Экспериментальные исследования флуктуаций времени распространения УКВ-сигналов на морской загоризонтной трассе

Литература

1. Унгер Х.Г. Планарные и волоконные оптические волноводы / Х.Г. Унгер ; пер. с англ. под ред. В.В. Шевченко. - М. : Мир, 1980. - 656 с.

2. Маркузе Д. Оптические волноводы / Д. Маркузе. - М. : Мир, 1974. - 576 с.

3. Li, Ming. Waveguide couplers using parallelogramic-shaped blazed gratings / Ming Li, Stephen J. Sheard // Optics communications. - 1994. - № 109. - P. 239-245.

4. Peng G.D. Sensor Applications of Polymer Optical Bragg Gratings [Электронный ресурс] / G.D. Peng [et al.] // Proc. of the 14th International Conference on Polymer Optical Fiber (ICPOF2005). Honk Kong, September 2005. - P. 213-216.

5. Аппельт В.Э. Аналитическая модель волоконно-оптической решетки ввода-вывода / В.Э. Аппельт, Р.С. Круглов, А.С. Задорин // Известия вузов. Физика. Приложение. - 2005. - N° 6. - С. 65-66.

6. Аззам Р. Эллипсометрия и поляризованный свет / Р. Аззам, Н. Башара ; пер. с англ. под ред. А.В. Ржанова, К.К. Свиташева. - М. : Мир, 1981. - 584 с.

7. Аппельт В.Э. Аналитическая модель гофрированного оптического волновода / В.Э. Аппельт [и др.] // Оптика и спектроскопия. - 2006. - Т. 100. - № 2. - С. 330-337.

8. Ахманов С.А. Проблемы нелинейной оптики. Электромагнитные волны в нелинейных диспергирующих средах / С.А. Ахманов, Р.В. Хохлов. - М. : ВИНИТИ, 1965.

9. Папулис А. Теория систем и преобразований в оптике/ А. Папулис ; пер. с англ. под ред. В.И. Алексеева. - М. : Мир, 1971.

Круглов Роман Сергеевич

Аспирант кафедры сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники ТУСУРа Телефон: (3822) 41 36 43 Эл. почта: krs@mail.ru

R.S. Kruglov

Efficiency of input-output of the optical radiation into fibres with cylindrical diffraction grating

An analytical model of the diffraction energy exchange between the radiative and the waveguide modes in a fibre corrugated by a cylindrical diffraction grating with an arbitrary form of teeth is developed on the basis of the coupled-wave method. It is established that gratings with an asymmetric tooth profile providing a shift of the peak of the spatial frequency spectrum toward synchronism are characterized by a higher diffraction efficiency a; however, at small thicknesses o of the fibre grating, the efficiency is aimost independent of the tooth profile. This study was supported by INTAS, grant no. 04-83-3239.

УДК 621.396.969

M.B. Крутиков, A.A. Мещеряков, В.Ю. Лебедев

Экспериментальные исследования

флуктуаций времени распространения УКВ-сигналов

на морской загоризонтной трассе

Проведен анализ флуктуаций моментов прихода и их разностей импульсных радиосигналов с несущими частотами 2700 и 850 МГц, полученных при одновременных измерениях на морской трассе протяженностью 495 км.

Флуктуации времени распространения радиосигналов на загоризонтных трассах определяют потенциальную точность дальномерных радиотехнических систем [1]. В силу отсутствия удовлетворительного аналитического описания процесса распространения УКВ за пределы радиогоризонта наиболее достоверным источником сведений о величине флуктуаций времени распространения являются экспериментальные исследования, например [2, 3]. В то же время из-за сложностей, возникающих при проведении натурных измерений, число таких исследований невелико.

M.B. Крутиков, АЛ. Мещеряков, В.Ю. Лебедев. Экспериментальные исследования флуктуации... 39

Целью настоящей работы является анализ флуктуаций моментов прихода импульсных радиосигналов с несущими частотами 2700 и 850 МГц и их разностей, полученных при одновременных измерениях на морской трассе протяженностью 495 км с 22 августа по 9 сентября 1993 года. Параметры аппаратуры, использованной при проведении измерений, указаны в табл. 1. Радиопередающая часть аппаратуры, включая антенны, смонтирована на общем основании. Антенны были сориентированы по азимуту на приемный пункт с ошибкой не более 10 угловых минут и на горизонт — не более 5 угловых минут.

Приемная аппаратура имела ориентированные на передающий пункт антенны, установленные раздельно на расстоянии не более 10 м между собой и соединявшиеся с приемниками высокочастотными кабелями. В передающем и приемном пунктах с помощью рубидиевых стандартов частоты с относительной нестабильностью частоты Ю-11 были сформированы две импульсные последовательности с частотой повторения 375 Гц. Импульсная последовательность в передающем пункте использовалась для запуска радиопередатчиков, а соответствующая последовательность в приемном пункте использовалась в качестве опорной для измерения флуктуаций моментов прихода принимаемого сигнала. Временной разбег указанных опорных последовательностей передающего и приемного пунктов не превышал 360 не за час.

Момент прихода сигнала определялся по величине задержки принятого в приемном пункте сигнала относительно опорной импульсной последовательности пороговым методом по уровню минус 6 дБ относительно максимального значения амплитуды этого сигнала. Для реализации описанного метода использовались два восьмиразрядных АЦП Ф4226 с длительностью цикла преобразования 50 не, с помощью которых синхронно регистрировалась форма принимаемых сигналов обеих частот.

Таблица 1

Характеристики экспериментальной аппаратуры

Параметр Единица Сантиметровый Дециметровый

измерения диапазон диапазон

Частота сигнала МГц 2700 850

Мощность передатчика кВт 750 260

Передающие антенны

Коэффициент усиления ДБ 41 32

Ширина ДН:

~ по вестикали 2 «

- по горизонтали градус 0,7 2

Длительность излучаемых сигналов МКС 2,5 2,5

Длительность фронта излученного

импульса НС 200 200

Приемные антенны

Коэффициент усиления ДБ 36 28

Ширина ДН:

- по вертикали градус 1,5 6

- по горизонтали градус 1,5 4

Чувствительность приемника дБ/Вт -132 -135

Полоса пропускания приемников МГц 1,5 1,5

При обработке сигналов выполнялось предварительное усреднение по 16 реализациям огибающих импульсов, принятых последовательно друг за другом. Для исключения грубых ошибок измерения моментов прихода реализация принимаемых сигналов, в которых отношение сигнал/шум не превышало 10 дБ, отбрасывалась. Среднеквадратическая погрешность «змерения моментов прихода, связанная с дискретизацией АЦП по времени и по уровню, а также с шумами приемника, составляла 53 не. Средние аппаратурные задержки сигналов различных частот, имевшие место при излучении и приеме, были измерены и учтены при аоследующей обработке разностей моментов прихода сигналов.

Измерения выполнялись сериями, каждая из которых содержала последовательные •о времени измерительные сеансы длительностью не более 15 мин, в утреннее, дневное и

вечернее время суток, сопряженное с метео- и аэрологическими измерениями, выполняемыми в сети Госкомгидромета РФ. В течение каждого сеанса регистрировалось 135 форм импульсных сигналов обеих частот. Для каждого измерительного сеанса, допущенного в обработку, определялись среднеквадратические отклонения (СКО) моментов прихода сигналов обеих частот, среднее значение и СКО разности моментов прихода этих сигналов. Всего было обработано 56 сеансов. Каждому сеансу поставлены в соответствие радиометеорологические параметры атмосферы, полученные по данным ближайшей аэрологической станции: ЛГд — индекс коэффициента преломления воздуха в приземном слое; gN индекса коэффициента преломления в километровом приземном слое; У0 и V,

градиент

850

ско-

рость ветра у земли и на высоте, соответствующей давлению воздуха 850 мбар.

На рис. 1 приведены гистограммы СКО моментов прихода crf сигналов частотой 2700 и 850 МГц. Как видно, среднее значение СКО моментов прихода составляет 114 не для частоты 2700 МГц и 200 не для частоты 850 МГц. Наименьшее и наибольшее значения величины at составляют 22 не и 373 не соответственно для частоты 2700 МГц; 26 не и 456 не — для частоты 850 МГц.

Частотная зависимость флуктуаций моментов прихода сигнала приведена в табл. 2. Там же для сравнения приведено значение для частоты 150 МГц, заимствованное из материалов работы [3] и пересчитанное применительно к условиям данной работы. Результаты измерений показали, что имеется линейная регрессионная зависимость среднеквадратиче-ского значения флуктуаций моментов прихода сигнала от его уровня в обоих диапазонах: при увеличении уровня сигнала уменьшаются флуктуации моментов прихода. Регрессия проявляется начиная с некоторого порогового значения среднечасового множителя ослабления сигнала. Пороговые значения среднечасового множителя ослабления равны минус 90 дБ для частоты 2700 МГц и минус 73 дБ для частоты 850 МГц.

р %

30 20 10

20 70 120 170 220

э0 370 о, ,

70 120 170 220 270

ППГ) о

70 о;.ис

Рис. 1 — Гистограмма СКО моментов прихода сигналов на частоте: а — 2700 МГц; б — 850 МГц

Корреляция моментов прихода сигналов обеих частот незначительна, но при очень сильных сигналах коэффициент корреляции увеличивается до 0,5-0,7. Интервалы временной корреляции моментов прихода зависят от условий распространения и изменяются от долей секунды до 10-60 с в обоих частотных диапазонах.

Таблица 2

Частотная зависимость флуктуаций моментов прихода сигнала

Частота, МГц 150 850 2700

СКО моментов прихода сигналов, не 260 200 144

На рис. 2 приведены гистограммы средних за сеанс значений Аt и СКО стдг мгновенных значений разности моментов прихода сигналов Аt различных диапазонов. Среднее значение задержки сигнала частотой 850 МГц относительно сигнала частотой 2700 МГц составило 830 не при усреднении за весь период измерений. Наибольшее и наименьшее наблюдавшиеся значения задержки составляют 1160 и 260 не соответственно. При этом среднее значение СКО мгновенных значений разности моментов прихода составило 240 не. Исследования показали отсутствие зависимости между средним за сеанс значением разности моментов прихода и уровнем сигнала до некоторого порогового значения уровня. При дальнейшем увеличении уровня сигнала среднее значение разности моментов прихода уменьшается. Пороговые значения среднечасового множителя ослабления, с которых начала проявляться

M.B. Крутиков, АЛ. Мещеряков, В.Ю. Лебедев. Экспериментальные исследования флуктуаций...

зависимость в период измерений, оказались равными минус 75 дБ для частоты 2700 МГц и

минус 73 дБ для частоты 850 МГц.

Была исследована взаимосвязь статистических характеристик разности моментов прихода и радиометеорологических параметров. При увеличении индекса преломления Ns от 330 до 350 iV-единиц среднее значение разности моментов прихода уменьшается с 1100 до 500 не. При увеличении градиента индекса преломления от 39 до 64 АГ-единиц на километр среднее значение разности моментов прихода уменьшается с 1000 до 600 не. В то же время в ходе исследования не было выявлено связи между СКО разности моментов прихода и величиной ветра на уровне земли и на высоте, соответствующей давлению 850 мбар.

.•4

Н Р.:

30

20

W

ZL

180 330 480 630 780 830 980 1130ЛЬ,с

20 95 170 245 320 395 470 545 б

Рис. 2 — Гистограмма: а — средних за сеанс значений разности моментов прихода сигналов частот 2700 и 850 МГц; б — их СКО

В заключение можно сделать следующие выводы.

1. Наблюдается частотная зависимость флуктуаций момента прихода: для частоты 850 МГц величина СКО времени распространения составила 200 не — в 1,4 раза больше, чем яа частоте 2700 МГц.

2. Существует зависимость флуктуаций момента прихода от величины сигнала: величина флуктуаций времени распространения радиосигналов уменьшается при увеличении среднечасового уровня сигнала начиная со среднечасового значения множителя ослабления минус 90 дБ для частоты 2700 МГц и минус 73 дБ для частоты 850 МГц в период проведения измерений.

3. При слабых и средних уровнях сигналов значения быстрых флуктуаций времени распространения на частотах 2700 и 850 МГц практически не коррелированы между собой.

4. При сильных сигналах интервалы временной корреляции моментов прихода могут достигать нескольких десятков секунд, что необходимо учитывать при выборе времени усреднения в радионавигационных приборах, использующих загоризонтные сигналы УКВ-диапазона.

5. Величина задержки распространения сигнала частотой 850 МГц относительно сигнала частотой 2700 МГц уменьшается при одновременном росте уровня сигнала в обоих диапазонах начиная со среднечасового значения множителя ослабления сигнала минус 75 дБ для частоты 2700 МГц и минус 73 дБ для частоты 850 МГц. Величина средней задержки составила 830 не при СКО, равном 250 не.

6. Наблюдается зависимость от метеоусловий: средняя задержка сигнала частотой 850 МГц по отношению к сигналу частотой 2700 МГц с увеличением приземного индекса преломления уменьшается со скоростью 25 не на N-eдиницу. При увеличении градиента индекса преломления в приземном километровом слое эта величина также уменьшается, но со скоростью 13 не на единицу градиента индекса преломления.

Литература

1. Кравцов Ю.А. Прохождение радиоволн через атмосферу Земли / Ю.А. Кравцов, З.И. Фейзулин, А.Г. Виноградов. - М. : Радио и связь, 1983.

2. Арбузов Ю.В. Экспериментальные исследования тропосферного канала методом импульсной радиолокации с активным ответом / Ю.В. Арбузов // Радиотехника. - 1975. -

4. - С. 14-18.

3. Арбузов Ю.В. Автокорреляционная функция помехи для сигналов с ФКМ в тропосферном канале / Ю.В. Арбузов // Радиотехника. - 1977. - Т. 32. - № 5. - С. 81.

Крутиков Михаил Владимирович

Зав. лабораторией распространения радиоволн НИИ радиотехнических систем ТУСУРа

Телефон: (3822) 41 38 89

Эл. почта: rwplab@orts.tomsk.ru

Мещеряков Александр Алексеевич

Науч. сотр. НИИ радиотехнических систем ТУСУРа

Телефон: (3822) 41 38 89

Эл. почта: rwplab@orts.tomsk.ru

Лебедев Виталий Юрьевич

Канд. техн. наук, науч. сотр. НИИ радиотехнических систем ТУСУРа

Телефон: (3822) 41 38 89

Эл. почта: rwplab@orts.tomsk.ru

М. Krutikov, A. Mescheraykov, V. Lebedev

Experimental research of the uhv propagation time fluctuations beyond the horizon above the sea

The results of the experimental measurement of the propagation time fluctuations above the sea for frequencies of 2700 MHz and 850 MHz at the distance 495 km are described.

п

ytrp Сущ«

'KTp

XIК

1ЬГГ

ко ювой »Bat (ст&г :о pa

Дднва)

Hi

г*и с « конеч Под rep ~ (отре.

f^irra ых 3

УДК 621.372

Н.Д. Малютин, А.Г. Лощилов, Э.В. Семёнов

Квази-Т-волны в комбинированных структурах на основе нерегулярных линий передачи с сосредоточенными неоднородностями*

Рассматривается численный метод расчета квази-Т-волн в комбинированных структурах на основе нерегулярных связанных линий с произвольной зависимостью первичных параметров от продольной координаты, содержащих сосредоточенные неоднородности. Приведен пример расчета полных, падающих и отраженных напряжений и токов

фильтры.

ирииОдкиКа^

iCKbi * J Wii^iiC

H5

Введение

В работах [1-6] и ряде других публикаций было показано, что в связанных линиях (CJI), содержащих неоднородное в поперечном сечении магнитное или диэлектрическое заполнение, нормальные волны имеют отличающиеся фазовые скорости vt (i— номер нормальной моды). Степень неоднородности заполнения влияет на соотношение V-v /и  , где

niäx ' min * ^

umax> ymin — соответственно максимальное и минимальное значения фазовых скоростей нормальных волн. Отличие фазовых скоростей, характеризующееся примерным соотношением V < 1,05, имеет место в полосковых связанных линиях на диэлектрических подложках с небольшой диэлектрической проницаемостью, в связанных линиях типа «витая пара», в связанных проводах вблизи подстилающей поверхности и других структурах. При малом значении V эффект изменения фазовых скоростей нормальных волн может несущественно влиять на волновые процессы в CJI и соответственно на входные параметры устройств на их основе вследствие наличия потерь и иных факторов, определяющих картину связанных квази-Т-волн в целом [7]. Иная ситуация возникает, когда отличие фазовых скоростей начинает доминировать в образовании волновых процессов в CJI. Это явление как частный случай проявления интерференции хорошо известно в теории связанных линий [8]. Оно может рассматриваться как отрицательно сказывающееся на параметрах устройств [9] или как

HS

Оврелеление

зг

тьного За. фазов Обычным :ij 1 СЛ на достатх либо нзче Ч» в аяалит; **триц уча с задача oupe

Работа выполнена при поддержке Администрации Томской области, государственный контракт № 102 от 20.09.2005, и поддержке Рособразования, проект 1 (раздел 07.08).