.4). Принятый выше запас на замирания полезного сигнала соответствует требованиям обеспечения минимальной напряженности поля сигнала для защиты мобильных станций цифровых и аналоговых систем сотовой связи, указанным в Рекомендации СЕРТ.
Необходимо учитывать, что энергетические параметры РЭС сотовых сетей связи должны выбираться из условия обеспечения требуемого радиуса зоны покрытия базовой станции (БС) каждой сети. Радиусы зон покрытия БС должны быть учтены при расчете величины территориального разноса между РЭС.
Таким образом на основании (3.3) и (3.4) уравнение ЭМС РЭС может быть
записано в следующем виде:
(3.5)РМИН — чувствительность РПМ (рецептора радиопомех), дБВт;
А — защитное отношение РПМ в совмещенном канале, дБ;
— запас на замирания сигнала и радиопомехи, дБ;
POI — мощность радиопомехи на входе РПМ, дБВт.
POI = P РПД + G РПД (φРПМ) + G РПМ (φРПД) + U РПД + U РПМ + N (δ f ) — L ( R ), (3.6)P РПД — мощность радиопередатчика источника радиопомех, дБВт;
G РПД (φРПМ) — к-нт усиления антенны РПД в направлении на РПМ, дБ;
G РПМ (φРПД) — к-нт усиления антенны РПМ в направлении на РПД, дБ;
U РПД, U РПМ — затухание в антенно-фидерном тракте РПД и РПМ, дБ;
N ( δ f ) — ослабление радиопомехи в линейном тракте РПМ, дБ;
δ f = f рпд — f ргм — частотная расстройка, МГц;
L ( R ) — потери на трассе распространения сигналов от РИД (в данном случае источника радиопомех) к РПМ (рецептору радиопомех), дБ. Эти потери принято называть основными потерями передачи, которые рассчитываются от входа передающей изотропной антенны до выхода приемной изотропной антенны. На рис. 13 показана структура линии радиосвязи и основные термины, используемые для представления о потерях передачи.
Рис. 13. Структура линии радиосвязи.
Зависимость ослабления помехи от расстройки δf вычисляется по формуле
. (3.7)С — нормировочный коэффициент;
S ( f ) — спектр сигнала радиопередатчика;K ( f ) — нормированная функция избирательности радиоприемника (амплитудно-частотная характеристика)[32].
Спектр сигнала и функция избирательности являются важнейшими техническими характеристиками РЭС, существенно влияющими на условия их ЭМС. Поэтому к уровням внеполосных и побочных излучений радиопередатчиков предъявляются особые требования.
При оценке ЭМС РЭС с целью проверки соответствия параметров сигналов РЭС установленным требованиям необходимо руководствоваться едиными нормами на внеполосные и побочные излучения радиопередающих устройств гражданского назначения.
По мнению ERC рекомендации CEPT/ERC 74-01E для уровней побочных излучений РЭС сухопутной подвижной службы должны пересматриваться каждые три года в соответствии с изменениями технологий и регулирующих требований и должны быть использованы администрациями в качестве руководства для разработки соответствующих стандартов.