ИЗЛУЧЕНИЯ ПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ

Излучения через антенну, характерные для радиопередающих устройств, делятся на основные и неосновные. Основные излучения предназначены для передачи полезного сигнала. Они занимают необходимую полосу частот, под которой подразумевают минимальную полосу, достаточную для передачи сигнала определенного вида (класса излучения) с требуемыми скоростью и качеством.

Неосновные излучения радиопередающего устройства - это излучения за пределами необходимой полосы частот. Они делятся на побочные, внеполосные и шумовые.

К побочным относятся излучения, возникающие в радиопередающем устройстве в результате любых нелинейных процессов, исключая процесс модуляции. Побочные излучения подразделяют на излучения па гармониках, на субгармониках, комбинационные, паразитные и интермодуляцнонные. Последние имеют такое название согласно действующему стандарту, хотя более целесообразно их называть «взаимомодуляционными» излучениями. Все неосновные излучения радиопередающего устройства являются характеристиками ЭМС.

Основное излучение радиопередающего устройства, являющееся полезным для определенного приемного устройства, может оказаться мешающим («мешающий сигнал») для другого приемного устройства. В этом случае необходимо знать следующие параметры ЭМС мешающего сигнала: излучаемую мощность, номинальную частоту излучения, нестабильность частоты, характеристики передающей антенны на частоте основного излучения и контрольную полосу излучения.

Излучения через антенну радиоприемных устройств также представляют собой характеристику ЭМС. Это излучения гетеродинов, генераторов развертки, излучения на промежуточной частоте и др. Все виды таких излучений относятся к индустриальным помехам. Кроме того, необходимо учитывать контактные помехи, как самостоятельный вид помех

ГАРМОНИКИ.«Радиоизлучения на гармонике передающего устройства — это его излучения на частотах, среднее значение которых в целое число раз больше среднего (или присвоенного) значения частоты основного излучения».

Гармоники создаются мощными каскадами радиопередающего устройства, активные элементы которых в целях реализации необходимой мощности передатчика и соответствующего КПД работают с отсечкой в перенапряженном режиме. Мощность излучения n-й гармоники определяется многими факторами: значением соответствующей составляющей I_n в общем несинусоидальном токе выходного каскада передатчика; коэффициентом Ф_N фильтрации (ослабления) этой составляющей в избирательных цепях, нагружающих передатчик, в том числе в антенном фильтре; активным сопротивлением R_aNантенны на частоте гармоники; степенью рассогласования между внутренним сопротивлением Z_iN эквивалентного генератора гармоник на частоте n-й гармоники и результирующим сопротивлением Z_aN нагрузок на этой частоте. Если на частоте основного излучения внутреннее сопротивление R_i1эквивалентного генератора согласовано (почти согласовано) с активным сопротивлением нагрузки R_a1 антенны, то на частоте f_n гармоники нагрузка на эквивалентный генератор является комплексной и рассогласование приводит к отражениям энергии гармоник. При этом необходимо учитывать, что Z_in эквивалентного генератора гармоники также является комплексной величиной.

Особенности условий работы эквивалентного генератора передатчика на частоте основного излучения и на частотах гармоник иллюстрирует рис. 3.4. На основной частоте внутреннее сопротивление R_i1=R_BX и R_выx линии передачи почти равно активному сопротивлению r_a1 антенны, вследствие чего К_СТи каждого участка цепи близок к единице. На частотах гармоник, наоборот, Z_in<>Z_вхлинии передачи, полное сопротивление выходной цепи линии передачи Z_вых=Z_aN и активное сопротивление антенны r_aN не равно r_a1. Значение Z_jN па частоте N-й гармоники зависит от типа транзистора (ЭВП), применяемого в усилителе мощности передатчика, от режима, в том числе от угла отсечки тока усилителя, разброса параметров транзистора (ЭВП), номера гармоники, параметров линии передачи и других факторов. Ток составляющей I_n в общем токе каскада может изменяться при изменении напряженности режима усилителя мощности, особенно транзисторного, режим которого может быть значительно перенапряженным и даже ключевым. Значение Z_aN зависит от типа и конструкции антенны, частоты, номера гармоники и Z_ВЫХ линий передачи на частоте данного номера гармоники. Каждый из перечисленных факторов, имея случайные отклонения, влияет на степень согласования отдельных участков тракта ина степень согласования Z_iN эквивалентного генератора гармоник с нагрузкой на частоте гармоники. Вследствие этого отраженная мощность гармоники Р'_л- в цепи эквивалентного генератора гармоники Р'_aN в цепи антенны, имеют вероятностный характер так же, как и мощность гармоники в антеннe Р_aN=I²_aN*R_aN-

Мощность радиоизлучения па гармонике Р_Nизл обычно выражают в децибелах относительно мощности основного излучения. В общем случае Р_Nизл с ростом номера гармоники уменьшается, хотя в некоторых случаях это не соблюдается. Например, мощность 2-й гармоники магнетронного передатчика часто меньше мощности 3-й, т. е. Р_2изл<Р_3изл. При анализе ЭМС в радиокомплексах приходится учитывать влияние помех, созданных гармониками больших номеров, вплоть до 10-го и выше. При этом возможен значительный разброс уровней гармоник одного и того же номера не только в разнотипных, но даже в однотипных радиопередающих устройствах.

Теоретически излучения на четных гармониках могут быть исключены путем применения двухтактных выходных каскадов в передатчиках. Практически для этого необходима точная симметрия плеч по параметрам активных и пассивных элементов каскада. Однако неизбежные разбросы значений этих параметров нарушают баланс токов четных гармоник, что снижает эффект их компенсации в результирующей нагрузке каскада. Если различие в значениях токов плеч (разбаланс) достигает примерно 15 ... 20%, что можно считать вполне вероятной величиной, то выигрыш в ослаблении, например 2-й гармоники, сравнительно с однотактной схемой составляет примерно 15 дБ. С ростом номера четной гармоники этот выигрыш уменьшается, поскольку начинают сказываться паразитные параметры схемы каскада.

Ослабление излучений па гармониках зависит от схемы связи антенной цепи сконтуром выходного каскада передатчика. При емкостной связиэтого контура ослабление гармоник более эффективно, нежели при индуктивной связи между контуром и антенной цепью. В диапазонных передатчиках могут быть значительные изменения в уровнях излучения на гармониках при перестройке передатчика по диапазону из-за изменения режима выходного каскада от недонапряженного до перенапряженного со значительным изменением содержания гармоник в импульсе тока.

Использование транзисторов в передающих устройствах приводит к необходимости применять особые меры по уменьшению нелинейных искажений в выходных каскадах, чтобы ослабить излучения на гармониках. Общей рекомендацией может быть выбор режима, близкого к критическому, но в большей степени к недонапряженному, чем перенапряженному, а также выбор угла отсечки, близкого к 90°. Целесообразно применять отрицательную обратную связь путем включения резистора небольшой величины в цепь эмиттера. Для стабилизации нагрузки на предварительный каскад целесообразно последовательно с базой включить резистор небольшой величины, хотя это и приводит к некоторому снижению коэффициента усиления каскада. С точки зрения линейности амплитудных характеристик перспективными являются мощные полевые транзисторы.

Важным средством ослабления излучений на гармониках является применение антенного фильтра нижних частот между выходным каскадом и антенно-фидерным трактом. На частотах ниже 1 ГГц широко применяют фильтры отражательного типа, на более высоких частотах— фильтры поглощающего типа.Здесь же целесообразно отметить особенность фильтров, связанную с согласованием их параметров с параметрами выходного тракта передающего устройства. Разработка антенных фильтров и определение их АЧХ осуществляются при типовых требованиях к волновым сопротивлениям на входе и на нагрузке фильтра (например, 50 или 75 Ом). Это требование необходимо выполнять для правильного согласования фильтра с элементами выходного тракта на частоте основного излучения передающего устройства. Однако измерение АЧХ фильтра по диапазону частот гармоник при тех же типовых требованиях к волновым сопротивлениям может приводить к методическим погрешностям, значения которых различны в зависимости от частоты и схемы фильтра, например от числа избирательных цепей. Как правило, из-за этого снижается эффективность фильтрации, особенно гармоник высоких номеров, поскольку изменение степени рассогласования фильтра приводит к изменению величины отраженной энергии. Дополнительным фактором снижения эффективности антенного фильтра на частотах гармоник высоких номеров являются паразитные емкости фильтра и схемы его включения в выходной тракт передающего устройства, что, однако, трудно учесть в расчетах величин ослаблений излучений на гармониках.

Отмеченные факторы относятся главным образом к фильтрам отражательного типа. Фильтры поглощающего типа с входными и выходными волновыми сопротивлениями 50 Ом (или 75 Ом) в широкой полосе частот излучений на гармониках обеспечивают лучшее согласование в диапазонах гармоник, но и они подвержены влиянию паразитных связей, особенно при недостаточной экранировке фильтра и элементов выходного тракта передатчика. Эффективное действие поглощающего фильтра возможно только после экранировки фильтра и кабелей выходного тракта передатчика,особенно необходим качественный контакт в разъемах соединений в выходном тракте, особенно и разъеме, через который проходит антенный ток. Некачественный контакт в таком разъеме имеет нелинейное высокочастотное сопротивление, что может приводить к увеличению уровня излучений на частотах гармоник. Чтобы исключить этот эффект, все высокочастотные поверхности контактов разъема рекомендуется смазать аэрозольной жидкостью.

Еще одна особенность гармоник - многоволновый (многомодовый) характер их распространения в волноводных трактах СВЧ радиопередающего устройства. Поскольку поперечные размеры волновода (прямоугольного или круглого сечения) определяются длиной волны L_осн основного излучения передающего устройства, то для гармоники, длина волны которой всегда меньше длины волны основного излучения, эти размеры превышают некоторое критическое значение, при котором в волноводе возникает множество Н-волн и Е-волн. Особенность таких волн - наличие продольной составляющей вектора напряженности помимо поперечных составляющих. Учет многомодового характера колебаний на частотах гармоник необходим для правильного измерения их мощности при подключении к передатчику эквивалента антенны с целью проведения «трактовых» измерений побочных колебаний.

Имеются рекомендации МККР, относящиеся к допустимым уровням Р_Nизл излучений на гармониках передающего устройства в зависимости от его мощности Рс.

Передатчик, задающий генератор которого работает в режиме умножения частоты, может создавать излучения с частотой, кратной частоте задающего генератора. Если частота таких излучений ниже частоты основного излучения передатчика, то их нередко называют субгармониками, хотя это неточно, поскольку их частоты не в целое число раз меньше частоты основного радиоизлучения. Появление действительной субгармоники, частота которой, например, в два раза меньше частоты основного излучения, объясняется явлением параметрического резонанса нелинейной цепи.Такое явление может возникать, например, в транзисторном генераторе, у которого емкость р-n-перехода коллекторной или эмиттерной цепи вследствие своей нелинейности значительно изменяется с изменением амплитуды напряжения или тока. Появление субгармонических колебаний может привести к неустойчивой работе транзисторного генератора (усилителя) с посторонним возбуждением [82].