Глава 9. Электромагнитная совместимость

И ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ РЭС.

 

В данной главе рассматриваются логика и содержание действий конструктора РЭС, направленных на обеспечение работоспособности проектируемого аппарата в условиях воздействия на него в целом или на его отдельные элементы, различного рода электромагнитных полей. Исходя из введенных ранее методологических положений, необходимо установить основные принципы, реализующие их элементы, схемы и некоторые параметры эффектных систем защиты от воздействий или эффектные варианты построения самой конструкции РЭС.

 

 

9.1. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА КОНСТРУКЦИЮ РЭС.

 

Предваряя рассмотрение вопросов оптимального построения конструкции РЭС, определим несколько основных понятий.

Помехой будем называть внутреннее или внешнее воздействие на РЭС, приводящее к искажению полезного сигнала и содержащейся в нем информации во время приема, переработки, хранения.

Помехоустойчивость РЭС - свойство аппарата противостоять воздействию определенной помехи в заданных условиях.

Электромагнитная совместимость- свойство РЭС, совместно работать с определенным носителем или объектом установки РЭС, выполняя свои функции в условиях наличия электромагнитных полей. (Существуют и другие толкования указанного свойства в различной литературе).

Очевидно, что источником помех в РЭС являются электромагнитные поля как во вне, так и внутри конструкции РЭС. Так возникают понятия внешней и внутренней помехи.

Результатом воздействия помех на РЭС является снижение надежности функционирования вплоть до отказа аппарата.

С развитием радиоэлектроники борьба с помехами приобретает все большую актуальность в следствии:

1) увеличения уровня внешних помех за счет введения РЭС в сложные технические системы, внутри которых находится обычно большое число устройств с электромеханическими узлами, служащими источниками внешних полей;

2) увеличение уровня внутренних помех за счет повышения плотности размещения элементов РЭС, приводящей к возрастания роли внутреннего электромагнитного поля;

3) уменьшения энергетических возможностей информационного сигнала на фоне возрастающих помех.

Помехи можно классифицировать различными способами. Наиболее приемлемый для данного рассмотрения указан на рис. 9.1. Следуя такой классификации в дальнейшем, подробно разбираются все виды помех.

 

Рис. 9.1. Классификация помех.

 

 

9.2. СПОСОБЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ РЭС.

 

Рассмотрим с общих позиций задачу построения помехоустойчивой конструкции РЭС. Пусть на некоторой защищаемый объект воздействует энергия электромагнитного поля (рис.9.2.). В качестве объекта может выступать как РЭС в целом, так и отдельные его элементы и узлы.

 

Рис. 9.2. Схема воздействия.

Задача конструктора в данном случае может быть сформулирована следующим образом: необходимо разработать такую систему S, которая включала бы обязательно элемент g₁ - объект, и, возможно, некоторые дополнительные элементы Г_доп - элементы защиты, и которая обеспечивала бы функционирование объекта в условиях известных помех, т.е. найти в общем случае:

 

S = { П, Г, q, Е},

 

Где П - принципы действия системы;

Г – элементы системы S, Г = g₁ Г_доп;

q - структура (схема) системы;

Е - параметры системы.

Очевидно, что комплексная задача проектирования состоит из задач синтеза и анализа системы S.

Синтез в общем случае включает в себя синтез принципов П, синтез состава элементов Г, синтез схемы q и синтез параметров Е системы S.

Рассматривая возможные принципы П построения помехоустойчивых конструкций, можно утверждать, что реально в настоящее время применяются всего несколько известных:

1) р₁ – принцип изолирования объекта от воздействующего поля; при этом возможны варианты:

р₁ – принцип отражения;

р₁ – принцип поглощения;

р₁ – принцип комплексации воздействующего поля;

2) р₂ – принцип повышения помехоустойчивости собственно защищаемого объекта.

Возможно еще и совместное использование двух принципов: изоляция с одновременным повышением помехоустойчивости объекта, П={ р_1, р₂ }.

Анализ возможных элементов для реализации принципа изоляции р₁ дает основной элемент g₂ системы защиты – экран. Выбор формы экранов (структуры унарного отношения q) и параметров Е экранов будет рассмотрено далее.

Реализация принципа р₂ – повышения помехоустойчивости самого защищаемого объекта – возможна за счет различных подходов. Обычно их делят на:

1) системные; например, переход вместо аналоговой на цифровую обработку информационных сигналов;

2) схемотехнические; например, использование фильтров и компенсационных схем;

3) конструкторские; именно эти способы будут рассматриваться в дальнейшем.

Схемы q систем и параметры Е элементов таких конструктивных систем защиты рассматриваются далее.

Анализ поведения известной конструкции РЭС в условиях помехи выполняется различными способами, в том числе – и формализовано, расчетным путем используя известные методы анализа электрических цепей при различных сигналах.

 

9.3. Конструктивная реализация обеспечения электромагнитной совместимости РЭС.

 

9.3.1. Экранирование при конструировании РЭС.

Как указывалось уже ранее, экран является основным элементом g₂ реализующим принцип р₁ изоляции защищаемого объекта от воздействующего поля. В качестве защищаемого с помощью экрана объекта выступает целый РЭС или его составные части.

 

9.3.1.1. Основные характеристики экранов.

Прием сигналов в линиях связи и радиолиниях осуществляется, как известно, при наличии помех. Помехи могут быть естественного и искусственного происхождения. К первым относятся атмосферные, космические и флуктуационные помехи, ко вторым – промышленные помехи. Промежуточное положение занимают радиопомехи, вызванные электростатическими зарядами.

Электромагнитные экраны предназначаются для локализации в некотором объеме пространства полей, создаваемых излучателем электромагнитной энергии, с целью ослабления или исключения воздействия излучателей на чувствительные элементы РЭС и аппаратуру в целом.

Экранирование призвано обеспечивать надежность РЭС, подавляя до требуемого уровня влияние электромагнитной энергии. В каждом отдельном случае выбор экранирования производится с учетом характера источника помех и чувствительных к ним элементов, их размеров, размещения, допустимой величины воздействия экрана на объект экранирования.

Для оценки функциональных качеств экранов используются различные характеристики. Наиболее обобщенной является эффектность экранирования.

Под эффективностью экранирования понимают отношение действующих значений напряженности электрического поля Е_I (магнитного поля H_I) в данной точке при отсутствии экрана к напряженности электрического поля Е₂ (магнитного поля H₂ ) в той же точке при наличии экрана

Э _0Е = Е

Здесь эффективность выражается в относительных единицах (разах). На практике обычно эффективность экранирования представляют в логарифмических единицах – децибелах(дБ)

Э _Е = 20 lg

Таким образом, по физическому смыслу характеристики экранов являются функциями пространства и частоты, а параметрами их можно считать ширину полосы частот, в которой определяются действующие значения напряженности поля.

Иногда действие экрана учитывают через коэффициент экранирования

S = Е₂ / Е₁

Который изменяется от 1 до 0, характеризуя в последнем случае максимальный эффект экранирования.

В технике связи эффективность экранизирования принято выражать в неперах (Нп)

B = ln 1/ S = ln (Е₁ / Е₂ ).

При этом для перевода из одной системы единиц в другую может быть использован коэффициент 8,7, тогда Э _дБ = 8,7 _Hn.

При необходимости оценить общую эффективность экранирования, исходя из допустимой величины ЭДС помехи, наводимой в целях РЭС, пользуются эквивалентной действующей высотой устройства h₀.

h₀ =U_H/ E₁ ,

где U_H - действующее значение ЭДС помехи, наводимой на элементы, находящиеся внутри экрана (в),

E₁ – действующее значение напряженности внешнего поля, В/м;

Величина h₀ характеризует как бы действующую высоту экрана (по аналогии с действующей высотой антенны).

Второй характеристикой качества экрана является мера его воздействия на параметры экранируемых объектов, количественно определяемая коэффициентом реакции экрана.

При всех видах экранирования (кроме статического) из-за отражения магнитной энергии от стенок экрана, происходит взаимодействие между экраном и экранируемым устройством. Экран, защищая цепи, колебательные контура от воздействия внешних полей, оказывает существенное влияние на параметры экранируемых элементов. Из-за перераспределения электромагнитного поля внутри экрана происходят изменения их первичных параметров, в результате чего изменяются, например, магнитные связи, уменьшается первичная индуктивность катушек, увеличивается первичная емкость контуров, возрастает активное сопротивление, что ведет к изменению частоты настройки, добротности колебательных контуров, потерям энергии и т.д. Все сказанное формально определяется тем обстоятельством, что объект g₁ и экран g₂ образуют новую систему S и ее параметры отличаются от параметров самого объекта g₁ .

Относительные изменения параметров экранируемых объектов можно учесть с помощью коэффициентов:

P_ij = 1- Aэ_ij / Ao_ij,

где P_ij – коэффициент реакции экрана на i-тый параметр j-го элемента;

Aэ_ij – значение i-го параметра j-го экранируемого элемента при наличии экрана;

Ao_ij – значение первичного i-го параметра j-го элемента при отсутствии экрана.

Задаваясь допустимыми пределами изменения параметров и зная размеры экранируемых элементов, можно определить габаритные размеры экрана, материал, из которого он должен быть, изготовлен, и условия размещения элементов внутри него.

 

 

9.3.1.2. Виды экранов.

 

В общем случае экранирование осуществляется с помощью электромагнитных экранов. Однако часто наблюдается преобладание отдельных видов полей, поэтому для учета их специфики различают следующие виды экранирования: электростатическое, магнитостатическое и электромагнитное.

На низких частотах применяют электро- и магнитостатическое экранирование, а на высоких – одновременно с экранированием магнитного поля происходит экранирование электрического поля, что определяет единый процесс электромагнитного экранирования.