Учет поляризационных характеристик антенн и сигналов - раздел Электротехника, Анализ электромагнитной совместимости В Дальней Зоне Излучения Фронт Электромагнитной Волны Становится Плоским, А П...
В дальней зоне излучения фронт электромагнитной волны становится плоским, а плоская волна является поляризованной. Поляризация электромагнитной волны определяется траекторией и направлением движения во времени конца вектора напряженности электрического поля Е в фиксированной плоскости, перпендикулярной направлению распространения электромагнитной волны, если смотреть на плоскость в направлении распространения. В общем случае электромагнитная волна для гармонического излучения является эллиптически поляризованной. Если, как это представлено на рис. 10.6, электромагнитная волна распространяется вдоль оси z, а плоскость x0y перпендикулярна направлению распространения, то конец вектора Е в этой плоскости относительно точки 0 будет описывать эллипс. В зависимости от направления вращения вектора Е различают правостороннюю и левостороннюю эллиптические поляризации. Если вектор Е вращается по часовой стрелке, то имеет место правосторонняя эллиптическая поляризация. Если вектор Е вращается против часовой стрелки, то имеет место левосторонняя эллиптическая поляризация. Круговая и линейная поляризации являются частными случаями эллиптической поляризации.
Форма эллипса описывается коэффициентом эллиптичности r, где
,
которому приписывают знак «плюс» при правосторонней поляризации и знак «минус» при левосторонней поляризации (–1 ≤ r ≤ 1).
Можно ввести угол эллиптичности
α = arctg(r), (–π/4 ≤ α ≤ π/4),
и угол ориентации β между осью 0x и большой полуосью эллипса (0 ≤ β ≤ π). Углы α и β полностью определяют состояние поляризации.
Состояния поляризации можно отобразить точками на сфере, которую принято называть сферой Пуанкаре, если в качестве долготы и широты точки, определяющей состояние поляризации, взять углы 2β и 2α, соответственно (рис. 10.7). Каждому состоянию поляризации соответствует точка на сфере Пуанкаре, и, обратно, каждой точке на сфере Пуанкаре соответствует определенное состояние поляризации. Для круговой поляризации значение β не определено, и ей соответствуют полюса сферы, в которых не определена долгота. Точки, расположенные на экваторе, соответствуют разным видам линейной поляризации, а все остальные точки сферы отображают различные виды эллиптической поляризации. Северная полусфера представляет правостороннюю поляризацию, а южная – левостороннюю.
Параметры, определяющие форму и положение эллипса поляризации, могут иметь определения, отличающиеся от приведенных выше. Например, в стандарте США [42] коэффициент эллиптичности r определяется как отношение большой оси эллипса поляризации к малой, а угол эллиптичности α как минус arcctg(r). Коэффициент эллиптичности по-прежнему имеет знак плюс для правосторонней и минус для левосторонней поляризации. Это приводит к тому, что коэффициент эллиптичности изменяется в интервале от единицы до бесконечности с соответствующим знаком, а полусферы сферы Пуанкаре, представляющие правостороннюю и левостороннюю поляризации,
меняются местами.
Если на сфере Пуанкаре рассмотреть две точки М и М1, одна из которых соответствует поляризационному состоянию приемной антенны, а другая поляризации падающей электромагнитной волны, то э.д.с. на зажимах антенны можно рассчитать, используя выражение:
e = Ehд cos(
MM1/2), (10.9)
где e – э.д.с. на зажимах антенны, В; E – напряженность поля в месте размещения антенны, В/м; hд – действующая высота антенны, м; MM1 – угол между точками на сфере Пуанкаре, определяющими поляризационные состояния антенны и приходящей электромагнитной волны
Ослабление n из-за несовпадения поляризаций поступающего сигнала и приемной антенны, выраженное в децибелах, имеет вид:
n = 20 lg (cos(MM1/2)), (10.10)
Если MM1 = 180°, то, как следует из (10.9) и (10.10), e = 0 и n = – ¥. Поляризации такого вида называются ортогональными. Ортогональными, в частности, являются горизонтальная и вертикальная поляризации, левая и правая круговые поляризации и, вообще, две любые поляризации, соответствующие точкам на сфере Пуанкаре, которые лежат на противоположных концах диаметра сферы. Таким образом, теоретически сигналы, имеющие ортогональную поляризацию, не создают друг другу помех, поскольку э.д.с., возникающая на выходах антенн, не предназначенных для приема этих сигналов, будет равна нулю, или, что то же самое, антенны обеспечивают бесконечное подавление ортогональных сигналов.
Однако на практике идеально ортогональных сигналов не существует. Взаимное расположение антенн, условия распространения и сама среда распространения приводят к тому, что (MM1/2) становится меньше 90°. В результате вместо бесконечного ослабления ортогонального сигнала в антенне происходит лишь частичное его подавление. Так, например, если вместо 90° (MM1/2) = 85°, то вместо бесконечного ослабления
n = 20 lg (cos(85°)) = –20 дБ.
Учитывая это обстоятельство, при оценке ЭМС РЭС, использующих ортогональные сигналы, ослабление таких сигналов всегда берут конечное, чаще всего в интервале –16…–25 дБ, в зависимости от коэффициента усиления антенн и вида радиослужбы. Например, станции фиксированной службы или базовые станций наземной подвижной службы часто работают с сигналами, которые являются ортогонально поляризованными по отношению к сигналам телевизионного (ТВ) вещания. Первые используют вертикальную поляризацию, а телевидение использует горизонтальную поляризацию. При оценке помех, создаваемых такими станциями приему ТВ вещания, Рекомендация МСЭ-Р SM.851-1 [41] предлагает использовать значение ослабления мешающих сигналов –16 дБ для 50 % мест обслуживания и значение –10 дБ для 90 % мест обслуживания станции ТВ вещания. Для базовых станций с сигналами, имеющими вертикальную поляризацию, подавление антеннами излучений станций радиовещания, имеющих горизонтальную поляризацию, рекомендовано брать –18 дБ.
В общем случае ослабление ортогональных сигналов при оценке ЭМС выбирают либо, следуя рекомендациям МСЭ, либо, исходя из результатов практических измерений, либо на основании теоретических оценок при принятых гипотезах о нарушении ортогональности. Если информация о подавлении ортогональной поляризации отсутствует, можно использовать данные, приведенные в табл.10.3 для наиболее часто используемых на практике видов поляризаций. Данные представлены в децибелах.
Таблица 10.3
Ослабление мешающих сигналов при несовпадении поляризации
с приемной антенной
| Поляризация антенны
приемника
| Поляризация антенны источника помехи
|
| Горизонтальная
| Вертикальная
| Круговая
|
| G0<10дБ
| G0>10дБ
| G0<10дБ
| G0>10дБ
| левая
| правая
|
| Горизонтальная
| G0<10дБ
|
|
| –16
| –16
| –3
| –3
|
| G0>10дБ
|
|
| –16
| –20
| –3
| –3
|
| Вертикальная
| G0<10дБ
| –16
| –16
|
|
| –3
| –3
|
| G0>10дБ
| –16
| –20
|
|
| –3
| –3
|
| Круговая
| левая
| –3
| –3
| –3
| –3
|
| –16
|
| правая
| –3
| –3
| –3
| –3
| –16
|
|
Можно заметить, что если одна из антенн, например источника помехи, имеет круговую поляризацию, а другая, например приемника, имеет линейную поляризацию, то ослабление мешающего сигнала приемной антенной из-за различия поляризаций, представленное в табл. 10.3, получено непосредственно из выражения (10.10). Действительно, в этом случае MM1 = 90° и
n = 20 lg [cos(45°)] = –10 lg (2) = –3дБ
Приведенная оценка потерь на рассогласование поляризаций относится к главному лепестку ДНА и рабочему диапазону частот антенны. В области боковых лепестков, особенно у направленных антенн, поляризация может быть совершенно иной, чем поляризация по главному лепестку. На практике потери на рассогласование поляризаций в области боковых лепестков в диапазоне рабочих частот и за его пределами не рассматривают, поскольку уровень боковых лепестков, используемый в модели ДНА, обычно связан со статистическими параметрами усиления антенны по боковым лепесткам, которые, как указывалось выше, слабо зависят от частоты и поляризации сигналов. Потери на рассогласование поляризаций не рассматривают также в ближней зоне, где ДНА еще не сформировалась и связь между магнитной и электрической составляющими электромагнитной волны носит сложный характер.
Все темы данного раздела:
Радиоэлектронных средств
Рекомендовано учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизац
Список использованных сокращений
АМ – амплитудная модуляция;
АРУ – автоматическая регулировка усиления;
АС – абонентская станция;
АФТ – антенно-фидерный тракт;
БЛ – боковой лепесток (диаграммы н
Причины появления проблемы ЭМС
Можно указать несколько факторов, которые приводят к появлению проблемы ЭМС РЭС.
1. Основной причиной, порождающей проблему электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств, являетс
Источники и рецепторы электромагнитных помех (ЭМП)
2.1 Классификация ЭМП по связям с источником помехи и некоторые их характеристики
Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств определяется качеством работы
Естественные ЭМП.
· Земные ЭМП:
Атмосферная помеха – естественная помеха, источником которой являются электрические разряды в атмосфере. Частоты, на которых атмосферная помеха ока
К электростатическому разряду
№ п/п
Полупроводниковый прибор
Чувствительность к ЭСР, В
Полевые транзисторы (МОП-структуры)
1
Искусственные ЭМП
Станционная помеха – это непреднамеренная электромагнитная помеха, создаваемая излучениями выходных каскадов радиопередатчиков через антенну.
Индустриальная помеха – это элек
Рецепторы ЭМП. Внутрисистемная и межсистемная ЭМС
Рецептором называют техническое средство, которое реагирует на электромагнитный сигнал или электромагнитную помеху. По аналогии с источниками помех рецепторы делят на естественные и искусств
Измерение кондуктивных помех и восприимчивости к ним
Измерение помех, распространяющихся по проводам, должно происходить без разрыва цепей, в которых измеряют эти помехи. Основным прибором, который используется в качестве датчика при измерениях помех
Измерение помех излучения и восприимчивости к ним
Эталонная методика измерения напряженности электромагнитного поля в диапазоне частот 30….1000 МГц предписывает использование открытой измерительной площадки с идеальным проводящим покрытием,
Экранирование
Экранирование является средством защиты от помех излучения. Оно может быть использовано для снижения уровня помех, поступающих в окружающее пространство от источников помех, или для повышения помех
Фильтрация
Фильтры используют для борьбы с кондуктивными помехами. Фильтрация помех в каскадах радиоэлектронной аппаратуры препятствует передаче помех в другие узлы и устройства по проводам, соединяющим эти у
Заземление
Заземление выполняет важную функцию в электротехнических и радиоэлектронных устройствах, на промышленных предприятиях. Системы заземления несут обратные токи сигналов и питания, образуют опорные ур
Радиочастотный спектр и диапазоны частот
Рекомендация Международного союза электросвязи (МСЭ) V.431-7 [58] разбивает спектр электромагнитных колебаний, частоты которых лежат в пределах от 0,03 Гц до 3000 ТГц, на диапазоны частот. Каждый д
Диапазоны частот электромагнитных колебаний
Номер диапазона
Наименование диапазона
(частотное)
Условное
обозначение
(частотное)
Диапазон
частот
Наименовани
Стандартизация и международная кооперация в области ЭМС
Электромагнитные волны не признают административных границ и могут создавать помехи радиоэлектронным средствам другой страны. Одним из путей смягчения проблемы ЭМС является стандартизация параметро
Требования к методам анализа ЭМС
Анализ ЭМС должен проводиться на всех этапах жизненного цикла РЭС, начиная с этапа разработки РЭС, ввода РЭС в эксплуатацию и в процессе функционирования РЭС. На этапе разработки изделие должно быт
Анализ параметров ЭМС систем на стадии разработки
Для анализа параметров ЭМС системы на стадии разработки может быть использован модульный подход, который дополняет существующие методологии конструирования электронных систем. Для этого разрабатыва
Анализ внутрисистемной и межсистемной ЭМС РЭС
Проблема ЭМС возникает тогда и только тогда, когда есть источник помехи, есть рецептор помехи и есть путь, по которому помеха поступает
Основные направления по решению проблемы ЭМС
К основным направлениям, по которым идет решение проблемы ЭМС, можно отнести:
1. Улучшение параметров ЭМС радиоаппаратуры.
Улучшение параметров ЭМС радиоаппаратуры может быть дост
Виды излучений радиопередатчиков
Если изобразить спектр излучений передатчика, то в общем случае он будет иметь вид похожий на вид, представленный на рис. 7.1.
Параметры и модели основного и внеполосных излучений
Основное излучение решает задачи функционального назначения РЭС. Однако при этом оно может создавать непреднамеренные помехи другим РЭС. Учитывая, что основное излучение является наиболее мощным из
И необходимой ширины полосы частот
Диапазон рабочих частот
Узкополосный случай
Bн < BL
BL ≤ Bн &#
Параметры модели (7.1)
Вид модуляции
Номер участка маски спектра, i
Граница участка, Dfi
M(Dfi),
дБ
Побочные излучения радиопередатчиков
В этом разделе рассмотрим способы описания побочных излучений радиопередатчиков на гармониках, субгармониках и комбинационные излучения. Интермодуляционные излучения рассматриваются при изучении не
Параметры модели (7.9)
Рабочая частота передатчика, f0T
Коэффициенты и СКО модели (7.9)
f < f0
Предельные значения мощности побочных излучений в контрольной полосе
Радиослужба или тип оборудования
Максимально допустимая мощность побочных излучений, дБм, в контрольной полосе
Все службы, за исключен
Шумовые излучения передатчика
Шумовые излучения передатчиков находятся за пределами необходимой полосы частот передатчика и непосредственно примыкают к ней. Уровень мощности шумовых излучений значительно меньше уровня мощности
Параметры эмпирической модели, представленной выражением (7.10)
Отстройка Δf
от центральной частоты, МГц
Диапазон рабочих частот передатчика, МГц
25…76
150…174
Основной канал приема радиоприемника и его описание
К параметрам ОКП, которые используются при анализе ЭМС, относятся частота основного канала приема и чувствительность РПУ. Кроме того, для оценки степени подавления помехи в радиоприемном устройстве
Побочные каналы приема и их описание
Побочные каналы приема (ПКП) образуются в смесителях приемника. ПКП можно разделить на:
- комбинационные побочные каналы приема;
- субгармонические побочные каналы приема;
Параметры модели (8.9)
Рабочая частота приемника, f0R
Коэффициенты и СКО модели (8.9)
f < f0
Оценка коэффициента частотной коррекции
При анализе ЭМС РЭС помеху, поступающую в приемник по основному или побочному каналам приема, обычно заменяют эквивалентной помехой, лежащей в полосе пропускания ОКП приемника на частоте его настро
Анализ нелинейных явлений в каскадах радиоаппаратуры
Нелинейные явления, которые влияют на качество работы РЭС и их электромагнитную совместимость (ЭМС), могут иметь место как в радиоприемных устройствах (РПУ), так и в радиопередатчиках (РПД).
Фазовый шум генератора
Фазовый шум является мерой кратковременной стабильности генератора в частотной области. На сигнал генератора гармонических колебаний влияют шумы различного происхождения. Сюда входят, прежде всего,
Перенос шумов гетеродина
В идеальном случае в смесителе приемника пр
Интермодуляция
9.5.1. Порядок интермодуляции. Наиболее опасные порядки интермодуляции
Интермодуляция – самый общий случай нелинейного преобразования электромагнитных колебаний. Инте
Интермодуляция в радиопередатчиках
Рекомендация МСЭ-Р SM.1146 [22] выделяет пять типов интермодуляции, которые могут возникать в радиопередатчиках.
Тип 1. Интермодуляция в одиночном передатчике. Интермодуляцио
Измерение и расчет точек пересечения
Точка пересечения является удобным параметром для оценки уровней интермодуляционных продуктов, возникающих в радиотехнических устройствах. Недостаток точки пересечения состоит в невозможности ее пр
Перекрестные искажения
Перекрестные искажения в РПУ – это изменение спектрального состава полезного сигнала на выходе радиоприемного устройства при наличии на его входе модулированной радиопомехи, частота которой не лежи
Оценка эффекта блокирования РПУ
Один из подходов к оценке эффекта блокирования радиоприемного устройства состоит в количественной оценке снижения отношения сигнал/шум на выходе приемника. Предполагается, что отношение сигнал/шум,
Характеристики блокирования приемников некоторых цифровых систем связи
Отстройка по частоте
GSM 400, GSM 900
DCS 1800 & PCS 1900
MC, дБм
БC, дБм
MC, дБм
Оценка интермодуляции в радиоприемниках
Интермодуляционные продукты в РПУ могут быть образованы очень большим числом частот, которые присутствуют в эфире. В связи с этим возникает вопрос, в какой полосе частот относительно частоты настро
Границы частотных интервалов для анализа нелинейных эффектов в приемнике
Частота настройки приемника f0R
f0R < 30 МГц
30 £ f0R
Эмпирические модели для оценки эффекта интермодуляции в радиоприемниках
№ п/п
Вид интермодуляции
Мощность продукта интермодуляции, дБм
1.
2f1 – f2
Оценка перекрестных искажений
Перекрестные искажения от модулированных мешающих сигналов проявляются в форме перекрестной амплитудной модуляции, амплитудно-фазовой конверсии или комбинации указанных видов искажений.
Ам
ДНА в области рабочих частот.
В этой области форма ДНА изменяется в допустимых пределах, и при расчетах эти изменения не учитывают, считая, что форма ДНА в рабочей полосе частот антенны не изменяется.
ДНА на нерабочих частотах
В диапазоне частот, который для антенны рассматривается как диапазон ее рабочих частот, максимальное значение коэффициента усиления антенны считают постоянным. Его значение всегда указывают в специ
Статистическое описание диаграмм направленности антенн
Детерминированное описание ДНА не может учесть влияния всех факторов на параметры и форму диаграммы направленности, особенно в области боковых и задних лепестков. Изменчивость характеристик антенны
Потери в антенно-фидерном тракте и потери рассогласования
Потери при передаче сигнала от передатчика к антенне или от антенны к входу радиоприемного устройства (РПУ) складываются из потерь непосредственно в антенно-фидерном тракте (АФТ) и потерь рассоглас
Ближняя зона
Оценка взаимодействия антенн, размещаемых на одном объекте, носит специфический характер, поскольку ситуация требует расчета взаимодействия между близко расположенными антеннами, в том числе между
Общие положения
Модели, описывающие ослабление радиоволн на трассах распространения, находят применение при решении широкого круга задач: расчетах радиолиний, частотно- территориальном планировании РЭС, оценке ЭМС
Графические модели
Как отмечено выше, графические модели могут иметь разный вид. Рассмотрим в общих чертах две графические модели, которые рекомендованы Международным союзом электросвязи (МСЭ) для оценки напряженност
Аналитические модели
Как уже отмечалось, уровень сигнала в точке приема является случайной величиной, испытывающей медленные и быстрые флюктуации, величина которых зависит от ситуации. Аналитические модели, оценивают м
Расчетные соотношения, используемые в модели COST 231 Хата
Условия распространения
Формулы для расчета потерь, дБ
Город
L = 46.3 + 33.9 lg f – 13.82 lg hb
Расчетные соотношения, используемые в модифицированной модели Хата
Условия распространения
Формулы для расчета потерь, дБ
Диапазон частот, МГц
Расстояние, км
Близкая зона
Среднеквадратическое отклонение (СКО) потерь на трассах распространения
Значения СКО
Диапазон частот, МГц
Расстояния,
м
s = 3.5 дБ
30…3000
d £ 40
Оценка потерь на дифракцию
Как отмечалось раннее, явление дифракции состоит в огибании радиоволнами препятствий, встречающихся на пути их распространения. При этом потери сигнала на трассе распространения возрастают. Обычно
Зоны Френеля.
При распространении радиоволн над неровной поверхностью на величину потерь на трассе распространения влияют:
1) величина просвета между прямым лучом и неровностями поверхности или величина
Дифракция на клине
Первоначально в прямоугольной системе координат с помощью картографической базы данных строят топографический профиль трассы, используя инфо
Дифракция на цилиндре
В большинстве ситуаций препятствия, встречающиеся на местности, не похожи на простой клин и аппроксимация их клином недооценивает потери на дифракцию. Существуют различные способы решения этой зада
Рабочие характеристики и оценка качества работы РЭС
Решение о совместимости радиоэлектронных средств, входящих в некоторую совокупность РЭС, принимают на основе анализа качества работы каждого РЭС совокупности в электромагнитной обстановке, формируе
Системы радиосвязи.
Радиовещание и телефония. Качество работы аналоговой системы, используемой для приема речевой информации, оценивают показателем разборчивости (AS) и/или индексом артикуляции (AI
Цифровые системы.
В современных цифровых системах связи передача информации производится с помощью символов, каждый из которых может передавать несколько бит информации. Число символов М, используемых для пер
Критерии ЭМС
Критерий ЭМС определяет правило, согласно которому выносят решение о наличии или отсутствии электромагнитной совместимости в анализируемой совокупности РЭС. Критерии ЭМС обычно носят пороговый хара
Защитные отношения для систем ТВ (625 строк), работающих в соседнем канале
Разность частот,
МГц
Защитное отношение, дБ
Постоянная помеха
Тропосферная помеха
ТВ системы
Защитные отношения для аналоговых каналов звукового сопровождения ТВ
Разность несущих частот полезного и мешающего сигналов, кГц
Полезный звуковой сигнал
Тропосферная помеха
Непрерывная поме
В зависимости от расстройки помехи, дБ
Полезный
сигнал
Помеха
Разность между несущими частотами сигнала и помехи (кГц)
Частотно-территориальное планирование
Электромагнитную совместимость РЭС обеспечивают, используя территориальный разнос их антенных систем и/или разнос их рабочих частот. Выбор необходимых частотно-территориальных разносов осуществляют
Управление параметрами радиосигналов
С целью обеспечения возможно большего числа пользователей качественной радиосвязью в мобильных сетях связи используют управление параметрами радиосигналов. Управление на системном уровне позволяет
Новости и инфо для студентов