Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса и постановка задач исследований 11
2. Анализ радиорелейных, тропосферных и спутниковых систем и устройств телекоммуникаций как объектов, подверженных воздействию ЭМИ ЯВ 25
2.1. Характеристики параметров электромагнитных излучений ядерных взрывов 25
2.2. Физические основы воздействия ЭМИ на радиоэлектронные системы 37
2.2.1. Краткая характеристика процессов, вызываемых ЭМИ в радиоэлект ронных системах 37
2.2.2. Критерии стойкости радиоэлектронных систем к воздействию ЭМИ 40
2.2.3. Комплекс параметров систем связи, определяющих их стойкость к воздействию ЭМИ 42
2.3. Характеристики современных станций радиорелейной, тропосфер ной и спутниковой связи 42
2.3.1. Возможная ЭМИ-обстановка для РРС, ТРС, ССС. Требования к ним по стойкости к воздействию ЭМИ ЯВ с параметрами, рекомендованными МЭК 42
2.3.2. Особенности построения наземных подвижных станций радиорелейной, тропосферной и спутниковой связи 43
2.3.3. Частотные диапазоны и антенно-фидерные устройства станций 50
2.3.4. Кабельные и проводные соединения станций. 52
2.3.5. Кузова автомашин 53
2.3.6. Основные механизмы влияния ЭМИ на аппаратуру наземных подвижных РРС, ТРС, ССС 54
2.4. Выводы по разделу 57
3. Исследование и разработка методов оценки влияния эми яв на современные наземные станции радиоре лейной, тропосферной и спутниковой связи 58
3.1. Методы расчета воздействия ЭМИ на антенны наземных РРС, ТРС,
ССС 58
3.1.1. Оценка проникновения ЭМИ через апертурные антенны УВЧ, СВЧ-диапазонов 58
3.1.2. Воздействие ЭМИ на проводные антенны 62
3.1.3. Сопоставление результатов, полученных приближенными аналитическими и численными методами, расчетных и экспериментальных данных по наводкам в исследуемых антеннах 69
3.2. Методы расчета токов и напряжений, наводимых ЭМИ в кабельных линиях наземных подвижных РРС, ТРС, ССС 74
3.2.1. Модель расчета влияния ЭМИ на кабельные линии 74
3.2.2. Численное интегрирование неоднородных телеграфных уравнений методом функции Грина 76
3.2.3. Приближенные аналитические методы расчета токов и напряжений, наводимых ЭМИ в кабельных линиях 78
3.2.4. Сопоставление результатов, полученных приближенными аналитическими и численными методами, расчетных и экспериментальных данных по наводкам в исследуемых кабельных линиях 92
3.3. Методы расчета импульсных электромагнитных полей, проникающих внутрь экранов, и их воздействие на внутренние соединения 98
3.3.1. Диффузия ЭМИ через стенки экранов 101
3.3.2. Проникновение электромагнитных полей через отверстия 103
3.3.3. Поля, заносимые через кабельные вводы 108
3.3.4. Концепция среднего поля в экране с отверстиями и вводами кабелейі 10
3.3.5. Влияние проникших в кузова полей на внутрикузовные соединения 111
3.3.6. Сопоставление точных и приближенных результатов, теоретических и экспериментальных данных по экранированию импульсных электромагнитных полей 116
3.4. Методы расчета переходных процессов во входных устройствах, сопряженных с кабельными линиями 119.
3.5. Выводы по разделу 125
4. Разработка научно-технических основ обеспечения стойкости перспективных станций радиорелейной, тропосферной и спутниковой связи к воздействию эми яв с параметрами, рекомендованными МЭК 128
4.1. Обобщенные данные по ожидаемым уровням воздействия ЭМИ на
исследуемые станции 128
4.1.1. Максимальная энергия ЭМИ ВЯВ, проникающая через апертурные антенны станций 128
4.1.2. Наводки во вспомогательных штыревых антеннах 129
4.1.3. Токи и напряжения, наводимые ЭМИ в кабелях сопряжения 130
4.1.4. Наводки в межкузовных кабелях 131
4.1.5. Ослабление ЭМИ кузовами автомашин. Наводки во внутрикузовных соединениях 133
4.2. Разработка методов защиты современных наземных РРС, ТРС, ССС
от воздействия ЭМИ ЯВ 135
4.2.1. Выбор оптимального варианта построения структурнотфункциональ-ной схемы станции 135
4.2.2. Конструкционные методы защиты станций от воздействия ЭМИ 137
4.2.3. Схемотехнические методы защиты 139
4.2.4. Распределение мер защиты по различным цепям станций 141
4.3. Требования к устройствам защиты от воздействия ЭМИЯВ 144
4.4. Некоторые вопросы взаимодействия различных групп разработчиков
5 в процессе проектирования станций, стойких к воздействию ЭМИ... 160
4.5. Выводы по разделу 162
5. Заключение 165
Литература
- Краткая характеристика процессов, вызываемых ЭМИ в радиоэлект ронных системах
- Возможная ЭМИ-обстановка для РРС, ТРС, ССС. Требования к ним по стойкости к воздействию ЭМИ ЯВ с параметрами, рекомендованными МЭК
- Сопоставление результатов, полученных приближенными аналитическими и численными методами, расчетных и экспериментальных данных по наводкам в исследуемых антеннах
- Максимальная энергия ЭМИ ВЯВ, проникающая через апертурные антенны станций
Введение к работе
.ф Опыт разработки и эксплуатации современных систем телекоммуника-
ций показывает, что одной из наиболее сложных проблем при их создании
является обеспечение устойчивой работы в условиях воздействия МОЩНЫХ
электромагнитных помех (излучений) естественного и искусственного про
исхождения. В отличие от радиопомех и шумов воздействие мощных элек
тромагнитных излучений на системы телекоммуникаций может вызывать на
рушение их функционирования в результате наведения во внешних и внут
ренних цепях больших значений импульсных напряжений и токов.
* Основными источниками мощных электромагнитных излучений есте-
ственного и искусственного происхождения являются: грозовые разряды; мощные радиопередающие средства и радиолокационные станции; высоковольтные линии электропередачи; контактная сеть железных дорог и т.д. Наиболее мощными искусственными преднамеренными излучениями, с точки зрения поражающего действия, являются электромагнитные излучения (ЭМИ) ядерных взрывов [1-7].
Качественное переоснащение отечественных систем связи современной
компьютерной техникой, повышение требований по стойкости к действию
различных электромагнитных полей радиоэлектронной аппаратуры (РЭА)
приводит к тому, что в современных условиях проблема воздействия элек
тромагнитных импульсов (ЭМИ) на системы и средства связи и управления
становится одной из ключевых. Особенно актуально на настоящий момент
стоит вопрос о защите средств связи от воздействия ЭМИ высотного ЯВ, при
котором наблюдаются высокие уровни воздействующих электромагнитных
полей (десятки-сотни киловольт на метр и сотни ампер на метр) на удалениях
от центра взрыва, достигающих сотен и даже тысяч километров. Сегодня
ЭМИ является практически единственным поражающим фактором, способ-
ным выводить из строя современные системы связи и управления на очень больших расстояниях.
Проблеме исследования воздействия ЭМИ на радиоэлектронные системы и разработке мер по их защите посвящены работы целого ряда известных ученых: Б.В. Замышляева, Н.В. Балюка, А.А.Любомудрова, А.К. Михайлова, Л.О. Мыровой, В.А. Сикарева, Э.Н. Фоминича, А.З. Чепиженко, В.М. Кондратьева, А.А. Шведова и других. В их работах получены основополагающие результаты в области исследования поражающего действия ЭМИ на радиоэлектронные системы: разработаны методы расчета, алгоритмы, программы и нормативные документы по оценке воздействия обычных ЭМИ на радиоэлектронные системы и выбору средств защиты.
В связи с постоянным совершенствованием ядерных боеприпасов меняются и параметры воздействующих факторов, что приводит к необходимости проводить уточнение математических моделей, методов расчета воздействия ЭМИ на радиоэлектронные системы, в том числе и на системы телекоммуникаций, а также совершенствование методов обеспечения стойкости.
В последние годы развернулись исследования по созданию ядерного оружия третьего поколения с повышенным выходом электромагнитных излучений. Поэтому параметры ЭМИ в течение 80-90-х годов неоднократно видоизменялись, и в настоящее время они существенно отличаются в сторону ужесточения от ранее стандартизованных.
В течение долгого времени эта проблема оставалась закрытой, однако, учитывая возможности возникновения локальных вооруженных конфликтов с ограниченным применением ядерного оружия Международная Электротехническая Комиссия (МЭК) выступила с инициативой по разработке требований к защите важных для каждой страны систем связи, информационных сетей и линий электропередач, обеспечивающих безопасное функционирование промышленности и управления страной. В настоящее время разработан комплекс стандартов МЭК 61000 IEC, в котором определены параметры электромагнитных полей высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯВ), приведены рекомендации по защите электротехнических систем, рассмотрены методы и средства защиты [8-11,39]. Необходимо отметить, что параметры полей
ЭМИ ЯВ, заданные МЭК, существенно отличаются от параметров, задаваемых предыдущими источниками. Например, ЭМИ высотного ЯВ имеет следующие параметры: Е - 50 кВ/м, t$- 2.5 не, tM- 23нс на уровне 0.5.
В связи с этим проблема исследования поражающего действия ЭМИ ВЯВ и разработка рекомендаций по защите приобрели новую остроту и актуальность. Это обстоятельство, а также то, что исследования воздействия ЭМИ на системы телекоммуникаций с учетом рекомендаций МЭК до настоящего времени практически не проводились или носят разрозненный характер, и привело к необходимости разработки, уточнения и усовершенствования расчетных моделей и методов оценки показателей стойкости телекоммуникационных систем.
Актуальность этих исследований определяется:
необходимостью создания и совершенствования телекоммуникационных систем, соответствующих рекомендациям МЭК по стойкости к ЭМИ ВЯВ;
слабой теоретической и экспериментальной изученностью воздействия электромагнитных полей с параметрами, рекомендуемыми МЭК, на телекоммуникационные системы;
необходимостью разработки и уточнения расчетных методов оценки стойкости телекоммуникационных систем в целом и их составных элементов к воздействию ЭМИ;
отсутствием в достаточном объеме технических средств защиты телекоммуникационных систем от действия ЭМИ ВЯВ и данных по эффективности применения существующих средств защиты.
Целью работы является исследование и разработка эффективных методов оценки стойкости современных и перспективных наземных станций радиорелейной, тропосферной и спутниковой связи к воздействию мощных электромагнитных импульсов ядерных взрывов и разработка рекомендаций по повышению защищенности систем телекоммуникаций, отвечающих современным требованиям по стойкости к воздействию ЭМИ ЯВ.
7 Научная новизна работы заключается:
- в исследовании поражающего действия ЭМИ с параметрами, заданными
* МЭК, на телекоммуникационные системы;
в уточнении и развитии модели воздействия ЭМИ на апертурные антенны УВЧ, СВЧ-диапазонов и разработке на этой основе вероятностной методики оценки проникновения ЭМИ через апертурные антенны;
в развитии физической модели воздействия ЭМИ на проводные антенны, позволяющей рассчитывать наводки в электрически длинных антеннах, с учетом волнового характера формирования наведенного тока;
в разработке численного метода интегрирования обобщенных телеграфных уравнений при расчете наводок в кабельных линиях;
- в разработке приближенных аналитических методов: расчета влияния
ЭМИ на антенны, воздействия на кабельные линии, проникновения ЭМИ
в кузова автомашин, влияния проникших полей на внутрикузовные со
единения и создании на этой основе инженерных методик для экспресс-
оценки воздействия;
- в разработке общих принципов и ряда конкретных технических решений
по проектированию защиты наземных подвижных станций радиорелейной
тропосферной и спутниковой связи от воздействия ЭМИ ВЯВ с парамет
ру рами, определенными МЭК.
Практическая значимость работы заключается:
в разработке методики оценки стойкости современных наземных станций радиорелейной, тропосферной и спутниковой связи к воздействию ЭМИ ЯВ с параметрами, рекомендованными МЭК, позволяющей комплексно учитывать влияние ЭМИ на антенны, кабели, кузова и внутрикузовные цепи станций;
в разработке инженерных методик оценки влияния ЭМИ на элементы и
станции в целом, доведенных до конкретных расчетных алгоритмов, существенно (на два порядка) сокращающих объемы вычислительных работ при проведении оценки стойкости станций к воздействию ЭМИ ЯВ;
8 - в обосновании требований и конкретных рекомендаций, реализованных в
технических решениях, по повышению защищенности существующих и
перспективных радиорелейных, тропосферных, спутниковых станций от
действия ЭМИ ЯВ.
Реализация результатов работы. Основные теоретические положения и результаты исследований приведены в диссертации, опубликованы в виде научных статей и докладов на научно-технических конференциях; реализованы при разработке мероприятий по защите от ЭМИ ЯВ технических средств ряда телекоммуникационных систем, а также при разработке технических заданий на создание средств связи специального назначения.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на 6-ой Российской научно-технической конференции "Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов" (Санкт-Петербург, 2001 г.); на научно-технической конференции "Электромагнитная совместимость" (Санкт-Петербург, 2002 г); на международном симпозиуме "Надежность и качество -2002" (Пенза, ПГТУ, 2002 г); на международном симпозиуме "Инновационные технологии в проектировании" (Пенза, ПГТУ, 2002 г), а также обсуждены и одобрены на научно-техническом совете МНИРТИ.
Публикация. Результаты работы опубликованы в 10 научных трудах [13 - 16,20,31,32,36,37,78], в том числе в ряде тематических научно-технических журналов.
Диссертация состоит из четырех глав и заключения. В первой главе рассмотрено современное состояние и перспективы развития проблемы обеспечения стойкости систем телекоммуникаций к воздействию ЭМИ с параметрами, рекомендованными МЭК. Особое внимание уделено анализу существующих точных и приближенных методов оценки стойкости телекоммуникационных систем к воздействию ЭМИ ЯВ и показаны основные направления развития этих методов с учетом современных требований МЭК.
Во второй главе изложены сведения по параметрам ЭМИ ЯВ, рекомендованным МЭК, проанализированы формы и спектральные характеристики ЭМИ. Рассмотрены физические основы взаимодействия ЭМИ и РЭС: основные пути проникновения ЭМИ в аппаратуру, характеристика процессов в радиоэлектронных системах при взаимодействии ЭМИ, что позволило очертить комплекс параметров и характеристик систем, определяющих их стойкость к воздействию ЭМИ. Исходя из этого, проанализированы системы РРС, ТРС, ССС как объекты подверженные воздействию ЭМИ. Рассмотрена возможная для них ЭМИ - обстановка, требования к ним по стойкости. Проанализировано построение систем, входящих в их состав антенн, кабельных соединений, экранов. Частотные диапазоны работы систем сопоставлены со спектральными характеристиками ЭМИ. Введено понятие о частотной иерархии аппаратуры систем и иерархии соединительных линий. Исходя из проведенного анализа, определены основные механизмы влияния ЭМИ на системы телекоммуникаций в целом и пути проникновения электромагнитной энергии (наводимых токов и / или напряжений) в их аппаратуру.
Третья глава посвящена разработке методов оценки влияния ЭМИ с параметрами, рекомендованными МЭК, на системы телекоммуникаций и основные их элементы. Рассмотрены методы теоретической оценки воздействия ЭМИ на антенны, соединительные кабельные линии, проникновение ЭМИ в экранирующие конструкции и влияние на внутренние соединения, а также методы расчета переходных процессов во входных устройствах. Рассмотренные и предложенные методы расчета включают как методы, основанные на достаточно строгих электродинамических моделях, так и приближенные аналитические методы. Проводится сопоставление результатов, полученных теми или другими методами, а также данных, полученных теоретическим и экспериментальным путем. Исходя из проведенных сопоставлений, сделаны выводы о правомерности использования в пределах применимости приближенных аналитических, то есть инженерно - ориентированных, методов оценки влияния ЭМИ на телекоммуникационные системы.
*
В четвертой главе работы изложены методы обеспечения стойкости радиорелейных, тропосферных и спутниковых систем связи, стойких к воздействию ЭМИ. Приведены обобщенные данные по уровню наводок в различных соединительных линиях, антеннах, уровню полей в экранирующих конструкциях. Рассмотрены различные методы защиты аппаратуры от воздействий ЭМИ: конструктивные, структурно-функциональные, схемотехнические. Исходя из обобщенных данных по уровню наводок в различных цепях выведено оптимальное распределение мер защиты по этим цепям. Рассмотрены также организационные вопросы, связанные с обеспечением взаимодействия комплексных подразделений, разработчиков отдельных подсистем ТКС и специалистов в области ЭМИ с целью обеспечения требуемого уровня стойкости в целом. Проанализировано оптимальное распределение усилий между этими группами специалистов на различных этапах проектирования. Изложены основные принципы построения радиорелейных, тропосферных и спутниковых систем связи, стойких к воздействию ЭМИ с параметрами, рекомендованными МЭК.
В заключении обобщены результаты выполненных исследований, сформулированы выводы и рекомендации по работе в целом.
Краткая характеристика процессов, вызываемых ЭМИ в радиоэлект ронных системах
Как показывают экспериментальные исследования и теоретические оценки, непосредственное „воздействие полей ЭМИ на элементы радиоэлектронных схем (резисторы, конденсаторы, полупроводниковые приборы и т.д.) не приводит к необратимому повреждению и изменению параметров ! ЭЛеменТОВ.
Основную опасность представляют токи (напряжения), наводимыми нестационарными полями ЭМИ в проводниках, имеющихся в системе. Эти проводники играют роль коллекторов энергии ЭМИ. В качестве таких про водников могут выступать антенны, фидеры, проводные и кабельные линии, а также экранирующие конструкции и заземляющие проводники. Наведен-ные в проводниках токи и напряжения могут привести к электрическому пробою между проводниками (например, пробой кабелей, фидеров), либо к повреждению подключенных к проводникам устройств, если в них имеются чувствительные к перенапряжению элементы.
Об Этом свидетельствуют экспериментальные данные натурных высотных ядерных взрывов. В результате воздействия ЭМИ ВЯВ произошло разрушение элементов защиты на воздушной линии Дзезказган - Караганда и отключение дистанционного питания на кабельной линии Целиноград -т Караганда - Алма-Ата, что привело к нарушению связи [79]. Величина энергии ЭМИ, передаваемой антенной в приемное устройст во, определяется ее типом, конструкцией, частотным диапазоном. Величина наведенных в проводниках токов и напряжений тем больше, чем больше длина проводника, зависит от условий его прокладки, ориентации и заземле ния. Величина наводки в рабочей цепи кабеля также существенно зависит от того, является ли данный кабель экранированным или нет. Если провода, ка бели находятся внутри металлических кузовов, корпусов, то на них действу ют поля ЭМИ, ослабленные стенками этих экранирующих конструкций. В . свою очередь, экранирующие свойства кузовов, корпусов, зависят от мате риала экрана и от того, является ли данный кузов сплошным или в нем имеются неоднородности в виде отверстий, щелей и так далее.
Импульсные напряжения и токи, наведенные в антеннах и кабелях, приводят к целому ряду явлений в подключенных к ним электрорадиоэлементах. Физические факторы, определяющие выход из строя элементов, могут быть различными для разных классов элементов - напряжение, ток, энергия и так далее. Обычно же уровень стойкости элементов к электриче-i ским перегрузкам выражается в терминах электромагнитной энергии, выделенной в элементах. Величины критической энергии для электрорадиоэлементов различных классов, приведены в табл. 2.1.
Воздействие ЭМИ на систему может осложняться существующими при ядерных взрывах потоками ионизирующих излучений. Так, воздействие гамма-излучения на кузова, корпуса приводит к тому, что в них возникает так называемый внутренний ЭМИ (ВЭМИ). Ряд осложнений может быть обусловлен также ионизацией среды в результате воздействия потоков проникающей радиации.
Эти эффекты представляют опасность при наземных ядерных взрывах и должны рассматриваться при оценке стойкости стационарных защитных систем, способных выдержать значительное воздействие ударной волны вблизи эпицентра взрыва. В рамках данной работы, посвященной исследованию стойкости наземных подвижных систем, обладающих сравнительно невысокой стойкостью к воздействию ударной волны, эффекты, связанные с ВЭМИ и ионизацией среды, не рассматриваются.
Критерии стойкости радиоэлектронных систем к воздействию ЭМИ. Из предварительного анализа становится ясным, что критерии стойкости радиоэлектронных систем к воздействию ЭМИ не могут быть простыми и универсальными. Эти критерии зависят и от того, что понимать под самим термином "стойкость". Остановимся на этом подробнее.
Как показывает опыт оценки воздействия ЭМИ на наземные подвижные станции радиорелейной, тропосферной и спутниковой связи, на современном этапе чрезвычайно трудно гарантировать отсутствие сбоев в работе станций при воздействии на них ЭМИ ядерных взрывов, т.е. полностью исключить кратковременные перерывы связи, потери информации.
Реально в широком масштабе пока может ставиться задача предотвращения необратимых повреждений в станциях при воздействии ЭМИ, т.е. задача сохранения аппаратуры, а не стопроцентного, абсолютно бесперебойного функционирования каналов связи РРС, ТРС, ССС. Поэтому в данной работе под стойкостью понимается способность аппаратуры и системы функционировать в условиях воздействия ЭМИ.
Как уже указываюсь, основная опасность, связанная с ЭМИ, заключа ется в появлении на элементах аппаратуры (главным образом сопряженных с # АФУ и кабелями) наведенных напряжений и токов. Поэтому в качестве ха рактеристик воздействия ЭМИ на аппаратуру целесообразно принять величину перегрузок на этих элементах (величина и форма тока, либр напряжения, либо энергия, выделенная в элементе) [2,12]. Конкретное количественное значение этих величин в сопоставлении с пороговыми уровнями перегру зок и является показателем стойкости аппаратуры к ЭМИ.
Возможная ЭМИ-обстановка для РРС, ТРС, ССС. Требования к ним по стойкости к воздействию ЭМИ ЯВ с параметрами, рекомендованными МЭК
Требования к ним по стойкости к воздействию ЭМИ ЯВ с параметрами, рекомендованными МЭК. Основным критерием при выработке требований по стойкости систем связи к воздействию ЭМИ ЯВ является принцип равностойкости к действию различных поражающих факторов ЯВ.
Для наземных подвижных станций целесообразно исходить из их уровня стойкости к воздействию избыточного давления во фронте воздушной ударной волны, который составляет в большинстве случаев 0,2 ...0,5 кгс/см2. Сравнительно невысокая стойкость к действию ударной волны на земных подвижных станций обусловлена тем, что они большей частью перевозятся на автомобильных шасси. Кроме того, зачастую их антен но-мачтовые устройства обладают значительной парусностью (особенно для РРС ПВ). Все это не означает, однако, что в условиях вероятного применения противником ядерного оружия отпадает необходимость в применении таких станций. Наземные подвижные РРС, ТРС, ССС обладают высокой мобильностью, скрытностью, что затрудняет нанесение по ним прямых ядерных ударов. Поэтому ожидать того факта, что подобные станции явятся непосредственно объектами для нанесения ударов вероятного противника с помощью контактных (наземных) ядерных взрывов, не приходится.
Из вышеизложенного видно, что для рассматриваемых станций нет не обходимости выдвигать требования по стойкости к ЭМИ, действующему в ближней зоне наземного ядерного взрыва, а также эффектам совместного действия ЭМИ и мощных потоков проникающей радиации (ионизация среды, ВЭМИ), характерных для ближней зоны. Поэтому эти станции будут, как правило, в большей мере подвержены воздействию ЭМИ высотных ядерных взрывов. Однако могут возникнуть ситуации, когда и наземный ЯВ способен оказать опасное воздействие на станции - за счет сильной электромагнитной связи. Станции, работающие в оконечном или узловом режимах соединяются с другими узлами связи кабелями сопряжения длиной до нескольких кило метров. При ядерном ударе по узлу связи, с которым сопряжена станция, по кабелям сопряжения могут прийти мощные импульсы токов и напряжений. Необходимо учитывать эту возможность для оконечных и узловых станций.
.Принципы построения наземных подвижных станций радиорелейной, тропосферной и спутниковой связи.
Станции радиорелейной, тропосферной и спутниковой связи (РРС, ТРС, ССС) предназначены для организации многоканальной аналоговой и цифровой связи в различных звеньях управления. В общем виде радиорелейная линия (в том числе тропосферная) представляет последовательность приемо - передающих радиостанций, осуществляющих прием и переизлучение сигнала по цепочке. В зависимости от используемого вида распространения радиоволн линии разделяются на два класса - РРЛ ПВ (прямой видимости), в которых существует прямая видимость между антеннами соседних станций, и тропосферные РРЛ, в которых используется явление дальнего тропосферного распространения УКВ - рассеяния радиоволн на турбулентных неоднородностях атмосферы.
Современные РРЛ ПВ работают, главным образом, в диапазоне сантиметровых волн (СВЧ). Широкополосные приемники и передатчики обеспечивают передачу сигналов многоканальной телефонии и цифровых потоков. В диапазоне СВЧ применяются остронаправленные антенны, что позволяет обходиться небольшими мощностями передатчиков (до 10...20 Вт) и иметь сравнительно компактную и экономичную аппаратуру. Для обеспечения прямой видимости между станциями антенны поднимаются на специальных мачтах. Расстояние между соседними станциями обычно составляет 40... 70км.
В тропосферных РРЛ дистанция между станциями значительно больше - до 200...300 км. Затухание сигнала на участке ТРРЛ велико, сигнал в пункте приема имеет многолучевой характер, испытывает случайные флуктуации (замирания). Поэтому в ТРС применяются мощные передатчики (до десятков кВт), остронаправленные антенны больших размеров. Применяется техника разнесенного приема и другие методы борьбы с интерференционными замираниями. При пространственном разнесении для обеспечения статистической независимости сигналов антенны разносятся по горизонтали на расстояние 100...150 X [42,72). Применяются также другие виды разнесения - угловое, когда антенна имеет два максимума диаграммы напряженности, разведенные на некоторый угол, а также частотное разнесение, временное, внутриполос-ное, основанное на использовании специальных широкополосных сигналов [42,43,72].
Сопоставление результатов, полученных приближенными аналитическими и численными методами, расчетных и экспериментальных данных по наводкам в исследуемых антеннах
Максимальная энергия ЭМИ, проникающая через апертурную антенну и селективно-дуплексирующее устройство.
Для оценки проникновения ЭМИ через апертурные антенны используется концепция эффективной площади антенны [12,46,47]. Между антенной и приемо-передающими устройствами (ПГГУ) находится СДУ - селективно-дуплексирующее устройство (см. рис. 3.1). В состав СДУ входят полосовые фильтры волноводного типа, пропускающие радиоволны только в определенном частотном диапазоне fv..f2. Тогда максимальная энергия, которая может проникнуть в ППУ, составит:
Все формулы предыдущего подпункта получены в предположении совпадения направления прихода волны ЭМИ с главным максимумом диаграммы направленности антенн. Если же волна приходит с произвольного направления, определяемого углами 9, р, то энергия, проникающая через антенну, выразится формулой: W =W FW, p), (3.8) A A max v ,у J где F(9, p) - диаграмма направленности антенны.
Известно [72], что антенны УВЧ, СВЧ - диапазонов имеют узкую диаграмму направленности. Это существенно сказывается на характере проникновения в них ЭМИ. Целесообразно в данном случае использовать вероятностно - статистические методы оценки.
Функция F(9, p) имеет сложный вид [47], однако на практике она описывается простыми зависимостями - гарантированными огибающими F(9)[42]. Ее также характеризуют следующими числовыми параметрами: 90$- полуширина по уровню 0,5; в0 - полуширина по первому минимуму; 0, - положение первого бокового лепестка; 92 - угол, где F(9) выходит на уровень - D дБ, где D = AKV—, (3.9) Я2 - коэффициент направленного действия (КНД) антенны, Я - длина волны. Перечисленные угловые параметры ориентировочно определяются из формул [42]: 0,,314 = , О-") 52-1е4 25 где d диаметр антенны. Є2 = 10-—- , (3.12) Пользуясь данными, приведенными в [42], можно построить следующую ориентировочную огибающую диаграммы направленности апертурных антенн: О, при 0 в 905 9-9. -F„,+ жж-Л "р" в в в Р(в){дБ\ = "0,5 "\ -D + 52-lOlg -251g0 при 9, Є 92 Я -D при в $2 (3.13) где F0i = -ЗдБ; Fi = -Z + 2 + 151g-.
Поскольку направление прихода волны случайно, энергия помехи на входе 1І1ГУ (WA) также будет случайной величиной. Определим функцию распределения этой величины. Будем считать, что направление прихода волны равномерно распределено в переднем полупространстве антенны (это предположение разумно для антенн ССС, работающих при больших углах места. Для антенн ТРС, РРС, при малых углах места вероятность "лобовых попаданий" ЭМИ будет примерно в два раза меньше).
Если направление прихода волны равномерно распределено по телесному углу (dQ = 2xsinede, О 0 2;г), то по формулам математической статистики получим функцию распределения угла 0: Do(0) = l-cos0 (0 (9 ). (3.14) Найдем функцию распределения величины X = -10lj- - U-F(9),dE. (3.15)
Эта величина является положительной и возрастающей функцией угла в. Следовательно, в соответствии с формулами математической статистики имеем: [О при Х 0, Dv(X) = l-cos0(X) при 0 Х Д (3.16( (1 при X D.
Формулы (3.16), (3.15), (3.13) полностью определяют искомую функцию распределения помехи на входе антенн.
В качестве примера на рис. 3.1 приведены огибающие диаграмм направленности антенн ССС дециметрового (1) и сантиметрового (2) диапазонов. Параметры антенн: І.сі = 3м; /0 = ШМГц; v = G,5; d/A = 9; D = 26. 2.d = 5M\ /0 = 5ГГщ v = 0,5; rf/A = 83: ) = 45. На рис. 3.2 представлены функции распределения Фд-(Х) для этих антенн. Вероятность того, что энергия WA превысит некоторую величину W, определяется формулой: W p{WA W} = t x(\Q-\i- -). (3.17, Если известна пороговая энергия Wm повреждения ППУ, то вероятность повреждения выражается соотношением:
Максимальная энергия ЭМИ ВЯВ, проникающая через апертурные антенны станций
С использованием полученных в предыдущих подразделах результатов и количественных оценок представляется возможным обобщить данные по ожидаемым уровням воздействия ЭМИ ВЯВ на различные типы станций.
В табл. 4.1 представлены данные по характеристикам помехи, посту пающей в приемо-передающие устройства через типичные антенны назем ных РРС, ТРС, ССС. Более критичными являются высокочувствительные приемные устройства. Первой ступенью приемника является МШУ. Соглас но данным, приведенным в табл. 2.1, минимальная энергия, которая может вызвать необратимые повреждения транзисторов, в том числе полевых, со 4 ставляет около 10" ...КГ6 Дж. Из табл. 4.1 видно, что максимальная энергия wtm . проникающая через антенны, в большинстве случаев меньше этой величины. Только для антенн ТРС и ССС дециметрового диапазона (антенны 4,6) проникающая энергия может представлять опасность. Однако пространственная избирательность антенн приводит к тому, что вероятность повреждения приемника остается все же малой (см. п.3.1.1). Отсюда можно сделать следующие выводы. Апертурные антенны наземных подвижных РРС, ТРС, ССС сантиметрового диапазона являются некритичными к воздействию ЭМИ ВЯВ. Более детальный анализ вероятности повреждения ППУ с уточненной оценкой их импульсной прочности и с учетом направленных свойств антенн целесообразно проводить для больших антенн дециметрового диапа зона. Пример расчета тока, наведенного в штыревой антенне (/ = 3,4 .и) при воздействии ЭМИ ВЯВ, показан на рис. 3.7. Ток 75-омной нагрузки достига ет 400 А, эффективная длительность импульса около 100 не; энергия, выде ленная в нагрузке, достигает кг1 Дж. Такая энергия может представить опас Ф ность для входных устройств. Поэтому, если в составе станции имеются вспомогательные штыревые антенны, их входные устройства должны быть защищены.
В качестве примера приведем результаты расчетов наводок в двух линиях сопряжения станции. Линия длиной 2 км, соединяющая станцию с узлом связи, включает два параллельно проложенных кабеля П-296. Другая линия, длиной 500 м, состоит из двух абонентских кабелей ПТРК 10x2. В каждой линии оценивались суммарный ток в экранах кабелей, приходящий на кузов и заземление, напряжение в цепи "жила - экран". Расчеты произведены для случаев высотного ЯВ и для наземного ЯВ, (по ГОСТ и по МЭК 61000), происходящего на расстоянии около 2 км, у дальнего конца кабеля П-296 (вблизи узла связи). Амплитудно - временные параметры наводок приведены в табл. 4.2. Эти результаты являются ориентировочными. В целом можно констатировать, что наводки в кабелях сопряжения могут достигать достаточно больших величин. Поэтому вводы этих кабелей и подключаемые к ним устройства нуждаются в защите.
Как видно из табл. 4.2, расчет наводки от ЭМИ наземного ЯВ по уточненным данным дает большую величину по сравнению с ЭМИ ВЯВ. В более коротком кабеле ПТРК наводки от ЭМИ высотного ЯВ больше, чем от ЭМИ наземного ЯВ.
Необходимо указать на большие напряжения, наводимые в кабеле ПТРК при воздействии ЭМИ ВЯВ. Величина наводки достигает десятков киловольт при фронте менее микросекунды. Столь большие величины наводки обусловлены большой взаимной индуктивностью спирального экрана данного кабеля. Эти данные согласуются с параметрами наводок в кабельных линиях при воздействии ЭМИ ВЯВ, заданные в стандарте МЭК [9].
Наводки в межкузовных кабелях. Результаты расчетов наводок в межкузовных кабелях в обобщенном виде приведены в табл. 4.3. Расчеты выполнены для кабелей питания РПШ и РПШЭ, кабеля управления КУПВ 19эх0,35, радиочастотного кабеля РК50-9-23 с одиночным (1э), двойным (2э) и тройным (Зэ) экраном. В таблице представлены амплитуда напряжения в цепи "жила-экран" Uln, амплитудно -временные параметры напряжения, а также параметры тока короткого замыкания (при срабатывании защитных устройств).
Похожие диссертации на Методы обеспечения стойкости перспективных систем радиорелейной, тропосферной и спутниковой связи к воздействию мощных импульсных электромагнитных помех
