СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕРМОДУЛЯЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ СЛУЧАЙНОЙ АНТЕННЫ
METHOD FOR DETERMINING INTERMODULATION PARAMETERS OF RANDOM ANTENNA

Изобретение относится к технике радиоизмерений и может быть использовано для определения параметров радиотехнических систем, объединенными 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:
с
∂
- воздействие на контрольный передатчик с частотой f ЭМ излучением дополнительного передатчика с частотой ƒ;
- калибровка и регулировка элементов измерительного тракта;
u2
c
∂
u3
c
∂
u3
∂
c
i
c
∂
- расчет частот ИМ составляющих ƒ=|ƒ±ƒ| второго порядка; ƒ=2ƒ±ƒ; ƒ=2ƒ±ƒ третьего порядка, а также, при необходимости, произвольного порядка ƒ=|mƒ±nƒ|, где m=1; 2; 3…; n=1: 2; 3…;
с
c
c
- измерение уровней мощности Р (или напряжения U) сигнала, создаваемого на частоте ƒ контролируемым передатчиком на входе измерительного приемника;
i
i
i
- измерение уровней мощности Р, (или напряжения U) ИМ составляющих, создаваемых на частотах ƒ 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 ƒ=ƒ; ƒ;…|mƒ±nƒ| с учетом результатов калибровки и регулировки элементов измерительного тракта.
им
c
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 излучения χ определяются здесь косвенным путем: с помощью пересчета значений уровней мощности P и P (или напряжений U и U,) на частотах ƒ и ƒ 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 ƒ, 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.
∂
∂.min
∂.max
им
c
i
Решение проблемы состоит в том, чтобы, во-первых, вместо гармонического сигнала с частотой ƒ использовать шумовой сигнал в полосе частотƒ÷ƒ с помощью подключенного к дополнительному передатчику генератора шума (noise generator) и, во-вторых, определять значения χ по результатам непосредственного измерения уровней ЭМ излучения на частотах ƒ и ƒ.
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
c
c
i
i
им
i
c
∂
Предлагаемый способ определения интермодуляционных параметров случайной антенны, включающий воздействие на случайную антенну, излучающую сигнал с частотой ƒ электромагнитного излучения дополнительного передатчика с частотой ƒ; расчет частот интермодуляционных составляющих излучения случайной антенны ƒ=|mƒ±nƒ|, где m=1; 2; 3…; n=1; 2; 3…; измерение уровней мощности Р (или напряжения U) сигнала, создаваемого на частоте ƒ случайной антенной на входе измерительного приемника; измерение уровней мощности Р, (или напряжения U) интермодуляционных составляющих излучения случайной антенны, создаваемых на частотах ƒ на входе измерительного приемника при совместной работе случайной антенны и дополнительного передатчика и расчет относительных уровней χ для всех интермодуляционных составляющих излучения случайной антенны с частотами ƒ=|mƒ±nƒ| по формулам
c
i
c
i
c
где К и K - значения коэффициентов передачи по мощности измерительного тракта, соответственно, на частотах ƒ и ƒ; при этом с помощью измерительного приемника определяют неизвестную частоту ƒ сигнала, излучаемого случайной антенной; рассчитывают минимально-возможное значение частоты дополнительного передатчика:
∂.min
с
min
c
∂
f=f-f; если f>f;
∂.min
с
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 шума, подключенного к дополнительному передатчику, осуществляют внешнее воздействие на случайную антенну в полосе частот ƒ÷ƒ и с помощью оконечного устройства, подключенного к измерительному приемнику, измеряют уровни плотности потока мощности П и П, (или напряженности электрического поля E и E), соответственно, на частотах ƒ и ƒ сигналов в месте расположения измерительного приемника; относительные уровни χ интермодуляционных составляющих излучения случайной антенны рассчитываются по формулам
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 l - 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 l - дополнительный передатчик; 2 - генератор шума; 3 - исследуемая СА; 4 - измерительный приемник; 5 - оконечное устройство.
Предлагаемый способ осуществления следующим образом.
с
∂
c
∂
u2
u3
c
c
c
c
0
Рассмотрим отличия предлагаемого способа от способа-прототипа. В способе-прототипе на первом этапе на контролируемом передатчике 3 (см. Фиг.1) устанавливают выбранную частоту ƒ; на дополнительном передатчике 1 - частотуƒ с заданной расстройкой Δƒ=ƒ-ƒ (знак и значения расстройки Δƒ определяют значения ИМ частот 2-го порядка f и 3-го порядка ƒ). Измерительный приемник 6 настраивают на частоту ƒ 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 ƒ измерительного тракта Кс). Затем включают контролируемый передатчик 3 и на частоте ƒ 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
∂
∂
с
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 ƒ и 3-го порядка ƒ 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 ƒ; где i=1÷4, измерительного тракта К).
c
∂
i
i
i
им
На третьем этапе включают контролируемый передатчик 3 на частоте ƒ и дополнительный передатчик 1 на частоте ƒ одновременно. Измерительный приемник 6 поочередно настраивают на частоты ИМ составляющих ƒ и каждый раз измеряют мощность P (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 Δƒ (любого единственного значения частоты внешнего воздействия на СА - в обозначениях прототипа это частота ƒ) недостаточно для того, чтобы выявить все возможные каналы утечки КИ в СА, возникающие за счет ИМ эффектов.
им
с
i
c
i
с
i
с
i
им
им
с
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 ƒ и ƒ 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 ƒ и ƒ.
с
им
3. В исследуемой СА принципиально невозможно устанавливать необходимые значения ƒ; 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.
∂
∂.min
∂.max
им
c
i
Поэтому в предлагаемом изобретении предлагается, во-первых, вместо гармонического сигнала с частотой ƒ использовать шумовой сигнал в полосе частот ƒ÷ƒ путем подключения к дополнительному передатчику генератора шума и, во-вторых, определять значения χ по результатам непосредственного измерения уровней ЭМ излучения на частотах ƒ и ƒ.
c
min
max
В предлагаемом способе на первом этапе с помощью измерительного приемника 4 и оконечного устройства 5 определяется частота ƒ сигнала, излучаемого СА 3 (см. Фиг.2), и так как полоса частот ƒ÷ƒ 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 ƒ - 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 ƒ при этом ищется из условия
max
c
∂
f=mf+nf;
откуда следует
∂.max
max
c
f=(f-mf)/n.
∂.min
∂.max
0
i
0
i
c
i
На втором этапе с помощью генератора шума 2, подключенного к дополнительному передатчику 7, осуществляют внешнее воздействие на СА 3 в пределах полосы частот ƒ÷ƒ. При этом с помощью оконечного устройства 5, подключенного к измерительному приемнику 4, фиксируют и измеряют уровни плотности потока мощности П и П, (или напряженности электрического поля E и Е) на частотах ƒ и ƒ сигналов в месте расположения измерительного приемника 4.
им
На третьем этапе относительные уровни ИМ составляющих ЭМ излучения χ рассчитывают по формулам
min
max
им
0
i
0
i
c
i
0
i
o
i
им
им
i
В отличие от прототипа предлагаемый способ, во-первых, позволяет определить все возможные каналы утечки КИ в СА, которые могут быть обнаружены в полосе ƒ÷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 E и Е) на частотах ƒ и ƒ 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 (ƒ), так и на всех его представляющих интерес дискретных точках χ (ƒ), 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 устройстве 5 может иметь цифровой выход для подключения ЭВМ, процесс определения χ(ƒ) и χ(ƒ) легко поддается автоматизации.
Источники информации
1. Маслов О.Н. Случайные антенны // Электросвязь, №7, 2006. - 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 C1 от 09.06.2004, опубл. 27.02.2006, бюлл. №6.
9. Алиев Д.С., Авдеев В.Б., Ваганов Е.С., Ваганов М.С., Панычев С.Н. Методический аппарат для оценки эффективности средств нелинейной радиосвязи и радиоподавления // Телекоммуникации, №7, 2007. - С.35-40.