Исследование поверхностного волновода применительно к проблеме СВЧ облучения

РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012

УДК 621.372.8:621.385.6

А. В. ДУДАРЕВ В. П. КИСМЕРЕШКИН Г. Н. ЛОБОВА

Омский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ

ПОВЕРХНОСТНОГО ВОЛНОВОДА

ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ПРОБЛЕМЕ

СВЧ ОБЛУЧЕНИЯ______________________________

В работе исследовано поле волновода поверхностной волны в режиме переиз-лучения. Переизлучение поверхностной волны осуществляется группой соосных с проводом волновода вибраторов. Приведены результаты экспериментальных исследований распределения поля вдоль волновода, работающего в различных режимах. Показана возможность повышения эффективности переизлученного поля и ее регулировки бесконтактным перемещением отражателя.

Ключевые слова: однопроводная линия передачи, СВЧ сушка древесины, возбуждение поверхностной волны, волновод, «Т» волна, рефлектор.

Целью данной работы является исследование волновода поверхностной волны в режиме переиз-лучения, осуществляемое резонансными вибраторами при различных режимах волновода.

В 2000-х гг. активно проводились работы по оптимизации антенных устройств на основе открытого волновода на частотах от 1,4 до 2,4 ГГц [1]. Настоящая работа проводилась на частоте 915 МГц, был введен ряд улучшений и модификаций при изготовлении линии, например, таких как фиксация устройства возбуждения к рефлектору, использование зонда в виде симметричного вибратора для снятия сигнала.

Волновод поверхностных волн (ПВ) в виде одного провода с диэлектрическим покрытием представляет интерес как система, с помощью которой можно возбуждать совокупность переизлучателей. Указанные переизлучатели, будучи определенным образом распределенными вдоль волновода и связанные с ним, позволяют реализовать требуемое распределение переизлучаемого поля [2].

При этом поверхностный волновод может находиться в двух состояниях: в режиме бегущей волны и в режиме открытого резонатора. В первом случае режим бегущей волны достигается тем, что волновод нагружается на согласованную нагрузку. Подводимая мощность рассеивается на переизлучате-лях и балластной нагрузке. Коэффициенты связи выбирают (устанавливают) таким образом, чтобы реализовать требуемое распределение поля при минимальном рассеянии на балластной нагрузке. Экспериментально достигнут уровень переизлучения при рассеянии в нагрузке на (15^20) дБ ниже подводимой мощности. Другой вариант возбуждения переизлучателей — посредством открытого резонатора, образуемого на участке ПВ. При этом режим стоячих волн образуется отражателем поверхностной волны в виде проводящего диска, установленного на конце волновода. Короткое замыкание с волноводом обеспечивается четвертьволновым коаксиалом, образуемым трубой, надетой на провод с диэлектрическим покрытием. Таким образом, оба конца линии соединены с рефлекторами. Такое по-

строение обеспечивает не только короткое замыкание отражателя с проводом волновода, но и оказывается возможным перемещение отражателя вдоль провода волновода при достаточно хорошем электрическом замыкании с проводом.

В соответствии с описанными вариантами возбуждения решетки переизлучателей были проведены следующие экспериментальные исследования:

—изменение напряженности поля ПВ при перемещении отражателя в режимах нагруженной линии и открытого резонатора;

—возбуждение линии при одном переизлучаю-щем вибраторе в режимах нагруженной линии и открытого резонатора;

—возбуждение линии при двух переизлучаю-щих вибраторах в режимах нагруженной линии и открытого резонатора.

Исходные данные ПВ следующие:

—в качестве провода использована дюралюминиевая трубка;

—длина волны в волноводе: А,В = 0,32 м;

—длина установки: L/A,В«10;

—частота поля: f = 915 МГц;

—экспериментальные расчетные параметры волновода: ^А,В = 0,62-10-2 (где t — толщина диэлектрического покрытия); dПРОВОдА = 3•10-3 м (где d —

диаметр^ ^ИЭЛЕКТРИКА=2'10-5 м (1провода/^в=1,87'10"2;

ПРОВОДА В

Рис. 1. Схема экспериментальной установки, где 1 — провод с диэлектрическим покрытием, 2 — возбуждающие вибраторы, 3 — отражатель, 4 — генератор, 5 — балластная нагрузка,

6 — приемное устройство с зондом

Рис. 2. Переизлучатели, устанавливаемые вдоль линии

1/1

Рис. 3. График зависимости распределения поля при перемещении рефлектора: сплошная линия — режим без нагрузки, пунктирная — режим с нагрузкой

—устройство возбуждения ПВ: «звезда» из трех полуволновых вибраторов, один из которых соединен с коаксиальным фидером через запирающий четвертьволновый стакан;

—рефлектор представляет собой проводящий диск диаметром 3-хГР, где хГр — граничный радиус хгр = 0,35 м, DAВ «3.

Установка, изображенная на рис. 1, состоит из натянутого относительно двух опор провода 1 с диэлектрическим покрытием из «фторопласта-4». В качестве короткозамыкателей были использованы четвертьволновые отрезки коаксиальной линии, образуемые трубкой и проводом волновода. Указанные трубки одним концом гальванически соединялись с отражателем 3 в виде круглого проводящего диска. «Звезда», образуемая возбуждающими вибраторами 2, соединялась с генератором 4, на противоположном конце линии крепилась балластная нагрузка 5. Таким образом, исследованию подлежал отрезок изолированного провода, вдоль которого могли свободно, без гальванической связи с проводом, перемещаться два параллельных отражателя.

Возбуждение поверхностной волны осуществлялось тремя полуволновыми вибраторами, соединенными вершинами в «звезду», путем трансформации «Т» волны в поверхностную волну Е00 [3]. При этом один из вибраторов соединен с фидером через запирающий четвертьволновый стакан. Аналогично другой конец волновода нагружался на балластную нагрузку.

Вдоль поверхностного волновода 1 перемещалась каретка с зондом 6 в виде диполя, с которого снимался сигнал на приемник. Зонд имел возможность установки с учетом поляризации и минимального влияния на структуру поля поверхностной волны.

На рис. 2 показан провод установки, на котором установлены переизлучатели в виде соосных с проводом трубчатых отрезков, соизмеримых с длиной волны.

Результаты измерений распределения поля вдоль ПВ для случаев нагруженной линии (пунктирная ли-

ния) и в режиме короткого замыкания (сплошная линия) приведены на рис. 3. Как видно из представленных кривых в случае режима линии как открытого резонатора имеет место четкое распределение поля по закону синусоиды с ярко выраженными минимумами и максимумами. Разница между максимумом и минимумом составляет порядка 20 дБ. Расстояние между минимумами в длинах волн близко к половине длине волны (0,16 м), что свидетельствует не только о наличии вдоль провода поверхностной волны, но и о соответствующем положении отражателя, обеспечившем режим открытого резонатора. Что касается режима нагруженного ПВ, то данный режим, хотя и далек от согласованного, вместе с тем разность в значениях максимума и минимума невелика и составляет около (5^6) дБ. Характерным является наличие волнового процесса с длиной волны (0,327 м), близкой к расчетной длине волны в линии (0,326 м).

Особенностью описанного эксперимента является индикация напряженности электрического поля в области структуры поверхностной волны, то есть в пределах граничного радиуса (зонд для фиксации сигнала находится не далее 0,16 м от линии). В этом случае излучение минимально и измерительная установка не требует особых мер по исключению влияния за пределами граничного радиуса.

Для практики использования поверхностного волновода особый интерес представляет режим пе-реизлучения поверхностной волны с помощью той или иной неоднородности. С этой целью установка с отрезком поверхностного волновода была модифицирована путем установки на проводе переиз-лучателя в виде резонансного вибратора [4, 5]. Это позволяет измерить (исследовать) непосредственно переизлучаемое поле, отделив его от поля поверхностной волны. Для этого достаточно зонд установить за пределами граничного радиуса (>0,16 м). В частности, различные режимы при исследовании поля ПВ представлены на рисунках (рис. 4а — г). На рис. 4а — б линия нагружена на согласованную нагрузку, на рис. 4в — г линия в режиме открытого резонатора.

Особенностью установки является наличие отражателя, установленного около вибраторов на расстоянии dp>xгp. Это позволяет в значительной степени избавиться от отраженных внешними предметами лучей. Результаты измерений показаны на рис. 5а — б. На рис. 5а в линию внесли один переиз-лучающий вибратор и провели эксперименты по изучению переотраженного поля от перезлучателя в двух режимах — с нагрузкой и без нагрузки. Аналогичный эксперимент изображен на рис. 5б, только в линии использованы два переизлучателя.

Как показывают результаты измерений в нагруженном режиме (пунктирная линия) и в режиме открытого резонатора (сплошная линия), в первом случае имеет место изменение поля в пределах 1 дБ при перемещении отражателя более чем на половину длины волны. В режиме открытого резонатора

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ

РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012

Рис. 4а. Режим с нагрузкой на конце ПВ: поле волновода ПВ в чистом виде, установка нагружена на конце на согласованную нагрузку

Рис. 4б. Режим с нагрузкой на конце ПВ: поле волновода, нагруженного переизлучателями, установка нагружена на конце на согласованную нагрузку

Рис. 4в. Режим открытого резонатора: поле открытого резонатора

Рис. 4г. Режим открытого резонатора: поле открытого резонатора, нагруженного на переизлучатели

переизлученное поле изменяется в пределах 11 дБ, что свидетельствует о возможности регулирования переизлученного поля путем бесконтактного перемещения отражателя.

В результате выполнения экспериментов с ПВ на частоте 915 МГц были достигнуты следующие результаты:

—неравномерность распределения поля без пе-реизлучающих вибраторов составила в режиме без нагрузки ±22 дБ, в режиме с нагрузкой ±11 дБ;

—неравномерность распределения поля с одним переизлучающим вибратором составила в режиме без нагрузки ±9 дБ, в режиме с нагрузкой ±5 дБ;

—неравномерность распределения поля с двумя переизлучающими вибраторами составила в режиме без нагрузки ±10 дБ, в режиме с нагрузкой ±1 дБ.

Таким образом, данными исследованиями предопределены возможности реализации облучающих установок СВЧ, в которых:

—в режиме открытого резонатора возможно существенное увеличение переизлучаемого уровня напряженности электрического поля;

—в режиме открытого резонатора возможна бесконтактная регулировка уровня переизлучаемо-го поля;

—распределение переизлучаемого поля определяется электромагнитной связью переизлучателей с полем поверхностного волновода.

Данная работа является важным шагом по прокладыванию дороги в СВЧ сушильную индустрию

для Омской области. Ведь, как известно, во всех районах СФО существует огромная потребность в качественной, быстрой, экономически выгодной сушке и доставке древесины. Продолжение работ в направлении СВЧ сушки древесины даст существенный толчок развитию деревообработки, выведет из застоя многие предприятия области. Также данный вид разработки влечет за собой развитие и других областей промышленности, в частности, диэлектрический нагрев битумных масс, керамических изделий, лекарственных трав, зерновых культур и т.д.

Библиографический список

1. Оптимизация антенных устройств на основе открытого волновода / В. П. Кисмерешкин [и др.] // Динамика систем, механизмов и машин : материалы V Междунар. науч.-техн. конф., 16—18 нояб. 2004 г. : в 4 кн. / ОмГТУ и др. — Омск, 2004. — Кн. 3. - 255 с.

2. Лобова, Г. Н. Лабораторный практикум по электродинамике на основе поверхностного волновода / Г. Н. Лобова // Физическое образование в вузах. — М., 2002. — 91 с.

3. Пат. 21144720 Российская Федерация, МПК7 Н 01 Q 9/00, Н 01 Q 9/44. Устройство возбуждения поверхностной волны / Кисмерешкин В. П., Лобова Г. Н. ; заявитель и патентообладатель Кисмерешкин В. П., Лобова Г. Н. — № 98118738/09 ; заявл. 10.12.1998 ; опубл. 01.20.00, Бюл. № 2. — 6 с.

4. Пат. 2118874 Российская Федерация, МПК7 Н 01 Q 21/00. Вибраторная решетка / Кисмерешкин В. П., Лобо-

Рис. 5а. График зависимости распределения поля при перемещении рефлектора (внесли один вибратор в линию): сплошная линия — режим без нагрузки, пунктирная — режим с нагрузкой

Рис. 5б. График зависимости распределения поля при перемещении рефлектора (внесли два вибратора в линию): сплошная линия — режим без нагрузки, пунктирная — режим с нагрузкой

ва Г. Н. : заявитель и патентообладатель Опытно-конструкторское бюро «Иртыш». — № 94020606/09 ; заявл. 02.06.1994 ; опубл. 10.09.1998, Бюл. № 28. — 3 с.

5. Кисмерешкин, В. П., Моделирование линейной антенной решетки на основе однопроводной линии передачи / В. П. Кисмерешкин, Г. Н. Лобова // Приборы и техника эксперимента : науч. журн. — 1995. — № 5. — С. 85 — 86.

ДУДАРЕВ Алексей Валерьевич, аспирант кафедры «Средства связи и информационная безопасность» радиотехнического факультета. КИСМЕРЕШКИН Владимир Павлович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор

кафедры «Средства связи и информационная безопасность»; почетный радист СССР, почетный работник высшего профессионального образования РФ, член-корреспондент Сибирского отделения академии наук высшей школы.

ЛОБОВА Галина Николаевна, кандидат физикоматематических наук, доцент кафедры «Средства связи и информационная безопасность».

Адрес для переписки: mangas86@mail.ru

Статья поступила в редакцию 30.05.2012 г.

© А. В. Дударев, В. П. Кисмерешкин, Г. Н. Лобова

УДК 6813 А. В. МОРОЗОВ

В. Г. ШАХОВ

Омский государственный университет путей сообщения

АНАЛИЗ АТАК НА БЕСПРОВОДНЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ

В статье приведена классификация атак на беспроводные компьютерные сети. Атаки проанализированы по основным целям. Даны множественные примеры и краткое описание различных типов атак. Рассмотрены механизмы атак на беспроводные компьютерные сети, таких как «человек посредине» и «отказ в обслуживании». Представлена статистика ущерба от компьютерных атак.

Ключевые слова: беспроводные атаки, атаки на конфиденциальность, атаки на целостность, атаки на доступность, атаки «человек посредине», атаки «отказ в обслуживании».

В последние годы идёт стремительное развитие и распространение беспроводных локальных сетевых технологий. Технологии Wi-Fi и WiMAX уже заняли свою нишу на рынке беспроводных сетей. Беспроводные приложения позволяют людям «расширить» свое рабочее место и получить в результате этого ряд преимуществ. С появлением беспроводной Intemet-связи на первый план вышли вопросы обеспечения безопасности. В данной области имеются существенные недоработки, о чём говорит статистика атак на беспроводные сети. Основные угрозы при использовании беспроводных сетей — это перехват сообщений спецслужб, коммерческих предприятий и частных лиц, перехват номеров кредитных карточек, кража оплаченного времени соединения, вмешательство в работу коммуникационных центров.

Как показывают исследования Танассиса Ги-аннетсоса и Тассоса Димитриоу из Афинского научно-исследовательского центра информационных технологий, а также Нэли Прасад из Олборгского университета, большинство поддерживаемых в настоящее время беспроводных атак подпадают под одну из следующих категорий [1]:

—атаки на конфиденциальность: эти атаки пытаются перехватить секретную информацию, отправляемую средствами беспроводной передачи;

—атаки на целостность: данные атаки посылают кадры ложного контроля, управления или содержащие данные для возникновения сбоя на получателе,

или используются для облегчения проведения другого типа атак. К этому типу атак, также можно отнести атаки на аутентификацию [2];

—атаки на доступность: эти атаки препятствуют доставке беспроводных сообщений для легализации пользователей посредством вывода из строя сетевых ресурсов.

Атаки «Человек посредине». Атаки вида «человек посередине» (Man In The Middle — MITM) выполняются на беспроводных сетях гораздо проще,

Атакующий Рис. 1. Атака «подслушивание»

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ