Физические основы излучений радиопередающих устройств.

Функциональное назначение радиопередающих устройств со­стоит в генерации и излучении электромагнитных волн, несущих определенную информацию, с целью последующего ее извлечения в заданной области пространства. Интенсивность излучае­мых волн определяется уровнем напряженности ЭМП в точке приема.

Количество и качество передаваемой информации зависят от способа организации передачи информации при помощи электро­магнитных волн, т.е. способа и параметров модуляции и полосы частот, соответствующих передаваемому сообщению. Для каждо­го конкретного вида модуляции существует минимальное значе­ние ширины полосы частот передаваемого сообщения. 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), во вне необходи­мой полосы - нежелательными (НИ) (рис. 2.3 и 2.4)

Рисунок 2.3 – Классификация излучений радиопередающего устройства

Рисунок 2.4 - Основные и нежелательные излучения радиопередатчика

2.5.1 Побочные излучения.

К побочным излучениям (ПИ) относят нежелательные радио­излучения, возникающие в результате любых нелинейных процес­сов в радиопередающем устройстве, за исключением процесса модуляции сигнала. Различают излучения на гармониках, субгармо­никах, паразитные, комбинационные и интермодуляционные. Пе­речисленные виды излучений вызываются нелинейными процес­сами, существующими в самом передатчике, а также фидере и ан­тенне. В образовании интермодуляционных излучений, кроме того, принимают участие внешние электромагнитные поля, воздейству­ющие на данное радиопередающее устройство.

Радиоизлучение на гармонике — побочное радиоизлучение на частотах, в целое число раз больших частоты основного радиоиз­лучения. f_г = mf₀, т = 2, 3, . .. п . Излучения на гармони­ках принципиально присущи любым радиопередающим устрой­ствам и обусловлены нелинейностью амплитудных и фазовых ха­рактеристик, главным образом, активных элементов.

Уровень гармонических составляющих генерируемого или усиливаемого колебания зависит от схемы радиопередающего ус­тройства, типа и рабочих параметров активных приборов, режи­ма работы, наличия дополнительных устройств частотной фильт­рации и т.д. Конкретное проявление нелинейных свойств различ­но в зависимости от диапазона частот. Нормы на излучения гармоник представлены на рис. 2.5 .

Независимо от конкретных причин возникновения гармоник их амплитуды связаны со степенью нелинейности и, как правило, убывают с ростом номера гармоники. При этом, чем сильнее выра­жены нелинейные свойства, тем больше амплитуды гармоник и число гармоник, имеющих заметную амплитуду.

Колебания на частотах гармоник могут возникать также и в фидере вследствие нелинейности характеристик размещенных в нем ферритовых и полупроводниковых элементов. Кроме того, нели­нейные свойства фидеров могут быть вызваны нелинейностью пе­реходных сопротивлений между соприкасающимися поверхностя­ми, поскольку в сочленениях волноводов, механических соедине­ниях антенн и т.д. возможно образование слоев окислов, облада­ющих нелинейной амплитудно-фазовой характеристикой.

Радиоизлучение на субгармониках - побочное радиоизлучение на частотах, в целое число раз меньших частоты основного радио­излучения. Несущие частоты их равны: f_сг =f₀/m,m=2,3,..., где f₀- несущая частота основного радиоизлучения. Радиоизлучения на субгармониках свойственны радиопередатчикам, использую­щим умножение частоты. Схема умножения применяется не толь­ко в относительно низкочастотных диапазонах, где используются стабилизированные генераторы опорных частот, но и в диапазоне СВЧ, поскольку мощность полупроводниковых или диодных ге­нераторов, особенно в верхней части СВЧ диапазона, недостаточ­но высока. Например, в излучающих модулях активных фазиро­ванных антенных решеток могут использоваться маломощные транзисторные генераторы и умножители частоты на варакторных диодах или диодах с накоплением заряда.

Хотя в состав каскадов умножителя частоты входят частот­ные фильтры, гармоники и субгармоники выделяемой частоты по­давляются не полностью и присутствуют в спектре выходного ко­лебания.

Паразитное радиоизлучение - вид побочного излучения, воз­никающего в результате самовозбуждения радиопередатчика из-за паразитных связей в его генераторных или усилительных кас­кадах. Для данного излучения характерно, что его частота некрат­на частоте основного радиоизлучения и субгармоник: f_пар ≠ тf₀, т = 1, 2, 3,..., 1/2, 1/3 ... Паразитные излучения могут иметь место на частотах как ниже, так и выше основной частоты. В ламповых и транзисторных генераторах излучение на более низких частотах чаще всего определяется самовозбуждением из-за паразитных резонансов в цепях питания. Частоты таких колебаний обычно на порядок меньше основной частоты. В диапазоне СВЧ к перечисленным меха­низмам добавляется возможность образования паразитных резонансов в фидерном тракте вследствие влияния рассогласования ан­тенны, соединенной с передатчиком протяженным фидером. Воз­можны также паразитные резонансы на различных неосновных типах колебаний резонаторов и типах волн в волноводах.

Мощность и значение частоты паразитного излучения трудно предсказуемы и могут иметь значительный разброс даже в группе однотипных устройств, нередко достигающие -30...-40 дБ относительно основного колебания.

Комбинационное радиоизлучение - побочное радиоизлучение, возникающее при воздействии на нелинейные элементы радиопе­редающего устройства колебаний на частотах несущих или фор­мирующих несущую частоту, а также гармоник этих колебаний. Комбинационные излучения имеют место главным образом в ра­диопередатчиках, в которых применяется возбудитель, создающий сетку рабочих частот нелинейными преобразованиями вспомога­тельных стабилизированных по частоте колебаний. Здесь на нели­нейный элемент радиопередатчика поступают колебания с часто­тами f₁, f₂, f₃ и т.д., находящиеся обычно в декадном соотношении: f₂=10f₁, f₃=10f₂, ... В результате их смешения возникают различ­ные комбинационные составляющие с частотами

f_комб = | ± m₁f₁ ± m₂f₂ ±...|.

Выходной фильтр выделяет необходимую частоту, осуществляя возбуждение широкополосного оконечного каскада стабилизированным колебанием. Поскольку избирательные свой­ства любого фильтра конечны, он лишь частично подавляет ос­тальные неиспользуемые колебания. После усиления в оконечном устройстве (с учетом его избирательных свойств) эти колебания проявляются в виде нежелательных излучений с соответствующи­ми частотами.

Интермодуляционное радиоизлучение - побочное радиоизлу­чение, возникающее в результате воздействия на нелинейные эле­менты высокочастотного тракта радиопередающего устройства генерируемых колебаний и внешнего электромагнитного поля (от другого радиопередатчика). В определенном смысле они являют­ся результатом нарушения работы радиопередающего устройства под влиянием радиопомех от других радиопередатчиков, имеющих с рассматриваемым сильную связь. Такая ситуация соответствует либо близкому расположению нескольких радиопередающих уст­ройств с раздельными антеннами на ограниченной территории, например на корабле, самолете, узле связи, либо при работе не­скольких радиопередатчиков на общую антенну. Воздействие вне­шних электромагнитных полей из-за конечной частотной избира­тельности антенн, фидера и выходных фильтров передатчика, а также вследствие недостаточного экранирования фидера и раз­вязки по цепям электропитания может происходить через антен­ны и помимо антенн, через корпуса и межблочные соединения, а также цепи электропитания.

При наличии нелинейности любой природы, например вы­ходного активного прибора или элементов фидера, происходит взаимодействие внешнего колебания с частотой f_п и генерируемо­го. В результате появляются дополнительные составляющие на частотах гармоник - mf₀ и nf_П (m,n =1, 2, ...) и интермодуляционных частотах

f_инт= | ± m_lf_П ± m₂f₀ ±... |, (m₁, m₂ = 1, 2, ...).

Как и в случае образования гармоник, имеют значение нелинейности ам­плитудных и фазовых характеристик, причем последняя наиболее характерна для приборов СВЧ диапазона. Например, для усили­телей мощности, выполненных на ЛБВ, уровень интермодуляци­онных составляющих равен -20 ...-40 дБ относительно уровня ос­новного излучения даже в том случае, когда воздействующий сиг­нал на 5 ... 10 дБ меньше уровня насыщения.

Число и амплитуды интермодуляционных составляющих за­висят от степени нелинейности: чем сильнее выражены нелинейные свойства, тем больше образуется интермодуляционных составляю­щих и тем выше их амплитуды. Интенсивность интермодуляцион­ных составляющих зависит также от порядка преобразования и убывает, как правило, с ростом этой величины.

Второй механизм возникновения интермодуляционных излу­чений часто называют параметрическим. Электромагнитное поле на частоте помехи изменяет параметры электронного прибора во времени (крутизну вольтамперной характеристики сеточных ЭВП и транзисторов, параметр группировки электронов в ЭВП СВЧ), что приводит к модуляции сигнала на рабочей частоте и появле­нию в спектре выходного сигнала колебаний на комбинационных частотах.

Кроме отмеченных механизмов возникновения интермодуля­ционных излучений, связанных непосредственно с процессами в ак­тивных устройствах, как и в случае излучений на гармониках, воз­можно образование их из-за нелинейных свойств элементов фидера и различных элементов конструкции. Из интермодуляционных ко­лебаний наиболее интенсивными являются колебания третьего по­рядка на частотах 2f_П - f₀ и 2f₀ – f_П, уровень которых нередко дости­гает -35. ..-20 дБ при уровне внешнего сигнала -20...-15 дБ.

При воздействии двух и более мешающих колебаний интер­модуляционные частоты

f_инт = |± m₁f₀ ± m₂f_П1 ± т₃f_П3 ± ... |,

а их общее число оказывается значительным. Например, 10 работаю­щих передатчиков могут генерировать около 100 составляющих второго порядков (N_инт ⁼ 2) и 800 - третьего порядка (N_инт = 3) .