Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния исследований в области контактных радиопомех 12
1.1. Причины образования и источники контактных радиопомех 12
1.2. Спектрально - энергетические характеристики контактных радиопомех на различных подвижных объектах радиосвязи 17
1.3. Влияние контактных радиопомех на обеспечение внутрисистемной электромагнитной совместимости на подвижных объектах радиосвязи 25
1.4. Нормирование в области контактных радиопомех 27
1.5. Измерение и испытание на контактные радиопомехи 31
1.6. Методы подавления контактных радиопомех 37
1.7. Методы исследования контактных радиопомех 41
1.8. Формулировка цели исследования 50
1.9. Постановка задач исследования 50
Глава 2. Исследование тока, проходящего через разъемное контактное соединение, имеющее нестабильность переходных электрических параметров 54
2.1. Общее нелинейно-параметрическое преобразование тока, как следствие влияния коррозионных и механических воздействий 54
2.2. Детерминированная нелинейная модель полного тока разъемного контактного соединения 57
2.3. Детерминированная модель динамической нестабильности полного коэффициента передачи по току 63
2.4. Вероятностная модель динамической нестабильности полного коэффициента передачи по току 75
2.5. Параметрическая чувствительность динамической нестабильности полного коэффициента передачи по току 78
2.6. Оценка разъемного контактного соединения по критериям ЭМС 86
Глава 3. Исследование процессов образования и распространения флуктуационных контактных радиопомех 89
3.1. Определение сигнала, наводимого на конструкции, содержащие разъемные контактные соединения 89
3.2. Образование излучаемых флуктуационных линейных и нелинейных, детерминированных и вероятностных контактных радиопомех 95
3.3. Методика прогнозирования спектрально-энергетических характеристик излучаемых флуктуационных линейных и нелинейных, детерминированных'и вероятностных контактных радиопомех 101
3.4. Структура и алгоритм функционирования программной реализации прогнозирования и управления параметрами флуктуационных контактных радиопомех 104
3.5. Реализация программы расчета амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик кондуктивных и излучаемых флуктуационных линейных и нелинейных контактных радиопомех 108
Глава 4. Экспериментальное исследование флуктуационных контактных радиопомех 113
4.1. Измерительная система и ее элементы для экспериментального исследования излучаемых флуктуационных контактных радиопомех 113
4.2. Методика измерения спектрально-энергетических характеристик излучаемых флуктуационных контактных радиопомех и построения их эксплуатационных макромоделей 118
4.3. Экспериментальное исследование излучаемых флуктуационных контактных радиопомех от конструкции, содержащей типовое разъемное контактное соединение 120
Заключение 131
Основные выводы 131
Рекомендации 133
Литература 135
Приложение 149
- Спектрально - энергетические характеристики контактных радиопомех на различных подвижных объектах радиосвязи
- Детерминированная нелинейная модель полного тока разъемного контактного соединения
- Образование излучаемых флуктуационных линейных и нелинейных, детерминированных и вероятностных контактных радиопомех
- Методика измерения спектрально-энергетических характеристик излучаемых флуктуационных контактных радиопомех и построения их эксплуатационных макромоделей
Введение к работе
Обеспечение надежной и устойчивой радиосвязи с подвижных объектов неразрывно связано со знанием помеховой обстановки, характеризующейся многообразием видов помех и путей их воздействия на радиоприем. Тщательное изучение помеховой обстановки становится все более необходимым из-за постоянного увеличения плотности размещения радиоэлектронных средств (РЭС) на ограниченном пространстве подвижных объектов (ПО) радиосвязи (корабли, самолеты, автомашины, железнодорожные составы и др.), приводящего к увеличению уровня взаимных помех, нарушающих нормальную совместную работу этих средств. Наряду с этим происходит увеличение мощностей излучения радиопередатчиков, повышение чувствительности радиоприемников, расширение частотного диапазона их работы. Все перечисленное приводит к возрастающей сложности решения проблемы обеспечения внутрисистемной электромагнитной совместимости (ЭМС) на ПО радиосвязи.
Эта ситуация еще более усложняется из-за наличия на ПО большого количества соединенных между собой металлических элементов, образующих систему принципиально неустранимых электрических разъемных контактных соединений (РКС), приводящих к образованию широкополосных излучаемых контактных радиопомех (КРП) при организации двусторонней радиосвязи в движении.
Проблеме образования КРП посвящено небольшое число работ как у нас в стране, так и за рубежом. Вопросы теоретического и практического характера отражены в работе Клементенко А.Я., Панова Б.А., Свешникова В.Ф. [1.17], практические исследования освещены в работах Венскаускаса К.К., Крестьянинова В.В. [1.9], Лютова С.А. [1.14], Кравченко В.И. [1.13], Григорьева А.Г., Матисена А.И., Патрина B.C. [1.12], а также в работах зарубежных авторов, таких как Wankowicz S. [1.15], Cooper J.C. [1.16], Eisner R.F. [1.24], Henkel R, Mealey D. [1.6], Martin R.H. [1.25] и других.
Этот вид радиопомех специалистами по радиосвязи обнаружен относительно давно. Во время прослушивания они проявляются в виде треска и шума за счет протекания высокочастотного тока через несовершенные переменные контакты, неплотные или подверженные коррозии механические сочленения. Вместе с тем наиболее высокие и продолжительные уровни внешних механических и коррозионных воздействий, являющихся причинами появления КРП, оказываются на электрические и механические элементы конструкций систем радиосвязи, размещаемых на ПО.
Из-за своей широкополосности и достаточно высоких уровней КРП оказывают существенное влияние на радиоприем сигналов на ПО. Поэтому без детального изучения КРП и разработки эффективных способов борьбы с ними трудно обеспечить надежную и устойчивую радиосвязь с ПО. До сих пор теоретическому исследованию этого вопроса уделялось недостаточно внимания. Проблема борьбы с КРП заслуживает отдельного рассмотрения.
Специфический характер организации радиосвязи в условиях действия КРП изучен недостаточно полно, что является одной из основных причин, препятствующих более быстрому развитию железнодорожной, корабельной, автомобильной и самолетной радиосвязи.
-6 Сложность решения проблемы обеспечения внутрисистемной ЭМС на ПО радиосвязи определяется необходимостью учета множества факторов. Решение проблемы обеспечения внутрисистемной ЭМС начинается с этапа проектирования ПО и построения его системы радиосвязи, при разработке и подборе соответствующих средств радиосвязи с необходимыми параметрами, и продолжается в течение всего его жизненного цикла.
Таким образом, актуальной задачей является дальнейшее теоретическое исследование и прогнозирование спектрально-энергетических характеристик (СЭХ) КРП при проектировании и эксплуатации систем радиосвязи ПО с практической направленностью полученных результатов для обеспечения их внутрисистемной ЭМС.
Целью данной работы является уточнение электромагнитной обстановки на подвижных объектах радиосвязи, за счет разработки метода прогнозирования спектрально-энергетических характеристик флуктуационных линейных и нелинейных контактных радиопомех при проектировании и эксплуатации систем радиосвязи, для обеспечения их внутрисистемной ЭМС.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе сформулированы и решены следующие задачи:
1. Систематизация существующих теоретических и практических исследований в области импульсных и флуктуационных, линейных и нелинейных контактных радиопомех;
2. Разработка детерминированных и вероятностных нелинейно-параметрических моделей электрического тока, проходящего через разъемные контактные соединения, подверженные воздействию вибрационных механических и коррозионных факторов;
3. Разработка детерминированных и вероятностных моделей флуктуационных линейных и нелинейных контактных радиопомех от конструкций, содержащих разъемные контактные соединения, в ближней и дальней зонах излучения;
4. Разработка методики прогнозирования спектрально-энергетических характеристик флуктуационных контактных радиопомех с целью уточнения электромагнитной обстановки на подвижных объектах радиосвязи и обеспечения их внутрисистемной ЭМС;
5. Разработка программного обеспечения по расчету спектрально-энергетических характеристик флуктуационных контактных радиопомех;
6. Экспериментальное исследование излучаемых флуктуационных контактных радиопомех от конструкции, содержащей типовое разъемное контактное соединение.
Диссертационная работа, посвященная решению этих задач, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных литературных источников и приложений.
В первой главе систематизированы сведения о теоретических и практических исследованиях в области импульсных и флуктуационных, линейных и нелинейных КРП. Даются общие сведения о помеховой обстановке на ПО радиосвязи, анализируется природа возникновения КРП, раскрывается их физическая сущность.
-7 КРП образуются в результате воздействия электромагнитного поля мощных радиопередатчиков ПО на его проводящие конструкции, содержащие РКС, подверженные механическим и коррозионным воздействиям, и переизлучения этими конструкциями существенно измененного по структуре электромагнитного поля, имеющего значительный уровень на входе бортовых радиоприемных устройств.
В первой главе проведен анализ практических исследований и измерений СЭХ кондуктивных и излучаемых КРП, выявляющий основные закономерности в структуре их образования, который показал, что интенсивность последних достаточно высока (до 100 дБмкВ/м), а занимаемая полоса достаточно широка (единицы МГц в диапазонах СЧ-УВЧ), чтобы серьезно сказаться на обеспечении внутрисистемной ЭМС на ПО радиосвязи. Вместе с тем анализ теоретических исследований в области КРП показал, что данная тема остается недостаточно глубоко изученной, а существующие математические модели СЭХ КРП далеки от практического применения. Существующие теоретические исследования позволили сформировать иную форму и структуру математических моделей КРП, обладающих большей универсальностью.
На основе проведенных исследований сформулирована цель диссертационной работы и поставлены задачи, которые необходимо решить для ее достижения.
Во второй главе рассмотрено преобразование электрического тока, протекающего по облучаемой электромагнитным полем проводящей конструкции, содержащей РКС, подверженные воздействию вибрационных механических и коррозионных факторов.
При воздействии вибрационных механических и коррозионных факторов на РКС его первичные переходные электрические параметры за счет образующейся коррозионной пленки становятся нелинейными относительно наведенного сигнала, а за счет неидеальной контактной жесткости при наличии вибрации - параметрическими.
Эквивалентная механическая модель РКС может быть представлена в виде распределенной механической системы с двумя степенями свободы. Ей соответствует система нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка. Соответствующая эквивалентная нелинейно-параметрическая электрическая модель переходной зоны РКС описывается системой нелинейно-параметрических дифференциальных уравнений второго порядка.
Удобно преобразование наводимого в конструкции сигнала рассматривать как последовательные нелинейное безынерционное, а затем параметрическое инерционное преобразования. При этом можно ввести понятия о соответственно нелинейной и динамической нестабильностях первичных переходных электрических параметров РКС.
Нелинейная нестабильность переходных электрических параметров РКС ведет к расширению спектра наведенного тока за счет появления высших и комбинационных гармоник.
При прохождении электрического тока через РКС, подверженное динамической нестабильности, происходит его амплитудно-фазовая модуляция. Коэффициенты амплитудной и фазовой модуляции тока зависят от амплитуд
-8 изменений модуля и фазы полного коэффициента передачи по току контактного перехода РКС.
Исследования показали, что наиболее значительной динамическая нестабильность полного коэффициента передачи по току РКС будет при введении конструкций, образующих РКС, в механический резонанс. Необходимо также учитывать зависимость полного коэффициента передачи по току РКС от частоты проходящего сигнала, которая может быть в общем случае немонотонной и иметь экстремумы.
В ходе исследований были получены численные модели функции параметрической чувствительности изменения амплитуд модуля и фазы полного коэффициента передачи по току контактного перехода РКС к различным факторам влияния. Во второй главе также представлены для сравнения линейные коэффициенты относительной параметрической чувствительности амплитуды модуля и фазы полного коэффициента передачи по току контактного перехода РКС к различным факторам.
Динамическая нестабильность приводит к дальнейшему расширению спектральных характеристик проходящего тока. Таким образом, совместное влияние детерминированной нелинейной и детерминированной или случайной динамической нестабильностей первичных переходных электрических параметров РКС приводит к образованию широкополосных, распределенных по частотному диапазону, детерминированных или случайных КРП.
В третьей главе рассматривается электродинамическое описание явлений возникновения ЭДС на конструкциях, содержащих РКС, под влиянием внешнего облучающего электромагнитного поля, а также исследование СЭХ излучаемых флуктуационных КРП. Также приводятся результаты разработки методики прогнозирования СЭХ излучаемых флуктуационных КРП, а также структура и алгоритм программной реализации метода прогнозирования и управления ими.
Расчет токов и напряжений, наведенных внешним электромагнитным полем на конструкциях, содержащих РКС, осуществляется на основе метода наведенных ЭДС с применением метода моментов, где в качестве базисных функций амплитудного распределения тока по конструкции используются кусочно-синусоидальные. При этом облучаемую конструкцию и облучающие антенны аппроксимируют тонкопроволочными аналогами и сегментируют на элементарные кусочно-однородные электрические вибраторы. Задача сводится к решению системы линейных алгебраических уравнений.
При этом волновые сопротивления элементарных вибраторов, содержащих РКС, рассчитываются для случая независимости их от величины проходящего сигнала.
Облучаемая конструкция, содержащая РКС, может быть представлена в виде кусочно-однородной длинной линии, отражающей ее физические особенности. После определения амплитудного распределения наведенного тока находится обобщенный коэффициент передачи по току РКС и рассчитываются амплитудные распределения тока для вновь появившихся частот. Далее производится новая сегментация переизлучающей конструкции, и рассчитываются напряженности электромагнитного поля флуктуационньгх КРП в точках радиоприема.
На основе разработанных моделей КРП сформирована методика по прогнозированию СЭХ излучаемых флуктуационных линейных и нелинейных, детерминированных и вероятностных КРП с целью уточнения ЭМО на ПО радиосвязи для обеспечения их внутрисистемной ЭМС.
На основе разработанных моделей и методики прогнозирования сформирована структура и алгоритм функционирования программной реализации метода прогнозирования и управления СЭХ КРП. Структура разбита на функционально законченные программные модули, реализующие расчет механического режима, электродинамического режима, электрических характеристик и модуль расчета функций чувствительности КРП и построения их макромоделей. На основе данного алгоритма разработана программа по расчету СЭХ флуктуационных линейных и нелинейных, детерминированных и вероятностных КРП. Программа выполнена на языке С+4: с учетом принципов объектно-ориентированного программирования.
В четвертой главе представлены экспериментальные исследования излучаемых флуктуационных КРП от конструкции, содержащей типовое РКС, с целью проверки разработанных моделей, алгоритмов и программных средств, а также оценки точности предложенных математических моделей. Также в главе приводится методическое обеспечение по измерению СЭХ излучаемых КРП от конструкций, содержащих типовые РКС, и получению их эксплуатационных макромоделей.
Под эксплуатационными макромоделями флуктуационных КРП понимаются аппроксимированные функциональные зависимости (связи вход-выход) измеренных значений амплитуд напряженности КРП от двух переменных воздействующих факторов с представлением ее в трехмерном виде. Разработанная измерительная система позволяет имитировать эксплуатационные условия, имеющие место на ПО радиосвязи, и по построенным эксплуатационным макромоделям оценивать уровень КРП и допустимые значения различных воздействующих факторов на РКС.
Экспериментальному исследованию • была подвергнута конструкция, содержащая болтовое соединение. При этом оно исследовалось при различных условиях его эксплуатации: различные значения постоянного контактного усилия, различные уровни кинематического механического воздействия, различные уровни и частоты проходящего электрического тока.
Результаты измерений сравнивались с теоретическими расчетами по разработанным моделям. Вследствие чего разработанные модели показали удовлетворительную точность (до 20%) и пригодность к практическому использованию по прогнозированию СЭХ излучаемых флуктуационных КРП с целью уточнения ЭМО на ПО радиосвязи для обеспечения их внутрисистемной ЭМС.
На основе проведенных экспериментальных исследований была разработана методика измерения СЭХ флуктуационных линейных и нелинейных, детерминированных и вероятностных КРП и построения их эксплуатационных макромоделей с целью формирования рекомендаций по физическим и пространственно-геометрическим параметрам конструкций, содержащих РКС, на ПО радиосвязи и формулирования технических требований по допустимым режимам внешних механических и коррозионных воздействующих факторов на РКС.
В заключении перечислены основные результаты и выводы, полученные в диссертационной работе.
В приложениях представлены дополнительная информация и документация, использованные в диссертационной работе: результаты проведенных экспериментальных исследований, акты о внедрении результатов диссертационной работы, копия свидетельства об официальной регистрации разработанной программы в Реестре программ для ЭВМ, копия положительного решение РОСПАТЕНТа о выдаче патента РФ на изобретение.
Научная новизна диссертационной работы определяется следующим:
1. Разработаны нелинейно-параметрические модели электрического тока, проходящего через разъемные контактные соединения, подверженные воздействию вибрационных механических и коррозионных факторов, отличающиеся от известных тем, что они основываются на применении нелинейной и динамической нестабильностей полного коэффициента передачи по току соединений и учитывают их физические, механические, технологические и электрические параметры;
2. Разработаны детерминированная и вероятностная модели флуктуационных линейных и нелинейных контактных радиопомех от конструкций, содержащих разъемные контактные соединения, в ближней и дальней зонах излучения, отличающиеся от известных тем, что переизлучающая конструкция представляется в виде кусочно-однородной длинной линии, отражающей ее физические особенности;
3. Предложена методика прогнозирования спектрально-энергетических характеристик флуктуационных линейных и нелинейных контактных радиопомех, позволяющая уточнять электромагнитную обстановку на подвижных объектах в реальных условиях их эксплуатации на фоне действующей радиосвязи и способствовать обеспечению внутрисистемной электромагнитной совместимости их радиосистем;
4. Разработана структура и алгоритм программной реализации метода прогнозирования и управления спектрально-энергетическими характеристиками флуктуационных контактных радиопомех, включающего модуль расчета функций параметрической чувствительности и построения макромоделей, и позволяющего обосновано выбирать рабочие частоты на подвижных объектах в зависимости от их условий эксплуатации;
5. Предложена методика измерения спектрально-энергетических характеристик флуктуационных контактных радиопомех и построения их эксплуатационных макромоделей, позволяющая формировать рекомендации по физическим и пространственно-геометрическим параметрам конструкций, содержащих разъемные контактные соединения, на подвижных объектах радиосвязи и формулировать технические требования по допустимым режимам внешних механических и коррозионных воздействующих факторов на разъемные контактные соединения.
Практическая ценность работы состоит в том, что: систематизированы теоретические и практические исследования в области КРП для задач прогнозирования, измерения и подавления их характеристик; разработанные математические модели, методики и программное обеспечение доведены до уровня, обеспечивающего возможность их практического применения для уточнения ЭМО на ПО радиосвязи и обеспечения их внутрисистемной ЭМС.
Основные результаты диссертационной работы внедрены в практику проектирования и испытаний в Московском научно-исследовательском телевизионном институте (ЗАО «МНИТИ») при разработке и испытаниях блоков приемников и передатчиков радиоаппаратуры изделий ТІ А-02, Т1Б-02.
Научные результаты диссертационной работы нашли практическое применение в Научно-исследовательском институте информационных систем и телекоммуникаций (ООО «НИИИСТ»), где используются для выполнения проектных процедур, связанных с разработкой и испытанием бортовой радиоэлектронной аппаратуры в части обеспечения ее внутрисистемной ЭМС.
Результаты диссертационной работы также используются в учебном процессе на кафедре «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» ГОУВПО МГИЭМ при подготовке инженеров по специальностям 210201 «Проектирование и технология РЭС», 210202 «Проектирование и технология ЭВС» групп Р-91 по курсу «Методы и устройства испытаний ЭВС» и РС-71 по курсу «Защита РЭС от дестабилизирующих факторов».
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 4 международных и 7 российских научно-технических конференциях, а также на научно-технических семинарах кафедры «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» МИЭМ с 2006 по 2009 гг.
Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 21 печатной работе [5.1-5.18, 5.20-5.22], в числе которых 1 монография, 1 методическое указание к лабораторным работам, 7 статей (из них 4 статьи в журналах, включенных в список ВАК), 11 тезисов докладов, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. В ходе решения поставленных задач автором было получено оригинальное техническое решение, подтвержденное положительным решением РОСПАТЕНТа о выдаче патента РФ на изобретение по заявке № 2008110414 «Способ исследования свариваемости контактных материалов».
Работа выполнена на кафедре «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» Московского государственного института электроники и математики (МИЭМ).
Спектрально - энергетические характеристики контактных радиопомех на различных подвижных объектах радиосвязи
В качестве примера влияния КРП на радиосвязь можно привести исследование качества приема и передачи информации по радиорелейным и тропосферным линиям связи [1.13]. Результаты измерения КРП на радиорелейной станции типа Р-403 в зависимости от антенно-мачтового устройства (АМУ) приведены в табл. 1.1. Станция работала в дуплексном режиме при разносе частот передачи и приема на 2,0 МГц. Измерения проводились в телефонном канале с номинальным выходным измерительным уровнем 520 мВ при уровне шумов 2-6 мВ.
В качестве следующего примера влияния КРП на радиосвязь можно привести исследование радиосвязи с борта движущегося автомобиля [1.14].
Эксперимент был проведен между радиостанциями А и Б для трех случаев дуплексной связи: А - стоит, Б — движется (1); Б — стоит, А — движется (2); Б - стоит, А - движется (3), но устранены недоброкачественные контакты в системе экранировки кабелей питания радиостанции А, в частности, были плотнее завинчены экранированные штепсельные разъемы. Каждый раз на расстояниях, определяющих дальность связи, в антенне ЧМ приемника измерялись уровни помех при включенном передатчике движущейся радиостанции. Радиостанции двигались по асфальтовому шоссе со скоростью 40-50 км/час. Результаты измерений приведены в табл. 1.2.
Прослушивание и осциллографирование показали, что одновременно возникают две радиопомехи. Первая представляет собой импульсную со случайным распределением помеху, воспринимаемую как треск и скрежет. Вторая носит периодический характер и напоминает звук коллекторного электромотора.
Ширина полос КРП, излучаемых судовой оснасткой в зависимости от скорости движения судна, вызывающей вибрации корпуса, в случае работы передатчика в диапазоне разных частот приведена в табл. 1.3 [1.15]. Данные таблицы получены при следующих условиях: радиопередатчик мощностью 1 кВт был подключен к 10-ти метровой антенне. Приемник с чувствительностью 2 мкВ в узкой полосе частот подключен к 6-ти метровой антенне. Расстояние между антеннами равнялось 12 метров. Расстояние от антенн до корабельной оснастки около 10-12 метров.
В качестве иллюстрации влияния КРП можно также привести испытания военного корабля [1.5, 1.6]. На этапе введения комплекса в эксплуатацию были обнаружены КРП в широком диапазоне частот, включая диапазон 2,0 - 2,2 ГГц. Уровень шума на входе телеметрического приемника при этом повышался на 20—30 дБ.
При наличии переменного и нелинейного контакта, например в судовых ВПУ, при облучении несколькими радиопередатчиками ИКРП будут образовываться около комбинационных частот, в зависимости от вида нелинейности контакта.
На нескольких судах Минморфлота проводилось исследование уровня ИКРП [1.7]. На рис. 1.4 показаны результаты измерения ИКРП при одновременной работе двух судовых радиопередатчиков мощностью 1,5 кВт. По оси ординат отложен относительный уровень ИКРП в дБВт по отношению к уровню основного излучения одного из радиопередатчиков.
Как видно из рисунка 1.4, уровень ИКРП 11-го порядка превышает чувствительность судовых связных и навигационных радиоприемников на 10— 20 дБ и приводит к значительному ухудшению радиоприема, а в некоторых случаях полностью парализует работу радиоприемников.
Уровень КРП в значительной степени зависит от сопротивления металла и степени коррозии металлической поверхности судовых ВПУ. Испытания, проведенные английскими исследователями [Martin 1.25] в условиях полигона, показали, что мачта из углеродистой стали с чистой поверхностью создает ИКРП третьего порядка, уровень которых на 82 дБ ниже уровня одного из двух испытательных сигналов; с поверхностью, слегка затронутой коррозией, — на 75 дБ ниже этого уровня; с поверхностью, имеющей среднюю степень коррозии, — на 68 дБ и с поверхностью, подверженной сильной коррозии, — на 63 дБ. Отсюда видно, что в зависимости от степени коррозии уровень КРП изменяется до 20 дБ. Испытания различных образцов металлов показали, что наименыпий уровень ИКРП третьего порядка обеспечивает нержавеющая сталь (—97 дБ по отношению к одного из двух радиопередатчиков). На рис. 1.5 приведена зависимость уровня ИКРП третьего порядка в дБВт от мощности радиопередатчиков Р для бронзовых контактов. Один из радиопередатчиков излучает на частоте 360 МГц, второй — на частоте 370 МГц. Кривая 1 соответствует бронзовым контактам, из-за старения покрытым пленкой окисла, а кривая 2 — очищенным бронзовым контактам.
Зависимость уровня ИКР от мощности радиопередатчика На рис. 1.6 приведена зависимость уровня ИКРП третьего порядка в дБВт от давления/? для алюминиевых контактов площадью 3 мм2.
Кривая 1 соответствует контактам с гладкой поверхностью, кривая 2 — контактам с мелкозернистой поверхностью и кривая 3 — шероховатым контактам. Как видно из рис. 1.6, шероховатости поверхности при повышении давления, по-видимому, продавливают пленку окисла, и уровень ИКРП третьего порядка падает до — 85 дБВт. При гладкой и мелкозернистой поверхности пленка окисла не продавливается и уровень ИКРП довольно высок.
Зависимость уровня ИКР от давления В табл. 1.4 приведены типовые уровни ИКРП третьего порядка в дБВт для различных металлических контактов при давлении 1МПа и мощности каждого из двух радиопередатчиков 30 Вт.
Приведем также измерения ИКРП на судах Минморфлота «Магнитогорск» и «Зоя Космодемьянская». Исследование частотно-энергетических характеристик ИКРП на судах осуществлялось с помощью двух радиопередатчиков [1.11]. В табл. 1.5 приведены усредненные результаты отношения уровня ИКРП к уровню основного излучения судового радиопередатчика "Бриг" мощностью 1,5 кВт.
Детерминированная нелинейная модель полного тока разъемного контактного соединения
При наличии коррозионной пленки общие формулы для расчета первичных переходных электрических параметров РКС можно сформировать на основе работ [2.11, 2.24]. Переходная резистивность РКС в общем случае равна
При этом основную роль будут играть вторые слагаемые приведенных формул для первичных переходных параметров РКС. Величина sc характеризует диэлектрическую проницаемость межконтактной среды, єп и цп -электрические и магнитные параметры пленки
Остальные обозначения приводимые в формулах приводятся в данном и последующем параграфах.
Наличие контактной коррозии приводит к появлению диэлектрической пленки в контактной зоне РКС, электрические свойства которой зависят от величины проходящего сигнала. Электропроводность контактного перехода РКС в этом случае определяется туннельным эффектом через симметричную структуру металл-диэлектрик-металл. Допустимо аппроксимировать зависимость переходных резистивности, индуктивности и емкости, в силу относительно небольшой величины наводимого сигнала, соответственно в виде W,(0) = Koj e-a (,)U , LKJ(/,.(0) = 4oy + Ги(0/,(0 + 7u(0Лу(0, соответственно переходные резистивность, индуктивность и емкость при отсутствии сигнала нау-том контактном участке; a/t), Уі/t), y2j(t), Pi/t), /32j(t) — соответствующие коэффициенты аппроксимации, которые в общем случае являются параметрическими.
Далее будем опускать индексы к и j при первичных переходных параметров, подразумевая, что рассматриваются первичные переходные электрические параметры РКС для j-того контактного участка. Толщина коррозионной пленки зависит от скорости коррозии и равна
При этом толщину пленки для различных материалов и в различных условиях эксплуатации можно аппроксимировать от времени. Так для поликристаллической меди, подвергающейся воздействию воздуха в течение времени t (часы) при температуре Г (К) (рис. 2.3).
Проводимость пленки характеризуется удельным туннельным сопротивлением ее материала (рис. 2.4). При отсутствии сигнала это сопротивление равно [2.24] При наличии сигнала удельное туннельное сопротивление равно (рис. 2.5) где
При этом приводимые аналитические зависимости удельного туннельного сопротивления показывают, что проводимость контакта практически прекращается при толщине пленки больше 20 А. Однако экспериментальные данные [2.42] показывают (рис. 2.6), что и при больших толщинах пленки сопротивление контакта может иметь достаточно небольшие значения.
Представим электрическое напряжение, действующее на нелинейный контакт, в виде полигармонического сигнала: где H = - число парных сочетании гармоник из входного периодического электрического воздействия; i j; Umj, Umj- - амплитуда гармонических напряжении соответственно на частотах о ;, COJ; фІ5 (pj — постоянные фазы гармонических напряжений соответственно частот coj, COJ.
Образование излучаемых флуктуационных линейных и нелинейных, детерминированных и вероятностных контактных радиопомех
После определения амплитудного распределения наведенного тока на облучаемой электромагнитным полем конструкции, содержащую РКС, по приведенным в главе 2 формулам, в зависимости от режима работы и внешних условий находится обобщенный коэффициент передачи по току РКС.
Для каждой из вновь появившихся частот тока с учетом физических особенностей конструкции рассчитывается в соответствии с теорией длинных линий амплитудные распределения тока, при этом кусочно-однородную длинную линию представляют в виде последовательно соединенных четырехполюсников со своими коэффициентами передачи. Используя методы теории четырехполюсников, например [ЗЛО], находится эквивалентный коэффициент передачи для каждой вновь появившейся частоты.
Далее производится новая сегментация переизлучающей конструкции с учетом наивысшей частоты протекающего электрического тока на элементарные электрические вибраторы и по известным формулам, например [3.1], рассчитываются напряженности электромагнитного поля флуктуационных КРП и ИКРП в точках радиоприема от . каждого элементарного вибратора. Общий уровень флуктуационных КРП будет равен их сумме с учетом фазовых соотношений.
Выражения для мгновенных значений напряженностей электрического и магнитного полей в полярной системе координат для элементарного электрического вибратора длиной / для ближней и дальней зоны излучения на расстоянии г от источника равны: Выражения для мгновенных значений напряженностей электрического и магнитного полей в полярной системе координат для элементарного магнитного вибратора площадью S для ближней и дальней зоны излучения на расстоянии г от источника равны: В качестве примера рассмотрим моногармоническое облучение электромагнитным полем конструкции, содержащей РКС, подвергающееся полигармоническому механическому воздействию.
При этом конструкция облучающей антенны радиопередатчика . и конструкция, содержащая РКС представляют собой прямолинейные провода длиной по 1 м, диаметр проводов 20 мм.
Предполагается, что мощность излучения радиопередатчика составляет 3,75 кВт. При этом диаграмма направленности антенны облучает конструкцию, содержащую РКС, лепестком составляющем 10% от общей мощности излучения передатчика. Расстояние между конструкциями составляет 3 м без взаимного смещения их центров по высоте. Частота облучения передатчика 410 МГц.
Амплитудное распределение тока наводимого, в конструкции, содержащей- РКС, без учета фазовых соотношений изображен на рис. 3.6. Данный график получен с использованием программы анализа проволочных антенн MMANA Пусть внешнее детерминированное механическое полигармоническое кинематическое воздействие в области резонансных частот конструкций, образующих РКС, будет иметь огибающую сходную с рис. 3.7. Тогда используя формулы главы 2 при наличии коррозионной пленки в переходной зоне РКС в случае детерминированного механического воздействия,, амплитудный спектр напряженности электрического поля флуктуационных нелинейных детерминированных контактных радиопомех около основной частоты облучения радиопередатчика на расстоянии 3 м от конструкции, содержащей РКС, будет иметь вид, представленный на рис. 3.8. При этом параметры РКС аналогичны данным из параграфа 2.5, толщина коррозионной пленки 15 А.
Согласно [1.21] нормы на значения контактных радиопомех для диапазона от 0,4 МГц до 30 МГц в зависимости от расстройки относительно частоты облучающего передатчика от 1% до 30% при расстоянии 3 м от приемной антенны находятся в диапазоне от 4 до 80 дБмкВ/м. Согласно [1.18] нормы на квазипиковые значения индустриальных радиопомех для диапазона от 0,15 МГц до 30 МГц на расстоянии 1 м от приемной антенны находятся в диапазоне от 20 до 35 дБмкВ/м. Сопоставляя эти нормы с рис. 3.8 можно сделать вывод о том, что возможны случаи, при которых флуктуационные КРП в зоне приемной антенны будут выше данных значений. При этом существенные значения напряженности в спектре КРП на рис. 3.8 расположены в том числе и на утроенном частотном удалении относительно спектра механического воздействия рис. 3.7.
Методика измерения спектрально-энергетических характеристик излучаемых флуктуационных контактных радиопомех и построения их эксплуатационных макромоделей
На основе разработанной измерительной системы анализа и построения эксплуатационных макромоделей флуктуационных контактных радиопомех была сформирована методика измерения и построения эксплуатационных макромоделей спектрально-энергетических характеристик флуктуационных линейных и нелинейных, детерминированных и вероятностных контактных радиопомех с целью формирования рекомендаций по физическим и пространственно-геометрическим параметрам конструкций, содержащих разъемные контактные соединения, на подвижных объектах радиосвязи и формулированию технических требований по допустимым режимам внешних механических и коррозионных, воздействующих факторов на разъемные контактные соединения.
Методика состоит из основных этапов, которые заключены 13 блоках. Раскроем сущность каждого этапа методики. Блок 1. На первом этапе выбирается исследуемое разъемное контактное соединение, которое имеет место в реальной электромагнитной обстановке на подвижном объекте радиосвязи и для которого необходимо получить информацию о возможных уровнях контактных радиопомех. При этом необходимо учитывать технические возможности приборов, составляющих измерительную систему: размеры платформы вибростенда и его характеристики, точность генераторов и диапазоны работы и селективного микровольтметра. Блок 2. Выбранное разъемное контактное соединение устанавливается в рабочем положении на платформе вибростенда, при этом необходимо точно воспроизвести все влияющие конструктивные особенности, имеющие место на подвижном объекте. Блок 3. Осуществляется аппроксимации контуров, подходящих к разъемному контактному соединению в реальных условиях, и устанавливаются аналоги, имеющие ту же форму и размеры, а также в контур включаются согласующие устройства. Также выбирается интересующее расстояние от излучающей конструкции. При этом происходит подключение контура к исследуемому соединению на уже собранной измерительной системе. Блок 4. Осуществляется выбор типа приемных (измерительных) антенн и их параметров и сопутствующих элементов (например, для установки и согласования). Блок 5. Осуществляется выбор высокочастотных генераторов и их основных параметров, имитирующих реальные условия. Подается необходимый электрический сигнал, который контролируется с помощью подключенного к контуру осциллографа. Блок 6. Осуществляется выбор низкочастотных генераторов и их основных параметров, имитирующих реальные условия. Подается необходимое механическое воздействие, которое контролируется виброизмерительным прибором, подключенным к вибродатчику, установленному на платформе вибростенда. Блок 7. С помощью согласующих устройств, входящих в контур, необходимо согласовать излучающий контур на нужной частоте для получения максимально излучаемой мощности. Блок 8. Приемные (измерительные) антенны настраиваются на исследуемые частоты излучения флуктуационных контактных радиопомех, при этом также используются устройства согласования. Блок 9. С помощью селективного микровольтметра снимаются значения спектрально-энергетических характеристик флуктуационных контактных радиопомех. Блок 10. Для изменения условий эксперимента проверяется возможность изменения параметров излучающих контуров и расстояний до приемной (измерительной) антенны. Блок 11. Для изменения режима измерения проверяется возможность смены вида и формы приемной (измерительной) антенны. Блок 12. Для изменения условий эксперимента проверяется возможность изменений электрических режимов, действующих на разъемное контактное соединение. Блок 13. Для изменения условий эксперимента проверяется возможность изменений механических режимов, действующих на разъемное контактное соединение.
На основе разработанной измерительной системы анализа и построения эксплуатационных макромоделей флуктуационных контактных радиопомех была осуществлена ее практическая реализация.
Внешний вид практической реализации измерительной системы показан на рис. 4.4. На нем выделены три части измерительной системы: задающая и контролирующая механические режимы исследуемого разъемного контактного соединения; задающая и контролирующая электрические режимы разъемного контактного соединения, вместе с излучающим контуром; приемная часть, включающая измерительную антенну и селективный микровольтметр, настроенный на соответствующую частоту измерения флуктуационных контактных радиопомех.
В качестве элементов измерительной системы были использованы следующие приборы: вибростенд - вибрационный электродинамический стенда ВЭДС-100; генератор низкочастотных сигналов ГЗ-33; источник питания вибростенда - источник постоянного тока Б5-46; вибродатчик на платформе вибростенда - инерционный вибродатчик ABC 036 №81175864 с чувствительностью 1,95 мВ/g; виброизмерительный прибор - вольтметр ВЗ-13; генератор высокочастотных сигналов Г4-18А; осциллограф С1-65 А; селективный микровольтметр RPT SMV 6.1; высота приемной (измерительной) антенны 1 м (высота над полом 75 см), постоянный резистор МЛТ-1-10% ПО Ом, керамические подстроенные конденсаторы TZ03R121ER169 10-420 пФ. Также были использованы милливольтметр ВЗ-48 и мост универсальный Е7-4.
Исследованию подвергалось типовое разъемное контактное соединение в виде болтового соединения. Внешний вид исследуемой контактной пары представлен на рис. 4.5.
