Proiectarea asistată de calculator a dispozitivelor pasive de microunde și radiofrecvență

Capitolul 1. Clasificarea surselor de perturbaţii

1.1 Introducere

Sursele de interferenţe electromagnetice pot fi de origine naturală (atmosferă, cosmos, zgomot termic etc.) sau să fie create de om. Cele din prima categorie trebuie considerate ca fenomene inevitabile, pe când ultimele pot fi controlate printr-o utilizare corespunzătoare a spectrului electromagnetic şi o limitare locală a surselor de producere a energiei electromagnetice.

Sursele de perturbaţii se pot întâlni în tot spectrul electromagnetic, începând de la frecvenţa 0Hz (câmpuri electrostatice sau magnetostatice) continuând cu sistemele de comunicaţii de frecvenţă foarte joasă, emiţătoarele de radio şi televiziune şi terminând cu sistemele radar, cuptoare cu microunde, comunicaţiile prin satelit şi radiaţiile cosmice [1]. Toate aceste surse de interferenţe electromagnetice, pot fi controlate dacă se respectă cu stricteţe standardele de compatibilitate electromagnetică. Tot în această categorie intră şi fenomenele de comutaţie din circuitele electrice, ale căror emisii în înaltă frecvenţă, de bandă largă, acoperă domenii largi ale spectrului.

Deoarece interferenţele electromagnetice sunt fie inerente producerii şi utilizării undelor electromagnetice în scopul considerat, fie de natură parazită şi nu au nimic comun cu funcţiile primare ale surselor, se face o distincţie între surse funcţionale şi surse nefuncţionale.

Sursele funcţionale sunt în special emiţătoarele pentru comunicaţii, care radiază in mod deliberat prin antene de emisie, unde electromagnetice în scopul transmiterii informaţiei.

Sursele nefuncţionale sunt instalaţiile de aprindere ale automobilelor, lămpile fluorescente, instalaţii de sudură bobinele releelor şi contactoarelor, mijloacele de transport electric, descărcările corona, căile de curent şi componentele modulelor electrice, diafonia, fizica plasmei, tehnologia impulsurilor de putere etc.

1.2 Principalele tipuri de surse de perturbaţii

Se poate face o clasificare uşoară şi convenabilă a surselor de interferenţe electromagnetice în funcţie de dispunerea lor în spectrul de frecvenţă, altfel spus după spectrul e frecvenţă emis de ele. Având în vedere cele precizate, se deosebesc surse de bandă îngustă şi surse de bandă largă [1].

Sursele de perturbaţii de bandă îngustă sunt cele realizate de om, de exemplu, emiţătoare radio care radiază pe frecvenţa atribuită lor mai multă putere decât cea admisă, armonici produse de neliniarităţile componentelor din emiţătoare şi radiaţii de scăpări.

Sursele de perturbaţii de bandă largă sunt caracterizate printr-un spectru cu linii spectrale dispuse foarte aproape una de alta sau chiar de un spectru continuu. La rândul lor acestea pot fi împărţite în surse perturbatoare generatoare de zgomot continuu şi surse de perturbaţii tranzitorii. Perturbaţiile de tip zgomot continuu constau în impulsuri numeroase de amplitudini diferite, foarte aproape unul de altul sau chiar suprapuse, care nu pot fi separate unul de altul. Perturbaţiile tranzitorii se pot deosebi clar unele de altele, exemplu impulsurile de comutaţie. Perturbaţiile pot fi distribuite statistic (efectul corona pe liniile electrice aeriene), pot să fie periodice (regulatoare de tensiune cu tiristoare) sau pot să fie neperiodice (deconectarea bobinei unui releu).

La acţiunea semnalelor de bandă largă asupra unui receptor, trebuie să se aibă în vedere şi coerenţa lor. La semnalele de bandă largă coerente, la care componentele spectrale se află, una faţă de alta, într-un raport bine determinat ca amplitudine şi fază, reacţia receptorului este proporţională cu lăţimea sa de bandă. La semnale necoerente la care componentele spectrale se află într-o relaţie arbitrară, reacţia receptorului este proporţională cu rădăcina pătrată a lăţimii de bandă.

La semnalele de bandă îngustă, diferenţele arătate nu mai există. Atâta timp cât spectrul semnalului se încadrează clar în interiorul lăţimii de bandă a receptorului, reacţia acestuia rămâne constantă.

1.3 Diafonia

Când două sau mai multe linii de transmisie se află dispuse paralel şi foarte aproape unele de altele pe distanţe mai mari, un semnal (o undă electromagnetică) propagat în lungul uneia dintre ele, pe care o vom numi-o sursă (linie primară), induce în cealaltă linie, pe care o vom numi-o victimă (linie secundară), un semnal perturbator (o altă undă electromagnetică) prin cuplaj capacitiv sau câmp electric şi cuplaj inductiv sau câmp magnetic [2]. Acest fenomen poartă denumirea de diafonie între liniile de transmisie. Un exemplu în acest sens sunt traseele de pe cablajele imprimate, exemplu ilustrat în figura 1.1 a). Figura 1.1 b) reprezintă schema echivalentă a circuitului unde Cm şi Lm reprezintă capacitatea de cuplaj dintre cele două trasee, respectiv inductivitatea mutuală pe unitatea de lungime [3]. Cele două trasee se consideră amândouă având aceeaşi impedanţă caracteristică, viteză de propagare a semnalului şi aceeaşi lungime, fiind închise pe impedanţa lor caracteristică. Se neglijează efectul produs de traseul receptor asupra traseului sursă.

Deosebit de complicată este analiza diafoniei pe linii electric lungi, când fronturile impulsurilor sunt mai scurte decât timpul de propagare al impulsurilor pe liniile respective. Analiza cantitativă a diafoniei necesită o descriere matematică a sistemelor multifilare cuplate.

Figura 1.1 a) Cablaj imprimat b) Schema echivalentă

Pentru determinarea ecuaţiilor caracteristice fenomenului vom considera exemplul din figura 1.2, în care linia 1 este sursa iar linia 2 este victima. La închiderea comutatorului s, semnalul perturbator care se propagă pe linia sursă va influenţa linia victimă. Distanţa considerată pentru studierea fenomenului este z=.

Figura 1.2 Linii de transmisie cuplate

Capacitatea de cuplaj Cm, induce un curent Ic2, în linia 2 care este dat de relaţia următoare:

(1.1)

iar inductivitatea mutuală o diferenţă de potenţial Vc2, calculată cu relaţia:

(1.2)

Parametrii pot fi modelaţi cu ajutorul unei surse ideale de curent şi a unei surse ideale de tensiune dispuse conform figurii de mai jos:

Schemele echivalente ale celor două situaţii arată ca mai jos: