CC BY
133
УДК 621.396.7: 621.391.827
В. С. БУДЯК
Омский научно-исследовательский институт приборостроения
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБСТАНОВКИ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ДИАПАЗОНА ДЕКАМЕТРОВЫХ ВОЛН
Проводится анализ причин снижения показателей электромагнитной совместимости радиотехнических комплексов (РтК) диапазона декаметровых волн (ДкмВ) при оснащении радиоприемных центров из состава РтК средствами оперативного мониторинга гелио-, геофизических условий (ГфУ) распространения сигналов на ионосферных радиотрассах. Рассмотрены два варианта реализации ионозондов, обеспечивающие при их непосредственной работе в составе РтК снижение напряженности электромагнитной обстановки. Ключевые слова: радиотехнический комплекс, электромагнитная обстановка, эквивалентный одноканальный ЛЧМ-ионозонд, многоканальный ионозод.
Учет результатов оперативной оценки помехо-вой обстановки и оперативного мониторинга ГфУ распространения сигналов на ионосферных радиотрассах различной протяженности, полученных при непосредственной работе технических средств мониторинга (ионозондов) в составе РтК диапазона ДкмВ (систем радиосвязи, океанографических радаров, систем загоризонтной радиолокации), обеспечивает существенное повышение надежности функционирования РтК [1—3].
Однако работа ионозонда в составе радиоприемного центра (РпЦ) РтК (как источника непреднамеренных электромагнитных помех — НЭмП с мощностью сигнала на выходе радиопередатчика Рт < 40 кВт) приводит к резкому увеличению напряженности электромагнитной обстановки (ЭмО) РпЦ и фактически к полному блокированию штатной работы РтК в моменты излучения зондирующих сигналов [1, 4, 5].
Цель работы — разработка методов снижения напряженности ЭмО радиоприемных центров радиотехнических комплексов диапазона ДкмВ при воздействии непреднамеренных электромагнитных помех (НЭмП) от радиопередатчиков ионозондов при их непосредственной работе в составе РтК.
По методике, изложенной в [3, 6], была проведена оценка ЭмО РтК радиосвязи диапазона ДкмВ, содержащего в своем составе ионозонд с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ-ионозонд) с мощностью сигнала на выходе радиопередатчика ЛЧМ-ионозонда Рт < 10 Вт. Результаты оценки показали, что для одновременной работаы ЛЧМ-ионозонда в штатном режиме и радиоприемных устройств (РпУ) из состава РпЦ необходимо разнесение на местности передающей антенны ЛЧМ-ионозонда (как источника НЭмП) и антенн РпЦ на расстояние г > 45 км. Такое расстояние разнесения
пом 1 1
технических средств РтК значительно превышает возможности внутриузловой связи комплекса, составляющего для равнинного рельефа местности величину (5...9) км [6]. Кроме того, при таких мощностях Рт радиопередатчика ЛЧМ-ионозонда функционирование средств оперативного мониторинга
в режиме возвратно-наклонного зондирования на ионосферных радиотрассах протяженностью > (1,5.3,5) Мм характеризуется низкой результативностью, обусловленной низким отношением «сигнал / шум + помеха» на входе РпУ ЛЧМ-ионозонда. Попытка повысить результативность оперативного мониторинга ГфУ в режиме возвратно-наклонного зондирования путем увеличения мощности излучаемого ЛЧМ-сигнала и (или) увеличения длительности интервала зондирования [1] приводит к ещё большему возрастанию напряженности ЭмО РпЦ радиотехнических комплексов вследствие:
— существенного увеличения относительного уровня гармонических составляющих ЛЧМ-сигнала (второй и особенно третьей гармонических составляющих) на выходе усилителя мощности тракта передачи ЛЧМ-ионозонда (при увеличении мощности ЛЧМ-сигнала от РТ < 10 Вт до РТ = (200.1000) Вт уровень третьей гармонической составляющей на выходе усилителя мощности изменяется от величины минус 45 дБ до величины минус (15.13) дБ соответственно [3]);
— более высокого значения коэффициента полезного действия приемных и передающих антенн диапазонов гектометровых волн (2,0.3,0) МГц и ДкмВ на частотах второй и особенно третьей гармонических составляющих излучаемого ЛЧМ-сигнала, что приводит к пропорциональному увеличению уровней НЭмП на входах РпУ из состава РпЦ и вследствие этого к снижению реальной чувствительности РпУ (РпУ ЛЧМ-ионозонда — в том числе);
— увеличения длительности сеанса излучения зондирующего ЛЧМ-сигнала (для диапазона рабочих частот ЛЧМ-ионозонда (2,0.30,0) МГц) до 24-х минут при скорости изменения частоты 20 кГц/с, и до 47 минут при скорости изменения частоты 10 кГц/с.
Перспективным направлением разработки, обеспечивающим повышение технико-экономических показателей РтК, является распараллеливание процессов обработки сигналов как на физическом, так и на программном уровнях [7, 8]. Возможность
использования этого направления для решения поставленной задачи следует из анализа стандартного алгоритма обработки отраженного от ионосферы ЛЧМ-сигнала (блоки подпрограмм «Ввод данных» и «БПФ» в РпУ) из состава пакета прикладных программ ЛЧМ-ионозонда [1]. Поступающий в РпУ ЛЧМ-сигнал преобразуется в низкочастотный сигнал разностной частоты, который затем оцифровывается и разбивается на примыкающие п элементов (п > 512) длительностью ТЭ каждый (ТЭ << Т£; Т£ — длительность зондирующего ЛЧМ-сигнала). Отсчеты сигнала каждого из элементов длительностью ТЭ (по мере их поступления) обрабатываются в процессорном модуле с учетом того, что средняя (рабочая) частота сигнала в пределах каждого из п элементов длительностью ТЭ меняется по линейному закону [1, 2, 9].
Первый вариант модернизации стандартного ЛЧМ-ионозонда [1, 9] предполагает разбиение непрерывного зондирующего ЛЧМ-сигнала длительностью Т£ на М примыкающих интервалов времени длительностью Т1 = (Т£/М) каждый, одновременное (параллельное) излучение всех М парциальных элементов зондирующего ЛЧМ-сигнала на интервале времени Т1 < ТЕ в соответствующем поддиапазоне рабочих частот Д^ = ММ = (АБ/М) МГц; {ДБ = 1 —1: , [МГц] 1: ; 1 — минималь-
1 4 макс мин 1 и мин макс
ное и максимальное значения рабочих частот ЛЧМ-ионозонда} и одновременный прием на интервале времени Т1<ТЕ отраженных от ионосферы М парциальных независимых элементов ЛЧМ-сигнала с помощью М-канального РпУ ионозонда. Такое построение ионозонда обеспечивает уменьшение в (ТЕ/Т1) раз времени зондирования по сравнению с эквивалентным одноканальным ионозондом и, следовательно, снижение напряженности ЭмО РтК. При этом в каждом из М парциальных параллельно работающих каналов РпУ ионозонда, так же, как и в одноканальном эквивалентном ЛЧМ-ионозонде, осуществляется разбиение элемента поступившего сигнала длительностью Т1 на примыкающие п интервалов длительностью ТЭ (ТЭ << Т1) с последующей цифровой обработкой, определяемой пакетом прикладных программ многоканального (М-канального) РпУ ионозонда [1, 8, 9]. Выбор значения М (с учетом диапазона рабочих частот, значения минимальной частоты первого поддиапазона ионозонда, и т.д.) обеспечивает снижения уровней вторых и третьих гармонических составляющих излучаемых парциальных ЛЧМ-сигналов, что также способствует снижению напряженности ЭмО РтК.
Рассмотрим особенности реализации
М-канального ионозонда.
На рис. 1 приведена функциональная схема ионозонда, где обозначено: 1 — тракт передачи; 2 — тракт приема; 3 — контроллер; 4 — автоматизированное рабочее место оператора (на основе ПЭВМ); 5 — блок синхронизации [1, 9].
Тракт передачи 1 содержит последовательно соединенные блок управления и формирования 6; усилитель мощности 7; согласующее устройство (СУ) 8; передающую антенну 9. Тракт приема 2 содержит последовательно соединенные приемную антенну 10 и радиоприемное устройство отраженного от ионосферы сигнала 11. На рис. 2 показана функциональная схема варианта построения согласующего устройства 8 из состава тракта передачи М-канального ионозонда, где обозначено: 121, ... , 12М — М полосно-пропускающих фильтров — ПпФ
№
Рис. 1. Функциональная схема ионозонда
Рис. 2. Функциональная схема варианта согласующего устройства
(постселекторов); 13, 14 — первый и второй компенсирующие двухполюсники; 15 — мостовой сумматор.
В предлагаемом устройстве ЛЧМ-синтезатор из состава блока управления и формирования, усилитель мощности и высокочастотный тракт из состава РпУ тракта приема выполнены М-канальными (М > 3). Выходы парциальных каналов ЛЧМ-синтезатора через М входов-выходов независимых каналов усилителя мощности соединены с соответствующими М входами СУ. Каждый из входов СУ является входом одного из М ПпФ с фиксированным значением полосы пропускания, объединенных по выходам в две группы, при этом каждая группа ПпФ объединяет полосовые фильтры с несмежными полосами пропускания [10, 11].
Величина М определяется из условия подавления третьих гармонических составляющих в суммарном сигнале тракта передачи ЛЧМ-ионозонда. Для значения коэффициента перекрытия по частоте первого варианта М-канального ионозонда к_ = (1 Л ) = 15 (диапазон рабочих частот
Б у макс мин ' ^
1 =2,0 МГц; 31 =6,0 МГц; 1 = 30,0 МГц)
мин мин макс
и реализации в каждом из парциальных каналов линейного закона частотной модуляции с определенным значением скорости изменения частоты Б' парциальных зондирующих сигналов величина М принимает значение М > 7. Минимальное количество элементов в схемах компенсирующих
двухполюсников и мостового сумматора из состава СУ получается при четном значении М [10, 11]. С учетом этого примем М = 8, что для принятого диапазона рабочих частот обеспечивает значения частотных полос первого Д^ и последующих парциальных поддиапазонов М-канального ионозонда значение 1 =3,5 МГц. Такое разбиение диапазона рабочих частот М-канального ионозонда обеспечит гарантированную фильтрацию гармонических составляющих каждого из восьми парциальных элементов излучаемого зондирующего сигнала.
Относительный уровень третьих гармонических составляющих парциальных сигналов на выходе СУ тракта передачи из состава ионозонда (при равенстве мощностей сигналов на выходах парциальных трактов усиления и норме подавления уровня третьей и последующих гармонических составляющих на выходе парциальных трактов усиления радиопередающих устройств > минус 70 дБ [3]) не превысит значения минус 88 дБ. Такое значение ослабления третьих гармонических составляющих парциальных сигналов может быть достигнуто реализацией ПпФ не выше шестого порядка. Следует добавить, что увеличение отношения «сигнал/ помеха» в нижней части диапазона рабочих частот ионозонда может быть достигнуто вариацией мощностей сигналов на выходах усилителей парциальных поддиапазонов с учетом значений коэффициентов полезного действия передающей и приемной антенн ионозонда.
Дополнительное снижение напряженности ЭмО при использовании предлагаемого ионозонда в составе РтК достигается за счет бланкирования (существенного уменьшения мощности) излучаемых парциальных ЛЧМ-сигналов на выходе тракта передачи:
— для значений рабочих частот основных каналов приема РпУ из состава РпЦ;
— для значений запрещенных по международным соглашениям частот бедствия и служб безопасности, стандартов частоты и службы единого времени, радиоастрономической службы и т.д. [12].
Бланкирование (существенное уменьшение в парциальном канале усиления уровней ЛЧМ-сигналов до величины минус 160 дБ относительно номинальных значений [3]) при достижении значений бланкируемых частот в каждом из парциальных каналов производится плавно (передний и задний фронты бланкирующего импульса изменяются по синусоидальному закону). Это обеспечивает минимизацию помех переходного процесса бланкирования и незначительное влияние процесса бланкирования на характеристики ионозонда. Значения запрещенных по международным соглашениям частот, значения рабочих частот основных
каналов приема РпУ из состава РпЦ и время их использования согласно долговременного графика работы РпЦ, вводятся в ПЭВМ автоматизированного рабочего места оператором перед началом работы при составлении графика работы РтК.
Результаты оценки ЭМО РтК при использовании предлагаемого многоканального ионозонда показали, что необходимое расстояние разнесения на местности между антеннами ионозонда и антеннами РпЦ принимает значение г > 0,5 км.
1 ^ пом
Второй вариант модернизации М-канального ионозонда может быть реализован разбиением диапазона рабочих частот по принципу «равных парциальных коэффициентов перекрытия по частоте
к„„».
1М
Этот вариант обеспечивает значительное повышение технико-экономических показателей многоканального ионозонда по сравнению с рассмотренным выше вариантом. Значение к(М для такого разбиения диапазона рабочих частот ионозонда определяется выражением:
к = 10
{ м 1 ^
[ (1д кг ) / М ]
(1)
где к = 1 ^ ); М — количество парциальных ка-
^ у макс мин' 1 ^
налов (М > 3).
Следует отметить, что для данного варианта разбиения в СУ минимизируется отклонение выходных сопротивлений каждой из групп ПпФ, что обеспечивает в диапазоне рабочих частот отклонение выходных сопротивлений каждой из групп фильтров в пределах (± 5) % от величины заданного значения сопротивления. Это гарантирует минимальные энергетические потери парциальных зондирующих сигналов [11].
Лля исходных данных: * = 2,0 МГц:
1мин '
£шс = 30,0 МГц; к р = 15; М е (3...8) в табл. 1 приведены значения к(М и соответствующие им значения граничных частот парциальных частотных поддиапазонов {11; 12; 1м_2; {м-1>.
В качестве примера на рис. 3а для значения М = 4 показаны графики изменения частот в поддиапазонах излучаемых парциальных сигналов многоканального ионозонда. На рис. 3б показан график изменения частоты зондирующего сигнала эквивалентного одноканального ионозонда при условии равенства частот в узлах сопряжения, обозначенных на рисунке цифрами {1, 2, 3}, и соответствующие координаты положения этих узлов сопряжения на графике на оси времени 1; {Т1, Т2 = 2Т1, Т3 =3Т1}. Для случая М = 4 величина ТЕ эквивалентного интервала времени излучения зондирующего сигнала, определяющего его эффективность, принимает значение ТЕ =4Т1.
Таблица 1
М к Г М 1 1 , МГц 1 2 , МГц 1 м - 2 , МГц 1 м - , , МГц
3 2,466 4,932 - - 12,162
4 1,968 3,936 7,746 - 15,244
5 1,718 3,436 5,903 10,141 17,423
6 1,570 3,140 4,929 12,163 19,077
7 1,472 2,944 4,333 13,822 21,345
8 1,402 2,804 3,931 15,188 21,294
fr
а)
б)
Рис. 3. Графики изменения частот зондирующих сигналов многоканального а) и эквивалентного одноканального б) ионозондов
Длительность интервала излучения Т < ТЕ зондирующего сигнала многоканального ионозонда определяется выражением:
Т = Af
1 макс
/F',
(2)
где Af =(f —f., ,); F' — максимальная ско-
макс v макс М—1 ' макс
рость изменения частоты ЛЧМ-сигнала на интервале времени t е (ТМ-1 ... ТЕ ) излучения эквивалентного одноканального ионозонда.
Значение F' может быть выбрано из стан-
макс
дартного ряда скоростей изменения частоты F'^ е {50 кГц/сек; 100 кГц/сек; ... }.
Ломаная кривая, представленная на рис. 3б, в узлах сопряжения достаточно точно совпадает с нормированным графиком квадратичного закона изменения частоты зондирующего сигнала — КЧМ-сигналом [13] для случая равенства исходных частот f и f . При этом погрешность расхождения зна-
мин макс L L L
чений частот КЧМ-сигнала и аппроксимирующей ломаной кривой, изображенной на рис. 3б, в узлах сопряжения не превышает 20 %. Характеристики зондирующего КЧМ-сигнала рассмотрены в [13, 14], где показано, что функция неопределенности КЧМ-сигнала приближается к идеальной («кнопочной» [14]) функции неопределенности с минимальным уровнем боковых лепестков. Зондирующие сигналы, характеризующиеся такой функцией неопределенности, обеспечивают при прочих равных условиях предельно достижимую разрешающую способность по дальности (и, соответственно, по времени) [13, с. 93].
Заключение
1. Включение в состав РтК диапазона ДкмВ технических средств оперативного мониторинга ГфУ распространения сигналов на ионосферных радиотрассах (ионозондов) обусловливает необходимость разнесения на местности передающей антенны ЛЧМ-ионозонда (как источника НЭмП) и антенн РпЦ на расстояние г > 45 км.
1 1 пом
2. Рассмотрены два варианта построения ио-нозондов, обеспечивающих при мощностях излучаемого зондирующего сигнала РТ= (200.1000) Вт подавление уровней третьих (наиболее опасных)
гармоник излучаемых парциальных зондирующих сигналов до значений минус 88 дБ и более относительно пикового уровня выходного сигнала тракта передачи ионозонда.
3. Использование бланкирования запрещенных частот обеспечивает выполнение условий электромагнитной совместимости технических средств РпЦ и многоканального ионозонда при разнесении на местности передающей антенны ионозонда и приемных антенн РпЦ на расстояние г > 0,5 км.
пом
Библиографический список
1. Иванов, В. А. Основы радиотехнических систем ДКМ диапазона / В. А. Иванов, Н. В. Рябова, В. В. Шумаев ; под ред. В. А. Иванова. Йошкар-Ола : Мар ГТУ, 1998. - 204 с.
2. Рябова, Н. В. Исследование надежности декаметровых систем связи на трассах протяженностью 2,6 — 5,7 Мм на основе данных панорамного зондирования ионосферных радиолиний : в 3 т. / Н. В. Рябова, М. И. Бастракова, А. В. Мальцев // Радиолокация. Навигация. Связь : сб. докл. XIII Междунар. на-уч.-технич. конф. «RLNC 2007», 17 — 19 апреля 2007 г. — Воронеж : НПФ «Саквоее» ООО, 2007. — Т. 2. — С. 1187 — 1196. — ISBN 978 — 5 — 9900659 — 2 — 5.
3. Березовский, В. А. Современная декаметровая радиосвязь: оборудование, системы и комплексы / В. А. Березовский, И. В. Дулькейт, О. К. Савицкий. — М. : Радиотехника, 2011. — 444 с.
4. Пат. 132 285 РФ, МПК H 04 B 7/00 (2006.01). Многоцелевой автоматизированный приемопередающий узел радиосвязи // Шадрин Б. Г., Будяк В. С. ; заявитель и патентообладатель ОАО «Омский научно-исследовательский институт приборостроения». № 2013 107518/07 ; заявл. 20. 02. 2013 ; опубл. 10.09.2013, Бюл. № 25. — 2 с.
5. Будяк, В. С. Практические аспекты разработки автоматизированных модульных узлов радиосвязи : в 3 т. / В. С. Будяк, Б. Г. Шадрин // Радиолокация. Навигация. Связь : сб. докл. XX Междунар. науч.-технич. конф. «RLNC 2014», 15 — 17 апреля 2014 г. — Воронеж : ИНПФ «Саквоее» ООО, 2014. — Т. 3. — С. 2044 — 2050. ISBN 978 — 5 — 904259 — 22 — 8.
6. Будяк, В. С. Электромагнитная обстановки автоматизированных модульных узлов радиосвязи / В. С. Будяк, Д. В. Сидоров, Т. Б. Клименко // Омский научный вестник.
Сер. Приборы, машины и технологии. — 2014. — № 1 (127). — С. 201 205. - ISSN 1813-8225.
7. Челышев, В. Д. «Умное радио» парадигмы структуризации физического уровня / В. Д. Челышев // Радиотехника, электроника и связь : сб. докл. Междунар. науч.-технич. конф. «РЭиС 2011», 5-8 июля 2011 г. - Омск : Радиотехника, 2011. С. 46-53. - ISBN 978 5-88070-297-8.
8. Зубков, М. П. Применение программно-аппаратной архитектуры параллельных вычислений CUDA для решения задач цифровой обработки сигналов / М. П. Зубков, C. Ю. Лобачева // Техника радиосвязи : науч.-техн. сб. -Омск : ОНИИП, 2013. - Вып. 2 (20). - С. 47-53. ISSN 2075-8963.
9. Иванов, В. А. Зондирование ионосферы и декаметро-вых каналов связи сложными радиосигналами / В. А. Иванов, Д. В. Иванов, Н. В. Рябова // Вестник МарГТУ, 2010. № 1. -С. 3-37. - ISSN 1997-4655.
10. Алексеев, О. В. Многоканальные частотно-разделительные устройства и их применение / О. В. Алексеев, Г. А. Грошев, Г. Г. Чавка. М. : Радио и связь, 1981. 136 с.
11. Зиновьев, А. Г. Расчет многоканальных частотно-разделительных устройств фильтрового типа / А. Г. Зиновьев // Техника средств связи. Сер. Техника радиосвязи. М. : ЦООНТИ «ЭКОС», 1986. - Вып. 6. - С. 49 55.
12. Свешников, Ю. К. Общие принципы построения сети ЛЧМ зондов / Ю. К. Свешников // Техника радиосвязи. -Омск : ОНИИП, 2004. - Вып. 9. - С. 61-68. ISSN 2075-8963.
13. Варакин, Л. Е. Теория сложных сигналов / Л. Е. Вара-кин. - М. : Советское радио, 1970. 376 с.
14. Кук, Ч. Радиолокационные сигналы / Ч. Кук, М. Берн-фельд ; пер. с англ. под ред. В. С. Кельзона. - М. : Советское радио, 1971. 568 с.
БУДЯК Владимир Серафимович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник. Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 15.12.2014 г. © В. С. Будяк
удк 6213966622 д. А. БОРЕЙКО
Омский государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИНДУКТИВНОСТЕЙ В ВИДЕ 3D П-ОБРАЗНОЙ СПИРАЛИ С РАЗЛИЧНЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ПЕРЕКРЫТИЯ ВИТКОВ
Рассмотрены вопросы построения многослойных интегральных катушек индуктивности. Проведен сравнительный анализ конструкций индуктивностей в виде 3D П-образной спирали с различным коэффициентом перекрытия витков и определена конструкция с сочетанием высоких электрических характеристик и минимальных габаритных размеров. Указана область возможного применения данной конструкции. Обозначено направление для дальнейших исследований в обозначенной области.
Ключевые слова: интегрированные элементы, многослойные индуктивности, электромагнитное моделирование, добротность.
В современных условиях существует необходимость освоения СВЧ-диапазона, при этом перспективным является направление, основанное на использовании многослойных интегральных структур [1]. При проектировании частотно зависимых многослойных интегральных устройств особое внимание уделяется индуктивностям, так как они имеют крайне низкие значения добротности по сравнению с другими элементами.
Стоит отметить, что существует большое количество конструкций многослойных интегральных индуктивностей, что ставит сложную задачу по выбору той конструкции, которая будет иметь высокие электрические характеристики при минимальных габаритных размерах.
В литературе описано большое количество конструкций многослойных интегральных катушек индуктивности, а также указаны те конструктивные параметры, которые влияют на электрические ха-
рактеристики [2, 3]. Однако эти зависимости даны неявно и не могут служить основой для осуществления выбора топологии слоев.
В связи с этим ранее нами был проведен анализ конструкций многослойных интегральных индук-тивностей [4, 5], в ходе которого в расчет бралась ширина проводника, внутренний диаметр, а также учитывалось влияние выборки во внешнем заземленном экране. По результатам исследования лучшим сочетанием электрических и конструктивных параметров обладает индуктивность в виде сужающейся 3Б П-образной спирали.
Однако для указанной конструкции остается не изученным влияние на электрические характеристики такого показателя, как степень перекрытия витков на разных слоях. Данный показатель сказывается на количестве слоев и на занимаемой площади, что обусловливает его значимость для обеспечения высокого уровня интеграции.
