Calculated estimation of electromagnetic compatibility of radio-electronic means of space systems and complexes

Full Text

Введение

Постановка проблемы. При создании ракетно-космической техники (РКТ) необходимо учитывать не только характеристики отдельно взятого технического средства (ТС), но и особенности взаимодействий нескольких ТС, так как функционирование любого ТС сопровождается возникновением нежелательных (помеховых) электромагнитных излучений (ЭМИ) различной природы и интенсивности.

Решение задачи обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) ТС РКТ имеет важное значение, так как от функционирования ТС РКТ зависит успех всей пусковой кампании. В связи с этим проектирование, изготовление и эксплуатацию ТС РКТ необходимо проводить с учетом обеспечения ЭМС ТС РКТ с требуемыми запасами.

Цель: проведение оценки взаимовлияния ТС РКТ на этапе проектирования объектов РКТ путем проведения комплексной расчетно-аналитической оценки обеспечения ЭМС ТС РКТ. По результатам оценки обеспечения ЭМС ТС РКТ при необходимости выработать организационно-технические мероприятия, направленные на обеспечение ЭМС ТС РКТ на всех стадиях жизненного цикла изделий РКТ [1–17]. Комплексный подход к оценке обеспечения ЭМС ТС РКТ определяет большой массив исходных данных, а также возможные пути проникновения помех.

Результаты. В данной статье рассмотрены методики комплексной расчетно-аналитической оценки обеспечения ЭМС ТС (электротехнических, электронных и радиоэлектронных средств (РЭС) ракет-носителей (РН) и космических аппаратов (КА):

– радиочастотный анализ обеспечения ЭМС РЭС РН и КА;

– энергетический анализ обеспечения ЭМС РЭС РН и КА;

– расчет напряженности электрического поля, создаваемого антенными устройствами (АУ) радиопередающих устройств РЭС РН и КА;

– расчет напряжения кондуктивных помех, создаваемых ТС РН и КА.

По данным методикам возможно провести оценку обеспечения ЭМС ТС РН, КА.

Практическая значимость. Проведение комплексной расчетно-аналитической оценки обеспечения ЭМС ТС РКТ позволяет еще на этапе проектирования определить слабые места в расположении ТС на бортах ракет-носителей и космических аппаратов различных конструкций.

1. Радиочастотный анализ обеспечения ЭМС РЭС

При размещении на изделии РКТ нескольких радиоприемных и радиопередающих АУ РЭС возможен сценарий появления нежелательных радиоизлучений, возникающих в результате любых нелинейных процессов в радиопередающем устройстве, кроме процесса модуляции.

Интермодуляция возникает в том случае, когда на входе радиоприемного РЭС кроме полезного сигнала действуют по крайней мере две электромагнитные помехи (ЭМП).

Радиочастотный анализ обеспечения ЭМС РЭС позволяет оценить влияние излучений (основного, неосновного) радиопередающего (совокупности радиопередающих) РЭС на радиоприемное (совокупности радиоприемных) РЭС.

Интермодуляционные продукты представляют серьезную проблему, так как они могут совпасть с полосами частот приема. Опасность представляют интермодуляции нечетных порядков, так как они располагаются ближе всего к несущим частотам. Теоретически существует возможность возникновения интермодуляционных помех четвертого и более высоких порядков. Как показывает приведенный ниже расчет, уровень мощности помех данного вида достаточно мал, чтобы привести к ухудшению выполнения целевых задач радиоприемных устройств РЭС.

Учитывая возможные сценарии возникновения ЭМП, радиочастотный анализ обеспечения ЭМС РЭС целесообразно проводить в несколько этапов.

На первом этапе необходимо оценить:

– частотные совпадения рабочих частот радиопередающих и радиоприемных устройств РЭС;

– частотные разносы между рабочими частотами, побочными излучениями радиопередающих РЭС и основными, зеркальными и другими побочными каналами радиоприемных устройств РЭС.

На втором этапе проводится расчет уровня мощности интермодуляционных излучений (помех) на входе радиоприемных РЭС в интересующих диапазонах радиочастот.

Данный тип расчета основан на вычислительных методах электродинамики, теории антенн и распространения радиоволн. На основании результатов теоретических и практических исследований необходимо дать оценку об обеспечении или необеспечении ЭМС РЭС. В случае необеспечения ЭМС РЭС также необходимо разработать план организационно-технических мероприятий по обеспечению ЭМС РЭС.

При необходимости теоретические исследования могут быть дополнены результатами экспериментальных измерений величин, характеризующих обеспечение ЭМС РЭС (напряженность поля, ширина полосы излучений, нестабильность рабочих частот, уровень побочных излучений и т. д.).

Каждая из интермодуляционных составляющих характеризуется порядком:

P = m ± n, (1)

где m и n – целые положительные, отрицательные или равные нулю числа.

В супергетеродинных радиоприемных устройствах РЭС при переходе от усилителя радиочастоты к усилителю промежуточной частоты сигнала осуществляется преобразование сигнала в сигнал.

Изменение частоты осуществляется с помощью смесителя, на вход которого подаются принятый сигнал с частотой fc и сигнал гетеродина с частотой fГ, а с выхода снимается сигнал разностной частоты:

f_П = f_c – f_Г. (2)

В других случаях требуется получить сигнал не разностной, а суммарной частоты:

f_П = f_с + f_Г. (3)

В более общей форме операцию преобразования частоты можно представить в следующем виде:

f_П = nf₁ ± mf₂. (4)

Результат проведения частотного анализа обеспечения ЭМС РЭС удобно представить в табличном виде.

2. Энергетическая оценка

Для оценки возможного влияния радиопередающего устройства РЭС рассчитываются мощности помех P_пом, дБВт, на входе рассматриваемого радиоприемного устройства РЭС. Расчетная мощность помех сравнивается с допустимым уровнем помех S_реал, дБВт, на входе рассматриваемого радиоприемного устройства РЭС.

ЭМС РЭС обеспечивается в том случае, когда мощность помех P_пом, дБВт, на входе радиоприемного устройства РЭС меньше допустимого уровня помех на величину коэффициентом запаса К_запас, дБВт.

Должно выполняться следующее неравенство:

S_реал ≥ P_пом = 6 дБВт. (5)

Мощность помехи P_пом на входе радиоприемного устройства РЭС рассчитывается по формуле:

$\begin{array}{l}{P}_{пом}=P_{ПРД}+G_{ПРД}–L_{АФУПРД}+\\ +G_{ПРМ}-L_{АФУПРМ}-L_{П}–L,\end{array}$    (6)

где P_ПРД – мощность излучения радиопередающего устройства РЭС на частоте помехи, дБВт; G_ПРД – коэффициент усиления АУ радиопередающего устройства РЭС в направлении АУ радиоприемного устройства РЭС, дБ; L_АФУПРД – затухание в АФУ радиопередающего устройства РЭС, дБ; G_ПРМ – коэффициент АФУ радиоприемного устройства РЭС в направлении АФУ радиопередающего устройства РЭС, дБ; L_АФУПРМ – затухание в АФУ радиоприемного устройства РЭС, дБ; L_П – потери за счет поляризации, дБ; L – потери в свободном пространстве, дБ.

Потери в свободном пространстве определяются по формуле:

$L=20\lg \left(\frac{4\pi R}{\lambda }\right),$   (7)

где $\lambda$ – длина волны помехи, м; R – расстояние между АУ радиоприемного устройства и радиопередающего устройства РЭС, м.

3. Расчет значений уровней напряженностей электрических полей, создаваемых АУ радиопередающих устройств РЭС

В данном разделе приведена методика расчета значений напряженностей электрических полей (зависимость уровня напряженности электрического поля от расстояния), создаваемых АУ радиопередающих устройств РЭС. Целью проведения расчета является определение устойчивости ТС к воздействию напряженности электрического поля, создаваемого АУ радиопередающих устройств РЭС.

Распространение электромагнитных волн (ЭМВ) в реальной среде характеризуется множественными физическими явлениями (отражения от металлических конструкций, затухания в среде распространения и т. д.). С целью сокращения трудоемкости на проведение расчетов и получения результатов, которые будет удовлетворять практическому применению, в расчетах будем использовать следующие значения: диэлектрическая проницаемость e = 1, магнитная проницаемость µ = 1, удельная проводимость $\sigma$ = 0. Расчет проводится без учета влияния конструкции, среды распространения электромагнитной волны. Поглощение в среде отсутствует.

На этапе получения формулы расчета напряженности электрического поля в общем виде в качестве источника электромагнитных волн примем изотропный излучатель. После получения формулы расчета напряженности электрического поля в общем виде в формулу введем коэффициент направленного действия.

Методика расчета основана на формулах (8), (9) для расчета плотности потока мощности в заданной точке пространства:

${\Pi }_j=\frac{P_{ПРДi}{G}_{ПРДi}}{4\pi r^2}{k}_{КПД\_АФУ},$   (8)

$\Pi =\frac{1}{2}\frac{E^2}{120\pi },$   (9)

где $P_{ПРДi}$ – мощность рассматриваемого радиопередающего устройства РЭС, Вт; $G_{ПРДi}$ – коэффициент усиления АУ, рассматриваемого i-го радиопередающего устройства РЭС; r – расстояние от места расположения АУ радиопередающего устройства РЭС и до рассматриваемой точки пространства, м; $k_{КПД\_АФУ}$ – коэффициент полезного действия АУ радиопередающего устройства РЭС.

Выполним следующие преобразования:

${\Pi }_j=\frac{P_{ПРДi}{G}_{ПРДi}}{4\pi r^2}{k}_{КПД\_АФУ}=\frac{1}{2}\frac{E^2}{120\pi },$   (10)

$\begin{array}{l}{E}_{Д}=\sqrt{\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\int }}{E}_m^2{\sin }^2\left(\omega t\right)dt}=\frac{E_m}{\sqrt{2}}=\\ =\frac{\sqrt{30P_{ПРДi}{G}_{ПРДi}{k}_{КПД\_АФУ}}}{r}.\end{array}$   (11)

Результаты расчета уровня напряженности электрического поля целесообразно приводить в виде графических зависимостей уровней напряженностей электрических полей от расстояний.

4. Расчет напряжения кондуктивных помех, создаваемых ТС

При расчете кондуктивных помех ТС приняты следующие ограничения и допущения: параллельная схема (рисунок) подключения источника питания (ИП) и потребителей ТС (источники помех), диэлектрическая и магнитная проницаемости линии e = 1 и µ = 1 соответственно. Присвоим ТС индекс от 1 до m. Каждое ТС представим эквивалентной схемой, состоящей из источника электродвижущей силы (ЭДС) помехи и последовательно соединенного с ним сопротивления, моделирующим входное сопротивление.

Рис. Эквивалентная электрическая схема соединения ИП и ТС

Fig. Equivalent electrical circuit for connecting the power supply source and technical equipment

ЭМС ТС обеспечивается, если напряжение помех U(f)_пом, дБ, создаваемое на портах питания ТС, меньше допустимого напряжения помех U(f)_доп, дБ, на величину коэффициента запаса электромагнитной совместимости К_запас, дБ:

U(f)_пом – U(f)_доп ≤ К_запас. (12)

Из рассмотрения исключим источники ЭДС помехи интересующего ТС. Затем определяем эквивалентное напряжение на всех входных сопротивлениях. В результате получим формулу определения эквивалентного напряжения E_эквив., В:

$E_{эквив.}=\frac{{\displaystyle \sum _{m=1}^k{E}_m{Y}_m}}{{\displaystyle \sum _{m=1}^k{Y}_m}},$   (13)

где Y_m – входная проводимость m-го ТС.

Эквивалентное входное сопротивление ТС $Z_{эквив.},$  Ом, определим по формуле:

$Z_{эквив.}=Z_{imp.j}+\frac{1}{{\displaystyle \sum _{m=1}^k{Y}_m}},$    (14)

где Z_imp.j – импеданс провода, Ом.

При этом должно выполняться условие:

J ≠ m, m = от 1 до k. (15)

Импеданс провода находится по формуле:

$Z_{imp.j}=\frac{{\displaystyle \sum _{n=0}^{\infty }{J}_{2n+1}\left(kr\right)}}{\sigma \pi r^2{J}_{2n+1}\left(kr\right)},$   (16)

где J_2n+1(kr) и J₁(kr) – функции Бесселя; k – волновое число; r – радиус провода, мм; $\sigma$ – удельная проводимость проводника, см.

Волновое число определяется отношением:

$k=\sqrt{\frac{\omega {\mu }_{ср}{\mu }_0\sigma }{2}},$   (17)

где ω – угловая частота, рад.

Ток помехи I_пом, А, на рассматриваемом ТС, определяется выражением:

$I_{пом}=\frac{E_{экв.}}{Z_{экв.}+Z_i}.$   (18)

Напряжение помехи U_пом, В, на сопротивлении i-го ТС рассчитывается по формуле (16):

U_пом = Z_iI_пом (19)

Заключение

Данная статья акцентирует внимание на методиках расчета обеспечения ЭМС ТС РН, ТС КА и ТС РН с ТС КА. Комплексная расчетно-аналитическая оценка обеспечения ЭМС ТС базируется на поэтапном алгоритме сокращения числа анализируемых ТС с целью сокращения трудозатрат, повышения точности расчета обеспечения ЭМС РЭС за счет увеличения номенклатуры исходных данных.

About the authors

Yevgeny E. Krivobokov

Author for correspondence.
Email: krv-evgeny@yandex.ru

Lead Engineer of Khrunichev State Research and Production Space Center

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. Equivalent electrical circuit for connecting the power supply source and technical equipment

Download (247KB)

Indexing metadata