Факторы, влияющие на ЭМС технических средств

1. Казанский Национальный исследовательский технический университет Кафедра РТС НИИПРЭФЖС

Электромагнитная
совместимость
радиоэлектронных средств
Курс магистерской программы

2. Введение

• электромагнитная
совместимость
технических
средств - способность технического средства
функционировать с заданным качеством в заданной
электромагнитной обстановке и не создавать
недопустимых электромагнитных помех другим
техническим средством
• ГОСТ 30372-95
ГОСТ Р 50397-92
МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ
СОВМЕСТИМОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ
Термины и определения

3. Введение. Этапы

• -Конец ХIX- начало ХХ века. Первые нарушения
радиосвязи. Берлинская Конференция 1906
• -20 -30 годы ХХ века. Индустриальные помехи
• - 40-50 годы Развитие военной
радиоэлектроники. Начало формирования
Международной правовой базы
• - 60 – 70 годы. Первые фатальные проявления
нарушений ЭМС. Практическое освоение
технологий ЭМС в военной технике.
• - 70 –до настоящего времени. Широкое
распространение во все сферы

4. Введение.

5. Введение

6. Введение

7. Введение

8. Введение

9. Введение

10. Введение

11. Введение

В условиях отсутствия централизованной координации со стороны органов
управления образованием существующие пособия в значительной мере
отражают лишь отдельные стороны проблематики ЭМС и личные
предпочтения авторов. Большинство из них характеризует хрестоматийная
притча о пятерых слепцах, описывающих слона (Рис. 1)

12. Введение

принцип построения курса - изложение основных принципиальных положений
теории и практики ЭМС без глубокой детализации применительно к той или
иной специализации. Базируется на ранее изданных пособиях
1986
2006
2016

13. Раздел 1 Факторы, влияющие на ЭМС технических средств

Источник помех
Виновник
Механизм передачи энергии
Рецептор помех
Жертва
Среда распространения

14. Раздел 1 Факторы, влияющие на ЭМС Понятие радиочастотного ресурса

15. Раздел 1 Факторы, влияющие на ЭМС Понятие радиочастотного ресурса

16. Раздел 1 Факторы, влияющие на ЭМС Понятие радиочастотного ресурса

17. Раздел 1 Факторы, влияющие на ЭМС Понятие радиочастотного ресурса

18. Понятие радиочастотного ресурса

T
ипi
ипнi
рпнj
рпj
ИПi РПj ø
ИПi РПj ø
R

19. Понятие радиочастотного ресурса

Любое
техническое
средство,
создающее
электромагнитное поле, занимает определенную
часть радиочастотного пространства
Любое
техническое
средство,
создающее
электромагнитное поле, тем самым использует
радиочастотный ресурс
Радиопередающие устройства принципиально
используют радиочастотный ресурс вне своего
физического объема
Устройства, не являющиеся радиопередатчиками,
принципиально не нуждаются в использовании
радиочастотного ресурса своего физического
объема, но частично используют его вследствие
технического несовершенства

20. Факторы, влияющие на ЭМС технических средств

В процессе образования
участвуют три фактора
Схема воздействия НЭМП на
РП.
PРП lks PИП L ИПl Lk L РПs

21. Факторы, влияющие на ЭМС технических средств

Нарушения ЭМС могут возникать как побочный результат
выполнения основных функций и (или) вследствие технического
несовершенства средств и условий их применения

22. Факторы, влияющие на ЭМС технических средств Пример

Радиостанция «Прима ДМВ»
Функциональные
параметры (фрагмент)

23. Факторы, влияющие на ЭМС технических средств

Параметры ЭМС
(фрагмент)

24. Факторы, влияющие на ЭМС технических средств

Особенность задач обеспечения ЭМС состоит в том, что в большинстве случаев
параметры ЭМС, определяющие ослабление помех в источнике рецепторе и среде
распространения представляют собой величины на несколько порядков меньшие по
сравнению с близкими к ним смыслу, функциональными показателями
Основное
излучение
L ИП
10 -4
f
Рабочая
полоса
fИП
Вне
рабочей
полосы
10 -4
f РП
f
Радиопередатчик мощностью 10 Вт.
Приемник – с чувствительностью 10 -12 Вт,
Пусть допустимый уровень помехи Ррn доп= 10-11Вт.
Коэффициент связи антенн, 10-3.
Принимаемая помеха 10-10 Вт.

25. Раздел 1 Факторы, влияющие на ЭМС Понятие радиочастотного ресурса

Рассматривается пространство, координаты которого - время, частота и
географические координаты

26. Понятие радиочастотного ресурса

ИПi РПj ø
ИПi РПj ø

27. Электромагнитные помехи Классификация

28. Электромагнитные помехи

Естественные ЭМП вызваны различными электромагнитными процессами
в природе.
Естественные ЭМП непосредственно не связаны с деятельностью человека

29. Электромагнитные помехи

Уровни помех от различных источников
естественных помех. На НЧ преобладают
атмосферные помехи.

30. Электромагнитные помехи Излучения радиопередающих устройств.

Электромагнитные помехи
Излучения радиопередающих устройств
.
Для каждого конкретного вида модуляции существует минимальное значение
ширины полосы частот передаваемого сообщения - Вн. Эта величина называется
шириной необходимой полосы частот и определяется как минимальное значение
полосы частот, обеспечивающее радиопередачу данного класса сообщений
(сигналов) с требуемыми скоростью и качеством. Излучения в пределах
необходимой полосы частот называют основными (ОИ), вне необходимой полосы –
нежелательными (НИ).

31. Излучения радиопередающих устройств

Классификация

32. Излучения радиопередающих устройств Побочные излучения Побочные – неосновные лине, обусловленные любыми нелинейным эффектами в

тракте
радиопередающего устройства
Классификация побочных излуений
Побочные – неосновные излучения,
обусловленные любыми нелинейным
эффектами в тракте радиопередающего
устройства

33. Излучения радиопередающих устройств Характеристики и параметры. Побочные излучения

Уровень ПИ –
относительная
величина в дБ
НАИБОЛЬШЕЙ из
составляющих
(отн)
Pпоб
( абс )
10 lg max( Pпоб i
( абс )
/ Pосн
)

34. Излучения радиопередающих устройств Характеристики и параметры излучения

. Внеполосные излучения –
примыкающие к полосе основного
излучения, обусловленные процесса
ми модуляции

35. Индустриальные помехи.

Создаются любыми источниками кроме излучений
радиопередатчиков антеннами

36. Индустриальные помехи. Узкополосные

Создаются
различными
средствами,
генерирующими
узкополосные
колебания,
используемые в
пределах
устройств.
Не
предназначены
для излучения
Генераторы ВЧ и СВЧ технологических
установок
Генераторы ВЧ и СВЧ медицинского
назначения
Генераторы ВЧ и СВЧ в составе РЭА
(генераторы накачки, гетеродины и др.

37. Индустриальные помехи. Широкополосные

Создаются любыми устройствами
с быстропеременными токами
Помеха
Спектр
помехи
Примеры источников ШП ИРП:
-электродвигатели
коллекторные,
-контактная сеть транспорта;
-газоразрядные источники
света;
-оборудование электросварки,
--ЛЭП высокого напряжения
-и др.

38. Индустриальные помехи. Кратковременные

Создаются в
устройствах
коммутации силовых
цепей
Образуются в моменты
включения или
выключения нагрузки
Имеют широкий спектр

39. Индустриальные помехи. Контактные помехи

Возникают при облучении переменных контактов
Ток
Время
В покое
В движении

40. Индустриальные помехи. Количественные характеристики

Для количественного
описания
используется
стандартизированная
система
количественных
показателей

41. Индустриальные помехи.

Количественные характеристики различны для описания интегральной
обстановки (неопределенная совокупность источников )и свойств
индивидуальных источников
Как
Интегральные имеют смысл
спектра мощности
пример
Индивидуальные
характеризуют
спектр создаваемых
устройством помех

42. Нормирование параметров источников НЭМП

Уровни побочных в обязательном порядке нормируются рядом
стандартов и другой НТД.

43. Нормирование параметров источников НЭМП

Уровни внеполосных излучений в обязательном порядке
нормируются рядом стандартов и другой НТД.

44. Нормирование параметров источников НЭМП ИРП

Уровни индустриальных помех в обязательном порядке
нормируются рядом стандартов и другой НТД
Как
пример

45. Пути и механизмы распространения НЭМП

46. Пути и механизмы распространения НЭМП

Среда
распростра
нения
Источник
помех
Рецептор
помех
Механизмы
распространения
Для радиотехнических устройств основной механизм – излучение и
прием антеннами

47. Пути и механизмы распространения НЭМП при ИРП

Излучение
Источник
помех
Связь в
полях
ближней
зоны
Рецептор
помех
Кондуктивн
ые
механизмы
Распространение индустриальных помех характеризуется
ослаблением значений напряжений и напряженности поля в
рецепторе по отношению к источнику

48. Пути и механизмы распространения НЭМП для радиоустройств Коэффициент связи антенн

В случаях ЭМС радиоустройств основной механизм –
излучение и прием антеннами.
Количественно связь характеризуется коэффициентом связи
антенн
Lрадиотрассы
LфИП
P ПРД
LфРП
P ПРМ

49. Пути и механизмы распространения НЭМП Коэффициент связи антенн

Коэффициент связи антенн зависит от многих факторов: типа и
параметров антенн, их расположения и расстояния между ними

50. Пути и механизмы распространения НЭМП Коэффициент связи антенн.

Для ближней зоны характерно значительное отличие
коэффициентов связи слабонаправленных антенн в зависимости
от их типа. Антенны одинакового типа, например, электрического
типа, обладают значительно большими коэффициентами связи по
сравнению с разнотипными, например, передающей в виде
вибратора.

51. Коэффициент связи антенн. Ближняя зона

Коэффициенты связи имеют большую величину и слабо зависят от взаимной ориентации
антенн
-5..-10 дБ
-3..-5 дБ
Для ближней зоны характерно значительное отличие коэффициентов
связи слабонаправленных антенн в зависимости от их типа.
-3..-5 дБ
-5..-15 дБ

52. Коэффициент связи антенн. Дальняя зона

53. Коэффициент связи антенн. Дальняя зона

ДН и КУ антенн вне рабочих полос частот могут сильно отличаться от
значений на частоте основного излучения или основного канала
приема
На основной
частоте
На частотах
гармоник
Пример – ДН слабонаправленной антенны на частоте основного
излучения и частотах гармоник

54. Коэффициент связи антенн. Дальняя зона

ДН и КУ антенн вне рабочих полос частот могут сильно отличаться от значений на
частоте основного излучения или основного канала приема
Пример: изменение условий возбуждения антенны на частотах, значительно
отличающихся от значений в рабочих полосах частот. ДН двухэлементной антенны с
шагом λ\4 с последовательным возбуждением

55. Коэффициент связи антенн. Дальняя зона

ДН и КУ антенн вне рабочих полос частот могут сильно отличаться от
значений на частоте основного излучения или основного канала приема .
Вне рабочей полосы частот изменение коэффициентов усиления связано
также с наличием частотной зависимости их входных импедансов

56. Коэффициент связи антенн в учетом влияния реальных радиотрасс.

В реальных условиях , зависит и от условий распространения радиоволн на
конкретной радиотрассе. Существенно влияют:
диапазон частот;
наличие или отсутствие прямой видимости, а также расстояние между антеннами
источника и рецептора;
вертикальный профиль подстилающей поверхности;
характер подстилающей поверхности (суша, водная поверхность) и ее параметры
(волнение, характер растительного покрова
С точки ЭМС существенны:
рефракция радиоволн наиболее длинноволновой части радиочастотного
диапазона;
отражения от ионосферы
аномальное распространения радиоволн вследствие образования приземных
волноводов, отражений от элементов рельефа и ,облаков
нарушение условий однолучевого механизма распространения радиоволн
сложный характер влияния крупномасштабных элементов рельефа,
проявляющийся не только в эффекте затенения, увеличивающий затухание, но и
дифракционных эффектах, снижающих затухание волн в областях тени

57. Коэффициент связи антенн в учетом влияния реальных радиотрасс.

Эффекты загоризонтного
распространения радиоволн. 1 Рефракция(километровые волны).. 2
- . отражение от ионосферы
(декаметровые волны), 3 - отражение
от метеорных следов, 4 - дифракция
на острых гранях элементов
рельефа, 5 - естественные и
искусственные приземные
волноводы
Влияние вертикального профиля
подстилающей поверхности.
1 - область тени, 2 – область тени с меньшим
ослаблением 2 вследствие дифракции на
вершине с острыми гранями.

58. Коэффициент связи антенн в учетом влияния реальных радиотрасс.

Представление зависимости затухания
от расстояния
К оценке затухания при
распространении радиоволн.

59. Частотные зависимости коэффициентов передачи фидеров

LфИП
P ПРД
LфРП
P ПРМ
Их значения могут изменяться в широких пределах в зависимости от состава
элементов фидеров, их конструкции и частоты. С позиций ЭМС практическое
значение имеет, главным образом, то, что коэффициенты передачи для некоторых
полос частот могут соответствовать малому затуханию НЭМП.
Причинами являются:
наличие частотных зависимостей параметров нерегулярностей в фидерах;
интерференция волн, прошедших участки с нерегулярностями
многомодовый характер распространения радиоволн в фидерах на частотах,
значительно превышающих частоты ОН и ОКП.

60. Пути распространения ИРП Излучаемые и кондуктивные ИРП

К действию излучаемых ИРП согласно существующей терминологии
принято относить любые случай воздействия ИП на рецепторы, когда
отсутствуют непосредственные электрические соединения их цепей
следует различать два случая:
- электрические цепи находятся в ближней зоне .
- цепи подвергаются воздействию электромагнитного поля дальней зоны.
Распределение
напряженности
электрического
поля
вблизи
антенны
(вибратор)
Характер ЭМП ближней и дальней зоны существенно различен..

61. Электромагнитное поле элементарных источников в ближней и дальней зоне

Характер ЭМП ближней и дальней зоны существенно различен..
ДН не зависит от типа источника
Распределение поля зависит от
типа источника

62. Электромагнитное поле элементарных источников в ближней и дальней зоне

U
Электрический тип
Вибратор
Распределение поля в
ближней зоне существенно
зависит от типа источника
Магнитный тип
Рамка
U

63. Связь проводников цепей источников и рецепторов ИРП.

Дальняя зона
С принципиальной точки зрения механизм электродинамической связи полностью не
отличается от соответствующего излучению и приема антеннами радиотехнических
устройств. Но по эффективности они значительно уступают антеннам радиоустройств:
-физические размеры проводников электрических цепей обычно значительно меньше
длины волны. Рассогласованы, но в пределах отдельных узких полос частот возможно
эффективное излучение и прием вследствие эффекта сопряженного согласования
- При излучении и приеме широкополосных ИРП спектр и форма «принимаемых
сигналов», как правило, значительно отличаются от «передаваемых»
электродинамическая связь источников ИРП и рецепторов, не являющихся
радиоприемниками как правило не играет существенной роли при условии
расположения их в дальней зоне. Указанная связь существенна когда рецепторами
помех являются радиоприемные устройства

64. Связь проводников цепей источников и рецепторов ИРП.

Ближняя зона

65. Связь проводников цепей источников и рецепторов ИРП. Ближняя зона. Эквивалентные цепи

Электрическая и
магнитная связь
проводников цепей. а,в –
схематическое
изображение, в, г –
эквивалентные схемы

66. Кондуктивная связь проводников цепей источников и рецепторов ИРП  

Кондуктивная связь проводников цепей источников и
рецепторов ИРП
Помехи, действующие при наличии проводников любого
назначения называют кондуктивным
Механизм
передачи
электромагнитной
энергии
обусловлен
распространением направляемых электромагнитных волн в
волноведущей структуре, образованной
двумя или более
проводниками, где могут
распространяться
направляемые
электромагнитные волны Т-типа с критической частотой равной нулю
Структура Т-волн
несимметричного(А) и
симметричного (Б) видов

67. Кондуктивная связь проводников цепей источников и рецепторов ИРП

68. Кондуктивная связь проводников цепей источников и рецепторов

Возбуждение Т-волн волн в
системе проводников
Возникновение кондуктивных помех при
емкостной связи
Возникновение кондуктивных помех при
гальванической связи (неидеальная изоляция)
Возникновение кондуктивных помех при
гальванической связи (« по общей земле»)

69. Кондуктивная связь проводников цепей источников и рецепторов

Токи, протекающие в
одной их цепей, наводят
ЭДС в других
проводниках, возбуждая в
них распространяющуюся
Т-волну

70. Параметры связи источников и рецепторов ИРП

Связь ИП и РП обусловлена наличием
• - электромагнитной связи проводников в ближнем поле (емкостная или
индуктивная связь);
• - распространения направляемых волн, как правило Т-типа, в различных
проводниках, присоединенных к рецептору (кондуктивная связь);
• комбинированных механизмов связи, сочетающих наличие излучаемых
помех, возбуждение направляемых волн в проводниках соединительных
цепей с последующим их распространением как кондуктивных помех.
Связь ИП и РП количественно определяется значениями коэффициентов
переноса помех

71. Воздействие НЭМП на рецепторы. Варианты воздействия НЭМП

72. Воздействие НЭМП на рецепторы.

Принято выделять две различающиеся группы рецепторов:
- прием НЭМП радиоприемниками при условии воздействия на их на
антенный вход;
- все остальные варианты, включая прием излучаемых помех
радиоприемниками при воздействии помимо антенного входа,
Разделение на приведенные группы имеет принципиальный смысл:
Радиоприемные устройства по своему основному назначению должны
реализовывать функции приема электромагнитных колебаний
Все остальные виды нежелательных воздействий в той или иной мере
связаны с техническими несовершенствами устройств

73. Воздействие НЭМП на рецепторы. Воздействие НЭМП на радиоприемники

Для описания воздействия помех
через антенный вход
пользуются понятием «канал
приема»
Основным каналом приема (ОКП)
называется полоса частот,
находящаяся в полосе
пропускания приемника и
соответствующая
необходимой полосе частот
для передаваемого сообщения
Полосы частот, которые
соответствуют
нежелательному приему,
называют неосновными (или
нежелательными) каналами
приема

74. Каналы приема

Существует ряд механизмов, приводящих к
возникновению неосновных каналов приема

75. Каналы приема

76. Прямое прохождение помех.

Из-за неидеальной частотной избирательности линейных каскадов
приемника (преселектора, фильтров в каскадах УРЧ и, главным
образом, каскадов УПЧ) характеристика частотной избирательности
приемника всегда отличается от прямоугольной.
Из-за существенного отличия характеристики частотной избирательности
от прямоугольной становится возможным прием помех с частотами,
примыкающими к основному каналу приема. Указанный механизм
приема, обусловлен только недостаточно высокой избирательностью
линейных каскадов приемника.

77. Побочные каналы приема

• Побочным каналом приема (ПКП) радиоприемника
называется полоса частот, находящаяся за пределами
основного канала приема, в которой сигнал проходит на
выход радиоприемника

78. Внеполосные эффекты. Блокирование и перекрестные искажения

Блокированием называется изменение уровня сигнала или отношения
сигнал-шум на выходе радиоприемника при действии интенсивной
радиопомехи, частота которой не совпадает с частотами основного и
побочных каналов приема радиоприемника.
Перекрестными искажениями называется изменение структуры спектра
сигнала на выходе радиоприемника при одновременном действии сигнала и
модулированной радиопомехи,
Явления блокирования и перекрестных искажений имеют общую
природу, обусловленную нелинейными свойствами активных элементов

79. Внеполосные эффекты. Блокирование и перекрестные искажения

Если одновременно действует сигнал и помеха с амплитудой,
превышающей диапазон линейности амплитуда сигнала в
присутствии мощной помехи снижается и сигнал оказывается
дополнительно промодулированным частотами модуляции
помехи

80. Интермодуляция в приемнике.

Интермодуляцией называется возникновение помех на
выходе приемника при действии на его входе двух и более
радиопомех, частоты которых не совпадают с частотами
основного и побочного каналов
В цепях до смесителя интермодуляция возникает при воздействии
интенсивных радиопомех, амплитуды которых соответствуют
нелинейному участку характеристики активного элемента. В
результате образуются колебания биений с частотами вида
Аналогичные явления имеют место в смесителе

81. Восприимчивость радиоприемников к НЭМП и характеристики частотной избирательности. Прямое прохождение и ПКП. Односигнальная

избирательность
Генератор
ПРМ
Измеритель

82. Восприимчивость радиоприемников к НЭМП и характеристики частотной избирательности. Внеполосный прием. Двухсигнальная

избирательность

83. Восприимчивость радиоприемников к НЭМП

Стандартные параметры:
- восприимчивость по блокированию и перекрестным искажениям
- восприимчивость по интермодуляции
Это значения соответствующих характеристик двухсигнальной
избирательности при стандартных уровнях сигнала и частотной
растройки
• Параметры восприимчивости радиоприемников нормируются для
ряда классов применения рядом стандартов и другой НТД
• Для аппаратуры военного назначения – в обязательном порядке.

84. Воздействие НЭМП на рецепторы, не являющиеся радиоприемниками.

Воздействие НЭМП на рецепторы, не являющиеся
.
радиоприемниками
Вопросы для обсуждения
• - каким образом внешние по отношению к
рецептору электромагнитные процессы могут
воздействовать на его электрические цепи;
• -к какой реакции приводят и как проявляется
воздействие этих электрических колебания в
цепях рецептора, проявляющееся как
ухудшение качества функционирования.

85. Воздействие НЭМП на рецепторы, не являющиеся радиоприемниками

В отношении механизма и
«проникновения» внешних
помех во внутренние цепи
рецептора просматривается
полная аналогия с возбуждением
индустриальных помех
источниками за пределами их
внутренних объемов
Источник помех
Рецептор помех
Кондуктивные
Излучаемые

86. Воздействие НЭМП на рецепторы, не являющиеся радиоприемниками Характер проявления

87. Воздействие НЭМП на рецепторы, не являющиеся радиоприемниками Помехи высокой интенсивности

Энергия разрушения элементов РЭС.

88. Воздействие НЭМП на рецепторы, не являющиеся радиоприемниками Параметры восприимчивости

89. Воздействие НЭМП на рецепторы, не являющиеся радиоприемниками Нормирование параметров восприимчивости

Параметры восприимчивости
Радиоприемники
Электронные
устройства
Восприимчивость по ПКП
Восприимчивость или
динамический диапазон по
блокированию
Восприимчивость или
динамический диапазон по
интермодуляции
Восприимчивость к
кондуктивным помехам
Восприимчивость
излучаемым помехам
Напряженность
электрического поля
Напряженность магнитного
поля
Гармонические
Импульсные
Вид воздействия
Импульсные
Параметры
восприимчивости
нормируются для
ряда классов
применения.
Для большинства
аппаратуры – в
обязательном
порядке.
нормируются
рядом стандартов
и другой НТД