Перекрестные искажения

Восприимчивость приемных устройств через антенну

Повторение (из лекции 2): К параметрам ЭМС передающих антенных устройств относятся следующие их характеристики:

на основной частоте излучения — уровни боковых и задних лепестков ДН при рабочей и ортогональной поляризациях а горизонтальной и вертикальной плоскостях;

на побочных частотах излучения (в основном на гармониках) — уровни тех же лепестков" и при тех же условиях, а также коэффициенты усиления, комплексные входные сопротивления и коэффициенты стоячей волны на входе антенны.

Согласно принципу взаимности антенн те же параметры можно отнести, к приемным антеннам.

Излучение и прием по боковым и задним лепесткам на основной частоте необходимо учитывать в расчетах помех от мощных передатчиков. Если мощность излучения по боковым лепесткам ориентировочно на 20 ... 30 дБ ниже мощности в направлении главного луча, то, например, для передатчика РЛС мощностью в 1 МВт излучения по боковым лепесткам могут характеризоваться мощностью в несколько киловатт. Такие помехи от передатчика могут действовать на приемник другой РЛС не только в направлении главного луча приемной антенны, но и по ее боковым и задним лепесткам.

Зависимость результатов измерений ДН от места расположения измерительной антенны, что в свою очередь указывает «а соответствующую зависимость уровня мешающего сигнала при расчетах ЭМП.

Изучение параметров ЭМС антенных устройств в широкой полосе частот (на побочных частотах излучения) представляет собой еще более сложную задачу, вследствие чего по этому вопросу в литературе опубликованы лишь ограниченные сведения. Приведем примеры результатов некоторых исследовании.

Для зеркальных антенн направленные свойства таких антенн сохраняются в широком диапазоне частот и основная энергия излучения на гармониках сосредоточена в угловом секторе, соответствующем примерно главному лепестку на f_раб. С повышением частоты сужается основной луч и одновременно возрастают уровни боковых лепестков. Существенное влияние на параметры излучения оказывает тип облучателя. При резонансном облучателе на частотах выше f_раб коэффициент усиления значительно уменьшается как при рабочей, так и при ортогональной поляризации излучаемого поля. При нерезонансном облучателе коэффициенты усиления на гармониках и на f_раб практически соизмеримы в случае основной поляризации и значительно снижены (до -30 дБ) в случае ортогональной поляризации. На частотах ниже f_раб коэффициент усиления, как правило, значительно меньше, чем на f_раб. Коэффициент стоячей волны Кст на входе антенны, характеризующий согласование фидерного тракта с антенной на частотах выше рабочей, изменяется в небольших пределах, что указывает на широкополосность антенн зеркального типа.

Анализ ДН рупорно-параболических антенн на частотах гармонии показывает, что направленность максимального уровня излучений на этих частотах не выходит за пределы главного лепестка ДН на основной частоте. Антенно-волноводный тракт передатчика становится многомодовой системой, т.е. энергия на частоте гармоники может распространяться в виде многих волн. При этом максимум излучения на частотах гармоник направлено вдоль оси антенны, так же как и на основной частоте излучения.

Действительные ДН определяются (особенно на гармониках передатчика) определяются конкретными условиями размещения антенны и ее типом. Важным показателем, характеризующем изменение импеданса антенны по диапазону частот гармоник, является коэффициент стоячей волны Кст и на входе антенны. Этот параметр Кст и достигает наибольших значений (100 и более) в диапазоне ниже частоты основного излучения, в значении этого коэффициента наблюдаются большие разбросы. Последнее обстоятельство является одной из причин больших изменении уровней мощности излучаемых гармоник передатчиков. Существенное влияние на эти уровни оказывает длина антенного кабеля, влияющая на результирующий импеданс эквивалентного генератора и на значение Кст со стороны антенны.

Непреднамеренные ЭМП при действии через антенну могут влиять по основному и не основным каналам приема (побочный и внеполосный). К побочным каналам приема относятся комбинационные каналы, включая зеркальный канал приема, канал приема на промежуточной частоте и др. Комбинационный канал образуется в смесителе приемника в результате взаимодействия мешающего сигнала или его гармоники с колебаниями гетеродина или его гармоникой. К внеполосным каналам относятся каналы блокирования, каналы интермодуляционных помех, каналы перекрестных искажений.

Зеркальный канал приема всегда сдвинут относительно основного на величину, равную удвоенной промежуточной частоте. Для радиовещательных приемников, у которых частота гетеродина обычно выше частоты сигнала, помехи по зеркальному каналу обнаруживаются ниже по частоте, чем основная настройка.

Так возникаетзеркальный канал приема. Поскольку на частоте зеркального канала приема может работать другой передатчик, то если не принять мер по подавлению зеркального канала, на выходе приемника может появиться кроме полезного сигнала сигнал зеркальной помехи. Для ослабления зеркальной помехи служат колебательные контуры входных цепей и УРЧ.

Другим проявлениемзеркального канала приема является возможность двойственной настройки приемника, если частота зеркального канала находится в диапазоне частот приемника. Повышение избирательности по зеркальному каналу, сопряжение настроек контуров гетеродина и преселектора устраняют двойственную настройку приемника.)

Уровень НЭМП через антенну по основному каналу приема определяется чувствительностью приемника, частотой настройки приемника и нестабильностью этой частоты, характеристиками приемной антенны и избирательностью радиоприемника.

Влияние НЭМП оценивают восприимчивостью, которая определяет уровень помехи воздействия на рецептор, например, через антенну по основному или не основным каналам приема помимо антенны по цепям питания, коммутации и заземления, а также в виде внешнего поля, влияющего помимо антенны на рецептор в целом или на его элементы.

4.3.1. Комбинационные каналы приема.Комбинационные каналы приема (ККП) возникают в преобразователе супергетеродинного приемника при действии мешающего сигнала с частотой, отличающейся от частоты полезного сигнала и соответствующей известной зависимости

где — значение промежуточной частоты приемника; — полоса пропускание тракта ПЧ; — частота гетеродина; p — номер гармоники гетеродина (p=1, 2, 3, ...): q— номер гармоники мешающего сигнала (q=1, 2, 3..).

Число ККП и восприимчивость приемника к мешающим сигналам в этих каналах тем больше, чем больше нелинейность функции передачи преобразователя. Ослабление ККП определяется степенью нелинейности функции передачи преобразователя, уровнем напряжения гетеродина, импедансом нагрузки и схемой преобразователя (однотактной, балансной или кольцевой). Восприимчивость приемного устройства к мешающим сигналам с частотами ККП зависит не только от свойств преобразователя, но и от выбранного значения , а также от избирательности контуров ВЧ тракта до входа смесителя. Повышение значения способствует уменьшению числа ККП, частоты которых могут входить в полосу тракта приемника.

Ослабление помехи побочного канала приема с частотой («канал промежуточной частоты») достигается повышением избирательности тракта ВЧ до преобразователя и соответствующим выбором значения .

Радикальным способом уменьшения числа ККП и восприимчивости по ККП является выбор значения выше возможного значения частоты полезного сигнала. При этом, например, практически исключается зеркальный канал приема.

Поскольку восприимчивость приемника по различным комбинационным каналам различна, то для ее количественной оценки целесообразно ввести понятие «порога», понимая под ним максимально допустимый уровень мешающего сигнала в канале с наибольшей восприимчивостью. Отношение этого уровня (дБ) к уровню полезного сигнала ,соответствующего чувствительности приемника, является динамическим диапазоном .

4.3.2. Блокирование. Блокирование полезного сигнала проявляется в уменьшении его коэффициента усиления во входном тракте приемника или в изменении отношения сигнал-шум при действии мешающего сигнала, частота которого находится вне основного канала приема и не совпадает с частотой ККП. Блокирование возникает в активных элементах ВЧ тракта (УВЧ и преобразователей) из-за нелинейного закона изменения коэффициента передачи полезного сигнала одновременно с мешающим.

Эффект блокирования полезногосигнала характеризуется коэффициентом блокирования который представляет собой отношение изменения амплитуды выходного тока этого сигнала при блокировании к амплитуде того же тока в отсутствие блокирования:

В отсутствие блокирования ,при полном блокировании полезного сигнала . Отрицательный знак указывает на уменьшение уровня полезного сигнала при действии мешающего сигнала.

Рис.6. К пояснению процесса блокирование полезного сигнала в приемнике.

Блокирование полезного сигнала возникает в том или ином каскаде приемника в том случае, если амплитудная функция передачи сигнала имеет характер «насыщения», при котором приращение выходного сигнала как бы «отстает» относительно приращения входногосигнала в широком интервалеизменения (кривая 1). Блокирование не возникает в том случае, если амплитудная функция передачи сигнала имеет линейный (прямая 2) или квадратичный (кривая 3) характер в широком интервале изменений входного сигнала. Если амплитудная функция передачи сигнала имеет возрастающий характер относительно квадратичной и приращение выходного сигнала как бы «опережает» приращение входного сигнала и широком интервале изменения (кривая 4), то возникает процесс «антиблокирование», который заключается в том, что при действии мешающего сигнала, частота которого, находится внеосновного каналаприема, во входном тракте приемника происходит дополнительное усиление слабого полезного сигнала.

Блокирующий сигнал является внеполосным и действует в полосе частот зависящей от уровня мешающего сигнала и избирательности контуров ВЧ тракта до входа смесителя. Мешающий сигнал проявляет свое действие, в том случае, если его уровень превышает «порог блокирования», при котором амплитудная функция передачи отклоняется от линейной зависимости (заштрихованная область).

Чтобы характеризовать свойство приемника принимать полезный сигнал в присутствии сильного мешающего сигнала до порога блокирования, пользуются понятием «динамический диапазон по блокированию»(в децибелах);

где — максимально допустимое напряжение мешающего сигнала соответствующее порогу блокирования; — минимальное напряжение полезного сигнала, соответствующее чувствительности приемника.

Уровень собственного шума приемника может изменяться из-за блокирующего действия мешающего сигнала даже в отсутствие полезного сигнала. Отношение сигнал-шум может даже сохраняться, если сигнал и шум ослабляются одинаково. Действие мешающего сигнала может проявляться в преобразовании шума гетеродина приемника в промежуточную частоту, что создает эффект возрастания собственного шума приемного устройства и снижает отношение полезный сигнал-шум. Чем меньше коэффициент шума приемника, тем более ощутимым становится преобразование шума гетеродина мешающим сигналом. Чем ближе частота мешающего сигнала к полосе основного канала приема, тем больше эффект преобразования шума.

Блокирование полезного сигнала, в том числе импульсного, наиболее ощутимо, если мешающий сигнал непрерывный. Степень блокирования полезного сигнала интенсивным импульсным сигналом зависит не только от мощности этого сигнала, но и от времени его действия.

Перекрестные искажения

Перекрестные искажения — это изменение структуры спектра полезного сигнала при воздействии на него, модулированного мешающего сигнала, частота которого не совпадает с частотами основного и побочных каналов приема.Процесс возникновения такихискажений определяется нелинейным изменением амплитудной функции передачи сигнала в активных элементах ВЧ тракта, вследствие чего анализ этого процесса аналогичен анализу процесса блокирования. Понятие «перекрестные искажения» относится к AM полезному сигналу, когда в его структуре возникают составляющие модуляции AM мешающего сигнала. Следует заметить, что приемник более восприимчив к мешающим сигналам в соседних каналах по признаку перекрестных искажений, нежели по признаку блокировании.

Чтобы характеризовать свойство приемника принимать полезный сигнал в присутствии сильного мешающего сигнала до порога перекрестных искажений, пользуются понятием «динамический диапазон по перекрестным искажениям» (в децибелах):

,

где — максимально допустимое напряжение мешающего сигнала, соответствующее порогу перекрестных искажении; — минимальное напряжение полезного сигнала, соответствующее чувствительности приемника.

Перекрестные искажения, проявляющиеся в виде искажений фазы полезного сигнала называют фазовыми перекрестными искажениями. Такие искажения, возникают при прохождении полезного сигнала через нелинейный усилитель или преобразователь частоты. Изменение амплитуды сигнала, возникающее из-за нелинейности передаточной функции каскада, сопровождается паразитным изменением фазы сигнала, называют амплитудно-фазовой конверсией (АФК). Явление АФК может возникать по ряду причин, в частности: изменения входной емкости активного прибора; значительное напряжение амплитуды мешающего сигнала; из-за инерционных свойств активного элемента, влияющих на фазовую нестабильность каскада; из-за повышенной фазовой нестабильности, присущей приборам СВЧ диапазона.