РАСЧЕТ  ХАРАКТЕРИСТИК  НАПРАВЛЕННОСТИ  ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ  ИЗЛУЧЕНИЙ  ПРОВОДНЫХ  ИНТЕРФЕЙСОВ  ПЕРЕДАЧИ  ДАННЫХ

Горбунова  Анастасия  Александровна

ассистент  кафедры  «Теоретическая  радиотехника»  Московского  авиационного  института  (национального  исследовательского  университета),  РФ,  г.  Москва

E-mail: 

THE  ELECTROMAGNETIC  RADIATION  OF  DATA  INTERFACES

Anastasia  Gorbunova

assistant  of  Theoretical  Radio  Engineering  Department,  Moscow  Aviation  Institute  (National  Research  University),  Russia,  Moscow

АННОТАЦИЯ

В  работе  рассмотрены  модели  электромагнитного  излучения  проводных  интерфейсов  передачи  данных.  Показано,  что  излучение  провода  большой  электрической  длины  может  быть  описано  с  использованием  модели  антенны  бегущей  волны.  Представлены  результаты  моделирования  и  экспериментальных  исследований  длинного  кабеля,  демонстрирующие  направленный  многолепестковый  характер  его  излучения.

ABSTRACT

This  paper  presents  the  models  of  the  data  interfaces  electromagnetic  radiation.  It  is  shown  that  the  radiation  of  the  electrical  long  wire  can  be  described  with  a  traveling  wave  antenna  model.  The  modeling  and  experimental  results  for  long  cable  with  directed  and  multi-lobe  radiation  pattern  are  presented.

Ключевые  слова:  проводной  интерфейс;  элементарный  диполь;  антенна  бегущей  волны.

Keywords:  Data  interface;  dipole  model;  traveling-wave  antenna.

Элементы  тракта  передачи  информации  в  средствах  вычислительной  техники  в  общем  случае  являются  распределёнными  излучающими  структурами.  Такие  структуры  могут  выступать  не  только  в  качестве  первичных  источников  электромагнитного  излучения,  формируя  электромагнитное  поле,  компоненты  которого  несут  информацию  о  сигналах,  передаваемых  по  интерфейсу,  но  и  являться  антеннами  для  наводок  других  устройств,  подключённых  к  ним.  Физический  механизм  электромагнитного  излучения  (ЭМИ)  технического  средства  можно  описать  с  использованием  обобщённой  теории  линий  передач  и  теории  антенных  систем.  При  этом  определяются  направленные  и  частотные  свойства  эквивалентных  излучателей.  Направленность  излучения  проводников  линии  передачи  зависит  от  распределения  и  частоты  протекающих  в  них  токов.

Простейшей  моделью  при  исследовании  излучающих  элементов  малой  электрической  длины  (L  ≤  0,1×l)  является  модель  излучения  элементарного  диполя  [1],  представленная  на  рис.  1.

Рисунок  1.  Излучение  элементарного  диполя

В  данной  модели  предполагается,  что  по  всей  длине  диполя  действует  один  и  тот  же  ток  с  комплексной  амплитудой  .  В  этом  случае,  компоненты  электрического  и  магнитного  полей,  формируемые  такой  системой  в  точке  P,  находящейся  на  расстоянии  r,  определяются  выражениями:

  (1)

где:  h  =  120  p  [Ом]  —  волновое  сопротивление  свободного  пространства.

Диаграмма  направленности  элементарного  диполя,  показывающая  зависимость  модуля  компоненты    от  угла  q,  нормированного  к  своему  максимальному  значению,  представлена  на  рис.  2  в  полярной  системе  координат.

Рисунок  2.  Диаграмма  направленности  элементарного  диполя

Следует  отметить,  что  представленные  характеристики  направленности  получены  в  предположении,  что  излучающая  структура  может  быть  описана  моделью  диполя  Герца,  то  есть  L  £  0,1  l.  Из  этого  следует  верхняя  частотная  граница  адекватности  модели:

                              (2)

Таким  образом,  если  длина  излучающей  структуры  составляет  10  см,  представленная  модель  адекватна  только  на  частотах  ниже  300  МГц,  а  при  длине  1  м  частотная  граница  применимости  модели  элементарной  дипольной  антенны  составляет  30  МГц.

В  согласованной  линии  передачи  с  электрической  длиной  более  нескольких  длин  волн,  характерной  для  высокоскоростных  интерфейсов  передачи  данных,  формируется  бегущая  волна  тока.  Излучение  линии  в  этом  случае  может  быть  описано  с  использованием  модели  антенны  бегущей  волны  и  имеет  особенности,  отличающие  его  от  излучения  дипольной  антенны  [2].  С  другой  стороны,  излучение  проводной  антенны  бегущей  волны  может  рассматриваться  как  суперпозиция  излучений  элементарных  диполей,  токи  в  которых  протекают  с  разной  фазой  [3],  как  показано  на  рис.  3.

Рисунок  3.  Модель  антенны  бегущей  волны

В  рамках  представленной  на  рис.  3  модели  антенны  бегущей  волны,  провод  разбивается  на  N  элементов  длиной  dL,  каждый  из  которых  может  быть  рассмотрен  как  элементарный  диполь,  то  есть  выполняется  условие  dL  ≤  0,1×l_min,  где  l_min  —  длина  волны,  соответствующая  максимальной  частоте  анализируемого  диапазона  f_max.  Ток  в  n-ом  диполе  представляет  собой  задержанную  на  время  t_n  копию  тока  в  первом  элементе,  где  t_n  определяется  соотношением:

                             (3)

Электромагнитное  поле  в  точке  ,  излучаемое  такой  системой  на  частоте  f,  может  быть  представлено  как  сумма  полей,  формируемых  каждым  из  диполей:

  (4)

где:    —  расстояние  от  n-го  диполя  с  координатами    до  точки  наблюдения  Комплексная  амплитуда  тока  на  частоте  f  в  n-ом  диполе    может  быть  выражена  через  ток  в  первом  диполе    с  использованием  соотношения:

           (5)

Тогда  выражения  (4)  принимают  вид:

  (6)

Частотная  характеристика  ЭМИ  проводника  с  током  во  всем  диапазоне  анализируемых  частот  для  измеряемой  компоненты  электромагнитного  поля  в  точке    определяется  выражением:

                            (7)

где:    —  соответствующая  компонента  электромагнитного  поля,  определяемая  в  соответствии  с  выражением  (6).

Частотная  характеристика  для  q-компоненты  вектора  напряжённости  электрического  поля,  формируемого  прямым  проводом  длиной  1  м  на  расстоянии  3  м  в  направлении  q  =  90⁰  рассчитанные  по  формулам  (6)  представлена  на  рис.  4  в  сравнении  с  частотной  характеристикой,  определённой  по  выражению  (1)  для  элементарного  диполя.

Полученная  частотная  характеристика  ЭМИ  провода  показывает,  что  для  выбранных  параметров  излучающая  структура  может  быть  описана  моделью  элементарного  диполя  на  частотах  до  60  МГц,  что  соответствует  условию  L  ≤  0,2×l.  Также  на  рис.  4  видна  граница  между  ближней  и  дальней  зонами  излучения  на  частоте  20  МГц.  На  более  высоких  частотах  частотные  характеристики  излучения  для  моделей  антенны  бегущей  волны  и  элементарного  диполя  существенно  отличаются.  Уровень  ЭМИ  для  модели  диполя  возрастает  с  увеличением  частоты,  а  уровень  ЭМИ  модели  проводной  антенны  колеблется  относительно  постоянного  уровня  с  периодом  около  350  МГц.

Рисунок  4.  Частотные  характеристики  излучения  провода  длиной  1  м  на  расстоянии  3  м  при  q  =  90⁰,  определённые  с  использованием  модели  антенны  бегущей  волны  и  элементарного  диполя

Диаграммы  направленности  рассматриваемого  провода  на  четырёх  различных  частот  40  МГц,  200  МГц,  900  МГц  и  1800  МГц  представлены  на  рис.  5.

Рисунок  5.  Диаграммы  направленности  модели  провода  на  частотах  40  МГц  (а),  200  МГц  (б),  900  МГц  (в)  и  1800  МГц  (г)

Из  рис.  5  видно,  что  на  низких  частотах  диаграмма  направленности  провода  близка  по  форме  к  диаграмме  направленности  элементарного  диполя  (рис.  2),  а  с  увеличением  частоты  направленные  свойства  ЭМИ  начинают  существенно  отличаться  от  элементарной  дипольной  антенны:  изменяется  направление  максимума,  которое  смещается  в  направлении  протекания  тока;  появляются  боковые  лепестки,  сужается  главный  луч.  При  протекании  различного  тока  в  двух  направлениях  дополнительно  формируется  обратная  диаграмма  направленности.

Представленные  характеристики  (6)  могут  использоваться  для  формирования  модели  ЭМИ  интерфейсных  кабелей,  шин  и  печатных  проводников  в  широком  диапазоне  частот.

Для  исследования  ЭМИ  длинных  проводников  были  проведены  измерения  направленных  свойств  излучения  кабеля  USB  2.0  длиной  2  м.  Измерения  проводились  в  экранированной  камере  на  расстоянии  3  м  от  центра  провода.  К  одному  концу  кабеля  USB  2.0  был  подключён  flash  накопитель,  а  другой  конец  подключался  к  ноутбуку,  на  котором  был  запущен  тестовый  режим  для  этого  устройства.

Полученные  диаграммы  направленности  на  частотах  240  МГц  и  480  МГц  представлены  на  рис.  6.

Рисунок  6.  Диаграммы  направленности  кабеля  USB  2.0  на  частотах  240  МГц  (а)  и  480  МГц  (б)

Представленные  на  рис.  6  диаграммы  направленности  показывают,  что  направленные  свойства  ЭМИ  длинного  провода  не  соответствуют  модели  излучения  элементарного  диполя,  а  определяются  конфигурацией  кабеля.  На  двух  различных  частотах  максимум  излучения  наблюдается  в  различных  направлениях,  также  изменяется  характер  направленности.  Из  рис.  6  видно,  что  с  увеличением  частоты  уменьшается  ширина  лепестков,  что  соответствует  модели  антенны  бегущей  волны.  Также  полученные  результаты  показывают,  что  излучение  в  точке  приёма  формируется  в  основном  кабелем,  поскольку  в  направлениях  на  источники:  USB  Flash  (q  =  0⁰)  и  ноутбук  (q  =  180⁰)  в  диаграммах  направленности  отсутствуют  ярко  выраженные  всплески.

Список  литературы:

1.Авдеев  В.Б.,  Катруша  А.Н.  Расчёт  коэффициента  ослабления  побочных  электромагнитных  излучений  //Специальная  техника.  —  2013.  —  №  2.  —  С.  18—27.

2.Горбунова  А.А.,  Коновалюк  М.А.,  Баев  А.Б.,  Кузнецов  Ю.В.  Модель  электромагнитных  излучений  проводных  интерфейсов  передачи  данных  средств  вычислительной  техники  //  Специальная  техника.  —  2013.  —  №  5.  —  С.  26—36.

3.Характеристики  антенн  в  режиме  передачи.  Слабонаправленные  антенны  /  Д.И.  Воскресенский,  В.Л.  Гостюхин,  В.М.  Максимов,  Л.И.  Пономарев.  М.:  Изд-во  МАИ,  1993.  —  76  с.