Характеристики и параметры ЭМС АФУ. Механизмы РРВ и принципы расчета напряженности поля сигналов и помех

Антенно-фидерные устройства (АФУ) оцениваются параметрами ЭМС РЭС по трем группам, которые характеризуют [1.15]:

- пространственно-угловую избирательность (направленность и усиление) АФУ;

- поляризационные и частотные свойства АФУ;

- взаимную электромагнитную связь АФУ.

При обеспечении ЭМС РЭС представляют интерес как АФУ традиционной конструкции (состоящие из антенной системы и питающей фидерной линии), так и нетрадиционные (случайные, нештатные) антенны, в качестве которых могут временно выступать самые разные элементы ИКС. Для анализа ЭМС традиционных АФУ (далее просто АФУ) разных типов представляют интерес характеристика и диаграммы направленности антенны в главных плоскостях; коэффициенты направленного и защитного действия; коэффициент усиления и КПД антенны; эффективная площадь и коэффициент использования поверхности апертурной антенны; входное сопротивление антенны и параметры ее согласования с фидерной линией; КПД и «антенный эффект» фидера. Для нетрадиционных случайных антенн важнейшими характеристиками являются энергетический потенциал и уровни электромагнитного поля (ЭМП), излучаемого и переизлучаемого ими.

При анализе параметров ЭМС АФУ считается, что они работают в режиме излучения гармонического сигнала с частотой f и длиной волны λ, в соответствии с чем окружающая среда может быть разделена на три пространственные зоны: непосредственно примыкающую к антенне зону Релея [1.20], ближнюю зону Френеля и дальнюю (волновую) зону Фраунгофера. Зона Релеяограничена расстоянием R ≤ L²/2λ ; дальняя зона Фраунгофера (far-field region; far-field zone) начинается с расстояний R ≥ 2 L²/ λ ; ближняя зона Френеля (near-field region; near-field zone) располагается между ними.

В пределах зон Релея и Френеля структуру и интенсивность ЭМП характеризуют напряженность электрического поля E; В/м; мВ/м, и напряженность магнитного поля Н; А/м; мА/м, тогда как в дальней волновой зоне, где Е/Н = Z_В– волновое сопротивление окружающей среды (для воздуха Z_В = 120π Ом), в дополнение к E; В/м; мкВ/м, часто используют плотность потока мощности электромагнитного излучения (ЭМИ) – модуль вектора Пойнтинга П; Вт/м², мкВт/см².

Характеристика направленности (ХН) антенны F(θ ; φ) применятся для описания структуры ЭМИ в дальней зоне: для АФУ нормированная ХН F(θ ; φ) = Е(θ ; φ)/ Е_макс(θ_m ; φ_m), где θ и φ – соответственно, меридиональная и азимутальная координаты точки приема М, расположенной на фиксированном расстоянии R от антенны; θ_m и φ_m – угловые координаты максимума ХН, равного единице. В системе сферических координат ХН соответствует трехмерной поверхности – графические изображения сечения этой поверхности в главных плоскостях (проходящих через направление θ_m ; φ_m и взаимно перпендикулярных) называются диаграммами направленности (ДН) антенны (directivity pattern; radiation pattern). Обычно главные плоскости выбирают так, чтобы ДН отражали зависимость ХН антенны только от одной угловой координаты: F(φ) = Е(φ)/ Е_макс(φ_m) при θ = const и F(θ) = Е(θ)/ Е_макс(θ_m) при φ = const [1.15].

Для построения ДН используются прямоугольные и полярные координаты, относительные и логарифмические единицы; кроме того, различают ДН по основной поляризации и кросс-поляризации (cross-polarization). Общий вид ДН в децибелах F (φ)_дБ = 20 lg F (φ) в прямоугольных координатах показан на рис. 1.6.

У направленных антенн в ДН по основной поляризации присутствуют главный лепесток 1, ширина которого Δφ_0,5 по уровню половинной мощности (–3 дБ) является одним из параметров антенны; и структура боковых лепестков 2-3, максимальные уровни которых также могут быть параметрами. Точечная линия 4 на рис. 1.6 соответствует ДН антенны по кросс-поляризации, штриховой ломаной линией 5 показана гарантированная ДН, которая является упрощенной (обобщенной, усредненной по ансамблю) графической и аналитической моделью реальной ДН антенны и предназначена для расчета ЭМС АФУ. У ненаправленных антенн ДН имеет вид, близкий к точечной кривой 4 на рис. 4.6 – с той разницей, что ее максимальное значение при φ = φ_m равняется 0 дБ.

F(φ)_дБ

–3 дБ Δφ_0,5

2 2

3 4 3

–180^о –90^о 0 90^о 180^о φ

Рис. 1.6. Общий вид ДН F(φ); дБ на основной поляризации

и кросс-поляризации в прямоугольных координатах

Коэффициент направленного действия (КНД) антенны (directive gain) есть D_A = (Е_макс)²/ (Е_ср)², где Е_макс и Е_ср – соответственно, максимальное и среднее по всем направлениям значения напряженности поля в дальней зоне на фиксированном расстоянии R от антенны. Коэффициент полезного действия (КПД) антенны (antenna efficiency) η_A = Р_А/ Р_П, где Р_А – излученная антенной мощность; Р_П – мощность, подводимая к антенне по фидеру. Коэффициент усиления (КУ) антенны (antenna gain) G_A = (Е_А)²/ (Е_эт)², где Е_А – напряженность поля, создаваемая данной антенной в точке приема М на расстоянии R; Е_эт – напряженность поля, создаваемая в точке М эталонной антенной (у которой G_A = G_эт и η_A = 1), при условии, что к обеим антеннам подводится одинаковая мощность Р_П. Значения КУ, КНД и КПД антенны связаны между собой соотношением G_A = D_A η_A / G_эт.

В ряде случаев при расчетах ЭМС АФУ используются коэффициент защитного действия (КЗД) антенны K_A = G_A (φ_m)/ G_A (φ_m + 180^о) и эффективная площадь антенны S_A = S_Рν_А, где S_Р – геометрическая площадь апертуры (излучающего раскрыва) антенны; ν_А – коэффициент использования поверхности (КИП) апертуры антенны.

Параметрами, необходимыми для расчета согласования антенны с фидерной линии, являются входное сопротивление Z_вх = U_вх/I_вх, где U_вхи I_вх – соответственно, напряжение и ток на зажимах антенны, подключенных к фидеру; КПД фидера η_Ф = Р_вых/ Р_вх, где Р_вхи Р_вых – уровни мощности, соответственно, на входе и выходе фидера, а также параметры, оценивающие антенный эффект фидерной линии.

Антенный эффект состоит в способности фидера самостоятельно излучать часть мощности РПД помимо антенны – снижая уровень излученной мощности Р_А и нарушая структуру ЭМП как вблизи АФУ, так и в дальней зоне. Для оценки антенного эффекта практикуют сравнение двух уровней напряженности поля в заданной точке М: Е_А при подключении к фидеру антенны и Е_Ф при замене антенны ее неизлучающим эквивалентом, – полагая, что значение Е_Ф во втором случае определяется антенным эффектом фидера.

Однако данная методика не учитывает, что антенный эффект зависит от степени согласованности и симметричности фидера с реальной антенной, а не ее эквивалентом, и фидер совершенно по-разному излучает при подключении к нему антенны и эквивалента. Поэтому для оценки антенного эффекта приходится применять более сложные и трудоемкие способы: исследовать, например, ДН антенны по кросс-поляризации и т.п.

Анализ и нормирование параметров ЭМС РЭС требует нормирования характеристик АФУ – в первую очередь ДН антенн по основной поляризации и кросс-поляризации. Такое нормирование осуществляется на международном, национальном, корпоративном уровнях в соответствии с рекомендациями РР и другими документами МСЭ.

Для практических расчетов уровней сигналов и помех рекомендуется использовать эталонные (справочные) ДН антенн разных типов, которые устанавливают допустимые значения гарантированной огибающей ДН (см. рис. 1.6). Вид типовой эталонной ДН антенны показан на рис. 1.7 (сплошная линия – ДН по основной поляризации; штриховая линия – ДН по кросс-поляризации). К графику на рис. 1.7 при необходимости прилагается таблица с указанием угловых координат (на оси абсцисс) и значений КУ антенны (на оси ординат) N точек P₁ … P_N для ДН по основной поляризации и Q₁ … Q_N для ДН по кросс-поляризации [1.20].

G_A (φ) дБ

P₁P₂

P₃P₄

Q₁Q₂

... P_N ; Q_N

Q₃

φ_m φ

Рис. 1.7. Типовая эталонная ДН антенны

по основной поляризации и кросс-поляризации)

Рассмотренные характеристики и параметры излучающих антенн и фидеров в соответствии с электродинамическим принципом взаимности могут быть применены для анализа приемных антенн – с учетом ряда частных замечаний и уточнений [1.15]. Важным также является возможность использования приемных АФУ в системах разнесенного приема и комплексах пространственно-временной обработки принимаемых сигналов – что усложняет теоретический анализ, однако позволяет существенно повысить помехоустойчивость и помехозащищенность приема и тем самым облегчает практическое решение проблемы ЭМС РЭС в составе ИКС.

В отличие от АФУ, характеристики и параметры случайных антенн (которые могут быть сосредоточенными и распределенными в пространстве, сложными и простыми по конструкции, активными и пассивными, излучающими гармонические и негармонические сигнала и т.п.) изучены недостаточно полно. Параметром для оценки эффективности активных случайных антенн, близких по структуре к АФУ, может быть энергетический потенциал (ЭП) антенны (energy potential), равный произведению излученной мощности антенны на ее КНД: П_А = Р_А D_А . Вычислив значение ЭП для заданного направления θ ; φ , можно найти уровни напряженности поля Е и плотности потока мощности П на любом расстоянии R от антенны – что и представляет главный интерес для оценки ЭМС РЭС. Однако в более общем случае для определения значений Е и П необходимо использовать электродинамические методы (строгие и приближенные), а также методы и средства статистической теории антенн.

Дистанционная зависимость уровней ЭМП и ЭМИ в разных пространственных зонах носит существенно разный характер. Вблизи антенны уровни ЭМП в рассматриваемой ЧПВ-области обычно весьма высоки и мало меняются с изменением расстояния. В зоне Френеля, где происходит формирование структуры излучения антенны, зависимость ЭМП от пространственных координат является достаточной сложной. В обеих этих зонах для расчета значений Е и Н применяются электродинамические методы. В дальней зоне ЭМП приближается по структуре к плоской волне, – условия распространения которой в окружающей среде в значительной мере определяются электрофизическими параметрами данной среды.

2 1	3 4 1
а) прямая волна	б) земная волна
7 5 6 1	9 8 10 1
в) ионосферная волна	г) рассеянная волна

Рис. 1.8. Основные механизмы регулярного РРВ над поверхностью Земли

Известны четыре основных регулярных механизма распространения радиоволн (РРВ) на дальние расстояния, в условном виде показанные на рис. 1.8: прямая волна, земная волна, ионосферная волна и рассеянная волна, а также ряд нерегулярных и комбинированных механизмов, сочетающих их свойства [1.15]. Для всех основных механизмов характерна лучевая трактовка процессов РРВ, в рамках которой каждая траектория (как прямая, так и искривленная) радиоволны в среде распространения представляет собой плоскую волну, то есть отдельный луч. Считается, что такой подход при решении проблемы ЭМС РЭС полностью применим к волновой зоне и, с определенными оговорками – к зоне Френеля. Данные о типовых вариантах регулярного РРВ сигналов и помех в разных диапазонах представлены в таблице 1.3.

Прямая волна (см. рис. 1.8а) распространяется через атмосферу и околоземное космическое пространство над поверхностью Земли 1 по траектории 2 – обычно в условиях «прямой видимости» между пунктами передачи и приема. Этот механизм РРВ преобладает на ОВЧ; УВЧ; СВЧ и КВЧ, хотя может встречаться и в других диапазонах.

Таблица 1.3. Данные о типовых вариантах РРВ сигналов и помех

Диапазон РЧС	Полоса частот	Виды РРВ	Дальность РРВ сигнала	Дальность РРВ помех	Основные РСЛ
ОНЧ	3…30 кГц	Сферический волновод	10³км и более	Большая	Радионавигация, стратегическая связь
НЧ	30…300 кГц	Земная волна
СЧ	0,3…3 МГц	Земная волна, ионосферная волна	Радиовещание, морская связь
ВЧ	3…30 МГц	Ионосферная волна	Радиовещание, подвижная связь
ОВЧ	30…300 МГц	Прямая волна, рассеянная волна	10²км и более	Ограниченная	Подвижная и локальная связь, радиовещание, телевидение
УВЧ	0,3…3 ГГц	до 100 км^*	Подвижная и локальная связь, радиовещание, телевидение, космическая связь
СВЧ	3…30 ГГц	Прямая волна	до 30 км^*	Малая
КВЧ	30…300 ГГц	до 20 км^*

^*Примечание: За исключением РРВ на линиях «Земля – космос».

Земная волна (см. рис. 1.8б) распространяется вдоль границы раздела «атмосфера – земная поверхность» в соответствии с законами дифракции по траектории 3 – при этом часть энергии волны при распространении уходит вглубь Земли 1 по траектории 4. Данный механизм преобладает на ОНЧ; НЧ; СЧ и встречается на ВЧ – причем на ОНЧ и НЧ он сопровождается формированием «сферического волновода» между поверхностью Земли и нижними слоями ионосферы: днем D, ночью Е, а в диапазонах СЧ и ВЧ – интенсивной ионосферной волной. В соответствии со спецификой РРВ, регулярную земную волну называют также поверхностной.

Ионосферная волна (см. рис. 1.8в) распространяется по искривленной траектории вида 5-6 (5 – падающий луч; 6 – отраженный луч) путем однократного или многократного отражения от слоев ионосферы 7 (E и F днем, F ночью) и поверхностью Земли 1. Ионосферную волну называют также пространственной, она преобладает на ВЧ и встречается на СЧ и НЧ в сочетании с земной волной.

Рассеянная волна (см. рис. 1.8г) отличается от ионосферной другим характером взаимодействия с атмосферой Земли: вместо отражения падающей волны 8 здесь имеет место рассеяние (ненаправленное переизлучение) ее энергии рассеивающим объемом 9 в разные стороны – в том числе в направлении точки приема 10. Формирование объема 9 может происходить как в тропосфере (тропосферное рассеяние), так и в ионосфере (ионосферное рассеяние). Данный механизм РРВ встречается в диапазонах ОВЧ и УВЧ.

Методы расчета напряженности поля радиоволн делятся на две группы: для высокоподнятых и низкорасположенных антеннах. При высокоподнятых антеннах, когда высоты передающей h₁ и приемной h₂ антенн соответствуют условию h₁; h₂ >> λ, в зависимости от соотношения между расстоянием R и расстоянием прямой видимости R_пр, различают три зоны: освещенную (R < R_пр); полутени (R ≈ R_пр) и тени (R > R_пр ). При низкорасположенных антеннах, когда h₁; h₂ ≤ λ, в зависимости от соотношения между λ и радиусом Земли а_зм = 6371 км, аналогичным образом определяют зону приближения плоской Земли, зоны полутени и тени. Инженерные методы расчета напряженности поля Е основаны на определении множителя ослабления напряженности поля свободного пространства V = E/E₀, где E₀= (60 P_A G_A)^1/2/ R – напряженность поля в свободном пространстве на расстоянии R от антенны.

Поскольку расчет детерминированного значения E₀ не представляет труда, определение статистических характеристик Е на разных радиолиниях сводится к определению значений V. В реальных условиях множитель ослабления зависит от целого ряда факторов, как детерминированных, так и случайных, к числу которых относятся: длина радиолинии и ее ориентация на поверхности Земли; высота поднятия антенн и вид траектории РРВ; состояние атмосферы (тропосферы и ионосферных слоев); диапазон и механизм РРВ; частота сигнала и длина волны; характер флуктуаций параметров среды РРВ и замираний сигнала; рельеф местности; электрофизические параметры почвы; наличие препятствий и неоднородностей среды на пути РРВ; параметры антенн и др. Случайная природа V приводит к необходимости моделировать его свойства с помощью методов и средств теории вероятностей и математической статистики, после проведения большого объема экспериментальных измерений на реальных трассах РРВ, обработки и обобщения их результатов.

Рекомендации МСЭ [1.20] содержат необходимый объем данных (формулы, графики и номограммы, программные продукты) для определения значений Е и V в интересах прогнозирования ЭМО и обеспечения ЭМС РЭС в типовых условиях трех районов территории земного шара согласно РР и Международной ТРЧ. Помимо вариантов регулярного РРВ, это касается и нерегулярных (нестандартных) механизмов РРВ сигналов и помех, которые в реальных природных условиях существуют всегда.

Нерегулярные механизмы РРВ в разных диапазонах обусловлены разными физическими причинами: на УВЧ и СВЧ это сверхрефракция, при которой сигналы и помехи без существенного ослабления проходят далеко за линию горизонта, куда прямая волна попадать не должна. В диапазоне ОВЧ нерегулярное РРВ вызвано отражением от ионосферы при аномально высокой ионизации ее регулярных и спорадических слоев. Многочисленные нерегулярные механизмы на ВЧ связаны со сложной ЧПВ-динамикой параметров ионосферных слоев, благодаря чему, например, могут возникать горизонтальные межслоевые волноводы, по которым КВ распространяются на сверхдальние расстояния без отражения от поверхности Земли. Возможности нерегулярных механизмов недостаточны для надежной работы современных ИКС, однако они представляют значительный интерес с точки зрения исследования и учета в интересах ЭМС РЭС разных вариантов РРВ помех.

Согласно РР, непреднамеренные взаимные помехи между РЭС возникают как при долгосрочных регулярных, так и при краткосрочных нерегулярных механизмах РРВ. Особенностью РРВ помех является ЧПВ-нестабильность физических процессов, присущих способам и среде их прохождения в точку приема, которая приводит к случайному (вплоть до непредсказуемости) характеру их параметров. Методы прогнозирования уровней помех, изложенные в рекомендациях МСЭ [1.20], основаны на результатах анализа текущих радиометеорологических данных (изменение среднего индекса рефракции атмосферы на 1 км высоты; индекс рефракции на уровне поверхности моря и др.) для трех радиоклиматических зон на поверхности Земли: береговой, материковой и морской.

Рассматриваются следующие типовые варианты РРВ помех: в условиях прямой видимости; вследствие дифракции на естественных препятствиях, включая профиль поверхностапазонах обусловлены разными физическими причинами: на УВЧ и СВЧ это сверхрефракция, при которой сигналы и помехи без существенного ослабления проходят далеко за линию горизонта, куда прямая волна попадать не должна. В диапазоне ОВЧ нерегулярное РРВ вызвано отражением от ионосферы при аномально высокой ионизации ее регулярных и спорадических слоев. Многочисленные нерегулярные механизмы на ВЧ связаны со сложной ЧПВ-динамикой параметров ионосферных слоев, благодаря чему, например, могут возникать горизонтальные межслоевые волноводы, по которым КВ распространяются на сверхдальние расстояния без отражения от поверхности Земли. Возможности нерегулярных механизмов недостаточны для надежной работы современных ИКС, однако они представляют значительный интерес с точки зрения исследования и учета в интересах ЭМС РЭС разных вариантов РРВ помех.

Рассматриваются следующие типовые варианты РРВ помех: в условиях прямой видимости; вследствие дифракции на естественных препятствиях, включая профиль поверхности Земли; путем тропосферного рассеяния; за счет возникновения межслоевого волновода в слоистой атмосфере; при экранировании источников помех локальными искусственными неоднородностями среды (деревья, здания, инженерные сооружения); из-за рассеяния на гидрометеорах (дождь, снег, иней, туман). Для каждого типового варианта в рекомендациях приводятся расчетные формулы, графики и номограммы, указываются программные продукты и базы экспериментальных данных.

При всем многообразии вариантов взаимодействия между собой сигналов и помех – с учетом параметров РЭС и условий РРВ в разных условиях – рекомендации МСЭ основаны на двух принципах. Во-первых, это принцип определения возможного наихудшего случая: когда уровень сигнала является минимальным, а уровень помехи – максимальным, Во-вторых, экспериментальная оценка параметров законов распределения рассматриваемых случайных величин (средний уровень, дисперсия, СКО и др.) и дальнейшее обращение с ними как с детерминированными величинами – если методика оценки ЭМС РЭС допускает это. Работы по исследованию помех в МСЭ возглавляет и координирует Международный специальный комитет по помехам (Comite International Special des Perturbations Radioelectriques – CISPR, СИСПР).