СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СЛУЧАЙНОЙ АНТЕННЫ
METHOD OF DETERMINATION OF ACCIDENTAL ANTENNA PARAMETRES

Изобретение относится к технике радиоизмерений и может быть использовано для определения параметров радиотехнических систем, объединенных термином «случайные антенны» (СА).
Наличие антенн (передающих, приемных, приемо-передающих) является характерным признаком любой радиосистемы и любого радиоканала. При этом под антенной понимается любое радиотехническое устройство, предназначенное для преобразования (как прямого, так и обратного) электромагнитной (ЭМ) энергии связанных волн в энергию свободно распространяющихся ЭМ-волн (радиоволн).
К СА относятся излучатели ЭМ-волн (источники ЭМ-полей), не соответствующие либо традиционным схемам построения антенн, либо условиям, в которых принято определять их рабочие характеристики. Согласно [1-2] СА конструктивно входят в состав выходных каскадов передатчиков и входных каскадов приемников, размещаются случайным образом в случайно-неоднородных средах, представляют собой совокупность модулей стационарного и подвижного базирования, а также просто отсутствуют в явном виде, например, если речь идет об ЭМ-излучении элементов ЭВМ. Специфическими особенностями СА являются неопределенность их геометрических (число, размеры, пространственное расположение, ориентация элементов и т.д.) и электрических (уровни излучения, число каналов излучения и приема, рабочие частоты и т.д.) характеристик. Задача экспериментального определения параметров реальных многоканальных СА имеет в настоящее время важное значение для решения целого ряда прикладных задач, связанных с обеспечением электромагнитной совместимости и безопасности для окружающей среды радиосредств различного назначения, защитой конфиденциальной информации (КИ) от утечки по ЭМ-каналам в инфокоммуникационных сетях [2-3] и т.д.
Известны методы определения параметров радиоэлектронных средств, характеризующие их взаимную электромагнитную совместимость [4-8]. Эти методы включают известные способы определения интермодуляционных (ИМ) характеристик [4-5], а также предложение использовать ИМ-каналы для скрытной связи между абонентами с применением отражающих поверхностей с управляемыми параметрами [8]. Методический аппарат для оценки эффективности средств нелинейной радиосвязи и радиоподавления описан в [9].
Наиболее близким по технической сущности является способ определения уровней побочных ЭМ-излучений ИМ-типа по полю [5, с.63-66, рис.3.7] (прототип предлагаемого изобретения), включающий следующие основные операции:
c
∂
- воздействие на контрольный передатчик с частотой f ЭМ-излучением дополнительного передатчика с частотой f;
- калибровка и регулировка элементов измерительного тракта;
u2
c
∂
u3
c
∂
u3
∂
c
i
c
∂
- расчет частот ИМ-составляющих f=|f±f| второго порядка; f=2f±f; f=2f±f третьего порядка, а также, при необходимости, произвольного порядка f=|mf±nf|, где m=1; 2; 3…; n=1; 2; 3…;
с
c
с
- измерение уровней мощности Р (или напряжения U) сигнала, создаваемого на частоте f контролируемым передатчиком на входе измерительного приемника;
i
i
i
- измерение уровней мощности Р (или напряжения U) ИМ-составляющих, создаваемых на частотах f на входе измерительного приемника при совместной работе контролируемого и дополнительного передатчиков;
им
i
u2
u3
c
∂
- расчет относительных уровней χ для сигналов (или пересчет для ЭМ-полей) для всех ИМ-составляющих f=f; f,…|mf±nf| с учетом результатов калибровки и регулировки элементов измерительного тракта.
им
с
i
c
i
с
i
им
c
им
Основным недостатком способа-прототипа является невозможность одновременного выявления и оценки с его помощью всех возможных каналов утечки КИ в СА, возникающих за счет ИМ-эффектов. Кроме того, относительные уровни ИМ-составляющих ЭМ χ излучениями определяются здесь косвенным путем: с помощью пересчета значений уровней мощности Р и Р (или напряжений U и U) на частотах f и f сигналов на входе измерительного приемника, тогда как предпочтительным, с точки зрения снижения погрешности измерений, является прямой способ определения χ. Кроме того, в реальных СА ни частота f, ни структурная схема контролируемого передатчика и его параметры заранее не известны, а подключать и калибровать какие-то элементы измерительного тракта, включая измерительный приемник непосредственно к СА (без чего нельзя определить значения χ с помощью способа-прототипа) невозможно.
∂
им
с
i
Решение проблемы состоит в том, чтобы, во-первых, сделать частоту f переменной величиной с помощью подключенного к дополнительному передатчику генератора качающейся частоты (генератора сигнала с линейно изменяющейся частотой, ramp oscillator) и, во-вторых, определять значения χ по результатам непосредственного измерения уровней ЭМ-излучения на частотах f и f.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности и достоверности результатов определения параметров СА, относящихся ко всем каналам утечки КИ, потенциально возможных в ней. Дополнительным результатом является повышение эффективности процесса определения параметров СА за счет возможности его автоматизации.
с
∂
i
c
∂
с
c
с
i
i
i
им
i
c
∂
Сущность предлагаемого способа определения параметров случайной антенны, включающего воздействие на случайную антенну, излучающую сигнал с частотой f, электромагнитного излучения дополнительного передатчика с частотой f; калибровку элементов измерительного тракта; расчет частот интермодуляционных составляющих излучения случайной антенны f=|mf±nf| где m=1; 2; 3…; n=1; 2; 3…; измерение уровней мощности Р (или напряжения U) сигнала, создаваемого на частоте f случайной антенной на входе измерительного приемника; измерение уровней мощности Р (или напряжения U) интермодуляционных составляющих излучения случайной антенны, создаваемых на частотах f на входе измерительного приемника при совместной работе контролируемого и дополнительного передатчиков, и расчет относительных уровней χ для всех интермодуляционных составляющих излучения случайной антенны с частотами f=|mf±nf| по формулам
c
i
c
i
c
где К и К - значения коэффициентов передачи по мощности измерительного тракта соответственно на частотах f и f; состоит в том, что с помощью измерительного приемника определяется неизвестная частота f сигнала, излучаемого случайной антенной; рассчитываются минимально возможное значение частоты дополнительного передатчика:
∂.min
c
min
c
∂
f=f-f; если f>f
∂.min
c
min
∂
c
f=f+f; если f>f
и максимально возможное значение частоты дополнительного передатчика:
∂.max
max
c
f=(f-mf)/n;
∂.min
∂.max
0
i
0
i
с
i
им
с помощью генератора качающейся частоты, подключенного к дополнительному передатчику, изменяется частота внешнего воздействия на случайную антенну в пределах f÷f и с помощью оконечного устройства, подключенного к измерительному приемнику, измеряются уровни плотности потока мощности П и П (или напряженности электрического поля Е и E) соответственно на частотах f и f сигналов в месте расположения измерительного приемника; относительные уровни χ интермодуляционных составляющих излучения случайной антенны рассчитываются по формулам
а калибровка элементов измерительного тракта не производится.
На Фиг.1 приведена структурная схема аппаратурной реализации прототипа - известного способа определения уровней побочных излучений ИМ-типа по полю (см. [5], с.63, рис.3.7), где 1 - дополнительный передатчик; 2 - направленный ответвитель; 3 - контролируемый передатчик; 4 - фильтр; 5 - аттенюатор; 6 - измерительный приемник; 7 - экранированная камера.
На Фиг.2 приведена структурная схема реализации предлагаемого способа определения параметров СА, где 1 - дополнительный передатчик; 2 - генератор качающейся частоты; 3 - исследуемая СА; 4 - измерительный приемник; 5 - оконечное устройство.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
c
∂
c
∂
u2
u3
c
c
с
c
с
0
В известном способе-прототипе на первом этапе на контролируемом передатчике 3 (см. Фиг.1) устанавливают выбранную частоту f; на дополнительном передатчике 1 - частоту f с заданной расстройкой Δf=f-f (знак и значения расстройки Δf определяют значения ИМ-частот 2-го порядка f и 3-го порядка f). Измерительный приемник 6 настраивают на частоту f и производят калибровку измерительного тракта, включающего направленный ответвитель 2, фильтр 4 и аттенюатор 5, размещенные в экранированной камере 7 (результатом калибровки является значение коэффициента передачи по мощности на частоте f измерительного тракта К). Затем включают контролируемый передатчик 3 и на частоте f производят измерение мощности Р (или напряжения U) сигнала на входе измерительного приемника 6, после чего контролируемый передатчик 3 выключают.
На втором этапе определяют частоты ИМ-составляющих второго порядка:
u2
c
∂
∂
u2
c
∂
c
∂
f=f+f=2f+Δf; f=f-f=Δf; если f>f;
u2
c
∂
c
u2
∂
c
∂
c
f=f+f=2f+Δf; f=f-f=Δf; если f>f;
и частоты ИМ-составляющих третьего порядка:
u3
c
∂
∂
c
u3
c
∂
c
c
∂
f=2f+f=2f+f+Δf; f=2f-f=f+Δf; если f>f;
u3
∂
c
c
∂
u3
∂
c
∂
∂
c
f=2f+f=2f+f+Δf; f=2f-f=f+Δf; если f>f.
u2
u3
i
i
На частотах ИМ-составляющих 2-го порядка f и 3-го порядка f производят калибровку измерительного тракта, включающего направленный ответвитель 2, фильтр 4 и аттенюатор 5, размещенные в экранированной камере 7 (результатом калибровки является значение коэффициента передачи по мощности на i-ой частоте f где i=1÷4, измерительного тракта К).
c
∂
i
i
i
им
На третьем этапе включают контролируемый передатчик 3 на частоте f и дополнительный передатчик 1 на частоте f одновременно. Измерительный приемник 6 поочередно настраивают на частоты ИМ-составляющих f и каждый раз измеряют мощность Р (или напряжение U) сигнала на входе измерительного приемника 6, после чего относительные уровни ИМ-составляющих ЭМ-излучения χ рассчитывают по формулам
Применительно к условиям решаемой задачи - исследованию эффективности реальных СА - способ-прототип обладает следующими недостатками:
∂
1. Любого единственного значения расстройки Δf (любого единственного значения частоты внешнего воздействия на СА (в обозначениях прототипа - это частота f)) недостаточно для того, чтобы выявить все возможные каналы утечки КИ в СА, возникающие за счет ИМ-эффектов.
им
с
i
c
i
c
i
с
i
им
им
c
i
2. Относительные уровни ИМ-составляющих ЭМ-излучения χ в прототипе определяются путем пересчета значений уровня мощности Р и Р (или напряжения U и U) на частотах f и f сигналов на входе измерительного приемника 6 с учетом результатов предварительной калибровки измерительного тракта К, К, что связано с ростом погрешности определения χ, (ввиду влияния погрешности измерения указанных величин) по сравнению с определением значения χ непосредственным путем - по результатам измерения уровней ЭМ-излучения на частотах f и f.
c
им
3. В исследуемой СА принципиально невозможно устанавливать необходимые значения f; подключать и калибровать элементы измерительного тракта (направленный ответвитель, фильтр, аттенюатор); подключать измерительный приемник непосредственно к СА, без чего определить значения χ с помощью способа-прототипа невозможно.
∂
им
c
i
Поэтому в данном изобретении предлагается, во-первых, сделать частоту f переменной величиной, изменяющейся по заранее известному (линейному) закону и, во-вторых, определять значения χ, по результатам измерения уровней ЭМ-излучения на частотах f и f.
c
∂
i
c
∂
с
c
c
i
i
i
им
i
c
∂
Предлагаемый способ определения параметров СА включает воздействие на СА, излучающую сигнал с частотой f, ЭМ-излучения дополнительного передатчика с частотой f; калибровку элементов измерительного тракта; расчет частот ИМ-составляющих излучения CA f=|mf±nf|, где m=1; 2; 3…; n=1; 2; 3…; измерение уровней мощности P (или напряжения U) сигнала, создаваемого на частоте f СА на входе измерительного приемника; измерение уровней мощности P (или напряжения U) ИМ-составляющих излучения СА, создаваемых на частотах f на входе измерительного приемника при совместной работе контролируемого и дополнительного передатчиков и расчет относительных уровней χ для всех ИМ-составляющих излучения СА с частотами f=|mf±nf| по формулам
с
i
c
i
c
где К и K - значения коэффициентов передачи по мощности измерительного тракта соответственно на частотах f и f; и отличается от способа-прототипа тем, что с помощью измерительного приемника определяется неизвестная частота f сигнала, излучаемого СА; рассчитываются минимально возможное значение частоты дополнительного передатчика:
∂.min
c
min
c
∂
f=f-f; если f>f
∂.min
c
min
∂
c
f=f-f; если f>f,
и максимально возможное значение частоты дополнительного передатчика:
∂.max
max
c
f=(f-mf)/n;
∂.min
∂.max
0
i
0
i
c
i
им
с помощью генератора качающейся частоты, подключенного к дополнительному передатчику, изменяется частота внешнего воздействия на СА в пределах f÷ f и с помощью оконечного устройства, подключенного к измерительному приемнику, измеряются уровни плотности потока мощности П и П (или напряженности электрического поля Е и E) соответственно на частотах f и f сигналов в месте расположения измерительного приемника; относительные уровни χ ИМ-составляющих излучения случайной антенны рассчитываются по формулам
а калибровка элементов измерительного тракта не производится.
c
min
max
При реализации предлагаемого способа на первом этапе с помощью измерительного приемника 4 и оконечного устройства 5 определяется частота f сигнала, излучаемого СА 3 (см. Фиг.2) и, так как полоса частот f÷f измерительного приемника 4 известна, на основании равенств
min
c
∂
c
∂
f=f-f; если f>f
min
∂
c
∂
c
f=f-f; если f>f
∂.min
определяется f - минимально возможное значение частоты дополнительного передатчика 1:
∂.min
c
min
c
∂
f=f-f; если f>f
∂.min
c
min
∂
c
f=f-f; если f>f
∂
Максимально возможное значение частоты f при этом определяется из условия
max
c
∂
f=mf+nf,
откуда следует
∂max
max
c
f=(f+mf)/n.
∂.min
∂.max
0
i
0
i
с
i
На втором этапе с помощью генератора качающейся частоты 2, подключенного к дополнительному передатчику 1, изменяют частоту внешнего воздействия на СА 3 в пределах f÷f. При этом с помощью оконечного устройства 5, подключенного к измерительному приемнику 4, измеряют уровни плотности потока мощности П и П (или напряженности электрического поля Е и E) на частотах f и f сигналов в месте расположения измерительного приемника 4.
им
На третьем этапе относительные уровни ИМ-составляющих ЭМ-излучения χ рассчитывают по формулам
В отличие от прототипа предлагаемый способ, во-первых, позволяет определить все возможные каналы утечки КИ в СА, которые могут быть обнаружены в полосе
min
max
им
0
i
0
i
c
i
0
i
0
i
им
им
i
f÷f измерительного приемника 4. Во-вторых, необходимость в калибровке элементов измерительного тракта отпадает, поскольку для определения χ используются измеренные значения уровней плотности потока мощности П и П (или напряженности электрического поля Е и Е) на частотах f и f в месте расположения измерительного приемника 4, а не уровней мощности Р и Р (или напряжения U и U) сигналов в измерительном тракте приемника 4 (в прототипе - приемника 6). В-третьих, измерительный приемник 4 и оконечное устройство 5 могут быть выполнены в виде единого устройства, например анализатора частотного спектра сигнала (производства Rode & Schwarz и др.) с цифровым выходом. В-четвертых, при реализации оконечного устройства 5 в виде панорамного видеоиндикаторного прибора результат исследования СА может быть получен как в виде спектрограммы - графика частотной зависимости χ (f), так и на всех его представляющих интерес дискретных точках χ (f), что обеспечивает дополнительные сервисные удобства при интерпретации полученных результатов.
им
им
i
Предлагаемый способ универсален, прост и эффективен, он удобен для реализации и позволяет наглядно контролировать структуру исследуемых ЭМИ путем визуального анализа спектрограмм. Поскольку оконечное устройство 5 может иметь цифровой выход для подключения ЭВМ, процесс определения χ(f) и χ(f) легко поддается автоматизации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Маслов О.Н. Случайные антенны. // Электросвязь, 2006, №7, - С.12-15.
2. Кечиев Л.Н., Степанов П.В. ЭМС и информационная безопасность в системах телекоммуникаций. М.: ИД «Технологии», 2005. - С.320.
3. Маслов О.Н., Шашенков В.Ф. Защита информации: аспект электромагнитной совместимости и безопасности. // Вестник связи. 2005. №2. - С.65-72.
4. Управление радиочастотным спектром и электромагнитная совместимость радиосистем. Под ред. Быховского М.А. М.: Эко-Трендз, 2006. - 376 с.
5. Бадалов А.Л., Михайлов А.С. Нормы на параметры электромагнитной совместимости РЭС. Справочник. М.: Радио и связь, 1990. - 272 с.
6. Бубнов Г.Г., Никулин С.М., Серяков Ю.Н. и др. Коммутационный метод измерения характеристик ФАР. М.: Радио и связь, 1988. - 120 с.
7. Воронин Е.Н., Шашенков В.Ф. Микроволновая селективная голография. М.: Радио и связь, 2003. - 535 с.
8. Способ радиосвязи и системы его реализации. // Головков А.А., Волобуев А.Г, Чаплыгин А.А. и др. Патент RU 2271065 С1 от 09.06.2004, опубл. 27.02.2006, бюл. №6.
9. Алиев Д.С., Авдеев В.Б., Ваганов B.C., Ваганов М.С., Панычев С.Н. Методический аппарат для оценки эффективности средств нелинейной радиосвязи и радиоподавления. // Телекоммуникации, №7, 2007. - С.35-40.