Способ снижения уровня напряжений, наводимых на согласованных нагрузках коаксиального кабеля узкополосной радиочастотной помехой
Владельцы патента RU 2609151:
Федеральное государственное унитарное предприятие Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт радио (ФГУП НИИР) (RU)
Изобретение относится к области электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств, а именно к повышению устойчивости к внешним электромагнитным полям соединений, выполненных на основе коаксиального кабеля. Технический результат изобретения заключается в снижении напряжений, наводимых на согласованных нагрузках в точках подключения коаксиального кабеля внешней узкополосной радиочастотной помехой. Способ снижения уровня напряжений, наводимых на согласованных нагрузках коаксиального кабеля узкополосной радиочастотной помехой, основан на формировании одиночной петли на коаксиальном кабеле, за счет чего достигается расфазировка наводящего поля радиопомехи и уже наведенного в кабеле напряжения, и заключается в том, что определяют частоту , на которой наблюдается минимум наведенного на концах коаксиального кабеля при подключении к согласованным нагрузкам напряжения, по формуле , где
- длина кабеля в метрах, α - коэффициент укорочения длины волны в кабеле, с=3⋅108 м/с - скорость света в свободном пространстве, сравнивают ее с известной частотой узкополосной помехи
, если
, определяют радиус петли на коаксиальном кабеле по формуле
, формируют в середине коаксиального кабеля петлю рассчитанного радиуса и фиксируют ее кабельной стяжкой. 3 ил.
Изобретение относится к области электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств, а именно к повышению устойчивости к внешним узкополосным радиочастотным помехам соединений, выполненных на основе коаксиального кабеля.
Известны технические решения [1-5], реализующие способы повышения помехоустойчивости радиоэлектронных средств, основанные на использовании специальных элементов в конструкции либо в схемотехнике.
Коаксиальные кабели, используемые для соединения радиоэлектронных средств в составе радиосистем, а также внутри радиоэлектронных средств, могут эксплуатироваться в условиях наличия сильных узкополосных радиочастотных помех. Помехи формируют на нагрузках коаксиального кабеля, как правило, согласованных, наведенные напряжения, которые при значительном уровне способны вызывать недопустимые искажения передаваемых в коаксиальных кабелях полезных сигналов, нарушая их информационную целостность. В частности, это особо сильно проявляется при размещении коаксиальных кабелей вблизи радиопередающих устройств, а также в условиях ограниченности пространственного разнесения источника радиопомех и кабельных соединений.
В оговоренных случаях может наблюдаться нестабильность или невозможность функционирования радиоэлектронных средств, а также снижение показателей надежности.
Техническое решение [1] описывает способ снижения уровней наведенного в коаксиальном кабеле внешней радиочастотной помехой напряжения, основанный на использовании двойного экрана, состоящего из оплетки и ленточной обмотки. Эффект достигается за счет двойного экранирования и фактически полного разделения сигнального и наведенного помехой токов, причем первый из них протекает в оплетке, а второй - в ленточной оболочке.
Техническое решение [2] описывает способ снижения уровней наведенного в коаксиальном кабеле внешней радиочастотной помехой напряжения, основанный на применении экранированных субблоков, при котором чувствительные к внешним электромагнитным полям блоки радиоэлектронных средств вместе с кабельными соединениями размещаются в индивидуальных экранированных ячейках. Эффект достигается за счет ослабления внешнего электромагнитного поля экраном субблока.
Техническое решение [3] описывает способ, направленный на повышение допустимого уровня наведенного напряжения на нагрузках коаксиального кабеля. Он основан на использовании пассивных либо активных фильтров, установленных внутри радиоэлектронных средств. Эффект достигается за счет ослабления мешающих сигналов в критичных полосах частот за счет специально рассчитанных частотных характеристик фильтров.
Техническое решение [4] описывает способ уменьшения искажений при передаче сигналов в многопролетной кабельной линии. Данный способ характеризуется тем, что усилительные участки кабельной магистрали одинаковой длины группируются по парам. В пределах каждой пары один из участков взвешенно рассогласуют введением на его концах режимов холостого хода и короткого замыкания. Другой усилительный участок взвешенно рассогласуют введением либо режима холостого хода, либо короткого замыкания. Тем самым достигается компенсация помех отражения в пределах каждой пары, чем повышается качество передачи сигнала в кабельной магистрали.
Техническое решение [5] описывает способ подавления синфазной радиопомех, наведенных внешними электромагнитными полями в двухпроводных линиях связи. Предлагаемый способ основан на взаимокомпенсации наведенных в проводах линии помех по трансформаторному принципу с использованием управляемого усиления.
Общим недостатком перечисленных технических решений является то, что они требуют усложнения конструкции или схемотехники и повышения стоимости коаксиальных кабелей либо радиоэлектронных средств в целом за счет использования дополнительных фильтров либо элементов конструкции. Предлагаемый способ снижения уровня напряжений, наводимых на согласованных нагрузках коаксиального кабеля узкополосной радиочастотной помехой, базируется на иных принципах.
Способ применим при условии, что частота радиопомехи должна быть меньше, чем частота 
, на которой наблюдается минимум наведенного напряжения на согласованных нагрузках коаксиального кабеля при его линейной конфигурации. Способ может применяться и при наличии множества узкополосных радиопомех с различной энергетикой, тогда значение частоты выбирается на основе экспертного заключения для конкретного случая использования.
Способ основан на формировании одиночной петли на коаксиальном кабеле, за счет чего достигается расфазировка наводящего поля радиопомехи и уже наведенного в кабеле напряжения. Для пояснения механизма, лежащего в основе предлагаемого способа, рассмотрим случай синусоидальной радиочастотной помехи.
При распространении наведенного в коаксиальном кабеле сигнала от некоторой точки к его концам процесс формирования наведенного напряжения продолжается в каждой точке коаксиального кабеля. Если коаксиальный кабель имеет прямолинейную конфигурацию, то на некоторой частоте будет наблюдаться минимум наведенного напряжения. Это обусловлено достижением максимальной расфазировки наведенного напряжения и наводящего поля, в результате чего напряжение на нагрузках коаксиального кабеля достигнет минимума. Формирование позволяет сместить частоту, на которой этот минимум наблюдается, в сторону меньших значений, например на частоту узкополосной радиопомехи.
Технический результат изобретения заключается в снижении напряжений, наводимых на согласованных нагрузках в точках подключения коаксиального кабеля внешней узкополосной радиочастотной помехой. Это позволяет повысить помехоустойчивость радиоэлектронных средств, содержащих соединения на коаксиальных кабелях в условиях электромагнитной обстановки, характеризующейся наличием таких радиопомех.
Для достижения указанного технического результата в предлагаемом способе определяют частоту 
, на которой наблюдается минимум наведенного на концах коаксиального кабеля при подключении к согласованным нагрузкам напряжения, по формуле 
, где 
- длина кабеля, м, α - коэффициент укорочения длины волны в кабеле, с=3⋅108 м/с - скорость света в свободном пространстве, сопоставляют ее с известной частотой узкополосной помехи и при 
, определяют радиус петли на коаксиальном кабеле по формуле 
, формируют в середине коаксиального кабеля петлю рассчитанного радиуса и фиксируют ее кабельной стяжкой.
Предлагаемый способ измерений проиллюстрирован чертежами:
- на фиг. 1 приведен чертеж, поясняющий расчет напряжения, наведенного в коаксиальном кабеле с петлей радиочастотной помехой, на котором:
1 - точка начала отсчета координат X;
2 - точки начала (L) и конца (L+2πr) отсчета координат вдоль петли;
3 - точка начала отсчета координат (нулевая точка);
4 - плоскость расположения петли на кабеле;
5 - точки подключения радиочастотного коаксиального кабеля к согласованным нагрузкам;
6 - плоскость фронта облучающей волны;
7 - коаксиальный кабель с петлей;
8 - расположение компонентов поля в пространстве при максимальной наводке в кабеле;
- на фиг. 2 приведены графики зависимости наведенного напряжения от частоты для разных радиусов петли r для случая, когда длина кабеля Х=2 м, а удельное ослабление δ на частоте радиопомехи равно 0,9;
- на фиг. 3 приведены графики зависимости наведенного напряжения от частоты для разных радиусов петли r для случая, когда длина кабеля Х=2 м, а ослабление на частоте радиопомехи отсутствует.
Ниже обосновывается использование математических соотношений, входящих в состав формулы изобретения.
Если рассматривать небольшой участок коаксиального кабеля, то для него амплитуда напряжения на согласованной нагрузке 
будет пропорциональна его длине 
и амплитуде поля радиочастотной помехи 
, т.е. 
. В данном случае расфазировку можно не учитывать в связи с фактическим ее отсутствием из-за малого времени запаздывания. В качестве радиочастотной помехи рассматривается моногармоническое электромагнитное поле либо поле со спектральными составляющими, расположенными в полосе частот, как минимум, на порядок меньшей, чем значение 
.
Распространение электромагнитной волны в коаксиальном кабеле сопровождается затуханием с уменьшением относительной амплитуды напряжения с единичного уровня до 
, где x1 - расстояние, пройденное наведенным напряжением, x0 - нормировочная длина затухания, δ - величина, характеризующая затухание и показывающая кратность уменьшения амплитуды напряжения на нормировочной длине. Значение δ обычно задается в справочной литературе в дБ для коаксиальных кабелей конкретного типа.
В [6] показано, что напряжение, наведенное плоской монохроматической электромагнитной волной на одном из концов электрически длинного коаксиального кабеля, составляет
где ϕ0 - начальная фаза, 
- частота наводящего излучения, νk - скорость распространения электромагнитной волны в кабеле, причем 
, где с=3⋅108 м/с - скорость света в свободном пространстве, α - коэффициент укорочения длины волны в кабеле.
В целях упрощения дельнейшего анализа следует перейти от временной функции к фазовой, учитывая, что для постоянного значения x выражение 
периодически зависит от времени и принимает все возможные значения при изменении суммы 
в интервале от 0 до 2π.
Следовательно, эквивалентное (1) в смысле изменения за период сигнала радиопомехи выражение имеет вид
На основе показанного подхода получаем выражение, аналогичное (1) и предназначенное для расчета напряжения, наведенного на согласованных нагрузках коаксиального кабеля с петлей.
Рассмотрим коаксиальный кабель обозначенной формы (фиг. 1). Общая длина кабеля составляет . Путь петля на кабеле сделана на удалении L от его начала и имеет радиус r. Тогда конечная точка петли удалена от начала кабеля на расстояние L1=L+2πr при отсчете вдоль кабеля. Кабель с петлей можно разделить на три участка: первая часть - до петли, вторая часть - петлевой участок и третья часть - фрагмент после петли. Допустимость приближения круглой формы петли следует из того, что такие кабели имеют однородную структуру сечения и одинаковую упругость при деформациях. Например, линейные части кабеля лежат на прямой, расположенной в плоскости фазового фронта облучающего поля, а плоскость петли повернута относительно него на некоторый угол β.
При решении задачи будем считать, что кабель проявляет абсолютную поляризационную избирательность, т.е. напряжение наводится только аксиальной с участком коаксиального кабеля электрической составляющей электромагнитного поля радиочастотной помехи. Для первой и третьей частей кабеля, простирающихся в интервале координат от 0 до L и от L1=L+2πr до соответственно, с учетом (1) наведенные напряжения как функции времени имеют значения
При расчете вклада петли в наводимое напряжение интегрирование проводим в интервале значений x от L до L1. Фазовый фронт в соответствии с фиг. 1 достигает точек на петле позже или раньше, чем на остальных участках, по причине непараллельности плоскостей фазового фронта и петли на кабеле. Используя законы геометрии, устанавливаем, что для каждой точки петли дополнительное расстояние b, проходимое фазовым фронтом до взаимодействия на нее, составляет
Дополнительное запаздывание по фазе, связанное с поворотом плоскости петли относительно плоскости фазового фронта, составит
Введенное выше представление о поляризационной избирательности кабеля позволяет считать напряженность поля, действующего на элементарный участок петли коаксиального кабеля, пропорциональной 
. Из изложенного следует, что вклад напряжения, наведенного в петле коаксиального кабеля, в уровень помехи в точке 
составит
Для анализа уравнений (3) и (6) следует перейти от функций времени к функциям фазы, так же как это было сделано выше при переходе к прямому участку кабеля. Тогда эти уравнения примут вид
Напряжение в конечной точке коаксиального кабеля при отсутствии отраженных волн будет определяться суммой напряжений, наведенных на трех его участках, т.е. u(ϕ)=u1(ϕ)+u2(ϕ)+u3(ϕ). Функция u(ϕ) является синусоидальной, что позволяет определить амплитуду наведенного в точке напряжения так:
С использованием изложенного подхода была исследована полученная модель формирования наведенного на нагрузке коаксиального кабеля с петлей напряжения. Были установлены следующие особенности формирования наведенного в коаксиальном кабеле с петлей напряжения:
- угол поворота плоскости петли относительно плоскости фазового фронта не оказывает влияния на значения частот, на которых наблюдается минимум наведенного напряжения при использовании петель разного радиуса;
- кабель обладает наибольшим ослаблением наведенного напряжения на обеих точках подключения в случае, когда петля сформирована на середине коаксиального кабеля;
- значения частот, на которых наблюдаются минимальные наводки, слабо зависят от удельного ослабления в кабеле.
Последнее из приведенных положений поясняют фиг. 2 и 3, где приведены графики, построенные для значений δ=1 (ослабление отсутствует) и 0,9, что соответствует 0 и 0,9 дБ. Графики построены в относительных единицах (считается, что Em=1, k=1) для коаксиального кабеля длиной 2 м при расположении петли посредине кабеля при значениях r=0 (петля отсутствует), 0,05; 0,1; 0,15; 0,2; 0,25; 0,3 м.
Представленные зависимости иллюстрируют, что эффект от установки петли на коаксиальном кабеле состоит в сдвиге первого минимума наводимого напряжения в сторону минимальных частот, начиная с некоторого предельного значения. На фиг. 2 и 3 иллюстрируется эффект от сдвига минимума наводимого напряжения в сторону меньших частот за счет формирования петли. Например, для частоты 40 МГц относительный уровень наводки при отсутствии петли на кабеле составляет 1,36, в то время как при ее наличии - 0,21, что дает повышение ослабления на 16 дБ. Аналогичный эффект для частоты 75 МГц оценивается в 12 дБ. Важно также отметить, что полученные характеристики не имеют резких выбросов, что позволяет использовать полученные эмпирические формулы для определения радиуса петель на коаксиальных кабелях различной длины.
Из фиг. 2 и 3 следует, что первый минимум наведенного на нагрузках коаксиального кабеля напряжения сдвигается только в сторону меньших частот. Поэтому предложенный способ применим только в том случае, когда частота радиопомехи меньше частоты первого минимума.
Частоту первого минимума для коаксиального кабеля линейной конфигурации определяем по формуле:
Соответственно, ослабления помехи можно добиться только в случае, если 
. Значение коэффициента укорочения длины волны α определяется по марке коаксиального кабеля как справочная характеристика.
Для фиксированной длины коаксиального кабеля частота 
, на которой будет наблюдаться минимум наведенного напряжения в зависимости от r, определяется по эмпирической формуле:
Соответственно, для установления максимального ослабления на частоту радиочастотной помехи в центральной точке кабеля формируют петлю радиусом:
Использование данного способа снижает напряжения, наводимые на согласованных нагрузках в точках подключения коаксиального кабеля внешней узкополосной радиочастотной помехой, позволяет использовать коаксиальные кабели для соединения радиоэлектронных блоков без дополнительных мер повышения помехоустойчивости в условиях электромагнитной обстановки, характеризующейся наличием узкополосной радиочастотной помехи значительного уровня.
Источники информации
1. Уильямс Т. ЭМС для разработчиков продукции. - М.: Издательский дом «Технологии», 2003. - С. 414-416.
2. Уильямс Т. ЭМС для разработчиков продукции. - М.: Издательский дом «Технологии», 2003. - С. 465-467.
3. Уильямс Т. ЭМС для разработчиков продукции. - М.: Издательский дом «Технологии», 2003. - С. 427-431.
4. Авторское свидетельство №1690203 А1 (H04B 3/04) «Способ коррекции многопролетной кабельной линии связи».
5. Авторское свидетельство №1037428 А (H04B 3/30) «Устройство для подавления помех в двухпроводных линиях связи».
6. Лемешко Н.В., Захарова С.С. Оценка напряжения, наведенного в коаксиальном кабеле плоской монохроматической электромагнитной волной. - Труды НИИР, сборник научных статей. Под ред. Бутенко В.В. - М.: НИИР, 2013, №4. - С. 55-62.
Способ снижения уровня напряжений, наводимых на согласованных нагрузках коаксиального кабеля узкополосной радиочастотной помехой, заключающийся в том, что определяют частоту 
, на которой наблюдается минимум напряжения, наведенного на концах коаксиального кабеля при подключении к согласованным нагрузкам, по формуле 
, где X - длина кабеля в метрах, α - коэффициент укорочения длины волны в кабеле, с=3⋅108 м/с - скорость света в свободном пространстве, сравнивают ее с известной частотой узкополосной помехи 
и при 
определяют радиус петли на коаксиальном кабеле по формуле 
, формируют в середине коаксиального кабеля петлю рассчитанного радиуса и фиксируют ее кабельной стяжкой.
