Технологии ЭМС

ISSN 1729-2670
1
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
Технологии электромагнитной совместимости
Technologies of electrom agnetic com patibility
2018. № 1(64).
УЧРЕДИТЕЛЬ ЖУРНАЛА:
ООО «Издательский Дом «ТЕХНОЛОГИИ».
Зарегистрирован в Министерстве Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и средств
массовых коммуникаций. Регистрационное свидетельство ПИ № 77-9669 от 24 августа 2001 года
Оформить подписку можно
по объединенному каталогу «Пресса России»:
10362 — полугодовой индекс;
в издательстве (предпочтительно) (8-985-134-4367).
Главный редактор журнала,
председатель редакционного совета
КЕЧИЕВ ЛЕОНИД НИКОЛАЕВИЧ, д.т.н., проф.
Зам. главного редактора журнала
БАЛЮК НИКОЛАЙ ВАСИЛЬЕВИЧ, д.т.н., проф.
ФАЙЗРАХМАНОВ НИКОЛАЙ ИСХАКОВИЧ,
Редакционный совет:
БУТИН ВАЛЕНТИН ИВАНОВИЧ, д.т.н., проф.
ВОРШЕВСКИЙ АЛЕКСАНДР АЛЕКСЕЕВИЧ, д.т.н., проф.
КИРИЛЛОВ ВЛАДИМИР ЮРЬЕВИЧ, д.т.н., проф.
КОСТРОМИНОВ АЛЕКСАНДР МИХАЙЛОВИЧ,
д.т.н., проф.
КРИВОВ АНАТОЛИЙ СЕРГЕЕВИЧ, д.т.н., проф.
МЫРОВА ЛЮДМИЛА ОШЕРОВНА, д.т.н., проф.
НЕФЕДОВ ВИКТОР ИВАНОВИЧ, д.т.н., проф.
НИКИТИНА ВАЛЕНТИНА НИКОЛАЕВНА, д.мед.н., проф.
НИКИФОРОВ ВЛАДИМИР ВАСИЛЬЕВИЧ, к.т.н.
НИКОЛАЕВ ПАВЕЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ, д.т.н.
ПОЖИДАЕВ ЕВГЕНИЙ ДМИТРИЕВИЧ, д.т.н., проф.
САРЫЛОВ ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ, к.т.н.
САХАРОВ КОНСТАНТИН ЮРЬЕВИЧ, д.т.н., с.н.с.
СУХОРУКОВ СЕРГЕЙ АРСЕНЬЕВИЧ, к.т.н., доцент
ТУХАС ВЯЧЕСЛАВ АНАТОЛЬЕВИЧ, д.т.н., проф.
ФОМИНИЧ ЭДУАРД НИКОЛАЕВИЧ, д.т.н., проф.
ЧЕРМОШЕНЦЕВ СЕРГЕЙ ФЕДОРОВИЧ, д.т.н., проф.
ИЗДАТЕЛЬ ЖУРНАЛА:
ООО «Издательский Дом «ТЕХНОЛОГИИ».
РЕДАКЦИЯ ЖУРНАЛА:
НОЧУ «Новая Инженерная Школа»
Главный редактор СТАСЬ Андрей Константинович
Исполнительный директор
Леонтьева Анна Анатольевна
127273, Москва, Березовая аллея, д. 5А, стр. 5.
ООО «Издательский Дом «ТЕХНОЛОГИИ»
Редакция: тел. +7-985-134-4367,
e-mail: [email protected].
Статьи рецензируются. Статьи опубликованы в авторской редакции. Мнение членов редакционного
совета может не совпадать с точкой зрения авторов
публикаций. Перепечатка материалов допускается
только с письменного разрешения редакции. Рукописи не возвращаются.
Подписано к печати 1.03.2018
emc-journal.ru
ISSN 1729-2670
Журнал включен в перечень ведущих журналов и изданий Высшей
аттестационной комиссии (ВАК).
Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных
ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся
изданиям «Ulrich's Periodicals Directory».
Журнал входит в РИНЦ.
Содержание
Переломов В.Н. Эффективность применения
современных помехоустойчивых средств тропосферной связи ………………………………..
Переломов В.Н., Мырова Л.О.,Попов И.С.,
Мусаелян С.А. Повышение аппаратной надежности и энергетического потенциала перспективных помехоустойчивых тропосферных линий связи ……………………….
Городецкий Б.Н., Кучин Н.Л. Оценка радиационно-наведенных помехонесущих электромагнитных полей в экранированных объемах...
Бутин В.И., Кундышев П.Я. Исследование
экранирующих свойств корпусов РЭА и наведенных токов в типовых проводных соединениях при воздействии СВЧ излучений………...
Маслаков П.А., Швецов А.В., Пилков А.В.,
Акимова М.С. Исследование помехоустойчивости канала радиосвязи с четырехпозиционной фазовой модуляцией при передаче разных
типов данных …………………………………
Коркинец В.О., Пожидаев Е.Д., Саенко В.С.
Радиационное заряжение композитных пленок
полиэтилена низкой плотности, обладающих
контролируемой темновой проводимостью…..
3
10
20
32
44
54
2
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
Technologies of electromagnetic compatibility
2018. № 1(64).
Founder of the magazine:
LLC «Publishing house «Тechnology».
Registered in the Ministry of the Russian Federation for
Press, Broadcasting and Mass Communications. Registration certificate ПИ № 77-9669 of 24 August 2001.
You can subscribe «Press of Russia» on the general
catalog: 10362 − a semi-annual index;
publishing (preferably) (+7-985-134-4367).
ISSN 1729-2670
Editor in Chief,
Chairman of Editorial Board
Contents
KECHIEV LEONID NIKOLАEVICH, d.t.s., prof. (Moscow)
Deputy chief editor
BАLYUK NIKOLАJ VАSIL'EVICH, d.t.s., prof. (Moscow)
FАJZRАKHMАNOV NIKOLАJ ISKHАKOVICH (Moscow).
Editorial Board:
BUTIN VАLENTIN IVАNOVICH, d.t.s., prof. (Moscow)
VORSHEVSKIJ АLEKSАNDR АLEKSEEVICH, d.t.s., prof. (St.
Petersburg).
KIRILLOV VLАDIMIR YUR'EVICH, d.t.s., prof. (Moscow)
KOSTROMINOV АLEKSАNDR MIKHАJLOVICH,
d.t.s., prof. (St. Petersburg).
KRIVOV АNАTOLIJ SERGEEVICH, d.t.s., prof. (Moscow)
MYROVА LYUDMILА OSHEROVNА, d.t.s., prof. (Moscow)
NEFEDOV VIKTOR IVАNOVICH, d.t.s., prof. (Moscow)
NIKITINА VАLENTINА NIKOLАEVNА, d.med.s., prof. (St.
Petersburg)
NIKIFOROV VLАDIMIR VАSIL'EVICH, Ph.d., (Moscow)
NIKOLAEV PAVEL ALEKSANDROVICH, d.t.s. (Tol'iatti)
POZHIDАEV EVGENIJ DMITRIEVICH, d.t.s., prof. (Moscow)
SАRYLOV VLАDIMIR NIKOLАEVICH, Ph.d. (Moscow)
SАKHАROV KONSTАNTIN YUR'EVICH, d.t.s., (Moscow).
SUKHORUKOV SERGEJ АRSEN'EVICH, Ph.d., (Kalyga)t
TUKHАS VYACHESLАV АNАTOL'EVICH, d.t.s., prof.
(Petrozavodsk).
FOMINICH EDUАRD NIKOLАEVICH, d.t.s., prof.
( St. Petersburg)
CHERMOSHENTSEV SERGEJ FEDOROVICH, d.t.s., prof.
(Kazan)
Publisher: LLC «Publishing house «Technology».
Editorial Board: «New School of Engineering»
Chief editor: Stas Andrew K.
Executive Director: Leontiev Anna A.
127273, Moscow, Berezovaia alleia, d. 5А, str. 5.
LLC «Publishing house «Technology».
EDITORIAL: +7-985-134-4367,
e-mail: [email protected].
.
The articles are reviewed. Articles published in the original
edition. The opinion of the members of the Editorial Board
may not reflect the views of the authors of publications.
Reprinting of materials is possible only with the written
permission of the publisher. Manuscripts will not be returned.
Signed to print 1.03.2018
ISSN 1729-2670
emc-journal.ru
The magazine is included in the list of leading journals and publications of the Higher Attestation Commission (HAC).
The journal is included in the Abstract Journal of VINITI data and
databases. For information about the journal are published annually
in the international reference system for periodicals and series «Ulrich's Periodicals Directory».
The magazine is included in Science Index
Perelomov V.N. The effectiveness of modern
noise-resistant means of tropospheric communication………………………………………………..
Perelomov V.N., Myrova L.O., Popov I.C.,
Musaelyan S.A. Improving hardware reliability
and energy potential of promising tropospheric
communications station with high noise immunity………………………………………………….
Gorodetskiy B.N., Kuchin N.L. The Estimate of
The Radiation Induced Interference Providing
Electromagnetic Fields in the Screened Volume………………………………………………..
Butin V.I., Kundyshev P.Ya. Study of shielding
properties of electronics box and induced currents
in typical wires under microwave illumination ….
Maslakov P.A., Shvetsov A.V., Pilkov A.V.,
Akimova M.S. Researching of noise immunity of
the radio communication channel with fourposition phase modulation in the transmission of
different types of data……………………………
Korkinets V.O., Pozhidaev E.D., Saenko V.S.
Computer simulations for radiation electrization of
polymer composite materials having controlled
electrical conductivity…………………………….
3
10
20
32
44
54
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
3
УДК 621.396.43
В.Н. Переломов
Эффективность применения современных
помехоустойчивых средств тропосферной связи
Проведен анализ организации связи в труднодоступных и/или малонаселенных районах, где строительство проводных линий технически сложно или
экономически нецелесообразно.
Обосновано, что в настоящее время, несмотря на широкое (и все более
растущее) применение спутниковых средств в сетях и системах связи и развитие проводных сетей, существуют области эффективного применения тропосферной загоризонтной связи для использования как в сетях специального, так и
коммерческого назначения, в частности:
• в сетях специального назначения преимуществом тропосферных средств перед спутниковыми является более высокая живучесть в условиях вооруженных конфликтов и/или антитеррористических мероприятий;
• в коммерческих сетях применение тропосферных средств в некоторых случаях может быть экономически целесообразнее, чем применение спутниковых;
• использование тропосферных станций возможно также при развертывании
линий связи в высоких северных широтах, где применение спутниковой связи
через геостационарные спутники принципиально невозможно. За счет большей протяженности интервалов линии загоризонтной связи имеют преимущество перед линиями прямой видимости при организации связи труднодоступных, горных и малонаселенных районах.
В данной статье отмечается возобновление интереса к системам тропосферной связи, освобождающей от необходимости использовать в ряде случаев дефицитные спутниковые каналы.
Кроме того, в статье оценивается возможность эффективного, с экономической точки зрения, применения современных станций тропосферной (загоризонтной) связи.
Ключевые слова: радиорелейная и тропосферная связь, скорость передачи, эффект рассеяния,
пропускная способность, эффективность, спутниковый канал, живучесть
1. Актуальность проблемы
Тропосферная связь используется сегодня в качестве альтернативы спутникам в труднодоступных регионах. Пионерами в этом направлении были специалисты из США, Британии и СССР. Ученые выяснили, что, поскольку тропосфера является турбулентной и имеет высокую долю влаги, радиосигналы тропосферного рассеяния преломляются и, следовательно, принимающая антенна собирает лишь небольшую часть радиоресурсов. Практическим путем установлено, что частоты передачи
в районе 2 ГГц лучше всего подходят для систем тропосферного рассеяния, так как на этой частоте
длина волны сигнала хорошо взаимодействует с влажными, турбулентными участками верхней части
атмосферы, улучшая соотношение «сигнал/шум».
На современном этапе развития средств связи военного назначения определённое место также
занимают системы загоризонтной связи, потому что для организации связи в труднодоступных и/или
малонаселенных районах, где строительство проводных линий технически сложно или экономически
нецелесообразно.
Сегодня передачу сигналов на дальние расстояния доверили спутникам. Радиорелейная связь
применяется на дистанциях до 40−50 км. Тропосферные коммуникации заняли промежуточную позицию. Типичные расстояния между станциями составляют 50−250 км, хотя могут быть достигнуты
гораздо большие расстояния в зависимости от климата, местности и требуемой скорости передачи
данных. Например, в цепи станций между Окинавой (Япония) и Гавайями (США), протянувшейся
через Тихий океан, среднее расстояние составляет 1000 миль, а на отдельных участках превышает
4
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
ISSN 1729-2670
1300 миль. Советская линия связи «Север» имела рекордную общую протяженность 13200 км. На отдельных участках разрыв между приемником и передатчиком составлял 450 км. [2, 3]
Этот вид радиосвязи является довольно безопасным способом распространения информации.
Перехват сигналов чрезвычайно затруднителен, что делает технологию очень привлекательной для
военных. Из-за характера турбулентности в тропосфере для обеспечения надежности 99,98% связистами использовались пути распространения с четырехкратным разнесением сигналов. Системы с
четырьмя пространственными и поляризационными разнесениями требовали двух отдельных антенн
(расставленных в нескольких метрах друг от друга) и двух по разному поляризованных излучающих
устройств: одно – с вертикальной поляризацией, второе – с горизонтальной. Это гарантировало, что
хотя бы один канал сигнала будет открыт в любой момент времени. Сигналы от четырех разных
направлений были рекомбинированы в приемнике, где фазовый корректор удалял разности фаз каждого сигнала. Они были вызваны различной длиной пути каждого сигнала от передатчика к приемнику. После коррекции фазы четыре сигнала могут быть объединены аддитивно.
В СССР исследования тропосферного распространения радиоволн с целью создания аппаратуры связи начались в середине 1950-х годов. Уже в то время удалось показать возможность создания
линий загоризонтной связи протяженностью до 250 км. В 1960–70-х годах разработка средств тропосферной связи велась весьма интенсивно. Заметим, что в те годы спутниковая связь была развита
очень слабо. Впоследствии спутниковая связь в определенной степени потеснила тропосферную,
особенно в коммерческих сетях, но, на наш взгляд, и в настоящее время существуют области применения тропосферных средств связи, как в сетях специального, так и коммерческого назначения. [10,
11].
Учитывая размеры Советского Союза, тропосферная связь активно применялась главным образом для поддержания каналов связи на Севере, в Сибири, на Дальнем Востоке, а также между союзными странами. Это: Линия «Индия – СССР». Действовала между пунктами Сринагар (Кашмир) и
Дангара (Таджикистан). БАРС. Трапосеть Варшавского договора, простиравшаяся от Ростока (ГДР),
через Чехословакию, Венгрию, Польшу, БССР, УССР, Румынию и Болгарию. Система связи «Север».
Одна из крупнейших в мире линий загоризонтной связи, простирающаяся от Кольского полуострова
до Чукотки. Состоит из 46 ТРСС, в основном расположенных вдоль Ледовитого океана, Уральских
гор, рек Енисей и Лена, Баренцева и Охотского морей. [6−8].
Кроме того, есть утверждения, что Красноярский край прирастать будет Арктикой. В последнее время тема освоения Арктики обсуждается особенно активно. Это новый этап в политическом
переделе мира?
Есть несколько глобальных аспектов, почему так важно изучение и освоение Арктической зоны: она один из ключевых звеньев в климатической системе планеты Земля. От того, какие процессы
будут происходить там, зависит климат во всём мире. А изменения климата грозят экстремальными
погодными условиями − увеличением количества засух и наводнений, ураганами и т. д. И часто инфраструктура в регионах, например, в Европе, не приспособлена к таким суровым зимам, как в Сибири. Потребуются очень большие вложения, чтобы научиться жить в изменившихся климатических
условиях. Второй аспект − природные ресурсы земли в освоенных регионах уже на исходе. На глобусе осталось всего несколько интересных точек, где запасов ещё хватит на продолжительное время:
например, нефть в Саудовской Аравии и Венесуэле. Но и они уже достаточно давно используются.
Единственный регион, где, в хорошем смысле, не ступала глобальная нога человека − Арктика.
Здесь сосредоточены огромные богатства: 13% нефти и 30% газа от мировых запасов, а также цветные металлы, редкоземельные металлы, алмазы, золото, платина и многое другое. А главное — всё
это нетронутые запасы.
Ещё одним из таких аспектов является организация кроссарктических перелётов. Этот маршрут
намного короче для взаимодействия азиатских стран и США, Канады. До сих пор он почти не используется, потому что там очень сложная навигация и связь. Компас не работает, спутники дают пока недостаточно информации, а связи из-за геомагнитных аномалий фактически нет. Поэтому сегодня, как и 100 лет назад, самолёты около 4 часов летят на ощупь, по визуальным ориентирам на земле, которых фактически нет: только лёд, торосы и полыньи.
Тем не менее, сейчас появляются новые технологические решения, например, тропосферная
связь. И кроссполярные перелёты становятся возможными.
Известные оценочные расчеты затрат на приобретение оборудования, развертывание и эксплуатацию спутниковых и тропосферных линий связи показывают, что спутниковая линия связи со ско-
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
5
ростью передачи 512 кбит/с с учетом арендной платы за частотный ресурс в течение первых трех лет
эксплуатации экономически выгоднее линии тропосферной (загоризонтной) связи. После указанного
срока эффективнее становится использование тропосферной линии. При скоростях передачи порядка
2 Мбит/с тропосферная линия становится экономически выгоднее уже после первого года эксплуатации.
Проведенный анализ показывает, что использование тропосферной связи сегодня, как никогда,
является одной из актуальных проблем, требующей проведения научных исследований для решения
целого актуальных задач.
Сегодня армия США использует тактические тропосферные системы рассеяния, разработанные
компанией Raytheon для долговременных коммуникаций. Они поставляются в двух конфигурациях:
heavy tropo и более современные − light tropo. Эти системы обеспечивают четыре мультиплексированных групповых канала и шифрование внешней линии по 16- или 32-м локальным аналоговым телефонным номерам.
В России также ведутся работы по совершенствованию данного типа связи. Начиная с 1966 года, одновременно с созданием аналоговых тропосферных станций дециметрового диапазона, в
МНИРТИ велись исследования вопросов передачи дискретной информации в тропосферных каналах,
когерентных методов приема информации, оптимальных методов сложения многократно разнесенных по пространству и частоте сигналов.
Результаты исследований были использованы при разработках нового поколения тропосферной
радиорелейной связи (ТРРС) сантиметрового и дециметрового диапазонов: [1, 5]
• малогабаритная цифровая станция тропосферной связи «Ладья» (www.mnirti.ru), которая предназначена для применения в сетях связи специального и коммерческого назначения, а также для организации связи в горных, труднодоступных и малонаселенных районах. Связь обеспечивается за
счет использования эффекта тропосферного рассеяния. Для работы тропосферной станции не
требуется подъем антенн на мачты. Благодаря этому достигается быстрота развертывания и простота обслуживания;
• разработка красноярского ФГУП «НПП «Радиосвязь».
2. Применение тропосферных систем в современных линиях связи различного назначения
2.1. Предложение по развитию и эффективному использованию тропосферной связи
В журнале Army Communicator , Voise of the Signal Regiment, PB-11-05-1, Winter, 2005, Vol. 30,
No1 опубликована статья [1] «Какое будущее у тропосферной связи в армии?».
В статье приведён анализ боевого применеия систем тропосферной связи при проведении
операции «Буря в пустыне» в 2003 г. Там были задействованы подразделения тропосферной связи,
оснащённые станциями AN/TRC-170 v2 (тяжёлые) и AN/TRC-170 v3 (лёгкие). Дана положительная
оценка действия системы тропосферной связи в период поведения военной операции и предложены
направления для дальнейшего совершенст-вования системы тропосферной связи, которые
заключаются в следующем:
• необходимо увеличить пропускную способность тропосферных линий до 24 Мбит/с для передачи
необходимых объёмов информации;
• должно быть модернизировано оконечное оборудование станций. В существующих станциях использовано устаревшее оборудование Digital Group Multiplexing / Tri-Tac;
• необходимо повышать уровень квалификации операторов тропосферных станций.
Общий вывод. Системы тропосферной связи имеют большое значение при проведении
войсковых операций типа операции «Буря в пустыне». Они должны использоваться в тактическом и
стратегтческом звеньях управления как альтернатива линиям спутниковой системы ТАКSАТ. При
этом оконечное оборудовние станций топосферной и спутниковой связи должно быть совместимо.
2.2. Быстро разворачиваемые системы тропосферной связи
При проведении спецопераций требуется развёртывание узлов связи передового базирования в
короткие сроки. Такие операции требуют создания сетей связи на большой территории. Обычно для
этого используются система спутниковой связи (SATCOM). Могут быть развернуты также линии прямой видимости (LOS), чтобы обеспечить низкую задержку передачи сообщения, и увеличить пропускную способность линий связи, задействованных на театре экспедиционных операций. Однако системы
прямой видимости часто требуют промежуточных ретрансляторов между конечными терминалами,
6
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
ISSN 1729-2670
создание которых не всегда возможно в условиях боевых действий. Системы спутниковой связи обычно обеспечивают необходимую дальность, но имеют ряд недостатков, таких как большие задержки передачи и невозможность связи в высоких широтах. Системы тропосферной связи, использующие механизм загоризонтного распространения (BLOS), позволяют организовать связь между двумя узлами
связи при отсутствии прямой видимости.
Традиционно, для тропосферной связи используются сложные в эксплуатации и громоздкие
средства связи. Вместе с тем с появлением новых технологий и новых подходов для организации военных сетей связи можно создать лёгкие, быстро разворачиваемые средства тропосферной связи, которые
предоставят больше гибкости при построении линий связи.
Анализ результатов реализации быстро развертываемой тропосферной системы [4, 7] показывают, что имеется новое окно возможностей для таких станций. В отличие от предыдущих систем
необходимо разработать новый тип тропосферной станции. Эта станция должна работать в режиме
временного разделения каналов (TDM) с адаптацией пропускной способности к условиям распространения радиоволн. Современные IP-сети позволяют работать с переменной скоростью.
Общий вывод. Должны быть разработаны станции, имеющие: а) компактные антенные системы, б) модемы, которые реализуют адаптивную скорость передачи, в) малогабаритную аппаратуру
составных частей.
Привлекает внимание постановка вопроса о необходимости разработки лёгкой станции загорзонтной связи, способной работать с переменной скоростью в IP сетях. Такой станции в наличии в войсках НАТО пока нет, но такой станцией может рассматриваться станция типа «Ладья» (Разработка
МНИРТИ) при условии доработки модема для работы с переменной скоростью в диапазоне скоростей
от 64 до 2048 кбит/с и выше.
2.3. Совмещённые тропосферно-спутниковые станции
Большой резонанс в техническом сообществе получило сообщение о разработке фирмой Raytheon совмещённой тропосферно – спутниковой станции DART-T [1, 9]. Положительной стороной
такой станции является возможность передачи информации от одной и той же информационной сети,
как по спутниковому, так и по тропосферному каналу. При этом общим оборудованием являются антенная система и передающее устройство. Поскольку в спутниковой связи используется одна антенна,
то в тропосферном режиме необходимо использовать так же одну антенну. В станции DART-T для этого используется угловой разнос, который позволяет в диапазоне 14 ГГц на антенне диаметром 2,5 м
осуществить 4-х кратное угловое разнесение с использованием модема ТМ-20.
Но следует обратить внимание на недостатки такой станции.
1. Диапазон 14 ГГц (Ku диапазон) ранее не использовался при тропосферной связи вследствие
низкой его энергетической эффективности. Идея совмещения спутникового и тропосферного режима
в одной станции теряется.
2. В тропосферном режиме передачу и приём нужно вести в одном поддиапазоне на частотах
14,4−15,5 ГГц для того, чтобы использовать один и тот же усилитель мощности в спутниковом и тропосферном режимах. При этом частоты приёма и передачи должны быть разнесены в пределах указанного поддиапазона, что потребует дополнительных фильтров в фидерном тракте не нужных в
спутниковом режиме. Учитывая сказанное, станцию DART-T фирмы Raytheon нельзя считать удачным техническим предложением.
Общий вывод. Разработка станций тропосферной связи 3Т позволяет дополнить номенклатуру
средств в точках доступа. Основная концепция развития быстро разворачиваемых систем тропосферной связи типа 3Т проста: обеспечить низкую стоимость, среднюю дальность, вне прямой видимости
без использования спутниковых транспондеров. Путём улучшения терминала SNAP VSAT фирмы
TCS и Comtech разработали решения, которые обеспечивают плавный переход с тактической VSAT к
системе тропосферной. Экономическая эффективность и расширенные возможности этого продукта
имеют очевидные преимущества.
2.4. Совершенствование методов построения станций загоризонтной связи,
сравнение технических характеристик однотипных станций
Расчёты проведены с использованием методики энергетического расчёта загоризонтной линии связи (МНИРТИ, 2010 г). На основании этих данных, можно сделать следующие выводы:
• лучшими характеристиками по протяжённости интервала обладает станция, построенная на
принципе выбора оптимальной частоты;
ISSN 1729-2670
•
•
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
7
диапазон частот 4,4−5,0 ГГц для тропосферной связи является более предпочтительным по сравнению с диапазоном станции TELOS (14,5 ГГц), поскольку в нём нет дополнительных потерь
сигнала за счёт атмосферных газов и дождя;
при передаче информации на скорости 1 и 2 Мбит/с трассы имеют дифракционный характер и их
различие в помехоустойчивости, связанное с методом передачи сигналов, практически отсутствует.
3. Перспективы применения линий загоризонтной связи
Несмотря на широкое (и все более растущее) применение спутниковых средств в сетях и системах связи и развитие проводных сетей, средства тропосферной загоризонтной связи перспективны
для использования как в сетях специального, так и коммерческого назначения.
В сетях специального назначения преимуществом тропосферных средств перед спутниковыми
является более высокая живучесть в условиях вооруженных конфликтов и/или антитеррористических
мероприятий. В коммерческих сетях применение тропосферных средств в некоторых случаях может
быть экономически целесообразнее, чем применение спутниковых. Использование тропосферных
станций возможно также при развертывании линий связи в высоких северных широтах, где применение спутниковой связи через геостационарные спутники принципиально невозможно. За счет большей протяженности интервалов линии загоризонтной связи имеют преимущество перед линиями
прямой видимости при организации связи труднодоступных, горных и малонаселенных районах.
Работы АО «МНИРТИ» в последние годы направлены на совершенствование методов построения цифровых станций загоризонтной связи.
Заключение
1. Анализ публикаций за последнее десятилетие показывает, что проблемы систем загоризонтной связи находятся в поле зрения мировой общественности. Такие системы рассматриваются в зарубежных материалах как альтернатива системам спутниковой связи в войсках связи. Имеются также
примеры чисто гражданского использования таких систем (фирма Signatron).
2. Тропосферные станции повышенной протяжённости в настоящее время не применяются и во
всём мире стационарные линии тропосферной связи выведены из эксплуатации.
3. Ставится вопрос об использовании в войсках НАТО быстро развёртываемой малогабаритной
станции загоризонтной связи, работающей с переменной скоростью передачи в IP сетях. Такие станции не требуют для связи расходовать ресурс спутника ретранслятора и имеют значительно меньшие
задержки сигнала по сравнению с спутниковым каналам. Такие задержки особенно чувствительны в
IP сетях. Отмечается, что таких станций в войсках НАТО пока не имеется.
4. Большой резонанс получило сообщение о разработанной фирмой Raytheon совмещённой
тропосферно-спутниковой станции DART-T. Положительной стороной такой станции является возможность передачи информации от одной и той же информационной сети, как по спутниковому, так
и по тропосферному каналу. При этом общим оборудованием являются антенная система и передающее устройство. Поскольку в спутниковой связи используется одна антенна, то в тропосферном режиме необходимо использовать так же одну антенну. В станции DART-T для этого используется угловой разнос, который позволяет в диапазоне 14 ГГц на антенне диаметром 2.5 м осуществить 4-х
кратное угловое разнесение с использованием модема ТМ-20.
Имеется ряд соображений по поводу недостатков такой станции:
• Диапазон 14 ГГц (Ku-диапазон) ранее не использовался при тропосферной связи вследствие низкой его энергетической эффективности. Общие потери сигнала при одинаковых антеннах на одном и том же расстоянии Ku диапазоне оказываются на 8−10 дБ больше, чем, например, в Сдиапазоне (4,4−5 ГГц) и на 18 дБ больше при наличии дождя интенсивностью 5 мм/час. Для работы в С-диапазоне система с угловым разносом может быть создана при диаметре антенны 8 м.
Для антенны 2,5 м 4-х кратный разнесённый приём может быть образован при наличии 2-х антенн, обеспечивающих разнесение по пространству. Таким образом, идея совмещения спутникового и тропосферного режима в одной станции теряется.
• В спутником режиме передача сигнала на линии Земля−космос ведётся на частотах
14,4−15,5 ГГц, а приём сигналов со спутника на частоте 12,2−12,7 ГГц. В тропосферном режиме
передачу и приём нужно вести в одном поддиапазоне на частотах 14,4−15,5 ГГц для того, чтобы
использовать один и тот же усилитель мощности в спутниковом и тропосферном режимах. При
8
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
ISSN 1729-2670
этом частоты приёма и передачи должны быть разнесены в пределах указанного поддиапазона,
что потребует дополнительных фильтров в фидерном тракте не нужных в спутниковом режиме.
Учитывая сказанное, станцию DART-T фирмы Raytheon нельзя считать удачным техническим
предложением.
Список литературы
1. Серов В.В., Сеченых А.М. Развитие тропосферной связи в МНИРТИ. История и перспективы
применения. – «ИНФОРМОСТ» − «Радиоэлектроника и Телекоммуникации». − № 4 (46). – 2006.
− С. 37−39.
2. Клиот Е.И., Козлов Д.Г. Исследование помехоустойчивости тропосферной радиолинии с адаптацией частоты. – Радиотехника. – 1994. - № 11 − С. 62−68.
3. Серов В.В. Особенности распространения радиоволн в загоризонтных системах радиосвязию. −
Электросвязь. – 2009. − № 1. − С. 38−42.
4. Мацков А.А., Серов В.В., Чернобельский Л.И. Перспективы использования линий загоризонтной
связи. – Электросвязь. – 2006. − № 8. − С. 33−37.
5. ФГУП “МНИРТИ” Способ передачи и приема информации пакетами и устройство для его осуществления. Патент на изобретение № 2411651. – 2011.
6. Серов В.В. Адаптивная система передачи высокоскоростных сигналов в многолучевом канале с
замираниями. − Электросвязь. – 2010. − № 5. − С. 26−29.
7. Серов В.В. Тропосферная связь. История и перспективы. – Технологии ЭМС. – 2012.-- №2(41). –
С. 55−60.
8. Серов В.В. Система связи с адаптацией ветвей разнесения сигналов на передаче. − Электросвязь,
2008. − № 7. − С. 26−29.
9. Невзоров Ю.В., Шевырёв А.В., Мырова Л.О. Состояние и перспективы создания аппаратуры нового поколения радиорелейных, тропосферных, спутниковых систем связи и средств радиоэлектронного подавления помех. − Успехи современной радиоэлектроники. − 2014. − № 2. − С. 3−9.
10. Безруков В.Г, Мусаелян С.А. Радиорелейная связь для вооружённых сил: вчера, сегодня, завтра. −
Технологии ЭМС. − 2012. − № 2(41). – С. 23−25.
11. Мацков А.А., Муха Р.Н., Серов В.В., Цодикова М.И. Принципы построения линии загоризонтной
связи с выбором оптимальной частоты. − Технологии ЭМС. − 2012. − №2(41). − С. 61−67.
Акционерное общество «Московский научно-исследовательский радиотехнический институт» (АО
«МНИРТИ»), 109028, г. Москва, переулок Трехсвятительский Б., 2/1, т. +7(495)626 2344
Статья получена 20.09.2017
Автор
Переломов Валентин Николаевич, временный генеральный директор АО «МНИРТИ», Россия,
109028, г. Москва, переулок Трехсвятительский Б., 2/1. Тел.: раб. +7(495)626 2344.
Perelomov V.N.
The effectiveness of modern noise-resistant means of tropospheric communication
Abstract. An analysis of the organization of communication in hard-to-reach and / or sparsely populated areas is conducted, where the construction of wire lines is technically difficult or economically impractical.
It is proved that the present time, there are areas of effective application of the over-the-horizon communication stations, despite the widespread use nenie satellite communications and the development of
wired networks. Such an over-horizon tropospheric communication is used for special and civil use, for example:
• in special-purpose networks, the advantage of tropospheric means over satellite is the higher survivability in armed conflicts and / or anti-terrorist activities;
• in commercial networks, the use of tropospheric means may in some cases be economically more feasible than satellite applications;
• the use of tropospheric stations is also possible when deploying communication links in high northern
latitudes, where the use of satellite communication through geostationary satellites is fundamentally im-
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
9
possible. Due to the greater length of the intervals, the over-horizon link lines have the advantage over
line-of-sight microwave links when linking hard-to-reach, mountainous and sparsely populated areas.
In this article is noted the renewed interest in tropospheric communication systems, which exempts
from the need to use scarce satellite channels in a number of cases. In addition, the article assesses the possibility of effective, from an economic point of view, application of modern stations of tropospheric communication.
Key words: radio-relay and tropospheric communication, transmission speed, scattering effect,
throughput, efficiency, satellite channel, survivability.
References
1. Serov V.V., Sechenyh A.M. Razvitie troposfernoj svjazi v MNIRTI. Istorija i perspektivy primenenija
[Development of tropospheric communication in MNIRTI. History and prospects of application].
«INFORMOST» − «Radiojelektronika i Telekommunikacii», 2006, no. 4 (46), pp. 37−39 (in Russia).
2. Kliot E.I., Kozlov D.G. Issledovanie pomehoustojchivosti troposfernoj radiolinii s adaptaciej chastoty
[Research of interference immunity of tropospheric radio frequency adaptation.]. − Radiotehnika, 1994,
no. 11, pp. 62−68 (in Russia).
3. Serov V.V. Osobennosti rasprostranenija radiovoln v zagorizontnyh sistemah radiosvjaziju [Features of
propagation of radio waves in over-horizon radio systems]. − Jelektrosvjaz', 2009, no. 1, pp. 38−42 (in
Russia).
4. Mackov A.A., Serov V.V., Chernobel'skij L.I. Perspektivy ispol'zovanija linij zagori-zontnoj svjazi [Prospects for the use of over-horizon communication lines]. − Jelektrosvjaz', 2006, no. 8, pp. 33−37 (in
Russia).
5. FSUE «MNIRTI». Sposob peredachi i priema informacii paketami i ustrojstvo dlja ego osushhestvlenija
[A method for transmitting and receiving information in packets and an apparatus for implementing it].
Patent RF, no. 2411651, 2011 (in Russia).
6. Serov V.V. Adaptivnaja sistema peredachi vysokoskorostnyh signalov v mnogoluchevom ka-nale s zamiranijami [Adaptive transmission system for high-speed signals in a multipath channel with fading]. −
Jelektrosvjaz', 2010, no. 5, pp. 26−29 (in Russia).
7. Serov V.V. Troposfernaja svjaz'. Istorija i perspektivy [Tropospheric communication. History and
prospects.]. Tehnologii JeMS, 2012, no.2 (41), pp.55-60 (in Russia).
8. Serov V.V. Sistema svjazi s adaptaciej vetvej raznesenija signalov na peredache [The communication
system with adaptation of the spaced branches of the transmission signals]. − Jelektrosvjaz', 2008, no. 7,
pp. 26−29 (in Russia).
9. Nevzorov Ju.V., Shevyrjov A.V., Myrova L.O. Sostojanie i perspektivy sozdanija apparatury novogo
pokolenija radiorelejnyh, troposfernyh, sputnikovyh sistem svjazi i sredstv radiojelektronnogo podavlenija pomeh [Status and perspectives of radio relay, tropospheric, satellite communication systems and radio electronic suppression of interference]. − Uspehi sovremennoj radiojelektroniki, 2014, no. 2, pp. 3−9
(in Russia).
10. Bezrukov V.G, Musaeljan S.A. Radiorelejnaja svjaz' dlja vooruzhjonnyh sil: vchera, segodnja, zavtra
[Radio Relay Communication for the Armed Forces: Yesterday, Today, Tomorrow]. − Tekhnologii elektromagnitnoi sovmestimosti, 2012, no.2(41), pp. 23−25 (in Russia).
11. Mackov A.A., Muha R.N., Serov V.V., Codikova M.I. Principy postroenija linii zagorizontnoj svjazi s
vyborom optimal'noj chastoty [Principles for constructing a line of over-horizon communication with the
choice of the optimal frequency]. − Tekhnologii elektromagnitnoi sovmestimosti, 2012, no. 2(41), pp.
61−67 (in Russia).
JSC "MNIRTI", Bol'shoy Trekhsvyatitel'skiy pereulok, 2/1, 109028, Moscow, Russian Federation,
+7(495)626 2344
Author
Perelomov Valentin Nikolaevich, Interim General Director, JSC "MNIRTI", Bol'shoy Trekhsvyatitel'skiy
pereulok, 2/1, 109028, Moscow, Russian Federation, +7(495)626 2344.
10
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
ISSN 1729-2670
УДК 621.396.43
В.Н. Переломов, Л.О. Мырова, И.С. Попов, С.А. Мусаелян
Повышение аппаратной надежности и энергетического
потенциала перспективных помехоустойчивых
тропосферных линий связи
Проведено сравнение тропосферных радиорелейных станций с частотным и временным дуплексом. Обосновано построение перспективных
тропосферных станций двойного назначения с временным дуплексом, с
адаптацией рабочих частот к условиям распространения в радиоканале. В
процессе адаптации осуществляется периодическое тестирование канала
связи и оценка условий распространения сигналов на 8-ми частотах, разнесённых с шагом 4 МГц в полосе 32 МГц. Информационный пакет передается
на одной из этих частот, для которой условия распространения оказываются наилучшими. При этом повышается разведзащищенность и помехозащищенность, так как частота излучения непрерывно изменяется по случайному закону. Кроме того, обеспечивается дополнительный энергетический выигрыш порядка 3 дБ и, следовательно, снижение энергопотребления
примерно вдвое, (что важно для малонаселённых регионов).
Поочередная работа приемника и передатчика позволяет исключить
из состава станции волноводный тракт с дуплексером, эффективно использовать частотный диапазон, упростить реализацию унифицированных антенных приемо-передаюших модулей, которые позволят заменить мощный
передатчик набором маломощных модулей в составе фазированной антенной решётки. Это обеспечит, в свою очередь, радикальное повышение
надёжности аппаратуры станции.
В статье сформулирована концепция дальнейшей коренной модернизации тропосферной радиорелейной связи (ТРРС), указаны основные технические задачи, решение которых обеспечит повышение аппаратурной
надежности, снижение энергопотребления и улучшение ряда эксплуатационных характеристик тропосферных станций.
Ключевые слова: адаптация по частоте, временной дуплекс, частотный дуплекс, загоризонтная
связь, быстрые замирания, многолучевость, помехоустойчивость, оптимальная частота, энергетический выигрыш, антенная решётка
Актуальность проблемы
В своих выступлениях В.В. Путин отметил: «Если ранее считалось, что Россия будет прирастать
Сибирью, то сегодня можно смело сказать, что Россия будет прирастать еще и Арктикой». Сегодня
освоение Севера – стало одной из актуальных задач.
Экстремальные климатические условия, малая заселенность и большая протяженность пространств, вот те основные факторы, которые определяют специфику требований к средствам связи
для работы в Арктической зоне.
Одним из перспективных видов связи для Арктики является тропосферная связь, основанная на
эффекте дальнего тропосферного рассеивания радиоволн и позволяющая организовать загоризонтную связь на расстояниях 80−300 км. Затухание радиосигнала на таких трассах увеличивается на
60−80 дБ по сравнению с обычными радиорелейными станциями (РРС) прямой видимости, работающих на интервалах 30−50 км. Поэтому мощности излучения тропосферных радиорелейных станций
(ТРРС) обычно составляют 500−1500 Вт (для РРС – до 1 Вт), а размеры антенн достигают 3–5м и более.
Несмотря на значительно большую стоимость и энергоёмкость по сравнению с РРС, тропо-
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
11
сферная связь в 60−70 годах прошлого века, активно развивалась как за рубежом, так и в СССР. Она
применялась для создания отдельных направлений связи и самостоятельных отдельных сетей в северных регионах страны и труднодоступных горных местностях, а также для военной связи. Первые
ТРРС появились в США в начале 50-х годов в связи с развёртыванием системы раннего предупреждения на Аляске, в Канаде и Гренландии. Назначение этих ТРРС – связь удалённых радиолокационных стаций с командным и управляющим центром НАТО. В 1956 г. состоялся первый в мире телефонный разговор через ТРРС. В 1961 году был поставлен мировой рекорд дальности интервала тропосферной связи − 1100 км (ТРРС AN/FRC-47 фирмы «Дженерал Электрик» с гигантскими антеннами и передатчиками). Период бурного развития ТРРС за рубежом окончился в 80-х годах в связи заменой их на спутниковые и волоконно-оптические системы. Остались во многих местах лишь «памятники архитектуры» − могучие антенные сооружения.
Однако ТРРС снова потребовались США в операции «Буря в пустыне» в Ираке, где во время
пыльных бурь другая связь СВЧ не работала. Поэтому техника ТРРС в войсках США частично сохраняется и отчасти совершенствуется (но «по остаточному принципу»).
С 1958 г. по 1991 г. в МНИРТИ − ведущей организацией в стране по разработке военных ТРРС
− было разработано несколько поколений ТРРС, которые выпускались на серийных заводах в городах
Владимир, Светловодск и Красноярск. Эти станции широко использовались в войсках связи, Спецсвязи ФСО и других силовых структурах [1, 2].
Станции серии Р-423-1 стали базовыми для сетей связи РВСН, ПВО, ВДВ, ВВС. Апогеем развития ТРРС стал комплекс «БАРС», на основе которого в 1980−1987 годах была развёрнута автоматизированная сеть связи на территории шести стран Варшавского договора. По своим основным параметрам сеть «БАРС» превосходила лучшие зарубежные аналоги.
В эти же годы параллельно, на основе разработок НИИ Радио, создавалась сеть «Север», сыгравшая важную роль в обеспечении каналами связи труднодоступных районов Крайнего севера, Сибири и Дальнего Востока (рис. 1).
Рис.1. Тропосферная сеть «Север»
Сеть «Север» имела протяжённость 13 200 километров и включала 46 ТРРС, расположенных
большей частью вдоль побережья Северного Ледовитого и Тихого океанов и крупнейших сибирских
рек − Обь, Енисей и Лена. Сеть обеспечивала связью воинские части, администрацию и население
Крайнего Севера и Дальнего Востока на территории, составляющей 60% площади России. ТРРС располагались друг от друга на расстоянии 120−450 км, в автономных военных городках, которые самостоятельно решали вопросы обеспечения электроэнергией и теплом, жизнеобеспечения и доставки необходимых грузов. Сеть окончательно закрыта в 2003 году.
12
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
ISSN 1729-2670
После распада СССР развитие и применение ТРРС в стране практически приостановилось. Но в
2000-х годах возобновились работы в МНИРТИ и НПП «Радиосвязь» (г. Красноярск) по созданию более
дешёвых малогабаритных ТРРС, с ограниченной пропускной способностью, перекрывающих интервалы
до 100−150 км. В МНИРТИ к 2007 году создана аппаратура «Ладья» − впервые в мире использующая когнитивные методы обработки сигналов на основе временного дуплекса и частотной адаптации к среде
распространения. В последующие годы проведены ОКР «Ретранслятор» и «Вьюнок», в результате которых выработана концепция коренной модернизации ТРРС с целью создания нового поколения станций,
высоконадёжных, экономичных, с высокой степенью унификации.
Широкое применение спутниковой связи значительно сократило область использования ТРРС.
Однако в высоких северных широтах связь через геостационарные спутники затруднена, там ещё
много лет тропосферная связь будет востребована. Линии тропосферной связи имеют преимущество
в малонаселённых регионах перед линиями прямой видимости за счет большей протяженности интервалов. Кроме того, в коммерческих сетях применение тропосферных средств в некоторых случаях
может быть экономически более выгодным, чем спутниковых. Наконец, преимуществом тропосферной связи перед спутниковой является также более высокая живучесть в условиях вооруженных конфликтов и антитеррористических мероприятий. Намечены масштабные планы освоения малонаселённых отдалённых регионов РФ, создания инфраструктуры связи на северных энергодобывающих и
военных объектах (в том числе вдоль всего Севморпути), в обширных бассейнах рек Сибири, на Востоке и Юге РФ, вдоль восточных морских границ и т.п. Поэтому в ближайшие годы следует ожидать
лавинообразный рост спроса на ТРРС самого различного класса – стационарные и мобильные, на
большие и малые расстояния, разную пропускную способность.
С целью создания нового поколения станций, высоконадёжных, экономичных, с высокой степенью
унификации рассмотрим кратко эволюцию развития ТРРС и новые перспективы в этой технике.
1. Эволюция принципов построения ТРРС
1.1. ТРРС с частотным дуплексом: 2 антенны, 2 передатчика, 4 приёмника
С 50-х годов сложилась типовая структура большинства ТРРС с «частотным дуплексом», состоящая из двух антенных постов: две антенны, разнесённые по пространству, каждая со своим передатчиком, один из которых работает на частоте F1, другой – на F2. На приёмной стороне каждая из двух
антенн имеет два приёмника и принимает сигналы от двух передающих антенн на частотах F1 и F2,
проходящих по разным траекториям. Таким образом с помощью двух антенн и 4-х приёмников можно
получить 4 независимые копии сигнала, В устройстве сложения эти копии комбинируют тем или иным
образом, чтоб получить один сигнал лучшего качества.
1.2. ТРРС с частотным дуплексом: одна антенна, один передатчик, один приёмник
В 70−80-х годах специалистами МНИРТИ разработан вариант ТРРС с одной антенной с целью
уменьшения габаритов и массы военных станций, повышения мобильности, упрощения эксплуатации и
пр. (ТРРС «Эшелон» и др.). Аналогичные станции были в 80-х годах созданы в Англии (ТРРС Н7450).
Вместо пространственного разнесения в этих ТРРС используют дополнительное частотное разнесение
-передачу сигнала поочерёдно во времени на нескольких независимых несущих. А приёмник последовательно «собирает» все копии сигнала, переданные в разное время на разных частотах, складывает,
получает одну улучшенную копию сигнала.
1.3. ТРРС с временным дуплексом: одна антенна: один передатчик, один приёмник,
когнитивная обработка сигнала
Первый шаг в этом направлении сделан в 2007 году при разработке ТРРС «Ладья». Ниже рассмотрены некоторые преимущества и новые возможности этого перспективного направления, а также
современные возможности его реализации.
2. Недостатки современных ТРРС с частотным дуплексом
2.1. Сложная и громоздкая конструкция
Особенностью всех ТРРС с «частотным дуплексом» является необходимость использовать
громоздкую волноводную конструкцию – «дуплексер», содержащий полосовые волноводные фильтры в трактах приёма и передачи. Эти фильтры защищают вход приёмника от мощного сигнала «своего» передатчика. Они же жёстко ограничивают возможности перестройки частоты передачи или
приёма.
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
13
Дуплексеры существенно усложняют в целом конструкцию ТРРС, увеличивают габариты и
массу аппаратуры, затрудняют эксплуатацию аппаратуры.
2.2. Ограниченность частотного маневрирования
В связи с тем, что излучаемые мощности в ТРРС составляют сотни и тысячи Ватт, частоту приёма приходится сдвигать от частоты передачи на сотни МГц, чтоб защитить вход приёмника от влияния мощного сигнала «своего» передатчика. Например, в ТРРС Р-423МП в общей полосе частот
600 МГц (4,4−5,0 ГГц) используются только две полосы частот по 150 МГц: нижняя − 4,4−4,55 ГГц и
верхняя − 4,85−5,0 ГГц. В одной из них – передача, в другой – приём. Защитная зона между ними составляет 300 МГц и не используется.
В результате из всего диапазона 600 МГц, предусмотренного в РФ для тропосферной связи
(4,4−5,0 ГГц), приёмник (или передатчик) может перестраиваться только в пределах ±75 МГц, заданных полосой пропускания фильтров дуплексера. Это также затрудняет частотное планирование ЭМС,
а для военной связи – уход от внешних помех.
2.3. Литерность станций
Из п .2.2, следует, что для организации одного интервала связи требуются две разные, взаимно
сопряжённые по частотам и потому не взаимозаменяемые станции (как пара ботинок − «левый» и
«правый»). В одной станции (обозначаемой индексом «А») передатчик работает в нижней полосе частот, а приёмник – в верхней, а во встречно работающей станции (обозначаемой индексом «Б») –
наоборот, в верхней полосе работает передатчик, в нижней – приемник. При этом все станции, расположенные в одном пункте, должны быть строго одной литерности (все «А» или «Б») во избежание
взаимных помех. Это вносит определённые неудобства при частотном планировании и эксплуатации,
особенно мобильных станций. Попытки совместить режимы «А» и «Б» в одной станции заметно
усложняют аппаратуру и снижают надёжность.
2.4. Отсутствие частотной адаптации
Уже в 1960-х годах в США и СССР было обнаружено, что при дальнем тропосферном распространении радиосигналы, передаваемые на частотах, отстоящих друг от друга на некотором расстоянии ΔF (ΔF = 1–4 МГц), становятся не коррелированными, их замирания − независимы. С тех пор
попытки частотной адаптации путём тестирования тропосферы и определения «оптимальной» в данный момент частоты с наилучшим прохождением не удавалось воплотить в реальную аппаратуру.
Поэтому до настоящего времени во всех ТРРС с частотным дуплексом передача идёт на заранее назначенных частотах, вне зависимости от того, насколько хорошо они проходят в данный момент через тропосферу. При этом для передачи используют сигналы «ШПС» типа частотно-временной
матрицы, – например, 4 частоты, отстоящие друг от друга на величину ΔF. Каждый бит информации
передается поочерёдно на этих частотах - время передачи и, соответственно, энергия бита сокращается в 4 раза.
Поскольку условия распространения в тропосфере на этих частотах непрерывно меняются,
некоторые копии сигнала оказываются значительно хуже, чем другие, т.е. часть мощности передатчика тратится не эффективно, даже «впустую». Следовательно, при сложении 4-х копий сигнала результат будет заметно хуже по сравнению со случаем, если бы всю мощность передавать на одной, но
самой оптимальной частоте, которая в данный момент «лучше» проходит через тропосферу (как
впервые это сделано в ТРРС «Ладья», разработка МНИРТИ)
3. Реализация адаптации частоты в ТРРС с временным дуплексом
Уже с 1965 года начались исследования возможности частотной адаптации ТРРС, с тем, чтобы
всю мощность передачи излучать на самой оптимальной частоте, которая в данный момент проходит
через тропосферу с наименьшими потерями и искажениями. Интуитивно было очевидно, и теория это
подтвердила, что частотная адаптация (т.н. когнитивная обработка сигналов) обеспечивает предельно
выгодный расход мощности передатчика ТРРС. Выигрыш по энергетике составил не менее 3−4 дБ перед всеми другими известными методами. В ТРРС это особенно важно, позволяя, например, снизить
мощность передатчиков с 1000 Вт до 500 Вт (соответственно − и энергопотребление).
В начале 70-х годов это было подтверждено в МНИРТИ экспериментально и на натурных полевых испытаниях макетов. Но создать серийную технику не удавалось в течение нескольких десятилетий!
14
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
ISSN 1729-2670
Главной трудностью была организация надёжного обратного канала управления между смежными ТРРС для передачи на передающую сторону значения оптимальной частоты, определяемой на приёмной стороне. Наличие обратного канала вносило задержку в канал управления, в результате информация об оптимальной частоте устаревала. Но главное − создание обратного канала существенно
усложняло систему связи, снижало надёжность связи, так как сбой в канале управления нарушал всю
синхронизацию в сети связи.
И только в 2000-х годах был найден и запатентован эффективный и остроумный способ реализации адаптации частоты в ТРРС без обратного канала [5]. Для этого впервые в ТРРС был применён
метод временного дуплекса – в малоканальной ТРРС «Ладья». Полевые испытания ТРРС «Ладья» (с
выходной средней мощностью СВЧ всего 40 Вт) в 2007 г. полностью подтвердили все расчёты и преимущества метода адаптации частоты.
При временном дуплексе передатчик и приёмник работают поочерёдно во времени, т.е. при работающем приёмнике «свой» передатчик выключен и не воздействует на приёмник (поэтому не требуется
дуплексер для защиты приёмника от сигнала передатчика). После прихода ответного пакета информации приёмник закрывается, включается снова свой передатчик и шлёт очередной пакет и т.д.
Для реализации частотной адаптации каждый очередной пакет информации сопровождается
двумя короткими «приставками»: перед пакетом («преамбула») и после пакета («тестовый сигнал»).
Преамбула сообщает приёмной стороне значение несущей частоты, на которой за ней последует очередной пакет, чтоб приёмник заранее перестроился на эту частоту. Эта частота − оптимальная в данный
момент времени, определенная ранее.
Приставка после пакета является тестовым сигналом для приёмника корреспондента; она позволяет определить оптимальную частоту в момент окончания информационного пакета. Тестовый сигнал
может быть сформирован в виде посылки из N радиоимпульсов, несущие частоты которых разнесены
на интервал ΔF (например, N = 8 частот с интервалом ΔF = 4 МГц в полосе 28 МГц). Приёмная станция
определяет самую «оптимальную» частоту, например, по критерию сигнал/шум.
Но далее эта информация об оптимальной частоте не передаётся на другую станцию. Эту частоту
приёмная станция использует сама: на этой частоте она посылает свой пакет информации, сопроводив
его новой преамбулой и т.д.
Здесь использован «принцип взаимности»: при перемене местами приёмника и передатчика на
интервале условия распространения не меняются, поскольку среда – линейная. Т.е. оптимальную частоту – можно использовать и для передачи в обратном направлении.
Итак, приёмная сторона, определив оптимальную частоту, сама её использует, посылая свой пакет информации. В результате происходит непрерывное зондирование тропосферы в некоторой полосе
частот (28 МГц) и перед передачей каждого пакета информации приёмник выбирает оптимальную из
N = 8 частот несущую. Затем вся энергия «своего» передатчика расходуется только на этой оптимальной частоте, не тратится на другие, менее эффективные в данный момент частоты.
Таким образом, именно метод временного дуплекса позволил реализовать передачу информации
на оптимальных частотах без обратного канала, т.е. адаптацию частоты под изменяющиеся условия
распространения на трассе [3−5]. При этом несущая частота сигнала на интервале непрерывно меняется
случайным образом в полосе 28 МГц. (С учётом передаваемого спектра общая полоса сигнала составит
не более 32 МГц).
4. Особенности и преимущества ТРРС с временным дуплексом и адаптацией частоты
4.1. Важное достоинство перед всеми другими ТРРС, которое трудно переоценить − отсутствие
громоздких волноводных фильтров «дуплексера». Конструкция ТРРС в целом заметно упрощается.
4.2. Все станции – одинаковые, взаимозаменяемые, используют общую полосу частот и не разделяются на литеры «А» и «Б», как во всех ТРРС с частотным дуплексом. Упрощается эксплуатация, особенно мобильных станций, ЗИП, производство ТРРС.
4.3. Обеспечиваются уникальные возможности частотного маневрирования ТРРС. Для работы
ТРРС достаточно одной полосы 32 МГц, которая может выбираться в любой точке диапазона 600 МГц.
«Мёртвые» зоны по частоте отсутствуют, поскольку нет ограничивающих фильтров дуплексера. Передатчик и приёмник могут оперативно перестраиваться во всём диапазоне 600 МГц, выделенном в России для ТРРС (4,4−5,0 ГГц). В то же время ТРРС с частотным дуплексом передатчик и приёмник могут
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
15
перестраиваться только в полосе фильтров дуплексера, обычно не более 150−200 МГц Очевидно, что
эта достоинство особенно важно для мобильных военных станций.
4.4. Для военного применения важно также, что адаптация частоты повышает развед/помехозащищенность, так как несущая частота передатчика непрерывно изменяется по случайному
закону от пакета к пакету по не предсказуемому закону в рабочей полосе 32 МГц, в то время как полоса
пропускания приёмника не превышает 2−3 МГц.
4.5. Следует отметить, что временной дуплекс является единственно возможным вариантом для
тех ведомств, которым выделена относительно узкая полоса частот, где нет возможности образовать
частотный дуплекс.
4.6. Использование автовыбора из N = 8 частот эквивалентно 8-кратному разнесённому приёму и
эффективно обеспечивает подавление быстрых замираний сигнала. В результате энергетическая эффективность ТРРС повышается на 3–3,5 дБ по сравнению со всеми другими методами (при одинаковых
средней мощности и трафике) [6, 7, 8, 11].
4.7. Выигрыш в отношении сигнал/шум на приёме позволяет снизить энергопотребление вдвое
по сравнению со всеми другими ТРРС, что особенно важно в малонаселённых отдалённых регионах
страны.
4.8. Полевые испытания выявили ещё одно неожиданное преимущество ТРРС с временным дуплексом и адаптацией частоты: в этой системе, в отличие от станций с «частотным дуплексом», не возникают нарушения связи при пересечении авиационными средствами зоны переизлучения на трассе
тропосферного канала. Однако механизм происходящих процессов в тропосфере требует дальнейшего
изучения.
4.9. Наконец, важнейшим преимуществом самого метода временного дуплекса является реальная
возможность радикального повышения надёжности ТРРС. Очевидно, что повышение эксплуатационной надёжности сегодня -актуальная стратегическая задача модернизации ТРРС. Это особенно важно
при работе в отдалённых и малонаселённых регионах, в том числе в Арктике, где ремонт ТРРС проблематичен.
Дело в том, что современные мощные передатчики ТРРС – уникальные и дорогие устройства,
определяющие габариты и стоимость станций. Надёжность их совершенно недостаточна, но резервировать их в составе ТРРС обычно не представляется возможным по технико-экономическим причинам. К тому же они используют дефицитные зарубежные (санкционные) мощные электронные компоненты.
Известным методом повышения надёжности является создание высокопотенциальных фазированных антенных решёток (ФАР), состоящих из набора излучателей меньшей мощности, сигналы
которых когерентно складываются в эфире практически без потерь. Например, антенное полотно, состоящее из 4×4 = 16 излучателей каждый с выходной мощностью 50 Вт и с усилением элементарной
антенны 26 дБ, может обеспечить суммарную мощность излучения 50×16 = 800 Вт и результирующий коэффициент усиления антенны 26 + 12 = 38 дБ.
Таким «элементарным» базовым излучателем может быть антенный приёмопередающий модуль
(АППМ), и именно создание такого АППМ является актуальнейшей задачей. На основе АППМ станет возможным создавать различные варианты антенных решёток для ТРРС, в зависимости от требуемых дальности связи и трафика.
Использование унифицированных АППМ для комплектования перспективных высоконадёжных
ТРРС позволит заменить мощный СВЧ передатчик набором маломощных передатчиков с синфазным
сложением их мощности в эфире. Выход из строя одного АППМ не приведёт к нарушению связи, поэтому надёжность ТРРС будет несравненно выше и впервые приблизится к показателям РРС прямой
видимости.
Создание АППМ и синфазной антенной решётки означало бы существенный технологический
прорыв в отечественной и мировой технике тропосферной связи.
Однако в ТРРС с частотным дуплексом создание АППМ затруднено тем, что каждый АППМ
должен содержать свой волноводный дуплексер; кроме того, частоты приёма и передачи станции
значительно разнесены, что также усложняет фазирование трактов.
В то же время в ТРРС с временным дуплексом приёмник и передатчик работают практически на
одной частоте, каждый модуль не содержит дуплексера и поэтому легко фазируется, что существенно
облегчает создание АППМ.
16
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
ISSN 1729-2670
Таким образом, именно временной дуплекс облегчает решение задачи обеспечения высокой
надёжности ТРРС, необходимой для эксплуатации в отдалённых и малонаселённых регионах, в том
числе в Арктике, где ремонт ТРРС проблематичен.
5. Основные направления развития ТРРС с временным дуплексом
5.1. Повышение надёжности путём реализации ФАР
При создании нового поколения ТРРС с временным дуплексом необходимо решить ряд новых
технических задач, в том числе:
• Разработать лёгкие, высокоточные конструкции фазированных антенных решёток (ФАР), состоящих
из различного числа АППМ, с суммарной излучаемой мощностью от 400 до 2500 Вт, в зависимости
от числа и типа входящих АППМ. Должны быть созданы модификации ФАР как для работы в условиях крайнего Севера, так и для южных регионов, в том числе для работы в ряде стран Азии и Африки.
• Создать планарные импульсные приёмопередатчики в диапазоне 4,4−5,0 ГГц с различной выходной
импульсной мощностью (50−100 Вт) с программно управляемыми фазовыми характеристиками,
обеспечивающие возможность эффективного когерентного суммирования в эфире сигналов СВЧ от
всех модулей, входящих в ФАР.
• Создать планарные печатные антенны, конструктивно интегрированные в состав АППМ и позволяющие программно изменять поляризацию – горизонтальную или вертикальную.
• Разработать «материнское» приёмо-передающее устройство, раздающее и собирающее сигналы
СВЧ от всех АППМ, входящих в ФАР, и конвертирующее частоты СВЧ в сигналы ПЧ 70 МГц.
• Разработать встроенную в АППМ систему мониторинга и управления с частотным уплотнением
всех сигналов ТУ-ТС с сигналами СВЧ в едином коаксиальном фидере, подключённом к АППМ.
• Разработать универсальную систему кабельного уплотнения, позволяющую вынести высокопотенциальный антенный пост ТРРС на сотни метров от аппаратной, при соединении с аппаратной одним
коаксиальным кабелем (например, типа РК50-7-314).
• Разработать систему местной виртуальной служебной связи между вынесенным антенным постом и
аппаратной, не зависящую от вида модуляции и трафика ТРРС.
• Разработать «бескабельную» систему дистанционного управления устройствами наведения антенного поста без дополнительных соединительных кабелей.
5.2. Снижение энергопотребления
Это решается методом адаптации частоты (когнитивной обработки сигналов), при котором
вдвое снижается требуемая мощность передатчика (следовательно, и расход энергии). Для этого
должны быть разработаны основные составные части, реализующие когнитивный принцип приёмопередачи в тропосферном канале связи, в том числе разработать:
• систему тестирования тропосферы и определения текущей оптимальной частоты, на которой коэффициент передачи среды максимален.
• систему передачи очередного информационного пакета на оптимальной частоте, для посылки его на
встречную станцию.
• систему надёжного оповещения встречной станции о частоте несущей очередного информационного пакета.
• систему когерентной импульсной подстройки приёмного устройства под оптимальную частоту.
• систему синхронизации режимов работы всех составных частей ТРРС, начального поиска и вхождения в связь ведущей и ведомой ведущей станции.
5.3 Замечания о недостатках ТРРС временным дуплексом
На малых интервалах, в отсутствие быстрых замираний, ТРРС с частотным дуплексом работает
в режиме обычной РРС (только без мачты), поэтому скорость передачи может быть, как в РРС −
34 Мбит/с и более. (Это качество может быть использовано в высокомобильных ТРРС). В этих же
условиях, в отсутствие быстрых замираний, оптимальной частоты не существует, поэтому ТРРС с
временным дуплексом работает также в режиме обычной РРС. Но принцип временного дуплекса, как
известно, расширяет спектр сигнала в 2,5−3 раза, поэтому во столько же раз уменьшается пропускная
способность канала. В результате при временном дуплексе на малых интервалах пропускная способность канала не превысит 8−10 Мбит/с.
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
17
Но ТРРС с временным дуплексом (да и вообще все ТРРС) как раз и предназначены в основном
для больших интервалов загоризонтной связи с многолучевым распространением и быстрыми замираниями радиосигналов.
Заключение
1. Создание нового поколения релейно-тропосферной техники на базе принципов адаптации
частоты излучения к среде распространения позволит сделать существенный технологический прорыв в отечественной и мировой технике тропосферной связи, в том числе снизить энергопотребление, расширить возможности её практического применения для создания любых ТРРС – военных и
гражданских, мобильных и стационарных, на малые и большие интервалы − до 300 км [9, 10].
2. Полная унификация базовых модулей, отсутствие сложных волноводных конструкций (фильтров, волноводных переключателей и т.п.), замена мощных передатчиков набором маломощных модулей в рамках ФАР обеспечит значительное повышение надёжности аппаратуры и заметное снижение себестоимости производства ТРРС по сравнению со всеми существующими отечественными
образцами. К тому же для производства базовых модулей – основы ТРРС-не потребуются использовать дефицитные мощные «санкционные» зарубежные элементы СВЧ, что повышает технологическую безопасность страны.
3. Сочетание необходимых технических параметров с широким набором дополнительных потребительских качеств, гибких эксплуатационных возможностей по размещению ФАР на различном
удалении от аппаратной, даже на удалённых высоких сооружениях, длительная работа без технического обслуживания, − всё это обеспечит высокую конкурентоспособность и широкие рыночные перспективы для ТРРС, не только в России, но и за рубежом.
Список литературы
1. Серов В.В., Сеченых А.М. Развитие тропосферной связи в МНИРТИ. История и перспективы
применения. – «ИНФОРМОСТ» − «Радиоэлектроника и Телекоммуникации». − № 4 (46). – 2006 −
С.37−39.
2. Клиот Е.И., Козлов Д.Г. Исследование помехоустойчивости тропосферной радиолинии с адаптацией частоты. – Радиотехника. – 1994. − № 11 − С. 62−68.
3. Серов В.В. Особенности распространения радиоволн в загоризонтных системах радиосвязию. −
Электросвязь. – 2009. − № 1 − С. 38−42.
4. Мацков А.А., Серов В.В., Чернобельский Л.И. Перспективы использования линий загоризонтной
связи. – Электросвязь. – 2006. − № 8 − С. 33−37.
5. ФГУП “МНИРТИ” Способ передачи и приема информации пакетами и устройство для его осуществления. Патент на изобретение № 2411651. – 2011.
6. Серов В.В. Адаптивная система передачи высокоскоростных сигналов в многолучевом канале с
замираниями. − Электросвязь. – 2010. − № 5 − С. 26−29.
7. Серов В.В. Тропосферная связь. История и перспективы. – Технологии ЭМС. – 2012. − №2 (41) –
С. 55−60.
8. Серов В.В. Система связи с адаптацией ветвей разнесения сигналов на передаче. − Электросвязь,
− 2008. − № 7. − С. 26−29.
9. Невзоров Ю.В., Шевырёв А.В., Мырова Л.О. Состояние и перспективы создания аппаратуры нового поколения радиорелейных, тропосферных, спутниковых систем связи и средств радиоэлектронного подавления помех. − Успехи современной радиоэлектроники. − 2014. − № 2 − С. 3−9.
10. Безруков В.Г, Мусаелян С.А. Радиорелейная связь для вооружённых сил: вчера, сегодня, завтра. −
Технологии ЭМС. − 2012. − № 2 (41) – С. 23−25.
11. Мацков А.А., Муха Р.Н., Серов В.В., Цодикова М.И. Принципы построения линии загоризонтной
связи с выбором оптимальной частоты. − Технологии ЭМС. − 2012. − №2 (41) − С. 61−67.
Акционерное общество «Московский научно-исследовательский радиотехнический институт» (АО
«МНИРТИ»), 109028, г. Москва, переулок Трехсвятительский Б., 2/1, т. +7(495)626 2344
Статья поступила 20.09.2017
18
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
ISSN 1729-2670
Авторы
Переломов Валентин Николаевич, временный генеральный директор АО «МНИРТИ», Россия,
109028, г. Москва, переулок Трехсвятительский Б., 2/1. Тел.: раб. +7(495)626 2344
Мырова Людмила Ошеровна, д.т.н., профессор, начальник отдела обеспечения научных исследований, АО «МНИРТИ», Россия, 109028, г. Москва, переулок Трехсвятительский Б., 2/1. Тел.: раб.
+7(495)626 2344
Попов Иван Сергеевич, ведущий инженер АО «МНИРТИ», Россия, 109028, г. Москва, переулок
Трехсвятительский Б., 2/1. Тел.: раб. +7(495)626 2344
Мусаелян Сергей Артаваздович, к.т.н., доцент, главный конструктор, АО «МНИРТИ», Россия,
109028, г. Москва, переулок Трехсвятительский Б., 2/1. Тел.: раб. +7(495)626-2344.
Perelomov V.N., Myrova L.O., Popov I.C., Musaelyan S.A.
Improving
hardware reliability
and energy
communications station with high noise immunity
potential
of
promising
tropospheric
Abstract. In the article, we compared tropospheric microwave stations with frequency and time division duplex. The construction of promising tropospheric stations using the time division duplex and the adaptation
of operating frequencies to propagation conditions is proposed. The process of adaptation is performed periodically communication channel with propagation conditions estimation signals on 8 frequencies, spaced in
increments of 4 MHz to 32 MHz band. Then the information packet is transmitted on one of these frequencies, for which propagation conditions are best. In this case, increased protection and immunity, since the
frequency of radiation continuously varies by random law. We also have an additional energy gain of about 3
dB and a reduction in power consumption by about half, (which is important for sparsely populated regions)
Time division duplex of the receiver and the transmitter makes it possible to exclude from the station a
waveguide path with a duplexer. Also we can effectively use the frequency range, simplify the implementation of unified antenna modules in a phased array antenna that will replace the powerful transmitter with a
set of low-power modules. This, in turn, will provide a radical increase in the reliability of the equipment of
the station.
The concept of further radical modernization of the tropospheric stations is formulated in the article,
the main technical tasks are indicated, the solution of which will ensure the improvement of the equipment
reliability, the reduction of energy consumption and the improvement of a number of operational characteristics.
Key words: frequency adaptation, time division duplex, frequency division duplex, over-the-horizon
communication, fast fading, multipath, noise immunity, optimum frequency, power gain, antenna array.
References
1. Serov V.V., Sechenyh A.M. Razvitie troposfernoj svjazi v MNIRTI. Istorija i perspektivy primenenija
[Development of tropospheric communication in MNIRTI. History and prospects of application].
«INFORMOST» − «Radiojelektronika i Telekommunikacii», 2006, no. 4 (46), pp. 37−39 (in Russia).
2. Kliot E.I., Kozlov D.G. Issledovanie pomehoustojchivosti troposfernoj radiolinii s adaptaciej chastoty
[Research of interference immunity of tropospheric radio frequency adaptation.]. − Radiotehnika, 1994,
no. 11, pp. 62−68 (in Russia).
3. Serov V.V. Osobennosti rasprostranenija radiovoln v zagorizontnyh sistemah radiosvjaziju [Features of
propagation of radio waves in over-the-horizon radio systems]. − Jelektrosvjaz', 2009, no. 1, pp. 38−42
(in Russia).
4. Mackov A.A., Serov V.V., Chernobel'skij L.I. Perspektivy ispol'zovanija linij zagori-zontnoj svjazi [Prospects for the use of over-the-horizon communication lines]. − Jelektrosvjaz', 2006, no. 8, pp. 33−37 (in
Russia).
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
19
5. FSUE “MNIRTI”. Sposob peredachi i priema informacii paketami i ustrojstvo dlja ego osushhestvlenija
[A method for transmitting and receiving information in packets and an apparatus for implementing it].
Patent RF, no. 2411651, 2011 (in Russia).
6. Serov V.V. Adaptivnaja sistema peredachi vysokoskorostnyh signalov v mnogoluchevom ka-nale s zamiranijami [Adaptive transmission system for high-speed signals in a multipath channel with fading]. −
Jelektrosvjaz', 2010, no. 5, pp. 26−29 (in Russia).
7. Serov V.V. Troposfernaja svjaz'. Istorija i perspektivy [Tropospheric communication. History and prospects.]. − Tekhnologii elektromagnitnoi sovmestimosti, 2012, no.2 (41), pp.55−60 (in Russia).
8. Serov V.V. Sistema svjazi s adaptaciej vetvej raznesenija signalov na peredache [The communication
system with adaptation of the spaced branches of the transmission signals]. − Jelektrosvjaz', 2008, no. 7,
pp. 26−29 (in Russia).
9. Nevzorov Ju.V., Shevyrjov A.V., Myrova L.O. Sostojanie i perspektivy sozdanija apparatury novogo
pokolenija radiorelejnyh, troposfernyh, sputnikovyh sistem svjazi i sredstv radiojelektronnogo podavlenija pomeh [Status and perspectives of radio relay, tropospheric, satellite communication systems and radio electronic suppression of interference]. − Uspehi sovremennoj radiojelektroniki, 2014 no. 2 pp. 3−9
(in Russia).
10. Bezrukov V.G, Musaeljan S.A. Radiorelejnaja svjaz' dlja vooruzhjonnyh sil: vchera, segodnja, zavtra
[Radio Relay Communication for the Armed Forces: Yesterday, Today, Tomorrow]. − Tekhnologii elektromagnitnoi sovmestimosti, 2012, no.2 (41) pp. 23−25 (in Russia).
11. Mackov A.A., Muha R.N., Serov V.V., Codikova M.I. Principy postroenija linii zagorizontnoj svjazi s
vyborom optimal'noj chastoty [Principles for constructing a line of over-the-horizon communication with
the choice of the optimal frequency]. − Tekhnologii elektromagnitnoi sovmestimosti, 2012, no. 2 (41),
pp. 61−67 (in Russia).
JSC "MNIRTI", Bol'shoy Trekhsvyatitel'skiy pereulok, 2/1, 109028, Moscow, Russian Federation,
+7(495)626 2344
Authors
Perelomov Valentin Nikolaevich, Interim General Director, JSC "MNIRTI", Bol'shoy Trekhsvyatitel'skiy
pereulok, 2/1, 109028, Moscow, Russian Federation, +7(495)626 2344
Myrova Lyudmila Osherovna, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department for Scientific Research, JSC "MNIRTI", Bol'shoy Trekhsvyatitel'skiy pereulok, 2/1, 109028, Moscow, Russian Federation, +7(495)626 2344
Popov Ivan Sergeevich, Leading Engineer, JSC "MNIRTI", Bol'shoy Trekhsvyatitel'skiy pereulok, 2/1,
109028, Moscow, Russian Federation, +7(495)626 2344
Musaelyan Sergey Artavazdovich, Ph.D., Associate Professor, Chief Designer, JSC "MNIRTI",
Bol'shoy Trekhsvyatitel'skiy pereulok, 2/1, 109028, Moscow, Russian Federation, +7(495)626-2344
20
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
ISSN 1729-2670
УДК 537.8
Б.Н. Городецкий, Н.Л. Кучин
Оценка радиационно-наведенных помехонесущих
электромагнитных полей в экранированных объемах
Объект и цель научной работы. Рассмотрены механизмы формирования радиационно-наведенных электромагнитных полей. Показана возможность упрощения исходной постановки задачи. Получены приближенные
формулы для оценки радиационно-наведенных токов, зарядов и электрической проводимости, которые входят в электродинамическую задачу определения электромагнитного поля как сторонние источники и параметры.
Материалы и методы. В работе используются методы классической
электродинамики и радиационной физики на основе рассмотрения радиационно-наведенных токов, зарядов и электрической проводимости как источников вторичного электромагнитного поля.
Основные результаты. Обоснованы модели и получены формулы для
оценки характеристик радиационно-наведенных электромагнитных полей
внутри многосвязных разнородных металлических оболочек. Оценены пределы их применимости и сделанные допущения. Сложность решенной задачи
определяется необходимостью совместного рассмотрения уравнений радиационной физики и электродинамики.
Заключение: выводы, теоретическая ценность исследования, практическое значение итогов работы. На основе рассмотрения механизмов
формирования вторичного электромагнитного импульса, обусловленного сопутствующим ионизирующим излучением ядерно-физических источников излучения, показано, что уровень вторичного электромагнитного импульса
определяется величинами радиационно-наведенных стороннего тока электронов, заряда и электрической проводимости, которые обусловлены взаимодействием гамма-излучения с веществом и входят в уравнения Максвелла
как сторонние источники и параметры. Полученные приближенные формулы для оценки характеристик радиационно-наведенных электромагнитных
полей могут быть использованы для оценки эффективности специальных
средств защиты радиоэлектронных средств на ранних стадиях их проектирования.
Ключевые слова: электромагнитный терроризм, ядерно-физические источники излучения,
ионизирующее излучение, радиационно-наведенное электромагнитное поле, электромагнитный
импульс, металлические экраны, радиоэлектронные средства
1. Постановка задачи
Значительная часть практических задач, связанных с обеспечением стойкости аппаратурных
комплексов и другого оборудования к электромагнитным воздействиям, приводит к необходимости
оценки уровней помехонесущих электромагнитных полей внутри экранированных корпусных
конструкций [1]. При этом наиболее опасными являются внешние преднамеренные
электромагнитные воздействия террористической и военной направленности, обусловленные ядернофизическими источниками излучения [2−4]. Формирование помехонесущего электромагнитного поля
внутри корпусных конструкций происходит в условиях воздействия как первичного
электромагнитного импульса (ЭМИ), обусловленного ядерно-физическими процессами в эпицентре
источника излучения, так и внутреннего вторичного электромагнитного импульса (ВЭМИ),
обусловленного радиационным взаимодействием потока сопутствующего ионизирующего излучения
(ИИ) со средой, а также материалами корпусных конструкций и их насыщения (радиоэлектронные
компоненты и пр.) [5]. В результате этих процессов на радиоэлектронные средства, находящиеся
внутри корпусных конструкций, воздействует совокупность первичного ЭМИ, вторичного ЭМИ и
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
21
ИИ, от синергетического поражающего действия которых должны быть защищены указанные
радиоэлектронные средства.
Следует отметить, что, с практической точки зрения, экспериментальная проверка стойкости
радиоэлектронных средств при синергетическом воздействии первичного ЭМИ, ВЭМИ и ИИ
является наиболее сложной задачей среди проводимых испытаний на стойкость к внешним
воздействиям из-за невозможности воспроизведения реальных ядерно-физических источников
излучения. При этом разработка расчетных алгоритмов приводит к необходимости совместного
решения задач радиационной физики и электродинамики.
В этой связи возникает необходимость создания и обоснования специальных физикоматематических моделей формирования ВЭМИ, которые, с одной стороны, могут быть положены в
основу расчетных алгоритмов, а, с другой стороны, позволят создать инженерные методики
прогнозной оценки стойкости радиоэлектронных средств на ранних стадиях их проектирования,
позволяющие концептуально определиться с основными путями и номенклатурой необходимых
средств защиты в соответствии с существующими требованиями,
Как известно [6], под ИИ понимают любое излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию неравновесных электрических зарядов разных знаков. Под радиационной стойкостью [1] понимают способность радиоэлектронных средств функционировать в штатном режиме в
процессе и после воздействия ИИ, которое может представлять собой поток заряженных и (или) незаряженных частиц различного происхождения. Для рассматриваемых ядерно-физических источников излучения ИИ состоит из незаряженных нейтральных частиц (нейтроны и фотоны), которые вызывают ионизацию вещества через вторичные заряженные частицы, образующиеся в результате взаимодействия первичных частиц с атомами среды. ∗
Радиационные воздействующие факторы могут вызвать (или вызывают) нарушение работоспособности радиоэлектронных средств и их отдельных компонентов в процессе штатного функционирования. В соответствии с существующими представлениями, отраженными в нормативных документах, рассматриваемые источники ИИ обусловливают появление импульсных потоков нейтронного и гамма-излучения (ГИ) высокой интенсивности. Энергия, образующаяся в результате ядерных
реакций в источнике излучения, передается осколкам деления, ядрам отдачи, заряженным частицам и
гамма – квантам, а также приводит к радиационному нагреву вещества. При воздействии ИИ на радиоэлектронные средства длительность воздействия гамма-квантов практически не зависит от размеров объекта и расстояний до него от источника ИИ.
Нормируемые амплитудно-временные и спектрально-энергетические характеристики ИИ, а
также соотношения составляющих нейтронного и ГИ зависят от типа и параметров ядернофизического источника излучения, расстояния до него и определяются соответствующей нормативной базой (см., например, [4]).
Анализ особенностей импульсных ионизирующих воздействий для возможных условий эксплуатации радиоэлектронных средств показывает, что уровень этих воздействий на радиоэлектронные средства определяется такими характеристиками радиационных полей, как пространственные,
временные и энергетические распределения. При этом для оценки стойкости радиоэлектронных
средств к воздействию ИИ целесообразно перейти от энергетических и временных распределений
воздействующего ИИ к параметрам (величинам), характеризующим степень радиационного воздействия ИИ на радиоэлектронные средства. К таким параметрам относятся: интегральный поток и
плотность потока частиц, мощность дозы излучения, экспозиционная доза и мощность экспозиционной дозы. Указанные параметры отражают процесс непосредственного взаимодействия излучения с
веществом – средой, материалами корпусных конструкций и внутренним насыщением. Рассмотрение
механизмов и физико-математической модели формирования радиационно-наведенных электромагнитных полей (ЭМП) в внутри корпусных конструкций показало, что уровни этих полей определяются, по существу, мгновенным ГИ ядерно-физического источника излучения.
∗
Такое излучение называют ионизирующим косвенно в отличие от ионизации, обусловленной потоком заряженных частиц, энергия которых достаточна для ионизации и возбуждения атомов вещества
(α- и β-излучения радионуклидов, пучки протонов, пучки электронов и пр.).
22
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
ISSN 1729-2670
В общем случае обобщенная расчетная модель экранирующих корпусных конструкций с элементами набора и перегородок может быть представлена как многосвязная оболочка сложной формы
(рис. 1).
Рис. 1. Обобщенная модель для определения характеристик ЭМИ
при синергетическом воздействии ионизирующего и электромагнитного излучений
Пространство, в котором рассматривается импульсное ЭМП (рис. 1), включает в себя окружающую среду I (как правило, воздушную), область внутри обшивки и элементов корпусных конструкций II и внутренние экранированные объемы III. Пусть число подобластей равно «m». При этом вне
ферромагнитных корпусных конструкций µ k = µ 0 , а в окружающей воздушной среде и во внутренних экранированных объемах σ k = 0 . Тогда задача определения импульсного электромагнитного поля, обусловленного ядерно-физическим источником излучения, сводится к решению уравнений
Максвелла в кусочно-неоднородной среде, состоящей из «m» подобластей:
s
r
r
r
r
r
r ∂D r
∂B
rotH = σ E +
+ j , rotE = −
, divD = q , divB = 0
∂t
∂t
СТ
СТ
СТ
(1)
при следующих материальных соотношениях для среды
r
где: jСТ , q , σ
r
r r
r
B = µH ; D = εE ,
(2)
− обусловленные ИИ ядерно-физического источника радиационно-наведенные сторонние плотность тока (РСТ), заряд (РНЗ) и электрическая проводимость (РНЭ), соответственно; E и
H –напряженности электрического и магнитного полей, t – время.
При этом первичный ЭМИ обычно рассматривается как падающая плоская волна с заданной
зависимостью E , H = f EH (t ) , а на границах раздела смежных подобластей «i» и «k» в отсутствие поверхностных зарядов и токов выполняются естественные граничные условия для характеристик
ЭМП:
СТ
где
r
n
СТ
r
r
r
r r
[n (H i − H k )] = 0 ,
[ n Ei − E k ] = 0 ,
r
r
r
r
r
r
[ n σ i Ei − σ k E k ] = 0 , [ n µ i H i − µ k H k ] = 0 ,
(
(
)
)
(
)
(3)
− нормаль к границе раздела подобластей.
Таким образом, ЭМП, обусловленное поражающими факторами ядерно-физическим источником излучения, как вне, так и внутри экранированных объемов определяется совокупностью воздействующего первичного ЭМИ и ВЭМИ, связанного с наличием радиационно-наведенных источников:
r
РСТ и РНЗ, которые входят в уравнения Максвелла (1) как jСТ и q .
Процессы формирования ЭМП снаружи и внутри корпусных конструкций (экранирующей оболочки) будут отличаться друг от друга. Снаружи амплитудно-временные характеристики первичного
ЭМИ не отличаются существенно от заданных (без учета влияния эффекта дифракции ЭМП на корпусных конструкциях). При этом временные параметры ЭМИ аналогичны временным параметрам
импульса тока электронов и напряженности магнитного поля ВЭМИ.
СТ
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
23
Указанное обстоятельство приводит к тому, что формирование тока электронов, возникающих
при взаимодействии ГИ с веществом, а, соответственно, и ВЭМИ, будет происходить под влиянием
первичного ЭМИ ядерно-физического источника излучения. Это влияние проявляется в изменении
процессов, связанных с образованием свободных электронов в окружающей среде. Рассмотрение отмеченного эффекта показывает, что электрическое поле с высокой напряженностью приводит к заметному уменьшению величины РСТ за счет уменьшения длины свободного пробега электронов в
связи с дополнительными затратами энергии электронов на преодоление силового действия поля. В
свою очередь действие сильного магнитного поля приводит не только к уменьшению амплитуды РСТ
с ростом величины напряженности магнитного поля, но и к существенному искажению временных
характеристик импульса РСТ. Кроме того, влияние первичного ЭМП проявляется в изменении пространственного распределения РСТ при воздействии внешнего поля. Эти обстоятельства не позволяют определять ЭМП снаружи экрана в виде суперпозиции независимо найденных ВЭМИ и ЭМИ ЯВ.
Наибольший практический интерес представляет исследование формирования импульсного
ЭМП внутри экранирующих корпусных конструкций, где сосредоточена большая часть радиоэлектронных средств. Главной особенностью электромагнитной обстановки внутри экрана является возрастающая роль ВЭМИ в формировании ЭМП. Это связано с тем, что первичный ЭМИ существенно
(на несколько порядков) ослабляется металлическими корпусными конструкциями, а его временные
параметры изменяются в сторону существенного увеличения длительностей фронта и импульса.
Еще более значительные изменения происходят с амплитудно-временными параметрами
ВЭМИ при прохождении его через обшивку корпусных конструкций, поскольку плотность РСТ (и
характеристики ЭМИ) меняются во времени быстрее, чем для первичного ЭМИ, а эффект экранирования за счет вихревых токов в элементах корпусной обшивки является более существенным. В этой
связи влиянием ВЭМИ, обусловленным протеканием РСТ снаружи, на электромагнитную обстановку
внутри корпусных конструкций можно пренебречь.
В рамках принятой модели РСТ временные параметры импульса РСТ, а, соответственно, и характеристики ВЭМИ, не меняются при прохождении ГИ через обшивку корпусных конструкций. Отсюда следует, что первичный ЭМИ и ВЭМИ внутри экрана оказываются сдвинутыми во времени и
поэтому с достаточной для практики точностью могут определяться независимо друг от друга.
Несколько сложнее обстоит дело, если корпусные конструкции имеют сквозные отверстия
(вентиляция и пр.). В этом случае временные параметры первичного ЭМИ при прохождении его через отверстия практически не меняются, а амплитуда быстро уменьшается при удалении от отверстия. Последнее обстоятельство дает возможность не учитывать влияние первичного ЭМИ внутри
экрана на расстояниях, превышающих несколько характерных размеров отверстия.
При рассмотрении вопросов формирования ВЭМИ внутри экранирующих корпусных конструкций с целью прогнозирования количественных характеристик ВЭМИ может быть принята следующая физико-математическая модель.
Как уже отмечалось выше, в этом случае задача определения характеристик ВЭМИ сводится к
решению уравнений Максвелла (1), (2) с граничными условиями (3). При этом, поскольку внутренние
экранированные объемы, как правило, представляют собой замкнутые металлические оболочки,
определение характеристик ВЭМИ целесообразно производить для каждого отдельного экранированного объема, пренебрегая влиянием остальных объемов. Тогда модель для определения ВЭМИ
ядерно-физического источника излучения будет иметь следующий вид. На некоторую полость, заполненную воздухом и заключенную в металлическую оболочку, воздействует поток ГИ, который
вызывает внутри полости ток, изменяющийся во времени по закону изменения плотности потока ГИ.
При этом полагают, что в сечении, перпендикулярном падающему проникающему излучению, плотность РСТ постоянна, а с расстоянием экспоненциально убывает вследствие ослабления потока проникающего излучения при прохождении через полость.
Строго говоря, такое представление временного и пространственного распределений РСТ в
пределах полости является приближенным. Так, в частности, при удалении от источника ГИ временная зависимость мощности ГИ меняется (происходит увеличение длительностей фронта и импульса).
Кроме этого, нарушается осесимметричный характер распределения плотности РСТ за счет влияния
формы экранированного объема. Однако учет этих эффектов и их математическое описание наталкивается на значительные трудности, и поэтому в рамках рассматриваемой модели эти эффекты не учитываются.
24
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
ISSN 1729-2670
Появление РСТ в полости приводит к переносу электрического заряда в пределах оболочки и,
следовательно, к возникновению «обратного» тока в материале оболочки. Плотность этого тока также будет входить в первое уравнение (1) как сторонняя. Таким образом, в результате пространственного разделения зарядов на незамкнутых металлических элементах оболочки появляются радиационно-наведенные потенциалы, а в случае оболочки − дополнительный сторонний ток (сторонний ток
включает в себя и РСТ), протекающий по оболочке.
Второй эффект, появляющийся при падении на полость проникающего ионизирующего излучения, связан с торможением быстрых заряженных частиц и образованием в связи с этим большого
количества медленных вторичных заряженных частиц. Наличие этих частиц приводит к появлению в
среде РНЭ. При этом РНЭ имеет место как внутри экранированного объема, так и снаружи. Отсюда
следует, что расчетная модель для определения ВЭМИ представляет собой металлическую оболочку,
вне и внутри которой находится проводящая среда.
В заключение отметим, что наличие ГИ принципиально может отразиться на магнитных и диэлектрических свойствах среды, что приведет к изменению магнитной и диэлектрической проницаемостей в (1). Однако отсутствие соответствующих результатов таких исследований в технической
литературе не позволяет оценить указанные изменения, и в связи с этим в рамках рассматриваемой
модели принимается, что магнитная и диэлектрическая проницаемости среды при воздействии ГИ не
меняются.
Таким образом, для оценки ВЭМИ внутри корпусных конструкций в экранированных объемах
необходимо предварительно определить радиационно-наведенные параметры источников поля, которые входят в уравнения (1).
2 Расчетная модель для оценки плотности РСТ
Для оценки величины радиационно-наведенных сторонних токов, которые являются определяющими при формировании ВЭМИ, может быть использован следующий методический подход,
предложенный в работах Пупова А.Д. и Кадомцева А.А.
Построим модель реальных корпусных конструкций (экранирующей оболочки) в виде цилиндрической оболочки, в которую вписываются реальные корпусные конструкции, с диаметром, соответствующим максимальному размеру корпусных конструкций в направлении, перпендикулярном к
направлению распространения гамма-излучения.
В качестве исходных данных для расчета плотности РСТ выбираются мощность дозы гаммаизлучения, воздействующего на объект, Pγ , P/c и длины свободных пробегов электронов λe и гамма-квантов
λγ
в материале экрана (корпусных конструкций) и в среде.
Тогда плотность РСТ (А⋅м−2), возбуждаемого внутри корпуса, оценивается как
z
 λ 
−
λ  
λ
e
(4)
jγ ( z , t ) = eФγ (t )  ⋅ e +  e   ,
λ
λ
 γ  экр.
 γ  ср. 
Кл − заряд электрона; z − координата, совпадающая по направлению с направe
−19
где: е = 1,6 ⋅ 10
лением распространения гамма-излучения и отсчитываемая от внутренней поверхности облучаемого
основания цилиндрической модели.
Связь между мощностью дозы Pγ и плотностью потока гамма-излучения Фγ (м-2⋅с-1) устанавливается соотношением
Фγ = R (Wγ )Pγ ,
(5)
где: Wγ − средняя по спектру энергия падающего гамма-излучения, в расчетах принимается, что
Wγ = 1,0 МэВ; k (Wγ ) − коэффициент, связывающий величину мощности экспозиционной дозы гам-
( )
ма-излучения с плотностью потока, k Wγ = 1,9 ⋅ 1013 м-2⋅Р−1.
Величины
λe
определяются по данным [6], при этом
λe
(МэВ), связанной с энергией гамма-квантов Wγ соотношением
берутся для энергии электронов
Wе
25
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
ISSN 1729-2670


 1 + Wγ



0,51
We = 1,02
− 1.
W
 1 + 2 γ

0,51 

(6)
Ограничение величины плотности РСТ полем пространственного заряда при мощности дозы
11
δ
ГИ Рγ > 10 Р/с приближенно учитывается введением показателя δ для Рγ в виде Рγ , где
11
при Pγ ≤ 10 P c
.
при P > 1011 P c
γ
1
δ =
0,92
Ослабление мощности дозы гамма-излучения предыдущими корпусными конструкциями предлагается учитывать с помощью соотношения

∆Z 
Pγ = Pγ exp − ∑ i  ,
 i l 
rel 

(7)
0
i
где:
Pγ − мощность дозы гамма-квантов, падающих на внешнюю поверхность объекта; ∆Z i − тол0
щина слоя i-го материала;
lrel
i
− длина релаксации мощности дозы гамма-излучения ядерно-
физического источника излучения для i-го материала. Величины
lrel
для типичных корпусных ма-
териалов приведены в [6].
Выражение (4) получено в предположении моноэнергетичности электронов. Для случаев, когда
спектр гамма-излучения, генерирующего РСТ, существенно отличен от 1 МэВ, необходимо учесть
начальный спектр рождающихся комптоновских электронов. Для этого в выражение (4) следует ввести зависимость от энергии ГИ. Чтобы избежать интегрирования по энергии использовалось групповое представление плотности потока ГИ, состоящее в разбиении всей области энергий на конечные
интервалы и группы. Такой подход используется при решении кинетического уравнения переноса
ИИ в веществе. В результате чего получим выражение для оценки плотности РСТ (А⋅м−2):
 λ
jγ ( z , t ) = e∑ Фγ (t ) e
 λγ
i =1

n
i
i
i
z

−



λ
λ
 ⋅e i +  e   ,
λ  

 γ  ср. 
 экр
(8)
где: n − число энергетических интервалов, на которое разбивается спектр энергий гаммаi
излучения, обуславливающего появление РСТ; Фγ − i-ая групповая плотность потока гаммаизлучения, связанная с полной мощностью дозы следующим образом
Фγi = R Wγ i S Wγ i Pγ ,
( )( )
( )
(9)
где S Wγ i − относительная доля полной мощности дозы гамма-излучения из энергетического
интервала со средней энергией Wγ i .
Для учета ослабления гамма-излучения корпусными конструкциями можно использовать коэффициенты дифференциальной кратности ослабления мощности дозы гамма-излучения α Wγ i , Z 0 ,
(
)
имеющиеся в [6] для различных толщин Z 0 , что позволяет выполнить расчеты для наиболее типичных корпусных материалов.
Тогда групповая плотность потока ГИ за слоем материала толщиной Z 0 , относящаяся к энергетическому интервалу шириной
помощью коэффициента
дозы
Pγ
соотношением
∆Wγ
α (Wγ , Z 0 )
i
i
(
со средней энергией Wγ i , Фγ Wγ i , Z 0
)
(м−2⋅с−1) определяется с
по заданной на внешней (облучаемой) поверхности мощности
26
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
(
)
(
ISSN 1729-2670
)
( )
Фγi Wγ i , Z 0 = Pγ α Wγ i , Z 0 ∆Wγ i R Wγ i .
(10)
С учетом выражения (10) формула (8) примет вид:
 λ
jγ ( z , t ) = ePγ (t )∑ α Wγ i , Z 0 ∆Wγ i R Wγ i  e
 λγ
i =1

n
(
)
( )
i
i
z
−

 λe  
λ
i
 ⋅e +    .

λ  
 экр
 γ  ср. 
(11)
На основании проведенных численных оценок плотности РСТ можно сделать следующие выводы:
• на оцениваемые величины оказывает влияние учет или не учет изменения энергетического распределения гамма - квантов, обусловленного их взаимодействием с конструкционными материалами;
• отличие величины плотности РСТ при учете энергетического распределения гамма-излучения
ядерно-физического источника от величины плотности РСТ без учета последнего растет с увеличением суммарной толщины корпусных конструкционных материалов, предшествующих
рассматриваемому экранированному объему, в котором оценивается РСТ, причем это отличие
может достигать двух и более раз;
• для оценок величины плотности РСТ, появляющегося в экранированном объеме, непосредственно облучаемом гамма-квантами ядерно-физического источника излучения, целесообразно
использовать формулу (4), а для экранированных объемов, находящихся внутри корпусных
конструкций за дополнительными слоями их обшивки, более точный результат дают оценки по
формуле (8).
3. Расчетная модель для оценки РНЭ и РНЗ
При определении характеристик ВЭМИ внутри некоторого экранированного объема считается,
что средой, заполняющей экранированный объем, является воздух.
Физический механизм появления радиационно-наведенной электрической проводимости воздуха σ обусловлен тем, что при торможении быстрых «первичных» электронов, возникающих при
взаимодействии гамма-квантов ядерно-физического источника излучения со средой, заполняющей
экранированный объем, и корпусными конструкциями, возникает одно или несколько поколений
вторичных электронов. В результате развития лавин в воздухе от каждого из первичных электронов
образуется более 104 вторичных электронов, имеющих энергии от потенциала ионизации атомов и
молекул воздуха до тепловых, которые вносят основной вклад в электронную проводимость воздуха.
Вообще говоря, образовавшиеся в воздухе при прохождении гамма-излучения ядернофизического источника излучения электроны и положительные ионы могут вступать в реакции, как
между собой, так и с нейтральными молекулами. Результирующее состояние ионизации воздуха
определяется всем комплексом ионизационно-рекомбинационных процессов и ион-молекулярных
реакций. Однако, поскольку степень ионизации воздуха на сколько-нибудь существенном расстоянии
от эпицентра источника излучения не может быть очень велика, то для оценки возможной степени
ионизации воздуха можно полагать, что вторичные электроны и положительные ионы не рекомбинируют. При этом учет только электронной составляющей проводимости оправдан тем, что пока есть в
наличии свободные электроны, электронная проводимость воздуха значительно превышает его ионную проводимость. Электронный компонент проводимости воздуха при нормальных условиях превышает ионный компонент для высокой мощности дозы гамма-излучения, что, как правило, выполняется для ядерно-физических источников излучения.
Скорость возрастания плотности первичных электронов n в точке r в момент времени t , обусловленных гамма-квантами энергии Wγ с плотностью потока Фγ r , Wγ t , ( м −3 ⋅ с −1 ) может быть
(
определена соотношением:
где
dn
r

= ∑ (r , Wγ )Фγ  r , Wγ t −  ,
dt
c

)
(12)
∑ (r,Wγ ) − полное макроскопическое сечение взаимодействия гамма - квантов энергии Wγ
воздухом, м−1.
с
27
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
ISSN 1729-2670
(
Зависимость Фγ r , Wγ t
)
для гамма-излучения ядерно-физических источников, как правило,
(
(
)
)
может быть представлена в виде Фγ r , Wγ t = Фγ max r , Wγ f (t ) .
Поэтому
dn
 r
= ∑ (r , Wγ )Фγ max (r , Wγ ) f  t −  .
dt
 c
(13)
Для построения расчетной модели РНЭ целесообразно принять достаточно простую модель замедления электронов, предполагающую, что замедляющийся электрон сохраняет направление движения, непрерывно теряя энергию на ионизационные потери, и при этом проходит свой путь до остановки R с постоянной скоростью v0 . Это позволяет выразить «время жизни» первичного электрона
как
R v0 .
Плотность первичных электронов в точке r во время
t
(или t
=t−
r
) получается суммироc
ванием вкладов в нее электронов, возникших в такие времена и в таких точках пространства, из которых за счет своего движения они попадут в точку r во время t (или τ ). В этой связи интегрированием выражения (13) получаем
Rv
0
X (τ ' ) 

n = ∑ (r , Wγ )Фγ max (r , Wγ ) ∫ f τ − τ '+
dτ ,
c


0
где: τ − время, прошедшее с момента возникновения первичного электрона;
которое прошел электрон в направлении движения ГИ.
Выражая X τ ' в виде X τ ' = v0τ ' , преобразуем (14) к виду
'
( )
(14)
X (τ ' ) − расстояние,
( )
R v0
  v  
n = ∑ (r , Wγ )Фγ max (r , Wγ ) ∫ f τ − 1 − 0 τ 'dτ .
c 
 
0
Если каждый первичный электрон с энергией
We , МэВ
производит вторичные электроны с
постоянной скоростью, то скорость изменения плотности возникновения вторичных электронов
−3 −1
(м с ) определяется как
dnвт We Wср.
=
n,
dt
R v0
(15)
nвт
(16)
где Wср. − средняя энергия ионизации.
Подставляя выражение (15) в (16) и интегрируя (16) по времени, получим оценку величины
плотности вторичных электронов в момент времени τ .
nвт (r ,τ ) =
We Wср.
R v0
R v0
τ
  v  
f τ − 1 − 0 τ ' 'dτ ' ' .
(17)
c 
 
0
( см ⋅ м −1 ) согласно [6] выражается через
∑ (r ,W )Ф (r ,W )∫ dτ ' ∫
γ
γ max
γ
0
Искомая величина электрической проводимости
плотность вторичных электронов как
σ
e2
σ [r ,τ ] =
nвт (r ,τ ),
me v
(18)
где: e = 1,6 ⋅ 10 −19 Кл − заряд электрона; me = 9,1 ⋅ 1−31 кг − масса электрона; v − частота столкновений
электрона в воздухе, с−1.
В заключении необходимо отметить, что полученные выражения для плотности первичных и
вторичных электронов (15) и (17) позволяют вычислить объемную плотность РНЗ ρ СТ , пользуясь
соотношением
ρ СТ = enвт .
ρ СТ = e(n + nвт ) , хорошей оценкой объемной плотности заряда является величина
28
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
ISSN 1729-2670
4. Возможность использования упрощенной модели формирования ВЭМИ
Рассмотренная в предыдущих разделах постановка обобщенной задачи определения ВЭМИ
оказывается трудно реализуемой при инженерных оценках импульсного ЭМП внутри реальных экранированных объемов. Кроме этого, описание процессов, связанных с формированием РСТ, РНЗ и
РНЭ, является упрощенным и основано на ряде допущений, а исходные данные для оценки величин
РСТ, РНЗ и РНЭ имеют значительный разброс и, в связи с этим, определяются с большой погрешностью.
Указанные обстоятельства позволяют рассмотреть упрощенные модели для оценки ВЭМИ, которые, с одной стороны, позволяли бы получить ориентировочную оценку характеристик ВЭМИ, а с
другой стороны, позволили бы отказаться от решения в общей постановке уравнений Максвелла, в
которые входят РСТ, РНЗ и РНЭ как сторонние.
С этой целью воспользуемся спектральным представлением временного распределения РСТ
(соответственно, мощности дозы ГИ и характеристик ВЭМИ) с использованием преобразования
Фурье. Проведенные численные расчеты показали, что при погрешности аппроксимации импульса,
составляющей единицы процентов, значение верхней граничной частоты ω Г в интеграле Фурье име-
ет порядок 108 с−1 .
Полученная величина ω Г позволяет перейти к рассмотрению вопроса о возможности использования при оценке характеристик ВЭМИ квазистационарного и квазистатического приближений. Их
использование позволяет независимо рассмотреть задачи определения электрического и магнитного
полей и тем самым существенно упростить исходную задачу. При этом для исследования соответствующих моделей (по типу источника) могут быть применены хорошо разработанные методы расчета стационарных и статических полей.
Проведенные оценки соотношений проводящих и диэлектрических свойств среды (воздуха) в
диапазоне частот до 108 Гц для предложенной модели (рис. 1) показали, что в первом уравнении
Максвелла допустимо пренебрежение токами смещения, что позволяет рассматривать ЭМП в квазистационарном приближении. С ещё большей точностью это допущение справедливо для металлических элементов корпусных конструкций.
В тех случаях, когда размеры оболочки не превышают единиц метров, а РНЭ не превышает 10-5
См/м, ЭМП может рассматриваться и в квазистатическом приближении. Тогда при расчете характеристик ВЭМИ внутри оболочки определяются напряжённости:
• вихревого магнитного поля, обусловленного РСТ, Н Β ;
• вихревого (индуцированного) электрического поля, обусловленного изменением во времени магнитного поля, E Β ;
• потенциального электрического поля, обусловленного наличием РНЗ, E П .
Для принятой в работе расчетной модели ВЭМИ плотность РСТ имеет только одну составляющую, направленную вдоль оси цилиндрической оболочки. Напряженность магнитного поля также
имеет только одну составляющую. При этом учет геометрических особенностей реальных корпусных
конструкций, а также их заполнения осуществляется с помощью известных поправочных коэффициентов.
В этом случае напряженность магнитного поля ВЭМИ находится из закона полного тока, из которого следует, что напряженность магнитного поля равна нулю на оси цилиндра и возрастает до
максимума при r = R, где r − радиальная координата точки наблюдения. Напряженность вихревого
электрического поля ( E Β ) , которая меняется во времени как производная ∂H / ∂t , определяется из
второго уравнения системы (1). При этом временные зависимости мощности дозы излучения, РСТ и
напряженности магнитного поля совпадают.
Напряженность электрического поля, которое имеет потенциальный характер, находится из
третьего уравнения системы (1) с учетом полученных формул для определения объемной плотности
заряда. В этом случае с увеличением мощности дозы воздействующего гамма-излучения длительность фронта и импульса потенциального электрического поля уменьшается.
Полученные в работе приближенные формулы для расчета характеристик ВЭМИ имеют вид:
Н jВ = Kj (r , z, t ) r z ;
CT
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
E ZВ = − µKj (z )(R 2 − r 2 ) / 4 ⋅ f (t ) ;
CT
E = K ⋅R⋅P
П
Z
0 , 5δ
γ max
29
(19)
,
где K − коэффициент, определяемый геометрией и внутренним заполнением оболочки; δ − параметр, зависящий от мощности дозы ГИ. Определение этих параметров производится с помощью известных справочных материалов по радиационной физике ([6] и пр.).
Проведенные расчеты распределения во времени напряженности потенциального электрического поля ВЭМИ ядерно-физических источников излучения показали, что длительность фронта и
импульса потенциального электрического поля уменьшается с увеличением мощности дозы воздействующего мгновенного ГИ.
5. Выводы
Рассмотрены механизмы формирования вторичного ЭМИ, обусловленного сопутствующим
ионизирующим излучением ядерно-физических источников излучения. Установлено, что при этом на
радиоэлектронные средства воздействует совокупность первичного ЭМИ, вторичного ЭМИ, а также
сопутствующего ионизирующего излучения, от синергетического поражающего действия которых
необходим комплекс специальных средств защиты.
Показано, что задача определения импульсного ЭМП, обусловленного ядерно-физическими источниками излучения, сводится к решению уравнений Максвелла в кусочно-неоднородной среде, которая представляет собой многосвязную оболочку сложной формы, включающую в себя окружающую среду, область внутри обшивки и элементов корпусных конструкций и внутренние экранированные объемы. При этом уровень вторичного ЭМИ определяется величинами радиационнонаведенных стороннего тока электронов, заряда и электрической проводимости, которые обусловлены взаимодействием ГИ с веществом и входят в уравнения Максвелла как сторонние источники и
параметры.
Рассмотрена физико-математическая модель формирования ВЭМИ, в рамках которой с учетом
приемлемых допущений разработаны расчетные модели и получены приближенные формулы для
оценки радиационно-наведенных параметров и характеристик ВЭМИ для заданной мощности дозы
воздействующего ГИ.
Список литературы
1. Городецкий, Б.Н. Основы расчета и моделирования, электромагнитных полей, обусловленных
ионизирующим гамма-излучением /Б.Н. Городецкий, Н.Л. Кучин: сб. «Расчет и моделирование
физический полей».− Тр. ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова.− Санкт-Петербург.− 1996− вып.1 (285).
С. 78−83.
2. Городецкий, Б.Н. Проблема обеспечения электромагнитной безопасности морских технических
объектов/ Б.Н. Городецкий − Технологии электромагнитной совместимости. – 2015.− №4 (55) − С.
3−12.
3. Кечиев, Л.Н., Балюк Н.В. Зарубежные военные стандарты в области ЭМС − М.: Грифон, 2015.−
409 с.
4. Машкович, В. П. Защита от ионизирующих излучений. Справочник / В. П. Машкович // Энергоатомиздат, Москва, 1982.− 496 с.
5. Федоров, В.К. Контроль и испытания в проектировании и производстве радиоэлектронных
средств /Федоров В.К., Сергеев Н.П., Кондрашин А.А.// М.: Техносфера, 2005.− 504 с.
6. Электромагнитный терроризм на рубеже тысячелетий. /Под ред. Газизова Т.П. − Томск: Изд-во
Томск. Гос. ун-та, 2002. − 206 с.
ФГУП «Крыловский государственный научный центр», С.-Петербург, Российская Федерация
Статья поступила 5.10.2017 г
30
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
ISSN 1729-2670
Авторы
Городецкий Борис Николаевич, начальник сектора, доктор технических наук, старший научный сотрудник, ФГУП «Крыловский государственный научный центр»;
тел.: (812) 415-45-80;
е-mail: [email protected]
Кучин Николай Леонидович, начальник комплексного отдела, доктор физико-математических наук,
старший научный сотрудник, ФГУП «Крыловский государственный научный центр»;
тел.: (812) 386-69-09; е-mail: к[email protected]
Gorodetskiy B.N., Kuchin N.L.
The Estimate of The Radiation Induced Interference Providing Electromagnetic Fields
in the Screened Volumes
Aim and object of the scientific work. The ways of the radiation induced electromagnetic fields
emergence are observed. The possibility of the problem statement simplification is shown. The approximate
formulas for the estimate of the radiation induced currents, charges and electrical conductivity which are the
external parameters of the electro dynamical problem of the electromagnetic field determination are obtained.
Materials and methods. The methods of classical electro dynamic and radiation physics that are
based on the radiation induced currents, charges and electrical conductivity as the secondary electromagnetic
field sources consideration are used in the paper.
Main results. The models and formulas for radiation induced electromagnetic fields parameters inside the multilinked heterogeneous metal shell are obtained and justified. Its applicability limits made assumptions are estimated. The complexity of the solved problem is determined by necessity of the simultaneous consideration radiation physics and electrodynamics equations.
Conclusion: results, theoretical value of the research, practical applications. Based on the consideration of the mechanism of the secondary electromagnetic pulse formation conditional by the accompanying ionizing radiation is shown that secondary electromagnetic pulse level is defined by values of the radiation induced third-party electron current, charge and electrical conductivity, that are conditioned by interaction of the gamma emitting and substance and included in the Maxwell equations as the external sources and
parameters. Received approximate formulas for estimation of the radiation induced electromagnetic fields
parameters can be used for the estimation of the efficiency of the special protection facilities of the radioelectronic units on the early stages of its design.
Key words: electromagnetic terrorism, nuclear physics radiation sources, ionized radiation, radiation
induced electromagnetic field, electromagnetic pulse, metal screens, radioelectronic facilities.
References
1. Gorodetcky B.N., Kuchin N.L. A foundation of the calculation and modeling the noise-carrying electromagnetic fields, coused by the ionized gamma-radiation. Sbornik «Raschet i modelirovanie fizicheskih poley». Trudi TCNII imeni akademica A.N. Krylova [Proc. of the Krylov institute ”The calculation and modeling of the physical fields”], no.1 (285), Saint-Petersburg, 1996. pp. 78−83. (in Russia)
2. Gorodetskiy B.N. The physical modeling of the electromagnetic environment in the shielded envelope
under the pulse electromagnetic field disturbance. Technologies of the electromagnetic compatibility,
2015, no. 4(55), pp. 3−12. (in Russia)
3. Kechiev L.N., Baliuk N.V. Zarubezhnie voennie standarti v oblasti EMS. [Foreign military standards in
the ECM]. − Moscow, Grifon, 2015. − 409 p. (in Russia)
4. Mashkovich V.P. Zashchita ot ioniziruiushchikh izlucheniy. Spravochnik. [Protection from the ionized
radiations. Reference book]. − Energoatomizdat, Moscow, 1982. − 496 p. (in Russia)
5. Fedorov V.K., Sergeev N.P., Kondrashin A.A. Kontrol` i ispytaniia v proektirovanii i proizvodstve radioelektronnykh sredstv. [Control and tests for the radio electronic facilities design and production]. −
Tekhnosfera, Moscow, 2005, − 504 p.
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
31
6. Gazizov T.P., ed. Elektromagnitniy terrorizm na rubezhe tisiacheletiy. [Electromagnetic terrorism on the
turn of millennia]. Tomsk, Tomskii gosudarstvennii universitet. 2002, − 206 p.
«Krylov state scientific research center», S-Petersburg, Russian Federation
Authors
Gorodetskiy Boris Nikolaevich, Head of department, Doctor of Engenirig, Senior Researcher, Krylov State
Research
Centre,
S-Petersburg,
Russian
Federation;
tel.:
+7
(812)
415-45-80;
е-mail: [email protected].
Kuchin Nikolay Leonidovich, Head of complex department, Doctor of physics and mathematics, Senior
Researcher, Krylov State Research Centre, S-Petersburg, Russian Federation; tel.: +7 (812) 386-69-09;
е-mail: к[email protected].
32
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
ISSN 1729-2670
УДК 621.316
В.И. Бутин, П.Я. Кундышев
Исследование экранирующих свойств корпусов РЭА
и наведенных токов в типовых проводных
соединениях при воздействии СВЧ излучений
Представлены результаты исследований по определению эффективности экранирования типового корпуса РЭА в СВЧ диапазоне электромагнитных излучений и оценке наведенных токов в проводных соединениях с использованием современного пакета прикладных программ FEKO. Проведено
моделирование влияния заполнения корпуса конструктивными компонентами на распределение электромагнитных полей внутри корпуса и наведенных
токов в нагрузках наиболее часто встречающихся в практике неэкранированных проводных соединений. Установлено, что при увеличении степени заполнения внутреннего объема корпуса конструкционными материалами происходит сдвиг резонансных частот, на которых снижается эффективность
экранирования, в область более низких частот. Установлена зависимость
наведенных токов в неэкранированных проводных линиях связи, размещенных
внутри экранирующих корпусов, от типа линий, направления облучения и резонансных частот корпуса.
Ключевые слова: радиоэлектронная аппаратура (РЭА), эффективность экранирования, наведенный ток, корпус, резонансная частота, моделирование, FEKO
Введение
Современные пакеты прикладных программ трехмерного электродинамического моделирования обеспечивают возможность решения большого круга задач по ЭМС, в т.ч. по оценке помехозащищенности экранированной РЭА при воздействии внешних электромагнитных полей (ЭМП) СВЧ
диапазона [1, 2]. Учет реальной геометрии всевозможных неоднородностей (отверстий, щелей в стыках, технологических окнах и пр.) и заполнения внутренних объемов конструктивными элементами
(внутренние корпуса приборов, технологические перегородки и отсеки и пр.) при моделировании
прохождения поля через корпус РЭА позволяет существенно повысить информативность расчетов по
распределению полей внутри экранируемого пространства.
Резонансные процессы прохождения ЭМП СВЧ диапазона внутрь корпуса РЭА, происходящие в волновом режиме экранирования, представляют одну из наиболее сложных задач с точки зрения аналитического решения [3−7]. Большинство задач по расчету рассеяния СВЧ излучения на металлических поверхностях (в т.ч. на неоднородностях в корпусе), многочисленных переотражений от
внутренних конструкционных элементов РЭА, а также учет сложной геометрии корпуса в настоящее
время можно решить без допущений и упрощений обращаясь только к численным методам, которые
реализованы в вышеупомянутых ПО.
ПО FEKO, используемое далее для проведения исследований, зарекомендовало себя с положительной точки зрения при решении задач по проникновению ЭМП СВЧ диапазона внутрь экранирующих оболочек и оценке наведенных токов в проводных соединениях [8−11]. В данной статье
представлены результаты верификации результатов моделирования в ПО FEKO с экспериментальными данными в части решения упомянутых выше задач. На основании высокой степени совпадения
расчетов с модельными экспериментами становится возможным использовать вычислительный аппарат ПО FEKO для детальных исследований эффективности экранирования современной РЭА с целью
оптимального выбора мест расположения конкретных чувствительных приборов и ЭКБ внутри РЭА.
В опубликованной литературе присутствуют фрагментарные данные о влиянии наполнения
корпуса РЭА конструктивными элементами, такими как печатные платы с электропроводящими слоями, металлические пластины, поглотители СВЧ энергии и пр. [12, 13]. Общие закономерности влияния заполнения корпуса металлическими предметами, имитирующими реальное заполнение прибо-
33
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
ISSN 1729-2670
ров, на экранирующие свойства корпусов до сих пор освещены недостаточно. В данной статье в общем виде рассматривается влияние заполнения корпуса от 0 до 90% от всего свободного объема РЭА
на характеристики проникающих ЭМП СВЧ диапазона, что соответствует минимальной и максимальной степени заполнения внутреннего пространства РЭА.
Кроме того, в связи с повышенными уровнями воздействия СВЧ излучения на ЭКБ РЭА при
резонансном проникновении излучения внутрь корпуса, отдельным вопросом является оценка наведенных токов в различных типах проводных соединений. При этом вопрос обоснованного выбора
того или иного типа проводного соединения является недостаточно изученным. В этой связи, представляет интерес определение сравнительных характеристик восприимчивости различных линий к
воздействию СВЧ излучений.
Экспериментальный базис и верификация с результатами моделирования
а) Эффективность экранирования корпуса
В первую очередь, проводилась верификация экспериментальных данных с результатами моделирования в ПО FEKO для модели корпуса РЭА в виде усеченного конуса длиной d и радиусами
ρmax и ρmin. Полый корпус, как это изображено на рис. 1,а, был выполнен из металла (алюминия), толщина стенок составляла 1 мм. Со стороны меньшего торца была приварена алюминиевая крышка, а с
противоположного торца располагалась съемная алюминиевая крышка, которая полностью его закрывала и прикручивалась к корпусу болтами. В центре крышки было сделано отверстие для ввода
волоконно-оптической линии связи. Все образующиеся щели и незащищенное отверстие закрывались
электропроводящим алюминиевым скотчем для минимизации проникновения через них ЭМП. Исследования проводились в полубезэховой камере с использованием типового состава оборудования,
включая облучающую антенну, приемную антенну – датчик ЭМП, волоконно-оптическую линию
связи, приемник, компьютер, задающий генератор и усилитель (см. рис. 1,б). Описание экспериментальных исследований более полно изложено в работах [14, 15].
а)
б)
Рис. 1. Общий вид объекта исследований (а) и схема экспериментальных исследований
эффективности экранирования (б)
экранирования
как
функция
частоты
f
определялась
как
SE ( f ) = 20 lg ( E0 ( f ) / Eэ ( f ) ) , где Eэ(f) и E0(f) – электрические составляющие ЭМП, определяемые
Эффективность
датчиком ЭМП в конкретной точке пространства при наличии корпуса и его отсутствии соответственно, В/м.
Результаты экспериментальных исследований и сравнение с результатами моделирования
эффективности экранирования полого корпуса, представленные на рис. 2,а, указывают на сходство с
результатами моделирования в FEKO в определении резонансных частот и общего экранирующего
эффекта корпуса.
Заполнение внутреннего объема реальной РЭА имитировалось размещенным внутри корпуса металлическим цилиндром. Результаты определения эффективности экранирования корпуса с заполнением, приведенные на рис. 2,б, указывают на то, что заполнение приводит к вытеснению ЭМП
в свободное пространство внутри корпуса из-за присутствия дополнительного металлического объекта.
На рис. 3 показаны результаты экспериментальных исследований эффективности экранирования при подключении неэкранированных жгутов с проводами. В первом случае, жгут присоединялся с внешней стороны корпуса и был вытянут на всю длину вдоль электрической составляющей поля,
чтобы уловить максимум энергии ЭМП. Во втором случае, в дополнении к первому жгуту к внутренней части соединителя внутри корпуса был присоединен второй аналогичный жгут.
34
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
ISSN 1729-2670
а)
б)
Рис. 2. Результаты экспериментальных исследований (Э) и моделирования (М) SE полого корпуса
без заполнения (а) и с заполнением (б)
Рис. 3. Результаты экспериментальных исследований (Э) и моделирования (М) SE корпуса
с подключенными жгутами с проводами
Как можно видеть, при подключении только внешнего жгута на резонансных частотах эффективность экранирования снижается по сравнению с проникновением только через полый корпус.
При подключении второго жгута области провала в эффективности экранирования корпуса расширяются, и ЭМП внутри корпуса может быть большего внешнего. Результаты моделирования с помощью ПО FEKO также с высокой степенью точности сходятся с экспериментом.
Кроме этого, исследовалось влияние стягивания съемной крышки и корпусу различным количеством болтов (4, 9 и 15). Результаты экспериментальных исследований показаны на рис. 4,а, а
результаты моделирования в FEKO – на рис. 4,б. Можно видеть, что увеличение точек контакта приводит к увеличению общего экранирующего эффекта. Однако на резонансных частотах эффективность экранирования во всех случаях может падать резко.
а)
б)
Рис. 4. Результаты экспериментальных исследований (а) и моделирования (б) в FEKO SE корпуса
с разным количеством болтов
Сравнивая данные, представленные на рис. 4,а и 4,б, можно также сделать вывод о высокой
степени сходства в определении общего экранирующего эффекта и резонансных частотных областей.
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
35
б) Наведенные токи в проводных соединениях
Для верификации результатов моделирования были проведены экспериментальные исследования по определению наведенных токов в различных модельных линиях, которые последовательно
облучалась внешним ЭМП. Схема экспериментальных исследований представлена на рис. 5.
Рис. 5. Схема экспериментальных исследований наведенных токов в проводных линиях
Все исследуемые линии размещались на диэлектрическом основании (картоне). Двухпроводная линия состояла из двух неэкранированных одножильных проводов, которые соединялись с двумя
омическими нагрузками (r = 1 Ом, R – варьируемое значение). Провода были вытянуты на всю длину
и размещались параллельно друг другу на определенном расстоянии. Замкнутые и разомкнутые линии также состояли из двух неэкранированных одножильных проводов, которые соединялись с омической нагрузкой R1 = 75 Ом и R2 = 110 Ом. Провода были вытянуты на всю длину и размещались
параллельно друг другу. Описание экспериментальных исследований более подробно изложено в работах [16−20].
Для исследований наведенных токов в линии использовался типовой состав оборудования,
включая передающую антенну, устанавливаемый на провод вблизи нагрузки датчик тока, коаксиальный провод, электрооптический преобразователь (ЭОП), волоконно-оптическую линию связи
(ВОЛС), приемник, компьютер, задающий генератор и усилитель, которые также показаны на рис. 5.
Используя известные для датчика тока коэффициенты преобразования, вычислялись значения индуцированного в нагрузке цепи тока. В результате для исследуемой цепи были получены частотные зависимости индуцированного тока от частоты приложенного ЭМП при различной ориентации линии
(воздействия сбоку, с края и фронта согласно классификации [21]).
Также проводилась верификация результатов моделирования с экспериментальными данными
по определению мощности, индуцированной в 50-омной нагрузке неэкранированной витой пары [22],
в диапазоне частот, когда линия является электрически длинной по отношению к внешнему ЭМП.
Мощность рассчитывалась, исходя из наведенного в нагрузке тока, и представлялась в стандартных
для ЭМС единицах измерения – дБм.
Результаты экспериментальных исследований и сопоставление с результатами моделирования
представлены на рис. 6, 7.
Рис. 6. Результаты эксперимента и моделирования наведенных токов в двухпроводной линии
для R = 16 Ом, 110 Ом
36
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
ISSN 1729-2670
а)
б)
в)
Рис. 7. Результаты эксперимента (Э) и моделирования (М) наведенных токов: а) в разомкнутой линии
для различной ориентации ЭМП; б) в замкнутой линии при воздействии ЭМП сбоку; в) в витой паре по
экспериментальным данным работы [22] при воздействии ЭМП сбоку
Как следует из анализа данных на рис. 6 и 7 экспериментальные данные с высокой степенью
точности согласуются с результатами моделирования в FEKO при воздействии высокочастотного
ЭМП.
Основываясь на высокой достоверности моделирования в FEKO в части определения эффективности экранирования модельного корпуса РЭА и наведенных токов в различных типовых линиях,
становится возможным детально исследовать эффекты наполнения корпуса конструктивными элементами, а также оценить влияние характеристик типовых проводных соединений, используемых в
РЭА, на амплитудно-частотные параметры наводок, образующихся в нагрузках приборов при облучении внешним высокочастотным ЭМП в резонансном режиме экранирования, используя FEKO.
Задание модельной геометрии для проведения исследований
а) Корпус с наполнением конструктивными элементами
Модель корпуса РЭА представляла собой полый металлический цилиндр высотой d = 632 мм,
радиусом ρ = 171 мм, на нижнем торце которого располагалось сквозное отверстие радиусом
ρотв. = 10 мм (см. рис. 8).
а)
б)
в)
Рис. 8. Модели корпуса РЭА (а), его сечения с видом на наполнение (б) и модель двухпроводной линии
передач внутри корпуса при различной степени заполнения (в)
Толщина стенок цилиндра составляла 1 мм. Полое внутреннее пространство внутри цилиндра
моделировалось средой из воздуха. Наполнение представляло собой цельные металлические блоки
ISSN 1729-2670
37
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
цилиндрической формы с радиусом 160 мм различной высоты, которые размещались во внутренней
полости корпуса соосно с его центральной осью. Высота блоков при моделировании выбиралась таким образом, чтобы строго определенное пространство внутри корпуса было ими занято. Например,
при моделировании 10% наполнения всего внутреннего объема подкорпусного пространства высота
составляла примерно 67 мм, 20% − (2·67) = 134 мм, 30% − (3·67) = 201 мм и т.д.
С внешней стороны на корпус воздействовала плоская электромагнитная волна диапазона
100−1000 МГц с направлением, при котором вектор напряженности электрического поля Eвозд. был
параллелен оси корпуса (см. рис. 8,а). Эффективность экранирования SE = 20lg(Eвозд./Eточка) рассчитывалась в двух точках на оси внутри корпуса, причем точка 1 и точка 2 находились на расстоянии
15 мм от внутренней поверхности торцов корпуса внизу и вверху корпуса соответственно. Точка 1
была расположена, таким образом, ближе к отверстию, а точка 2 – дальше.
Исследование образования наводок проводилось дополнительным включением в предыдущую геометрию двухпроводной линии в виде прямоугольной линии длиной l = 230 мм и шириной
20 мм (см. рис. 8,в). Линия располагалась в двух местах: в плоскостях, где были расположены точка 1
и точка 2, параллельно торцам цилиндрического корпуса. В середине узких сторон прямоугольной
линии моделировались порты с омическими нагрузками Rнагрузка1 = 1 Ом и Rнагрузка2 = 100 Ом, в которых рассчитывались наведенные в результате воздействия внешнего ЭМП токи Iнагрузка1 и Iнагрузка2, которые для наглядности представления результатов были приведены к воздействующей напряженности электрического поля Iпривед. = 20lg[(Iнагрузка·Z) / (Eвозд.·l)], где Z = 377 Ом – волновое сопротивление
свободного пространства. Для линии, размещаемой внизу (в плоскости точки 1), моделирование увеличения степени наполнения проводилось сверху вниз, для линии вверху (в плоскости точки 2) –
наоборот, снизу вверх (см. рис. 8,в).
б) Типовые проводные соединения
Исследуемыми объектами служили модели двухпроводной (линия 1), замкнутой (линия 2),
разомкнутой (линия 3) линий, а также неэкранированной витой пары (линия 4). Общий вид конфигураций линий представлен на рис. 9,а.
а)
б)
Рис. 9. Воздействие ЭМП: а) на исследуемые линии; б) на модель корпуса РЭА (слева)
и его сечения с видом на исследуемые линии (справа)
Для сравнительной оценки свойств проводных соединений как приемных антенн на амплитудно-частотные характеристики наводок, образующихся в нагрузках приборов, все проводные соединения имели одинаковую длину L = 330 мм, нагрузку R = 100 Ом, диаметр медных проводов
0,5 мм, оболочку из поливинилхлорида (εr = 3). Провода в линиях 1−3 были вытянуты на полную
длину параллельно друг другу на расстоянии 20 мм. Витая пара имела шаг скрутки 27,5 мм, расстояние между жилами 1,1 мм. Линии подвергались воздействию плоской электромагнитной волны диапазона 100−1000 МГц как непосредственно, так и при нахождении внутри модели корпуса РЭА (ср.
рис. 9,а и 9,б). Данная модель представляла собой полый металлический цилиндр высоты d = 632 мм,
радиусом ρ = 171 мм, на нижнем торце которого располагалось сквозное отверстие радиусом
ρотв.= 10 мм. Толщина стенок цилиндра составляла 1 мм. Полое внутреннее пространство внутри цилиндра моделировалось средой из воздуха. Линии внутри корпуса располагались на расстоянии
15 мм от верхнего торца перпендикулярно оси цилиндра. В этой же плоскости для расчета напряженности ЭМП на оси внутри корпуса располагалась точка 2, а точка 1 – также на оси на расстоянии 15
мм от нижнего торца в непосредственной близости от отверстия. Напряженность электрической составляющей E в данных точках представлялась в дБмкВ/м. В середине узких сторон линий моделировались порты с омической нагрузкой R, в которых рассчитывались наведенные в результате воздействия внешнего ЭМП токи Iлиния, приведенные в дБмкА.
38
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
ISSN 1729-2670
Результаты и анализ
а) Корпус с наполнением
Результаты моделирования эффективности экранирования SE корпуса с разной степень заполнения представлены на рис. 10 и 11.
Рис. 10. Результаты моделирования SE корпуса с разной степенью заполнения в точке 2 в виде столбчатой диаграммы (слева) и поверхностного распределения (справа)
Рис. 11. Результаты моделирования SE корпуса с разной степенью заполнения в точке 1 в виде поверхностного распределения
Исходя из рис. 10 и 11 следует, что последовательное увеличение степени наполнения с 0 до
90% приводит к смещению начала резонансных провалов экранирующей способности корпуса в более низкочастотную область для точки 2, которая располагалась дальше от отверстия. ЭМП будет
вытесняться в связи с уменьшением свободного пространства внутри корпуса и создавать повышенные уровни в оставшемся пространстве. На одной конкретной частоте SE может уменьшиться с
50−100 дБ до 0 дБ при увеличении степени заполнения. Для точки 1 практически не происходит изменения SE с изменением степени заполнения (см. рис. 11). Это объясняется близостью отверстия,
которое является постоянным излучателем ЭМП внутрь корпуса, в непосредственной близи которого
резонансные моды образовываться не могут.
Результаты моделирования образования наводок в двухпроводной линии, размещенной сверху и внизу внутри корпуса с разной степенью заполнения, представлены в разных плоскостях с расположенными точками 1 и 2 на рис. 12.
Рис.12. Результаты моделирования приведенного тока в 1 Ом нагрузке двухпроводной линии при разной
степени заполнения корпуса
Анализ данных, представленных на рис. 12, указывает, что, как и в случае с SE, при увеличении степени заполнения корпуса повышенные уровни ЭМП в свободном пространстве приводят к
закономерному увеличению наведенных токов в нагрузке проводной линии. Как и в случае со смещением резонансных провалов SE, пики токов наводки также будут смещаться в более низкочастот-
ISSN 1729-2670
39
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
ную область. Данные пики наводок при заполнении 90% могут быть на 50−100 дБ больше наводок
при 0% заполнении.
Кроме того, сравнивая линии, расположенные в плоскостях точек 1 и 2, можно отметить, что
близость к отверстию линии в плоскости точки 1 дает уровень наводок, которые в среднем превышают аналогичные наводки в плоскости точки 2. Однако, на резонансных пиках, как это видно начиная
с 500 МГц, наводки в дальней от отверстия области могут превосходить уровни в ближней к отверстию линии.
б) Типовые проводные соединения
Результаты моделирования наведенных токов в нагрузках линий 1−4 для боковой ориентации
векторов ЭМП относительно линии, размещенной внутри корпуса, представлены на рис. 13.
а)
б)
в)
Рис. 13. Результаты моделирования наведенных токов в нагрузке линиях 1−4 и распределение
напряженности ЭМП в точке 1 и точке 2 при боковой ориентации векторов воздействующего ЭМП
Исходя из сравнительного анализа данных на рис. 13, следует, что амплитудно-частотная зависимость токов наводки для всех размещенных внутри корпуса линий повторяет форму ЭМП, образующегося внутри корпуса в точке 2, т.е. в непосредственной близости от линий. Это проявляется, в
первую очередь, в характере распределения резонансных максимумов ЭМП в исследуемой полосе
частот, в которой корпус переходит в резонансный режим экранирования. В точке 1, расположенной
вдали от линий, но рядом с отверстием, играющим роль излучающей антенны, резонансные моды
полноценно образовываться не могут, поэтому амплитудный характер наводок в линии внутри корпуса не зависит от характера распределения ЭМП вблизи отверстия.
Необходимо отметить, что у самой линии, которая подвергается непосредственному облучению ЭМП без корпуса, присутствуют резонансные минимумы (например, при условии кратности
длины линии и половины длины волны ЭМП, в районе 430 МГц, 910 МГц для линий 1 и 2 на рис.
13,а). При установке той же линии внутрь корпуса резонансные процессы полностью нивелируют
данное снижение наводок. Токи, индуцированные в линиях 1 (линия передач) и 2 (замкнутая линия),
практически идентичны друг другу в исследуемом диапазоне частот, что указывает на то, что именно
конфигурация линии как приемной антенны, а не оконечные нагрузки линии играют определяющую
роль в амплитудно-частотных характеристиках индуцированных наводок. Из всех типов неэкранированных проводных соединений, размещенных внутри корпуса, который подвергается воздействию
высокочастотного ЭМП в начале резонансного режима экранирования, при прочих равных условиях
(одинаковая длина линии, нагрузка линии, расположение внутри корпуса) наиболее защищенной является витая пара, затем разомкнутая линия, а наименее защищены замкнутые линии типа 3 и 4.
На рис. 14 представлены графики распределения наводок в нагрузках всех рассматриваемых
линий, размещенных внутри корпуса, при различной ориентации векторов ЭМП относительно линий.
Анализ данных, представленных на рис. 14,а, указывает, что при одной конкретной ориентации ЭМП резонансный характер наводок, образующихся в нагрузках линий, будет иметь сходный
характер. Вне зависимости от типа проводного соединения на определенных резонансных частотах
корпуса в нагрузках любых линий будут наблюдаться пики индуцированного тока. В разомкнутой
линии при боковой и фронтальной ориентациях ЭМП наводки на этих резонансных частотах могут
превышать наводки, возникающие в других линиях. Рассматривая детально данные, приведенные на
рис. 14,б, можно заключить, что для каждой отдельно взятой линии не имеет значения ориентация
ЭМП относительно корпуса, внутри которого она размещена, с точки зрения определения максимального образования наводок на резонансных частотах. Амплитуды токов наводки в нагрузках линий для всех ориентаций ЭМП будут примерно сопоставимы друг с другом в данном случае.
Выводы
40
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
ISSN 1729-2670
В данной работе было проведено исследование эффективности экранирования типового корпуса РЭА и образование наведенных токов в проводных соединениях, используя возможности ПО
FEKO, применительно к СВЧ диапазону электромагнитных воздействий. Проведено моделирование
распределения напряженностей полей внутри корпуса и наведенных токов в нагрузках наиболее часто встречающихся в практике неэкранированных проводных соединений при различном наполнении
корпуса конструкционными материалами. Установлено, что при увеличении степени заполнения
внутреннего объема корпуса конструкционными материалами происходит сдвиг резонансных частот
пониженной эффективности экранирования в более низкочастотную область. Отличия в эффективности экранирования полого корпуса и корпуса с заполнением до 90% могут достигать 50−100 дБ.
а)
б)
Рис. 14. Результаты моделирования наведенных токов в нагрузках линий 1-4, размещаемых внутри корпуса, при различной ориентации векторов вешнего воздействующего ЭМП
Установлена зависимость наведенных токов в неэкранированных проводных линиях связи,
размещенных внутри экранирующих корпусов, от типа линий, направления облучения и резонансных
частот корпуса. В результате исследований выявлено, что амплитудно-частотная зависимость токов
наводки для всех размещенных внутри корпуса линий повторяет форму ЭМП, образующегося внутри
корпуса в непосредственной близости от линий, а в первую очередь – резонансных максимумов ЭМП
в полосе частот, в которой корпус переходит в резонансный режим экранирования. При всех прочих
равных условиях наиболее защищенным из всех типов неэкранированных проводных соединений,
размещенных внутри корпуса, который подвергается воздействию высокочастотного ЭМП в начале
резонансного режима экранирования, является витая пара, затем разомкнутая линия, а наименее защищены замкнутые линии. Вне зависимости от типа проводного соединения при одной конкретной
ориентации ЭМП на определенных резонансных частотах корпуса в нагрузках любой линии будет
индуцироваться максимально возможный ток. Ток наводки в нагрузках отдельно взятой линии для
всех ориентаций ЭМП будет примерно сопоставим друг с другом на резонансных частотах корпуса.
Список литературы
1. Демский Д.В., Фомина И.А., Марченко М.В. Автоматизация расчета эффективности экранирования. – Технологии электромагнитной совместимости. − 2013. − №1(44). – С. 44−54.
2. Балюк Н.В., Кечиев Л.Н., Степанов П.В. Мощный электромагнитный импульс: воздействие на
электронные средства и методы защиты. – М.: ООО «Группа ИДТ», 2007. – 478 с.
3. Кечиев Л.Н., Акбашев Б.Б., Степанов П.В. Экранирование технических средств и экранирующие
системы. – М.: ООО «Группа ИДТ», 2010. – 470 с.
4. Бутин В.И., Кундышев П.Я. Эффективность экранирования металлических корпусов РЭА в СВЧдиапазоне при волновом режиме электромагнитного воздействия. – Технологии электромагнитной совместимости. − 2012. − №4(43). – С. 7−17.
5. Пантелеев С.В., Прокушев Д.С., Родин И.А. Влияние резонансных эффектов на возможные
ошибки при оценке электромагнитной совместимости объектов. – Технологии электромагнитной
совместимости. − 2016. − №2(57). – С. 23−27.
6. Андреев А.Ю., Вялов В.А., Городецкий Б.Н., Залипаев В.В., Сидоренко М.С. Возбуждение прямоугольного резонатора с круглым отверстием сверхширокополосным видеоимпульсом. – Технологии электромагнитной совместимости. − 2016 − №4(59). – С. 17−24.
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
41
7. Вялов В.А., Городецкий Б.Н., Залипаев В.В. Оценка характеристик электромагнитного поля внутри перфорированной металлической оболочки при внешних электромагнитных воздействиях. –
Технологии электромагнитной совместимости. − 2016. − №1(56). – С. 55−67.
8. Кундышев П.Я., Бутин В.И. Результаты сравнительной оценки воздействия электромагнитного
поля СВЧ-диапазона на экранированную радиоэлектронную аппаратуру. – Вопросы атомной
науки и техники. Сер.: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. –
2013, №3. – С.92−96.
9. Бутин В.И., Кундышев П.Я., Сысоева Т.Г., Филатов М.М. Влияние снижения экранирующей способности оболочки при волновом режиме в СВЧ-диапазоне электромагнитного воздействия на
реакцию проводной линии, размещенной внутри оболочки. – Технологии электромагнитной совместимости. – 2014. − №1/2(48). – С. 16−20.
10. Дмитриева Н.Ю., Крохалев Д.И. Теоретическое исследование особенностей применения метода
испытаний технических средств на помехоустойчивость с использованием реверберационнных
камер. – Технологии электромагнитной совместимости, 2016, №3(58). – С. 38−50.
11. Дмитриева Н.Ю., Крохалев Д.И. Исследование особенностей применения метода испытаний ТС
на помехоустойчивость с использованием реверберационнных камер / Труды III Всероссийской
НТК «Техно-ЭМС 2016». – М.: Грифон, 2016. – С. 153−156.
12. Robinson M.P. et al. Analytical formulation for the shielding effectiveness of enclosures with apertures.
– IEEE Trans. on EMC. – 1998. Vol. EMC-40. №3. – P. 240−248.
13. Thomas D.W.P. et al. Model of the electromagnetic fields inside a cuboidal enclosure populated with
conducting planes or printed circuit boards. – IEEE Trans. on EMC. – 2001. Vol. EMC-43. №2. – P.
161−169.
14. Бутин В.И., Кундышев П.Я. Метод исследования помехоустойчивости аппаратуры беспилотного
летательного аппарата с ограниченным ресурсом / Труды II Всероссийской научно-техническая
конференция «Технологии, измерения и испытания в области электромагнитной совместимости»
(«Техно-ЭМС 2015»), г. Москва, 2015 г. – С. 35−38.
15. Butin V., Kundyshev P. Immunity Testing Research Method of Unmanned Aerial Vehicle System with
Limited Operational Life / 2015 Asia-Pacific International Symposium on Electromagnetic Compatibility (APEMC), Taipei, Taiwan, 2015. – P. 33−36.
16. Бутин В.И., Кундышев П.Я., Влияние конструкционных материалов, заполняющих внутренний
объем радиоэлектронной аппаратуры, на эффективность экранирования в резонансном режиме /
Труды III Всероссийской НТК «Техно-ЭМС 2016». – М.: Грифон, 2016. – С. 50−53.
17. Kundyshev P., Butin V. Inner filled constructive material effect on shielding effectiveness of screened
electronics in resonance regime / 2016 Asia-Pacific International Symposium on Electromagnetic Compatibility (APEMC), Shenzhen, China, 2016. Vol. 01. – P. 91−93.
18. Butin V.I., Kundyshev P.Ya. Inner filled constructive material effect on shielding effectiveness of
screened electronics in resonance mode / IOP Conference Series: Materials Science and Engineering,
vol. 151, no. 1, pp. 1−5, 2016.
19. Бутин В.И., Кундышев П.Я. Исследование наводок в проводных соединениях, размещаемых
внутри металлического корпуса радиоэлектронной аппаратуры, в начале резонансного режима
экранирования / Труды IV Всероссийской НТК «Техно-ЭМС 2017». – М.: Грифон, 2017. – С.
26−30.
20. Butin V., Kundyshev P. Study of Currents Induced in Wire Lines Placed inside the Metal Shield of Electronics in the Beginning of the Resonance Mode / 2017 Asia-Pacific International Symposium on Electromagnetic Compatibility (APEMC), Seoul, Korea, 2017. – P.172−174.
21. Paul C.R. Analysis of multiconductor transmission lines: 2nd ed. – John Wiley and Sons, 2008. – 807 p.
22. Armenta R.B., Sarris C.D. Modeling the terminal response of a bundle of twisted-wire pairs excited by a
plane wave. – IEEE Transactions on EMC. – 2007. Vol. EMC-49. № 4. – P. 901−913.
ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт им. Н.Л. Духова» (ФГУП «ВНИИА им.
Н.Л. Духова»). Россия, Москва, ул. Сущевская, 22, 127055.
Статья поступила 4.09.2016 г
42
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
ISSN 1729-2670
Авторы
Бутин Валентин Иванович, ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт им. Н.Л.
Духова» (ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова»). Россия, Москва, ул. Сущевская, 22, 127055. Начальник
научно-исследовательского отделения, [email protected], тел.: (499) 978-9085.
Кундышев Павел Ярославович, ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт им.
Н.Л.Духова» (ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова»). Россия, Москва, ул. Сущевская, 22, 127055.
Начальник научно-исследовательского отдела, [email protected], тел.: (499) 972-8499, доб. 17-81.
Butin V.I., Kundyshev P.Ya.
Study of shielding properties of electronics box and induced currents
in typical wires under microwave illumination
Abstracts. In this paper, shielding effectiveness of typical electronics box and induced currents in
the wires under radiation of microwaves are under investigation using FEKO. The distribution of
electromagnetic fields inside the box when changing the level of filling with the constructive components
was simulated. The induced current in the loads of wires is calculated for the most practically used
unshielded types of connections. It was found that the increasing of level of box inner filling would result in
shift of the shielding effectiveness resonances to lower frequencies. The dependence between the induced
currents in the wires placed inside the shielding box and its type, direction of incidence and resonance
frequencies was established.
Key words: Electronics, shielding effectiveness, induced current, housing, resonance frequency, simulation, FEKO
References
1. Demsky D.V., Fomina I.A., Marchenko M.V. Comparison of an analytical estimation and numerical
method of calculation of shielding efficiency. Tekhnologii elektromagnitnoi sovmestimosti – Technologies of electromagnetic compatibility, 2013, no. 1 (44), pp. 44−54 (in Russian).
2. Baliuk N.V., Kechiev L.N., Stepanov P.V. Moshchnyi elektromagnitnyi impul's: vozdeistvie na elektronnye sredstva i metody zashchity [High power electromagnetic pulse: the impact on electronics and
the protection techniques]. Moscow: Gruppa IDT, 2007. 478 p.
3. Kechiev L.N., Akbashev B.B., Stepanov P.V. Ekranirovanie tekhnicheskikh sredstv i ekraniruiushchie
sistemy [Shielding of technical equipment and shielding systems]. Moscow: Gruppa IDT, 2010. 470 p.
4. Butin V.I., Kundyshev P.Y. Shielding effectiveness of radio electronics’ metallic enclosure in microwave region in wave regime of electromagnetic impact. Tekhnologii elektromagnitnoi sovmestimosti –
Technologies of electromagnetic compatibility, 2012, no. 4 (43), pp. 7−17 (in Russian).
5. Panteleev S.V., Prokhushev D.S., Rodin I.A. Effect of the electromagnetic resonances on possible errors
at electromagnetic compatibility detecting of the constructive units. Tekhnologii elektromagnitnoi
sovmestimosti – Technologies of electromagnetic compatibility, 2016, no. 2 (57), pp. 23−27 (in Russian).
6. Andreev A.Yu., Vialov V.A., Gorodetskiy B.N., Zalipaev V.V., Sidorenko M.S. Excitation of the rectangular by the ultra-wide band video pulse. Tekhnologii elektromagnitnoi sovmestimosti – Technologies
of electromagnetic compatibility, 2016, no. 4 (59), pp. 17−24 (in Russian).
7. Vialov V.A., Gorodetskiy B.N., Zalipaev V.V. Estimates of the electromagnetic environment parameters
in the metal envelope under the external electromagnetic affection. Tekhnologii elektromagnitnoi
sovmestimosti – Technologies of electromagnetic compatibility, 2016, no. 1 (56), pp. 55−67 (in Russian).
8. Kundyshev P. Ya., Butin V.I. Results of comparative estimation of influence of microwave electromagnetic field on the screened radio-electronic equipment. Voprosy atomnoi nauki i tekhniki. Ser.: Fizika radiatsionnogo vozdeistviia na radioelektronnuiu apparaturu – Questions of atomic science and technics.
Series: Physics of radiation effects on radio-electronic equipment, 2013, no. 3, pp. 92−96 (in Russian).
9. Butin V.I., Kundyshev P.Y., Sysoeva T.G., Filatov M.M. Effect of the shielding effectiveness decreasing
of the enclosure in wave regime in microwaves on the reaction of the inner-placed wire line. Tekhnologii
elektromagnitnoi sovmestimosti – Technologies of electromagnetic compatibility, 2014, no. 1/2 (48), pp.
16−20 (in Russian).
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
43
10. Dmotrieva N.Yu., Krokhalev D.I. Some aspects of application of approach to testing equipment for immunity to electromagnetic fields using reverberation chambers. Theoretical study. Tekhnologii elektromagnitnoi sovmestimosti – Technologies of electromagnetic compatibility, 2016, no. 3 (58), pp. 38−50
(in Russian).
11. Dmitrieva N.Iu., Krokhalev D.I. Issledovanie osobennostei primeneniia metoda ispytanii TS na pomekhoustoichivost' s ispol'zovaniem reverberatsionnnykh kamer [Study of application of approach to testing
equipment for immunity to electromagnetic fields using reverberation chambers]. Trudy III Vserossiiskoi
NTK «Tekhno-EMS 2016» [Proc. 3rd All-Russian Conf. «Techno-EMC 2016»]. Moscow, 2016, pp.
153−156 (in Russian).
12. Robinson M.P. et al. Analytical formulation for the shielding effectiveness of enclosures with apertures.
IEEE Trans. on EMC, 1998, vol. EMC-40, №3, pp. 240−248.
13. Thomas D.W.P. et al. Model of the electromagnetic fields inside a cuboidal enclosure populated with
conducting planes or printed circuit boards. IEEE Trans. on EMC, 2001, vol. EMC-43, №2, pp. 161-169.
14. Butin V.I., Kundyshev P.Ia. Metod issledovaniia pomekhoustoichivosti apparatury bespilotnogo letatel'nogo apparata s ogranichennym resursom [Immunity testing method of unmanned aerial vehicle
system with limited operational life]. Trudy II Vserossiiskoi NTK «Tekhno-EMS 2015» [Proc. 2nd AllRussian Conf. «Techno-EMC 2015»]. Moscow, 2015, pp. 35−38 (in Russian).
15. Butin V., Kundyshev P. Immunity Testing Research Method of Unmanned Aerial Vehicle System with
Limited Operational Life. Proc. 2015 Asia-Pacific International Symposium on Electromagnetic Compatibility (APEMC). Taipei, Taiwan, 2015, pp. 33−36.
16. Butin V.I., Kundyshev P.Ia., Vliianie konstruktsionnykh materialov, zapolniaiushchikh vnutrennii ob'em
radioelektronnoi apparatury, na effektivnost' ekranirovaniia v rezonansnom rezhime [Inner filled constructive material effect on shielding effectiveness in resonance mode]. Trudy III Vserossiiskoi NTK
«Tekhno-EMS 2016» [Proc. 3rd All-Russian Conf. «Techno-EMC 2016»]. Moscow, 2016, pp. 50−53 (in
Russian).
17. Kundyshev P., Butin V. Inner filled constructive material effect on shielding effectiveness of screened
electronics in resonance regime. Proc. 2016 Asia-Pacific International Symposium on Electromagnetic
Compatibility (APEMC), Shenzhen, China, 2016, vol. 01, pp.91−93.
18. Butin V.I., Kundyshev P.Ya. Inner filled constructive material effect on shielding effectiveness of
screened electronics in resonance mode. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering,
2016, vol. 151, no. 1, pp. 1−5.
19. Butin V.I., Kundyshev P.Ia. Issledovanie navodok v provodnykh soedineniiakh, razmeshchaemykh vnutri metallicheskogo korpusa radioelektronnoi apparatury, v nachale rezonansnogo rezhima ekranirovaniia
[Investigation of currents induced in wires placed inside metal shield of electronics in the beginning of
the resonance mode]. Trudy IV Vserossiiskoi NTK «Tekhno-EMS 2017» [Proc. 4th All-Russian Conf.
«Techno-EMC 2017»]. Moscow, 2017, pp. 26−30 (in Russian).
20. Butin V., Kundyshev P. Study of Currents Induced in Wire Lines Placed inside the Metal Shield of Electronics in the Beginning of the Resonance Mode. Proc. 2017 Asia-Pacific International Symposium on
Electromagnetic Compatibility (APEMC). Seoul, Korea, 2017, pp. 172−174.
21. Paul C.R. Analysis of multiconductor transmission lines: 2nd ed. John Wiley and Sons, 2008. − 807 p.
22. Armenta R.B., Sarris C.D. Modeling the terminal response of a bundle of twisted-wire pairs excited by a
plane wave. IEEE Transactions on EMC, 2007, vol. EMC-49, № 4, pp. 901−-913.
Dukhov Research Institute of Automatics (VNIIA) 22, ul. Sushchevskaya, 127055, Moscow, Russia.
Authors
Butin Valentin I, Research department director, [email protected], 8(499) 978-90-85. Dukhov Research Institute of Automatics (VNIIA) 22, ul. Sushchevskaya, 127055, Moscow, Russia.
Kundyshev Pavel Ya. Head of research division, [email protected], 8(499) 972-84-99, add. 17-81. Dukhov Research Institute of Automatics (VNIIA) 22, ul. Sushchevskaya, 127055, Moscow, Russia.
44
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
ISSN 1729-2670
УДК 621.391
П.А. Маслаков, А.В. Швецов, А.В. Пилков, М.С. Акимова
Исследование помехоустойчивости канала радиосвязи
с четырехпозиционной фазовой модуляцией
при передаче разных типов данных
В статье представлена модель функционирования канала радиосвязи
с четырехпозиционной фазовой модуляцией в условиях воздействия непреднамеренных помех. На основе разработанной модели проведены исследования помехоустойчивости цифрового канала связи при передаче по нему различных типов данных. В качестве показателя помехоустойчивости, определяющего степень влияния помех на качество функционирования радиоэлектронных средств, использованы вероятность битовой ошибки и кривая разборчивости слов. Определены защитные отношения для канала радиосвязи с
модуляцией QPSK при передачи видео-, фото- и текстовых данных.
Ключевые слова: фазовая модуляция, помехоустойчивость, кривая разборчивости слов, вероятность битовой ошибки
Введение
В современных системах цифровой связи широко используются сигналы с четырехпозиционной фазовой модуляцией (QPSK – Quadrature Phase Shift Keying), которые обладают несколько меньшей помехоустойчивостью по сравнению c бинарной, но имеют большую спектральную эффективность. Следует отметить, что по такому каналу могут передаваться текстовые, аудио-, видео-, фото- и
другие типы данных, однако в случае нарушений требований по обеспечению электромагнитной
совместимости радиоэлектронных средств на него будут воздействовать непреднамеренные помехи.
При этом, для оценивания помехоустойчивости канала цифровой радиосвязи широко используют
графики зависимостей вероятностей битовых ошибок Рош от отношения сигнал/помеха без привязки к
конкретной информации, что не всегда оказывается удобным, поскольку затрудняет оценку качества
его функционирования [1−3].
Данное обстоятельство обуславливает необходимость разработки имитационной модели канала цифровой радиосвязи, позволяющей исследовать его помехоустойчивость с учетом особенностей передаваемых по нему данных.
Целью статьи является анализ помехоустойчивости канала радиосвязи с четырехпозиционной
фазовой модуляцией при передаче по нему разных типов данных.
Имитационная модель функционирования канала радиосвязи
в условиях воздействия непреднамеренных помех
Обобщенная структурная схема модели функционирования канала связи в условиях помех
включает в себя следующие элементы: модель передающего устройства, модель приемного устройства, модель источника помех и белого гауссовского шума, а также блок оценивания вероятности битовой ошибки (рис. 1). Кроме того в состав радиолинии входит модель среды распространения.
Информационное сообщение i, проходя через канал сигналообразования, преобразуется в радиосигнал S(t). С учетом воздействия белого гауссовского шума и непреднамеренных помех на вход
приемника поступает аддитивная смесь [8−12]
U(t) = S(t) + ξ(t) + n(t),
(1)
где S(t) – полезный сигнал, ξ(t) – шумовая непрерывная непреднамеренная помеха. n(t) – собственные
шумы приемника.
Математическая модель сигнала S(t) представляет собой следующее выражение [4]
45
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
ISSN 1729-2670
2E
cos[ω 0 t + ϕ i (t )] ,
(2)
T
где Е – энергия символа, T – время передачи символа 0 ≤ t ≤ T , ω0 – несущая частота, φi(t) – фазовый
S (t ) =
член, принимающий значение i =1,…4.
Модель шумовой непрерывной помехи описывается алгоритмом формирования n дискретных
составляющих помехового сигнала по нормальному закону [5,6]:
ξ=
[ n]
где
m
∑E
k =0
k
 

l n
cos⋅  2π  f н + ( f в − f н ) 
+ βl  ,
b  2 fв
 

(3)
E k – случайный коэффициент с Рэлеевским распределением, l=1,2,…,b; fн – и fв – нижняя и
верхняя частоты энергетического спектра шумовой помехи; β l – случайные фазы гармоник, независимые от
E k и распределённые равномерно в интервале [0,
2π ] .
Собственные шумы приемника n(t) при ограниченной полосе пропускания хорошо аппроксимируются случайным процессом
n(t ) = nc (t ) cos ω0t + ns (t ) sin ω0t , ……………………………….(4)
где nc (t ), n s (t ) – статистические независимые гауссовские случайные процессы со средним значением равным нулю, и дисперсией [9]
D{nc (t )} = D{n s (t )} = σ 02 ………………………………………..(5)
МОДЕЛЬ
ИСТОЧНИКА
ПОМЕХ
МОДЕЛЬ БЕЛОГО
ГАУССОВСКОГО
ШУМА
n(t )
ξ (t)
i
Кодер
источника
сообщений
Фильтр
Найквиста
Модулятор
Модель среды
S (t ) распространения
МОДЕЛЬ ПЕРЕДАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА
Фильтр
Найквиста
Демодулятор
Декодер
источника
сообщений
i*
МОДЕЛЬ ПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА
Блок
оценивания
вероятности
ошибки
Рис. 1. Структурная схема модели функционирования канала связи
в условиях воздействия непреднамеренная помех
Pош
На основе представленных математических моделей сигнала и помехи в программной среде
Matlab 8.5 разработана имитационная модель, для оценивания адекватности которой проведено сравнение зависимостей вероятностей битовых ошибок от нормированного отношения сигнал/шум (рис.
2). Высокая сходимость полученных результатов позволяет сделать вывод о возможности ее использования для исследований.
Eb/No
Рис. 2. Теоретическая и моделируемая зависимости вероятности битовой ошибки от отношения сигнал/шум для модуляции QPSK
46
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
ISSN 1729-2670
Из теории связи известно, что для данного вида модуляции в одном символе содержится два
информационных бита, поэтому при реализации модулятора входной поток разделяется на две составляющие – синфазную I и квадратурную Q [13, 14]. На рис. 3 представлены передаваемые и принимаемые информационные быты в условиях воздействия помех для синфазного и квадратурного
канала, а на рис. 4 показаны сигнальные созвездия на выходе модулятора и входе демодулятора.
передаваемые биты синфазного канала
U(t)
принимаемые биты синфазного канала
U(t)
передаваемые биты квадратурного канала
U(t)
принимаемые биты квадратурного канала
U(t)
t, мс
Рис. 3. Иллюстрация работы канала связи с модуляцией QPSK
а)
б)
Q
Q
I
I
Рис. 4. Передаваемые а) и принимаемые б) сигнальные созвездия
Важной частью модели являются цифровые фильтры, которая необходимы для ограничения
спектра на передающей стороне и для устранения внеполосных помех и обеспечения максимального
отношения сигнал/шум в радиоприемном устройстве. Математическая модель фильтра представляет
собой свертку входного сигнала с импульсной характеристикой фильтра [15−17]:
y (τ ) = x(τ ) ⊗ h(τ ) =
∞
∫ x(τ )h(τ − τ )dτ ,
(6)
−∞
где х(t) – сигнал на входе фильтра, y(t) – сигнал на выходе фильтра, h(t) – импульсная характеристика
фильтра ⊗ – обозначение операции свертки. Импульсная характеристика фильтра связана с частотой
через преобразование Фурье [16]:
H ( jω) =
∞
∫ h(t )e
−∞
− jωt
dt.
(7)
В качестве формирующего фильтра при моделировании выбран широко применяемый фильтр
с амплитудно-частотной характеристикой в виде приподнятого косинуса, и коэффициентами сглаживания α = 0,25 [17]:
47
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
ISSN 1729-2670
при f ≤ f N (1 − α);
1

1/2
 1 1
π  fN − f  

H( f ) =
 + sin

  при f N (1 − α);
2 f N  α  
 2 2
0
при f > f N (1 + α);


(8)
где f N = 1 / 2T – частота Найквиста, а α – коэффициент сглаживания.
На рис. 5 представлен спектр сигнала с использованием формирующего фильтра Найквиста с
амплитудно-частотной характеристикой в виде приподнятого косинуса.
10⁰
10 – 1
G( f )
10 – 2
7
8
9
10
11
12
13
f , М Гц
Рис. 5. Спектр сигнала при использовании формирующего фильтра Найквиста
Оценивание помехоустойчивости канала связи при передаче текстовых данных
Для оценивания помехоустойчивости канала связи, как одного из элементов помехозащищенности радиоэлектронного средства, необходимо выбрать некоторый количественный показатель результативности. В общем случае он должен отражать способность обеспечивать требуемое качество его функционирования. При расчетах удобно пользоваться защитным отношением, определяемым как минимальное отношение мощности сигнала Рс к мощности помехи Рп и шумов Рш на входе приемника
РЭС, при котором обеспечивается такое качество
γз =
Рс.
.
(Pп. + Рш. ) вх. min
(9)
Защитное отношение зависит от вида сигнала и помехи, а также от характеристик приемного
устройства и наличия схем защиты в нем. Оно является постоянной величиной для определенного
вида помехи и РЭС с определенным видом сигнала и схемами защиты от помех. Как правило, защитное отношение определяется экспериментальным путем, а для его нахождения необходимо задаться
некоторым пороговым уровнем показателя эффективности функционирования РЭС.
Конкретное значение порога показателя эффективности функционирования РЭС может выбираться как объективно из анализа экспериментальных, либо теоретических данных, так и субъективно, исходя из оперативно-тактических соображений.
Для достаточно объективного подхода к выбору порога эффективности функционирования
радиолинии по аналогии с артикуляционной кривой [18, 19] в статье вводится характеристика – кривая разборчивости текста, характеризующая качество работы РЭС радиотелеграфной линии связи.
Кривая разборчивости слов представляет собой зависимость числа правильно распознанных не связанных по смыслу слов от отношения средней мощности сигнала к средней мощности помехи на входе приемника.
При моделировании процесса передачи текста по радиоканалу размер выборки составил 300
не связанных по смыслу пятибуквенных слов русского алфавита. Определение правильности распо-
48
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
ISSN 1729-2670
знанных слов может проводиться методом экспертных оценок, что является оправданным, поскольку
применение рациональных математических методов малоэффективно для решения данной задачи.
На рис. 6 и рис. 7 представлены зависимости числа принятых слов без ошибок и правильно
распознанных слов с ошибками от отношения сигнал/помеха и вероятности битовой ошибки.
Рис. 6. График зависимостей принятых слов без ошибок и правильно распознанных слов
с ошибками от отношения сигнал/помеха
Рис. 7. График зависимостей количества принятых слов без ошибок и правильно распознанных слов
с ошибками от вероятности битовой ошибки
Анализ данных зависимостей позволяет сделать вывод о том, что они носят нелинейный характер. Так, на участке графика от 0 до 2 дБ наблюдается резкий рост количества правильно принятых и распознанных слов, на участке 2−5 дБ эти зависимости носят более «спокойный» характер и
при соотношении сигнал/помеха 5,5−6 дБ график переходит в «насыщение». Для рассмотренного
случая последнее значение может считаться защитным отношением.
Если же в радиолинии передается текстовое сообщение, состоящее из связанных по смыслу
слов, то при его прочтении оказывается, что потеря менее 50% слов не сказывается на количестве
информации I, получаемой адресатом, так как слова могут быть восстановлены по смыслу и сообщение полностью понятно. При потере же 50% и более слов сообщение принято не будет из-за того, что
восстановить слова по смыслу не удается.
Оценивание помехоустойчивости канала передачи видеоданных
Рассмотрим некоторые особенности технологии MPEG-4, важные для оценивания помехоустойчивости. При передаче видеоданных видеопоток имеет иерархическую структуру вложенных
элементов, называющихся Video Object Plane (VOP, далее «кадры»). Существует три типа кадров:
intra-coded (I), predictive-coded (Р) и bidirectionally predictive-coded (В). Последовательность кадров,
начинающаяся с I-кадров, называется Group of VOPs (GoV), при этом I-кадр содержит информацию
только о самом себе. Кодирование Р-кадров осуществляется с использованием опорных I-кадров бла-
49
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
ISSN 1729-2670
годаря алгоритмам компенсации движения. В-кадры кодируются с использованием Р-кадров с двунаправленным предсказанием, а для компенсации движения использует не только предыдущий кадр, но
и последующий [20−23]. При трансляции видеопотока в канале передачи данных, вследствие воздействия непреднамеренных помех, некоторые пакеты могут быть потеряны и соответствующие кадры
будут повреждены, однако различные типы кадров вносят неодинаковый вклад в качество видеоизображения. Более того, различные части одного кадра могут иметь разную ценность для всего
изображения. Например, потеря середины или конца кадра ведет только к искажению изображения, в
то время как потеря начальной части кадра (I-кадр) вместе с начальной последовательностью ведет к
потере целого кадра: он фактически не воспроизводится на приемнике, так как не может быть корректно декодирован. Так, на рис. 8 показано, что невозможно декодировать В- или Р-кадры. которые
ссылаются на потерянный кадр (заштрихован) или на тот, который еще не был декодирован. Как
видно из рисунка, если потерян I-кадр (зачеркнут), то все последующие кадры, до очередного I-кадра
не могут быть декодированы.
G OV 1
I
GOV 2
B
B
P
B
P
B
B
B
P
B
B
P
B
B
P
B
B
P
B
P
...
I
B
B
P
...
B
B
P
...
GOV 2
G OV 1
I
B
GOV 2
G OV 1
I
I
B
B
P
B
B
P
B
B
P
I
Рис. 8. Влияние различных случаев повреждения трех типов кадров в закодированном потоке
на качество декодирования
В ходе имитационного моделирования установлено, что в процессе приема видеоизображений, использующих технологию MPEG-4 при достижении Рош ≈ 10–4 (для фотографий формата JPEG
Рош ≈ 2,5⋅10–4) на приемной стороне еще возможно идентифицировать передаваемые данные (рис. 9).
Защитные отношения для канала с модуляцией QPSK при данных вероятностях принимают значения
8,4 и 7,8 дБ соответственно.
А)
Б)
В)
Д)
Г)
E)
Рис. 9 Искажения изображений формата JPEG, возникающие при воздействии помех
а) Рош = 0 б) Рош ≈ 10−5 в) Рош ≈ 2·10−5 г) Рош ≈ 7,5·10−5 д) Рош ≈ 1,5·10−4 е) Рош ≈ 5·10−4
50
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
ISSN 1729-2670
Заключение
В статье представлена модель функционирования канала связи в условиях воздействия непреднамеренных помех. Предложенная модель позволяет исследовать помехоустойчивость канала
связи с четырехпозиционной фазовой модуляцией в условиях передачи разного типа данных. Предложен подход к оцениванию помехоустойчивости канала радиосвязи по которому передаются текстовые данные путем введения нового показателя – кривой разборчивости слов. Найдены защитные
отношения для канала с модуляцией QPSK при передаче текстовых, а также фото- и видеоданных.
Часть исследований в данной работе выполнено (Пилковым А.В.) при поддержке гранта Президента РФ НШ-6831.2016.8.
Список литературы
1. Борисов В.И. Анализ помехозащищенности радиотехнических систем на основе вероятностновременной модели «Система радиосвязи – Система РЭБ». − Радиотехника. – 2014. – № 11. – С.
25−35.
2. Владимиров В.И., Владимиров И.В., Шацких В.М. Подход к оценке состояния линий радиосвязи
с обратной связью в информационном конфликте. − Радиотехника. – 2014. – № 9. – С.15−19.
3. Залевский А.А., Рогожников Е.В. Влияние временной синхронизации на вероятность битовой
ошибки в системе связи с QAM-модуляцией. − Электронные средства и системы управления.–
2016. – № 1-1. – С. 51–53.
4. Дубов М.А., Полянин Ю.В., Стоянов Д.Д., Брюханов Ю.А. Оценка вероятности битовой ошибки
приема сигналов с квадратурной модуляцией неэталонными методами //DSPA: Вопросы применения цифровой обработки сигналов. – 2012. – Т. 2. – № 2. – С. 173–177.
5. Зазулина А.Б., Лутков А.Н. Расчет допустимой вероятности битовой ошибки в радиоканале связи
с объектами управления. − Антенны. – 2013. – № 1 (188). – С. 72–74.
6. Дубов М.А., Приоров А.Л. Методика неэталонной оценки отношения сигнал/шум и вероятности
битовой ошибки для сигналов с квадратурной модуляцией // Цифровая обработка сигналов. –
2012. – № 4. – С. 37–43.
7. Проклов Р.В., Строганова Е.П. Cовременные требования и методы испытаний на помехоустойчивость средств радиосвязи T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. – 2012. –Т. 6. – № 8. – С. 57–
58.
8. Скляр Бернард. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение: пер. с англ. –
2-е изд. испр.– М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. – 1104 с.
9. Борисов В.И., Зинчук В.М., Лимарев А.Е. Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты. Под ред.
В.И.Борисова. 2-е изд. − М.: РадиоСофт, 2008. – 512 с.
10. Перов Б.Г., Черанёв М.А., Полторак В.П. Разработка математической модели канала связи с белым гауссовым шумом. − Молодой ученый. – 2013. – № 6. – С. 116–121.
11. Маслаков П.А., Святкин С.А., Куценко Е.В., Пилков А.В. Исследование помехоустойчивости каналов связи с фазовой манипуляцией к воздействию непреднамеренных помех. − Технологии
электромагнитной совместимости. – 2017. – № 4 (63). – С. 11–17.
12. Маслаков П.А., Паршуткин А.В., Фомин А.В. Модель функционирования канала спутниковой
связи при воздействии нестационарных помех. − Труды Военно-космической академии им.
А.Ф.Можайского. 2016. – Вып. 651. – С. 78–83.
13. Фоменко А.Ю., Шахтарин Б.И. Синтез и моделирование схемы Костаса // Вестник МГТУ им.
Н.Э. Баумана. − Приборостроение. –2012.– №2. – С. 122–127.
14. Сидоркина Ю.А. Cинтез и помехоустойчивость оптимального приемника 4-ФМ манипулированных сигналов (QPSK) // Вестник Ярославского государственного университета им. П.Г. Демидова. Серия Естественные и технические науки. – 2012. – № 3. – С. 64–71.
15. Солонина А.И. Цифровая обработка сигналов и MATLAB: учеб. пособие /А.И. Солонина, Д.М.
Клионский, Т.В. Меркучева, С.Н.Перов. СПб.: БХВ-Петербург, 2013. – 512 с.
16. Шахтарин Б.И. Фильтры Винера и Калмана. − М.: Гелиос АРВ, 2008. − 408 с.
17. Макаренко А.А., Плотников М.Ю. Расчет цифровых фильтров методом автоматизированного
проектирования. Учебное пособие. – СПб: НИУИТМО, 2014. – 50 с.
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
51
18. ГОСТ Р ИСО 8253-3-2014. Акустика. Методы аудиометрических испытаний. Часть 3. Речевая
аудиометрия.
19. Санников В.Г., Корольков А.А. Метод оценки основного тона речи, наблюдаемой в шумах, с повышенной помехоустойчивостью. − Естественные и технические науки. – 2015. – № 8 (86). – С.
57–67.
20. Ян Ричардсон Видеокодирование. H.264 и MPEG-4 – стандарты нового поколения / Ричардсон.
М.: Техносфера, 2005. – 368 с.
21. Башун В.В., Сергеев А.В. Модель и протокол передачи видеоданных в реальном времени по беспроводному каналу. − Информационно-управляющие системы. – 2007.– № 6.– С. 20–27.
22. Иванов Ю.А.Оценка качества потокового видеостандарта H.264/AVC при передаче в нестабильных каналах связи широкополосных сетей беспроводного доступа 4G. − Вестник Чувашского
университета. – 2010. –№ 3. –С. 268−278.
23. Фурман Я.А. Распознавание изображений по их форме с асимптотически потенциальной помехоустойчивостью. − Алгоритмы, методы и системы обработки данных.– 2005. –№ 10. – С. 4–7.
Военно-космическая академия (ВКА) имени А.Ф.Можайского. Россия, Санкт-Петербург ул.
Ждановская, 13, 197198.
Статья поступила 14.12.2017 г
Авторы
Маслаков Павел Андреевич, преподаватель Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского, кандидат технических наук (197198, г. Санкт-Петербург, ул. Ждановская д.13),
тел. 8-911-083-36-89, [email protected].
Пилков Александр Валерьевич, начальник комплексного отдела ЭМС РЭС – заместитель главного
конструктора ОАО РТИ, кандидат технических наук (127083, г. Москва, ул. 8-го Марта, д. 10, стр. 1),
тел. 8-926-021-91-21, [email protected].
Швецов Алексей Владимирович, адъюнкт Военно-космической академии имени А.Ф.Можайского,
(197198, г. Санкт-Петербург, ул. Ждановская д.13), тел. 8-911-796-05-45, [email protected].
Акимова Мария Сергеевна, студентка Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна (191186, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 18),
тел. 8-991-000-59-60, [email protected].
Maslakov P.A., Shvetsov A.V., Pilkov A.V., Akimova M.S.
Researching of noise immunity of the radio communication channel with four-position
phase modulation in the transmission of different types of data
Abstract. The article shows that in the communication theory, the probability of a bit error without
taking into features of the transmitted information is widely used as the main indicator of noise immunity of
a digital radio communication channel. This circumstance makes it difficult to assess the effectiveness of the
functioning of the radio link in the conditions of interference and has necessitated the modeling of the
process of transmission of different types of data. Based on the mathematical model, a simulated model of
the radio link with four-position phase modulation was developed in the Matlab software environment and its
verification was carried out. As a result, the criterion levels of noise immunity of a radio link with QPSK
modulation were found in the transmission of text, photo and video data.
The term "word intelligibility curve" has been introduced. It is shown that bit errors in different parts
of the information frame arising during the reception and transmission make a different contribution to the
distortion of photo and video images.
Key words: phase modulation, interference immunity, word intelligibility curve, bit error rate
52
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
ISSN 1729-2670
References
1. Borisov V.I. Analiz pomekhozashchishchennosti radiotekhnicheskih sistem na osnove veroyatnostnovremennoj modeli «Sistema radiosvyazi – Sistema REHB» [Analysis of noise immunity of radio engineering systems based on the probability-time model "Radio communication system – Electronics Warfare System"]. Radiotekhnika [Radio engineering], 2014, no. 11, pp. 25–35. (in Russia)
2. Vladimirov V.I., Vladimirov I.V., SHackih V.M. Podhod k ocenke sostoyaniya linij radiosvyazi s
obratnoj svyaz'yu v informacionnom konflikte [An Approach to Evaluating the Condition of Radio
Communication Lines with Feedback in the Information Conflict]. − Radiotekhnika [Radio
engineering], 2014, no. 9, pp.15–19. (in Russia)
3. Zalevskij A.A., Rogozhnikov E.V. Vliyanie vremennoj sinhronizacii na veroyatnost' bitovoj oshibki v
sisteme svyazi s QAM-modulyaciej [The effect of time synchronization on the probability of a bit error
in a communication system with QAM modulation]. Ehlektronnye sredstva i sistemy upravleniya [Electronic means and control systems], 2016, no. 1-1, pp. 51–53. (in Russia)
4. Dubov M.A., Polyanin YU.V., Stoyanov D.D., Bryuhanov YU.A. Ocenka veroyatnosti bitovoj oshibki
priema signalov s kvadraturnoj modulyaciej neehtalonnymi metodami [Estimation of probability of bit
error of reception of signals with quadrature modulation by non-standard methods]. − Doklady Mezhdunarodnoj Konferencii DSPA:Voprosy primeneniya cifrovoj obrabotki signalov [Reports International
Conference DSPA: Problems of digital signal processing application], 2012, T. 2, no. 2, pp. 173–177.
(in Russia)
5. Zazulina A.B., Lutkov A.N. Raschet dopustimoj veroyatnosti bitovoj oshibki v radiokanale svyazi s
ob"ektami upravleniya [Calculation of the allowable probability of a bit error in the radio link with control objects]. − Antenny [Antennas], 2013, no. 1 (188). – pp. 72–74. (in Russia)
6. Dubov M.A., Priorov A.L. Metodika neehtalonnoj ocenki otnosheniya signal i shum i veroyatnosti bitovoj oshibki dlya signalov s kvadraturnoj modulyaciej [Methodology of non-standard estimation of signal-to-noise ratio and bit error probability for quadrature modulation signals] Cifrovaya obrabotka
signalov [Digital signal processing], 2012, no. 4. pp. 37–43.
7. Proklov R.V., Stroganova E.P. Covremennye trebovaniya i metody ispytanij na pomekhoustojchivost'
sredstv radiosvyazi [Modern requirements and methods of tests for inter-immunity of radio communication facilities]. − T-Comm: Telekommunikacii i transport [T-COMM: Telecommunications and
transport], 2012, T. 6, no. 8, pp. 57–58. (in Russia)
8. Sklyar Bernard. Cifrovaya svyaz'. Teoreticheskie osnovy i prakticheskoe primenenie per. s angl. – 2-e
izd. ispr. [Theoretical foundations and practical application: Tr. with English. – 2-nd ed. Rev.], Moskow,
Izdatel'skij dom «Vil'yams», 2003. 1104 p. (in Russia)
9. Borisov V.I., Zinchuk V.M., Limarev A.E. Pomekhozashchishchennost' sistem radiosvyazi s rasshireniem spektra signalov metodom psevdosluchajnoj perestrojki rabochej chastity [Noise immunity of
radio communication systems with spreading of signals by the method of pseudo-random adjustment of
the working frequency], Moskow, RadioSoft, 2008. 512 p. (in Russia)
10. Perov B.G., Cheranyov M.A., Poltorak V.P. Razrabotka matematicheskoj modeli kanala svyazi s belym
gaussovym shumom [Development of a mathematical model of the communication channel with white
Gaussian noise]. − Molodoj uchenyj [Young Scientist], 2013, no. 6,pp. 116 –121. (in Russia)
11. Maslakov P.A., Svyatkin S.A., Kucenko E.V., Pilkov A.V. Issledovanie pomekhoustojchivosti kanalov
svyazi s fazovoj manipulyaciej k vozdejstviyu neprednamerennyh pomekh [Investigation of noise immunity of communication channels with phase manipulation to the effect of unintended interference]. −
Tekhnologii ehlektromagnitnoj sovmestimosti [Electromagnetic compatibility technologies], 2017, no. 4
(63), pp. 11–17. (in Russia)
12. Maslakov P.A., Parshutkin A.V., Fomin A.V. Model' funkcionirovaniya kanala sputnikovoj svyazi pri
vozdejstvii nestacionarnyh pomekh [Model of the functioning of the satellite communication channel
under the influence of non-stationary interference]. − Trudy Voenno-kosmicheskoj akademii im.
A.F.Mozhajskogo [Proc. of the Military Space Academy named A.F.Mozhaysky], 2016, no. 651, pp. 78–
83. (in Russia)
13. Fomenko A.YU., SHahtarin B.I. Sintez i modelirovanie skhemy Kostasa [Synthesis and modeling of the
costas scheme] − Vestnik MGTU im. N.EH. Baumana. Priborostroenie [Bulletin MSTU named N.E.
Bauman. Instrument making], 2012, no. 2. – pp. 122–127. (in Russia)
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
53
14. Sidorkina YU.A. Cintez i pomekhoustojchivost' optimal'nogo priemnika 4-FM manipulirovannyh
signalov (QPSK) [Synthesis and noise immunity of the optimal receiver of 4-FM manipulated signals
(QPSK)]/ − Vestnik YAroslavskogo gosudarstvennogo universiteta im. P.G. Demidova. Seriya
Estestvennye i tekhnicheskie nauki [Bulletin of Yaroslavl State University named after. P.G. Demidov.
Series of Natural and Technical Sciences], 2012, no. 3, pp. 64–71. (in Russia)
15. Solonina A.I., D.M. Klionskij, T.V. Merkucheva, S.N.Perov Cifrovaya obrabotka signalov i MATLAB:
ucheb. posobie [Digital Signal Processing and MATLAB: Proc. allowance], SPb, BHV-Peterburg, 2013.
512 p. (in Russia)
16. Shahtarin B.I. Fil'try Vinera i Kalmana [Wiener and Kalman filters], Moskow, Gelios ARV, 2008. 408 p.
17. Makarenko A.A., Plotnikov M.YU. Raschet cifrovyh fil'trov metodom avtomatizirovannogo
proektirovaniya. [Calculation of digital filters by the method of computer-aided design], SPb,
NIUITMO, 2014. 50 p. (in Russia)
18. GOST R ISO 8253-3-2014 Akustika. Metody audiometricheskih ispytanij. CHast' 3. Rechevaya
audiometriya [Acoustics. Methods of audiometric tests. Part 3. Speech audiometry]. (in Russia)
19. Sannikov V.G., Korol'kov A.A. Metod ocenki osnovnogo tona rechi, nablyudaemoj v shumah, s povyshennoj pomekhoustojchivost'yu [Method for estimating the fundamental pitch of speech, observed in
noise, with increased noise immunity]. − Estestvennye i tekhnicheskie nauki, 2015, no. 8 (86), pp. 57–67.
(in Russia)
20. YAn Richardson Videokodirovanie. H.264 i MPEG-4 – standarty novogo pokoleniya [Video coding.
H.264 and MPEG-4 –standards of the new generation], Moskow, Tekhnosfera, 2005, 368 p. (in Russia)
21. Bashun V.V., Sergeev A.V. Model' i protokol peredachi videodannyh v real'nom vremeni po besprovodnomu kanalu [Model and protocol for transmitting real-time video data over a wireless channel]. − Informacionno-upravlyayushchie sistemy [Information-control systems], 2007, no. 6, pp. 20–27. (in Russia)
22. Ivanov YU.A. Ocenka kachestva potokovogo videostandarta H.264/AVC pri peredache v nestabil'nyh
kanalah svyazi shirokopolosnyh setej besprovodnogo dostupa 4G [Evaluation of the quality of H.264 /
AVC streaming video standard for transmission of 4G wireless broadband access networks in unstable
communication channels]. − Vestnik Chuvashskogo universiteta [Bulletin of the Chuvash University],
2010, no. 3, pp. 268–278. (in Russia)
23. Furman YA.A. Raspoznavanie izobrazhenij po ih forme s asimptoticheski potencial'noj pomekhoustojchivost'yu [Recognition of images by their form with asymptotically potential noise immunity]. −
Algoritmy, metody i sistemy obrabotki dannyh [Algorithms, methods and systems of data processing],
2005, no. 10, pp. 4–7. (in Russia)
Military Space academy (MSA) named after A.F. Mozhaisky. Russia. Gdanovskaya street, 13, 197198,
Moscow. Russian Federation
Authors
Maslakov Pavel Andreevich, university lecturer of Military Space academy (MSA) named after A.F.
Mozhaisky, candidate of Technical Sciences( 197198, St. Petersburg, Gdanovskaya st., 13), tel. 8-911-08336-89, e-mail: [email protected].
Shvetsov Alexey Vladimirovich, post graduate student of Military Space academy (MSA) named after A.F.
Mozhaisky (197198, St. Petersburg, Gdanovskaya st., 13), tel. 8-911-796-05-45, e-mail: [email protected].
Pilkov Alexander Valeryevich, head of the integrated department of EMC RES - Deputy Chief Designer of
OAO RTI (127083, Moskow, 8 March st., 10, block 1), tel. 8-926-021-91-21, e-mail [email protected].
Akimova Maria Sergeevna, student of the St. Petersburg State University of Industrial Technology and Design (191186, St. Petersburg, Large marine st., 18), tel. 8-991-000-59-60, e-mail [email protected].
54
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
ISSN 1729-2670
УДК 621.37/29; 621.317.723
В.О. Коркинец, Е.Д. Пожидаев, В.С. Саенко
Радиационное заряжение композитных пленок
полиэтилена низкой плотности, обладающих
контролируемой темновой проводимостью
В статье излагается модель радиационного заряжения композитных
полимерных пленочных материалов с контролируемой темновой проводимостью. Особенность данной модели заключается в учёте радиационной проводимости этих материалов, величина которой существенно меняется с изменением времени заряжения.
С использованием предложенной модели выполнено компьютерное
моделирование радиационного заряжения композиционных пленок полиэтилена низкой плотности с контролируемой удельной объемной проводимостью от 10−7 до 10−16 Ом−1м−1. Моделировалась ситуация спокойной геомагнитной обстановки, при которой плотность потока электронов, падающих
на поверхность пленки, составляла 10−7 А∙м−2, и ситуация протекания геомагнитной суббури, когда плотность потока электронов достигала
10−5 А∙м−2.
Установлено, что, когда радиационная проводимость соизмерима с
темновой проводимостью, она существенно замедляет нарастание напряженности электрического поля во времени за счет стока накапливаемого
заряда.
Показана важная роль радиационной проводимости в предотвращении возникновения электростатических разрядов с учетом длительности
протекания суббури.
Показана возможность эффективного использования в радиоэлектронных устройствах композитных полимерных материалов с контролируемой темновой проводимостью для предотвращения возникновения электростатических разрядов.
Ключевые слова: Компьютерное моделирование, физико-математическая модель радиационного заряжения, композитные полимерные пленочные материалы, полиэтилен низкой плотности, контролируемая темновая проводимость, радиационная проводимость, электростатические разряды
Космический аппарат (КА), находясь на околоземной орбите и контактируя с окружающей
его космической плазмой, подвергается воздействию ускоренных электронов, что приводит к радиационному заряжению диэлектриков КА [1, 2]. Этому способствует высокое удельное объемное сопротивление диэлектриков, которое может превышать 10−16 Ом−1·м−1, и, соответственно, очень низкая
удельная объемная темновая проводимость. Следствием накопления в полимере объемного заряда
являются возникающие и воздействующие на кабельные системы и электронные компоненты космического аппарата электростатические разряды (ЭСР), представляющие серьезную угрозу для космической радиоэлектронной аппаратуры. Наведенные токи и напряжения, попадая на входы блоков системы, могут вызвать сбои и другие нарушения работоспособности систем с непредсказуемыми последствиями. Особенно часто это происходит во время магнитных суббурь в магнитосфере Земли.
Электромагнитная среда, в которой КА и их электронные системы должны работать без
нарушения функциональной безопасности, является наиболее возмущенной среди любых систем. Отсутствие доступа для ремонтных работ и замены отказавших блоков обуславливает необходимость
работы бортовой радиоэлектронной аппаратуры (БРЭА) КА без нарушения функциональной безопасности в изменяющихся интенсивных электромагнитных средах на всех этапах жизненного цикла,
а также в течение многих лет эксплуатации КА. Создан ряд методов защиты радиоэлектронной аппаратуры от воздействия ЭСР [3, 4], и разработка новых методов продолжается.
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
55
Серьезным негативным фактором, который приводит к отказам в работе БРЭА, является
внутренняя электризация КА [5], возникающая вследствие того, что часть высокоэнергетического
электронного излучения проникает внутрь КА и попадает в объем находящихся там диэлектриков
радиоэлектроники. Воздействие этого фактора значительно усилилось для КА новых поколений, у
которых отсутствуют гермоконтейнеры, а современные полупроводниковые приборы и интегральные
микросхемы бортовой радиоэлектроники имеют пластмассовые корпуса, (в отличие от ранее применявшихся металлических и металлокерамических корпусов), которые уже не защищают их от воздействия излучения [6]. В этом случае разряды могут происходить из объема пластмассового корпуса
непосредственно на полупроводниковый кристалл, и от них практически невозможно защититься,
используя схемотехнические методы.
Для защиты от электростатических разрядов, в частности, при внутренней электризации, в работе [7] было предложено использовать композитные полимерные материалы с контролируемой проводимостью. В этом случае в полимерный диэлектрик вводится определенное количество мелкодисперсной графитированной сажи, или металлического порошка, что приводит к увеличению темновой
проводимости. В результате увеличения стока и перераспределения накапливаемого в диэлектрике
заряда последний не будет накапливаться до опасных величин, приводящих к разряду.
Существует много работ, где изложены физико-математические модели заряжения диэлектриков, например, [8, 9], но все они относятся к диэлектрикам, которые обладают высокими диэлектрическими свойствами, а их темновая удельная объемная проводимость составляет величины около
10−16 Ом−1•м−1.
Модель радиационного заряжения композитных полимерных пленочных материалов
с контролируемой темновой проводимостью, учитывающая их переменную по времени
облучения радиационную проводимость
В настоящей статье изложены результаты компьютерного моделирования радиационного заряжения композиционных пленок полиэтилена низкой плотности (ПЭНП) с контролируемой удельной объемной проводимостью от 10−7 до 10−16 Ом−1м−1. Схема радиационной электризации пленки
ПЭНП при воздействии моноэнергетического пучка ускоренных электронов с энергией 40 кэВ показана на рис. 1. Верхний и нижний электроды заземлены. Была специально подобрана толщина пленки
60 мкм, и принималось, что весь объемный заряд, создаваемый внедряемыми электронами, равномерно распределен в плоскости в середине образца (в соответствии с [10] экстраполированный пробег электронов с энергией 40 кэВ для ПЭНП составляет 29 мкм).
Особенностью предложенной модели является учет радиационной проводимости, которая
возникает при радиационном заряжении в верхней половине пленки ПЭНП.
Рис. 1. Схема электризации пленки ПЭНП толщиной 60 мкм при её облучении электронами
с энергией 40 кэВ:1 – верхний тонкий проводящий электрод из оксида индия; 2 - нижний металлический
электрод; 3 – заземление; 4 –встроенный отрицательный заряд;5 – электроны, падающие на пленку
и определяющие плотность потока i0.
Накопление отрицательного объемного заряда в пленке обуславливалось потоком электронов
со стороны магнитосферной плазмы на переднюю поверхность пленки, и характеризовалось плотностью потока, i0.
Сток заряда в верхней половине пленки происходил за счет двух факторов: вследствие стекания заряда на верхний заземленный электрод за счет неизменной во времени темновой проводимости, γ Т , и за счет переменной во времени радиационной проводимости, γ Р (t) .
56
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
ISSN 1729-2670
Сток заряда в нижней половине пленки на нижний заземленный электрод обусловлен только
темновой проводимостью, γ Т .
В этом случае кинетика радиационного заряжения описывалась зависимостью напряженности
электрического поля E в пленке от времени электризации t в виде дифференциального уравнения:
dE E ⋅[γ Т + 0.5 ⋅ γ Р ( t )] i0 ,
(1)
+
=
dt
ε0 ⋅ε
ε0 ⋅ε
где ε0 = 8,85∙10−12 Ф∙м−1 − электрическая постоянная; ε − относительная диэлектрическая постоянная
диэлектрика (принимается, что для ПЭНП ε = 2,2). i0 – плотность потока электронов, падающих на
поверхность пленки, A·м−2.
В общем случае из-за того, что радиационная проводимость является функцией времени аналитическое решение выражения (1) получить не удается, и для его численного решения и получения
кинетических кривых зависимости E (t) применялся метод Рунге-Кутты четвертого порядка с использованием математического пакета Maxima.
Важным моментом является способ выражения зависимости γ Р (t) и подстановки её в уравнение (1). В принципе можно воспользоваться системой интегро-дифференциальных уравнений полуэмпирической модели радиационной электропроводности Роуза-Фаулера-Вайсберга [11], но это в
значительной степени усложнит расчеты. Мы пошли иным путем: из работы [12] была взята экспериментальная кривая (см. рис. 2) зависимости радиационной проводимости пленки ПЭНД от времени
электризации, γ Р (t) , полученная для мощности дозы облучения 830 Гр•с−1, и она была аппроксимирована функцией гиперболического типа:
1
.
(2)
γ Р (t) =
1.1 ⋅108 ⋅ t + 3.87 ⋅109
Пересчет мощности дозы облучения в плотность потока падающих на полимерную пленку
электронов производился по выражению:
dE / dx ,
(3)
R=i
0
qe
где qe = 1,602⋅10−19, Кл – заряд электрона, dE − тормозная способность ПЭНП (согласно [10] для
dx
электронов с энергией 40 кэВ она составляет 11,4.10−14 Гр м2).
Расчет по выражению (3) дает для мощности дозы облучения 830 Гр•с−1, к которой относится
экспериментальная кривая рис. 2, величину плотности потока падающих электронов
i0 = 1.17·10−3 A·м−2.
Рис. 2. Зависимость радиационной электропроводности γР полиэтилена низкого давления (ПЭНД)
от времени. Мощность дозы 830 Гр•с−1
Для нас с позиции воздействия космической плазмы на диэлектрические материалы космического аппарата представляют интерес две величины плотности потока падающих электронов:
10−7 А∙м−2 – величина, характеризующая спокойную геомагнитную обстановку, и 10−5 А∙м−2 − величина, характеризующая условия протекания геомагнитной суббури. Для получения аппроксимированных выражений, относящихся к этим величинам плотности потока падающих электронов, значения
радиационной проводимости экспериментальной кривой, пересчитывались по выражению, связывающему эту проводимость с мощностью дозы облучения:
ISSN 1729-2670
57
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
γ Р= А ⋅ R ∆ ,
где R − мощность дозы облучения, Гр·с−1, ∆ − параметр, для ПЭНП составляющий 0,67;
стоянная.
(4)
А − по-
Плотности потока электронов 10−5 А∙м−2 соответствовала аппроксимированная функция:
1
,
γ Р (t) =
24.1 ⋅ (1.1 ⋅108 ⋅ t + 3.87 ⋅109 )
(5)
а плотности потока электронов 10−7 А∙м−2:
γ Р (t) =
1
.
586.7 ⋅ (1.1 ⋅108 ⋅ t + 3.87 ⋅109 )
(6)
При моделировании радиационного заряжения пленок ПЭНП функции (5) и (6) подставлялись в
дифференциальное уравнение (1). Для выявления влияния радиационной проводимости на процесс
заряжения полученные в результате моделирования кривые заряжения сравнивались с кривыми заряжения, рассчитанными без учета радиационной проводимости, т.е. при условии γ Р (t) = 0 . В этом
случае решение уравнения (1) дает аналитическое выражение:
=
E
i0 
1 − e
γ T 
−
γT
⋅t
ee
0⋅

.


(7)
Компьютерное моделирование процессов радиационного заряжения пленок ПЭНП,
обладающих контролируемой темновой проводимостью, в условиях
спокойной геомагнитной обстановки
В спокойных геомагнитных условиях плотность потока электронов, попадающих из окружающей космической аппарат плазмы на поверхность полимерной пленки составляет 10−7 А·м−2. Были
получены кривые зависимости изменения напряженности электрического поля в пленке ПЭНП со
временем облучения при различных величинах её удельной объемной темновой проводимости в диапазоне 10−8 − 10−16 Ом−1·м−1. В расчетах использовалась аппроксимированная функция (6).
При удельной объемной темновой проводимости пленки 10−11 Ом−1·м−1 соблюдается условие,
когда она значительно превышает величину радиационной проводимости (γТ >> γР), и практически
полностью определяет величину напряженности электрического поля в пленке (см. рис. 3). Кривые 1
и 2 практически налагаются друг на друга.
Рис. 3. Зависимость напряженности электрического поля от времени в пленке ПЭНП с γT=10−11 Ом−1•м−1 с
учетом радиационной электропроводности (кривая 1) и без её учёта (кривая 2).
Плотность потока электронов 10−7 А·м−2
Когда эти величины начинают быть соизмеримы, сток объемного заряда через верхний электрод, обусловленный радиационной проводимостью, как мы видим из рис. 4, приводит к замедлению
процесса заряжения, и нарастание напряженности поля в случае кривой 2, учитывающей γР, замедляется в сравнении с кривой 1, соответствующей чисто темновой проводимости.
58
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
ISSN 1729-2670
Рис. 4. Зависимость напряженности электрического поля от времени в пленке ПЭНП
с γТ=10−13 Ом−1•м−1 с учетом радиационной электропроводности (кривая 1)
и без её учёта (кривая 2). Плотность потока электронов 10−7 А·м−2
Когда радиационная проводимость начинает преобладать над темновой, она обеспечивает
значительный сток заряда, и напряженность электрического поля возрастает существенно медленнее.
Это хорошо видно из рис. 5 (кривая 1). Именно об этом эффекте идет речь в работе [13], где предлагается использовать полимерные материалы с высокой радиационной электропроводностью для защиты от электризации. У таких полимеров радиационная проводимость превышает на порядок и выше темновую, что позволяет обеспечивать сток и выравнивание электрических зарядов, возникающих
в результате попадания электронов из окружающей плазмы (внешняя электризация). Соответствующее уменьшение вероятности разряда приводит к увеличению помехозащищенности бортовой радиоэлектронной аппаратуры КА.
Рис. 5. Зависимость напряженности электрического поля от времени в пленке ПЭНП
с γТ=10−14 Ом−1•м−1 с учетом радиационной электропроводности (кривая 1) и без её учёта (кривая 2).
Плотность потока электронов 10−7 А·м−2
Однако, рис. 6 показывает, что применение диэлектриков с высокой радиационной проводимостью обеспечивает сток поступающего заряда не во всех случаях, и при достаточно низкой темновой удельной проводимости диэлектрика заряд будет накапливаться. При достижении критической
величины электрического поля, равной 2·107 В·м−1, будет происходить разряд (на рисунке соответствующий уровень поля показан штриховой линией).
Выражение (7) легко позволяет получить значение стационарной напряженности электрического поля Eст , на которое выходит кинетическая кривая при t → ∞ :
Eст =
i0
γT
.
(8)
Согласно (8) при уменьшении на порядок величины проводимости возрастает на порядок величина стационарной напряженности электрического поля Eст . Это хорошо видно из сравнения кривой 2 рис 4. и кривой 2 рис. 3. Казалось бы, что добавление радиационной проводимости должно
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
59
приводить к тому, что кривые, учитывающие радиационную проводимость, должны подниматься
выше кривых 1, не учитывающих её. Но это не так, и объясняется тем, что в предложенной модели в
соответствии с выражениями (4), (5) и (6), принимается, что при t → ∞ γ Р (t) → 0 .
Рис. 3. Зависимость напряженности электрического поля от времени в пленке ПЭНП
с γТ=10−15 Ом−1•м−1 с учетом радиационной электропроводности (кривая 1) и без её учёта (кривая 2).
Штриховая линия 3 показывает уровень напряженности поля, при которой возникает
электростатический разряд. Плотность потока электронов 10−7 А·м−2
Это допущение вполне оправдано при анализе радиационного заряжения диэлектриков, обладающих контролируемой темновой проводимостью, которую мы можем менять в пределах многих
порядков. Но следует иметь в виду, что реально с течением времени облучения радиационная проводимость спадает не до нуля, а до вполне определенного минимального значения порядка
10−16 Ом−1·м−1, определяемого проводимостью, связанной с горячими, еще не термализованными
электронами, возникающими в конце каскада размножения вторичных электронов, рожденных первичным электроном при его взаимодействии с диэлектриком [14]. Таким образом, предложенная модель в области темновой проводимости 10−16 Ом−1·м−1 не работает.
Компьютерное моделирование процессов радиационного заряжения пленок ПЭНП,
обладающих контролируемой темновой проводимостью, в условиях геомагнитной суббури
При протекании суббури имеет место сильное возмущение геомагнитной обстановки и принято считать, что в этот момент плотность потока электронов из окружающей космический аппарат
плазмы возрастает до 10−5 А·м−2. Этот уровень представляет наибольший интерес, т.к. именно в процессе и после суббури могут происходить необратимые отказы бортовой радиоэлектронной аппаратуры космического аппарата.
На рис. 7 представлены кинетические кривые заряжения пленки с темновой проводимостью
10−12 Ом−1·м−1, при этом кривая 1 показывает, как протекает заряжение при плотности потока электронов 10−7 А·м−2, и как при 10−5 А·м--2. Увеличение мощности дозы облучения на два порядка приводит к возрастанию на эти же два порядка напряженности электрического поля в стационарном состоянии. Линейная ось напряженности поля наглядно это иллюстрирует, и подводит к последующему
выводу о том, что при этом резко возрастает вероятность возникновения электростатических разрядов. Действительно, как показывает рис. 8, в условиях суббури разряды должны следовать уже при
темновой проводимости пленки 10−13 Ом−1·м−1, т.е. примерно на два порядка выше величины темновой проводимости, при которой начинались разряды в случае спокойной геомагнитной обстановки.
Тем не менее, радиационная проводимость способна существенно замедлить возникновение
разряда, и этот факт играет важную роль, если принимать во внимание длительность геомагнитной
суббури.
Действительно, обычно считается, что средняя продолжительность суббури составляет около
3 часов (10800 с). Если радиационная проводимость способна за это время существенно замедлить
скорость накопления заряда. то после прекращения суббури величина плотности потока электронов
уменьшается на два порядка – до 10−7 А·м−2, и при этом на эти же два порядка уменьшается значение
напряженности электрического поля в стационарном состоянии, становясь меньше значения напряженности критического поля.
60
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
ISSN 1729-2670
Рис. 7. Зависимость напряженности электрического поля от времени в пленке ПЭНП
с γТ=10−12 Ом−1•м−1 (расчет с учетом радиационной электропроводности) для плотности
потока электронов 10−7 А·м−2 (кривая 1) и плотности потока электронов 10−5 А·м−2 (кривая 2)
В этом случае возможность электростатического разряда исчезает. Реализация рассматриваемого варианта показана на рис. 9. Мы специально при моделировании выбрали величину темновой проводимости такой, чтобы напряженность поля в стационарном состоянии составляла
2·107 В·м−1, достаточной для разряда (рис. 9, кривая 1). Затем была рассчитана кривая 2, учитывающая радиационную проводимость. Естественно, в этом случае рост напряженности поля в пленке замедлялся, и по истечении 10800 с напряженность электрического поля достигала величины
1,85·107 В/м, при которой разряд еще не должен происходить (см. вертикальную штриховую линию
на рисунке). Эта демаркационная линия отсекала время суббури. Далее суббуря заканчивалась, и величина плотности потока электронов уменьшалась с 10−5 А·м−2 до 10−7 А·м−2, что соответствует спокойной геомагнитной обстановке. Но при этой величине плотности потока значение напряженности
электрического поля в стационарном состоянии составляет уже только 2·105 В·м−1, что гораздо
меньше величины, требуемой для возникновения разряда.
Рис. 8. Зависимость напряженности электрического поля от времени в пленке ПЭНП с
γ Т = 10−13
Ом-1·м-1 с учетом радиационной электропроводности (кривая 1) и без её учета (кривая 2). Плотность
потока электронов 10-5 А·м-2. Уровень критической напряженности, при которой возникает разряд
показана штриховой линией 3
В общем случае выполненное моделирование показывает, что диэлектрики, обладающие контролируемой темновой удельной объемной проводимостью порядка 10−12 Ом−1·м−1 обеспечивают сток
и выравнивание встраиваемого в пленку заряда, при этом уровень радиационного заряжения не достигает значения критического поля, при котором начинаются электростатические разряды.
При выявлении величины темновой проводимости, соответствующей началу разрядов следует
учитывать, что в космическом вакууме из объема композитных материалов, таких как стеклотекстолит, будет происходить выделение низкомолекулярных соединений в виде газа. В результате проводимость такого материала будет значительно уменьшаться (до двух порядков). С учетом этого гарантированные значения удельной объемной проводимости композитных полимерных материалов,
обеспечивающие отсутствие разрядов как в условиях спокойной геомагнитной обстановки, так и во
время суббури, составляют 10−9−10−10 Ом−1·м−1. Соответствующие композитные полимерные матери-
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
61
алы могут быть использованы для защиты бортовой радиоэлектроники космических аппаратов от
эффектов электризации.
Рис. 9. Зависимость напряженности электрического поля от времени в пленке ПЭНП
с
γ Т = 10−13
Ом−1·м−1 с учетом радиационной электропроводности (кривая 1) и без неё (кривая 2).
Штриховая линия 3 показывает уровень напряженности поля, при которой возникает электростатический разряд. Штриховая линия 4 показывает среднее время окончания суббури.
Плотность потока электронов 10−5 А·м−2
Заключение
Предложена физико-математическая модель радиационной электризации композиционных
полимерных пленок с контролируемой удельной объемной проводимостью в диапазоне
10−7−10−16 Ом−1м−1, учитывающая переменную во времени радиационную проводимость.
Проведено компьютерное моделирование радиационной электризации композиционных пленок полиэтилена низкой плотности с контролируемой удельной объемной проводимостью в диапазоне 10−7−10−16 Ом−1м−1 при величинах потока электронов 10−5 А∙м−2 (соответствующих спокойной
геомагнитной обстановке) и 10−5 А∙м−2 (соответствующих условиям типичной геомагнитной суббури).
Установлено, что, когда радиационная проводимость соизмерима с темновой проводимостью,
она существенно замедляет нарастание напряженности электрического поля во времени за счет стока
накапливаемого заряда.
Найдено, что диэлектрики, обладающие высокой радиационной проводимостью, могут быть
использованы для защиты бортовой радиоэлектроники космических аппаратов от эффектов электризации.
Показано, что в общем случае, применение диэлектриков, обладающих контролируемой темновой удельной проводимостью порядка 10−9−10−10 Ом−1·м−1, позволяет исключить возникновение
электростатических разрядов за счет стока и выравнивания заряда даже в условиях протекания суббури.
Исследование осуществлено в рамках Программы фундаментальных исследований НИУ ВШЭ в
2018 году.
Список литературы
1. DeForest S.E. Spacecraft charging at synchronous orbit. − J. Geophys. Res, − 1972. − Vol. 77. − no. 4. −
pp. 651–659.
2. Catani J.-P., Payan D. Electrostatic behavior of materials in a charging space environment. Proc. 9th Int.
Symp. On Materials in a Space Environment. Noordwijk: ESA Publ. Division, 2003. − pp. 3–16.
3. Бабкин Г.В., Вахниченко В.В., Иванов В.А., Левицкий Ю.Е., Лукъященко В.И., Морозов Е.М.
Антистатическая защита отечественных космических аппаратов. Состояние проблемы и
перспектива её решения. − Космонавтика и ракетостроение. − 2003. − Вып.1(30). − С. 5−14.
62
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
ISSN 1729-2670
4. Blanchard P., Pelletier B. Using ESD Diodes as Voltage Clamps. − Analog Dialogue. − Oct. 2015. −
Vol. 49. − 12 p.
5. Frederickson A.R. Radiation Induced Electrical Current and Voltage in Dielectric Structures. AFRL-TR74 – 0583, 1974. − 41 p.
6. Абрамешин А.Е., Белик Г.А., Саенко В.С. Новый метод защиты бортовой аппаратуры космического аппарата от внутренней электризации. Труды II Всероссийской научно-технической
конференции «Системы управления беспилотными космическими и атмосферными летательными
аппаратами». Москва, 2012. − с. 160−162.
7. Пожидаев Е.Д. Саенко В.С., Смирнов И. А., Бабкин Г.В., Тютнев А.П. Повышение стойкости
космических аппаратов к воздействию поражающих факторов электризации. − Космонавтика и
ракетостроение. − 2003. − № 1(30). − С. 32–35.
8. Frederickson A. Electric Discharge Pulses in Irradiated Solid Dielectrics in Space. − IEEE Transactions
on Electrical Insulation. − 1983. − Vol. EI-18. − no. 3. − Pp. 337–349.
9. Милеев В.Н., Новиков Л.С. Физико-математическая модель электризации ИСЗ на геостационарной и высокоэллиптических орбитах. Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике,
Солнца. − Москва, 1989, с. 64–98.
10. Pages L., Bertel E., Joffre H., Sklavenitis L. Еnergy loss, range, and bremsstrahlung yield for 10-kev to
100-mev electrons in various elements and chemical compounds. − Atomic Data, − 1972. − Vol. 4. − Pp.
1−127.
11. Безродных И.П., Тютнев А.П., Семенов В.Т. Радиационные эффекты в космосе. Часть 2: Воздействие космической радиации на электротехнические материалы. − Москва, 2016. − 136 с.
12. Саенко В.С., Фельдман В. И., Тютнев А. П., Ихсанов Р. Ш., Нерето М. О., Баранова И.А. Роль
стабильных свободных радикалов в радиационной электропроводности полиэтилена низкой
плотности. − Химия высоких энергий. − 2011. − Т. 45. − № 1. − С. 51−54.
13. Тютнев А.П., Доронин А.Н., Саенко В.С., Садовничий Д.Н., Пожидаев Е.Д. Электризация полимерных пленок в лабораторных условиях и в открытом космическом пространстве. − Космические исследования. − 2002. − Т. 40. − № 2. − С. 142.
14. Тютнев А.П., Саенко В.С., Пожидаев Е.Д., Костюков Н.С. Диэлектрические свойства полимеров в
полях ионизирующих излучений. − Москва, 2005. − 352 с.
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» (НИУ ВШЭ), 101000,
Москва, Мясницкая ул., д. 20. Российская Федерация.
Статья поступила 14.09.2017.
Авторы
Коркинец Владислав Олегович, Национальный исследовательский университет «Высшая школа
экономики» (НИУ ВШЭ), аспирант, Тел: (495) 772-95-90 * 23081; e-mail: [email protected].
Пожидаев Евгений Димитриевич, д.т.н., профессор, Национальный исследовательский университет
«Высшая школа экономики» (НИУ ВШЭ), Профессор департамента электронной инженерии Московского института электроники и математики (МИЭМ НИУ ВШЭ), Тел.: 8-495-7729590*15184; email: [email protected].
Саенко Владимир Степанович, д.т.н., профессор, Национальный исследовательский университет
«Высшая школа экономики» (НИУ ВШЭ), Профессор департамента электронной инженерии Московского института электроники и математики (МИЭМ НИУ ВШЭ), Тел.: 8-495-7729590*23081;
e-mail: [email protected].
ISSN 1729-2670
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
63
Korkinets V.O., Pozhidaev E.D., Saenko V.S.
Computer simulations for radiation electrization of polymer composite materials
having controlled electrical conductivity
Abstract. A physic-mathematical model of radiation electrization of composite polymer film materials having controlled dark conductiyity was proposed, taking into account the time-varying value of its radiative conductivity.
Computer simulations have been carried out for radiation electrization of composite low-density polyethylene films having controlled electrical specific conductivity 10−9–10−10 Ω −1•m−1 in case of values of a
flow of electrons 10−7 A·m−2 (corresponds to conditions of a quiet geomagnetic situation) and 10−5 A·m−2
(corresponds to conditions of a typical geomagnetic substorm).
It is shown, when the radiation conductivity is commensurable with the dark conductivity, it substantially slows down the increase of the electric field strength over radiation time.
The radiative conductivity important role to prevent developing electrostatic discharges taking into
account substorm course duration is shown.
Effective use possibility of composite polymer materials having controlled dark conductivity in radio-electronic devices to prevent emergence of electrostatic discharges, it has been shown.
Key words: Computer simulations, a physic-mathematical model of radiation electrization, composite
polymer film materials, low-density polyethylene, controlled dark electrical conductivity, radiative
conductivity, electrostatic discharges
References
1. DeForest S.E. Spacecraft charging at synchronous orbit. − J. Geophys. Res., 1972, Vol. 77. no. 4. pp.
651–659.
2. Catani J.-P., Payan D. Electrostatic behavior of materials in a charging space environment. Proc. 9th Int.
Symp. On Materials in a Space Environment. Noordwijk: ESA Publ. Division, 2003, pp. 3–16.
3. Babkin G.V., Vaxnichenko V.V., Ivanov V.A., Levickij Yu.E., Lukyashhenko V.I., Morozov E.M. Antistaticheskaya zashhita otechestvennyx kosmicheskix apparatov. sostoyanie problemy i perspektiva eyo
resheniya. [The antistatic protection of domestic spacecrafts. Status of a problem and perspective of its
decision], − Kosmonavtika i raketostroenie − Astronautics and rocket production, 2003. no.1 (30), pp.
5−14 (in Russian).
4. Blanchard P., Pelletier B. Using ESD Diodes as Voltage Clamps, Analog Dialogue, Oct. 2015, vol. 49,
pp. 1−12.
5. Frederickson A.R. Radiation Induced Electrical Current and Voltage in Dielectric Structures. AFRL-TR74 – 0583, 1974, p. 41.
6. Abrameshin A.E., Belik G.A., Saenko V.S. Novyj metod zashhity bortovoj apparatury kosmicheskogo
apparata ot vnutrennej elektrizacii. [New method of protection of an onboard equipment of the spacecraft
against internal electrization.]. Trudy 2 Vserossijskoj nauchno-texnicheskoj konferencii “Sistemy upravleniya bespilotnymi kosmicheskimi i atmosfernymi letatelnymi apparatami”. [Proc. of the 2th AllRussian scientific and technical conference «Control systems pilotless space and atmospheric aircraft»].
Moscow, 2012, pp. 267−272. 160−162 (in Russian).
7. Pozhidaev E.D., Saenko V.S., Smirnov I.A., Babkin G.V., Tyutnev A.P. Povyshenie stojkosti kosmicheskix apparatov k vozdejstviyu porazhayushhix faktorov elektrizacii. [Increase in radiation stability of
spacecrafts to influence of the striking electrization factors]. − Kosmonavtika i raketostroenie - Astronautics and rocket production, 2003, no. 1 (30), pp. 32–35 (in Russian).
8. Frederickson A. Electric Discharge Pulses in Irradiated Solid Dielectrics in Space. − IEEE Transactions
on Electrical Insulation. 1983. Vol. EI-18, no. 3, pp. 337–349.
9. Mileev V.N., Novikov L.S. Fiziko-matematicheskaya model elektrizacii isz na geostacionarnoj i vysokoellipticheskix orbitax. [Physical and mathematical model of electrization of the artificial satellite on geosynchronous and high-elliptic orbits]. − “Issledovaniya po geomagnetizmu, aeronomii i fizike solnca”.
[Researches on geomagnetism, aeronomy and physics of the Sun]. Moscow, 1989, pp. 64–98 (in Russian).
64
Технологии ЭМС 2018. № 1(64)
ISSN 1729-2670
10. Pages L., Bertel E., Joffre H., Sklavenitis L. Еnergy loss, range, and bremsstrahlung yield for 10-kev to
100-mev electrons in various elements and chemical compounds. − Atomic Data. 1972, v. 4, pp. 1-127.
11. Bezrodnykh I.P., Tyutnev A.P., Semenov V.T. Radiacionnye effekty v kosmose. ch. 2: vozdejstvie kosmicheskoj radiacii na elektrotexnicheskie materialy. [Radiation effects in space. Part. 2: Impact of space
radiation on electrotechnical materials]. Moscow, 2016, 137 p. (in Russian)
12. Saenko V.S., Feldman V.I, Tyutnev A.P., Ikhsanov R.Sh., Nereto M.O., Baranova I.A. Rol stabilnyx
svobodnyx radikalov v radiacionnoj elektroprovodnosti polietilena nizkoj plotnosti. [A role of stable free
radicals in radiation conductance of polyethylene of low density]. − Khimiya vyskoix energij [Chemistry
of high energies]. 2011, Vol. 45, no. 1, pp. 51−54. (in Russian)
13. Tyutnev A.P., Doronin A.N., Saenko V.S., Sadovnichij D.N., Pozhidaev E.D. Elektrizaciya polimernyx
plenok v laboratornyx usloviyax i v otkrytom kosmicheskom prostranstve. [Electrization of polymer
films in vitro and in open space]. − Kosmicheskie issledovaniya [Space researches]. 2002, Vol. 40, no. 2,
p. 142. (in Russian)
14. Tyutnev A.P., Saenko V.S., Pozhidaev E.D., Kostyukov N.S. Dielektricheskie svojstva polimerov v polyax ioniziruyushhix izluchenij. [Dielectric properties of polymers in fields of the ionizing radiation].
Moscow, 2005, 352 p. (in Russian)
National Research University Higher School of Economics, ul. Myasnitskaya 20, Moscow, 101000 Russia
Authors
Korkinets Vladislav Olegovich, graduate student, Moscow, HSE, Tallinskaia, 34, Russian Federatioin,
Phone: +7 (495) 772-95-90 * 23081, e-mail: [email protected]
Pozhidaev Evgenii Dimitrievich, professor, Moscow, HSE, Tallinskaia, 34, Russian Federatioin,
Phone: +7 (495) 772-95-90 *15184, e-mail: [email protected]
Saenko Vladimir Stepanovich, professor, Moscow, HSE, Tallinskaia, 34, Russian Federatioin,
Phone: +7 (495) 772-95-90 *23081; e-mail: [email protected]