способ определения интермодуляционных параметров случайной антенны

Формула изобретения

Способ определения интермодуляционных параметров случайной антенны, включающий воздействие на случайную антенну, излучающую сигнал с частотой f_c, электромагнитного излучения дополнительного передатчика с частотой f , расчет частот интермодуляционных составляющих излучения случайной антенны f_i=|mf_c±nf |, где m=1, 2, 3 ; n=1, 2, 3 ; измерение уровней мощности Р_с (или напряжения U_c) сигнала, создаваемого на частоте f_c случайной антенной на входе измерительного приемника; измерение уровней мощности Р_i (или напряжения U_i) интермодуляционных составляющих излучения случайной антенны, создаваемых на частотах f_i на входе измерительного приемника при совместной работе случайной антенны и дополнительного передатчика, и расчет относительных уровней _им для всех интермодуляционных составляющих излучения случайной антенны с частотами f_i=|mf _c±nf | по формулам



где К_с и К_i - значения коэффициентов передачи по мощности измерительного тракта соответственно на частотах f_c и f_i, отличающийся тем, что с помощью измерительного приемника определяют неизвестную частоту f_c сигнала, излучаемого случайной антенной; рассчитывают минимально возможное значение частоты дополнительного передатчика:

f _.min=f_с-f_min; если f_c >f ;

f _.min=f_с+f_min, если f >f_c,

и максимально возможное значение частоты дополнительного передатчика:

f _.max=(f_max-mf_c)/n,

с помощью генератора шума, подключенного к дополнительному передатчику, осуществляют внешнее воздействие на случайную антенну в полосе частот |f _.min÷f _.max| и с помощью оконечного устройства, подключенного к измерительному приемнику, измеряют уровни плотности потока мощности П₀ и П_i (или напряженности электрического поля Е₀ и Е_i) соответственно на частотах f_c и f_i сигналов в месте расположения измерительного приемника; относительные уровни _им интермодуляционных составляющих излучения случайной антенны рассчитываются по формулам

Описание изобретения к патенту

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:

- воздействие на контрольный передатчик с частотой f_с ЭМ излучением дополнительного передатчика с частотой ;

- калибровка и регулировка элементов измерительного тракта;

- расчет частот ИМ составляющих _u2=| _c± | второго порядка; _u3=2 _c± ; _u3=2 ± _c третьего порядка, а также, при необходимости, произвольного порядка _i=|m _c±n |, где m=1; 2; 3 ; n=1: 2; 3 ;

- измерение уровней мощности Р_с (или напряжения U_c) сигнала, создаваемого на частоте _c контролируемым передатчиком на входе измерительного приемника;

- измерение уровней мощности Р _i, (или напряжения U_i) ИМ составляющих, создаваемых на частотах _i на входе измерительного приемника при совместной работе контролируемого и дополнительного передатчиков;

- расчет относительных уровней _им для сигналов (или пересчет для ЭМ полей) для всех ИМ составляющих _i= _u2; _u3; |m _c±n | с учетом результатов калибровки и регулировки элементов измерительного тракта.

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 _им определяются здесь косвенным путем: с помощью пересчета значений уровней мощности P_c и P_i (или напряжений U_c и U_i,) на частотах _с и _i сигналов на входе измерительного приемника, тогда как предпочтительным, с точки зрения снижения погрешности измерений, является прямой способ определения _им. Кроме того, в реальных СА ни частота _c, 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 _им, с помощью способа-прототипа) невозможно.

Решение проблемы состоит в том, чтобы, во-первых, вместо гармонического сигнала с частотой использовать шумовой сигнал в полосе частот _.min÷ _.max с помощью подключенного к дополнительному передатчику генератора шума (noise generator) и, во-вторых, определять значения _им по результатам непосредственного измерения уровней ЭМ излучения на частотах _c и _i.

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.

Предлагаемый способ определения интермодуляционных параметров случайной антенны, включающий воздействие на случайную антенну, излучающую сигнал с частотой _с электромагнитного излучения дополнительного передатчика с частотой ; расчет частот интермодуляционных составляющих излучения случайной антенны _i=|m _c±n |, где m=1; 2; 3 ; n=1; 2; 3 ; измерение уровней мощности Р_с (или напряжения U_c) сигнала, создаваемого на частоте _c случайной антенной на входе измерительного приемника; измерение уровней мощности Р_c, (или напряжения U_i) интермодуляционных составляющих излучения случайной антенны, создаваемых на частотах _i на входе измерительного приемника при совместной работе случайной антенны и дополнительного передатчика и расчет относительных уровней _им для всех интермодуляционных составляющих излучения случайной антенны с частотами _i=|m _c±n | по формулам

где К_c и K_i - значения коэффициентов передачи по мощности измерительного тракта, соответственно, на частотах _c и _i; при этом с помощью измерительного приемника определяют неизвестную частоту _c сигнала, излучаемого случайной антенной; рассчитывают минимально-возможное значение частоты дополнительного передатчика:

f _.min=f_с-f_min; если f_c >f ;

f _.min=f_с+f_min, если f >f_c,

и максимально-возможное значение частоты дополнительного передатчика:

f _.max=(f_max-mf_c)/n;

с помощью генератора шума, подключенного к дополнительному передатчику, осуществляют внешнее воздействие на случайную антенну в полосе частот _.min÷ _.max и с помощью оконечного устройства, подключенного к измерительному приемнику, измеряют уровни плотности потока мощности П₀ и П_i, (или напряженности электрического поля E₀ и E_i), соответственно, на частотах _c и _i сигналов в месте расположения измерительного приемника; относительные уровни _им 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.

Рассмотрим отличия предлагаемого способа от способа-прототипа. В способе-прототипе на первом этапе на контролируемом передатчике 3 (см. Фиг.1) устанавливают выбранную частоту _с; на дополнительном передатчике 1 - частоту с заданной расстройкой = _c- (знак и значения расстройки определяют значения ИМ частот 2-го порядка f_u2 и 3-го порядка _u3). Измерительный приемник 6 настраивают на частоту _c 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 _c измерительного тракта Кс). Затем включают контролируемый передатчик 3 и на частоте _c производят измерение мощности Р_c (или напряжения U₀) сигнала на входе измерительного приемника 6, после чего контролируемый передатчик 3 выключают.

На втором этапе определяют частоты ИМ составляющих второго порядка:

F_u2=f_c+f =2f + f; f_u2=f_c-f = f; если f_c>f ;

F_u2=f_c+f =2f_c+ f; f_u2=f +f_c= f; если f >f_c;

и частоты ИМ составляющих третьего порядка:

F_u3=2f_c +f =2f +f_с+ f; f_u3=2f_c-f =f_c+ f; если f_c>f ;

F_u3=2f +f_c=2f_c+f + f; f_u3=2f -f_c=f + f; если f >f_c.

На частотах ИМ составляющих 2-го порядка _u2 и 3-го порядка _u3 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 _i; где i=1÷4, измерительного тракта К _i).

На третьем этапе включают контролируемый передатчик 3 на частоте _c и дополнительный передатчик 1 на частоте одновременно. Измерительный приемник 6 поочередно настраивают на частоты ИМ составляющих _i и каждый раз измеряют мощность P_i (или напряжение U_i) сигнала на входе измерительного приемника 6, после чего относительные уровни ИМ составляющих ЭМ излучения _им рассчитывают по формулам

Применительно к условиям решаемой задачи: исследованию эффективности реальных СА, способ-прототип обладает следующими недостатками.

1. Любого единственного значения расстройки (любого единственного значения частоты внешнего воздействия на СА - в обозначениях прототипа это частота ) недостаточно для того, чтобы выявить все возможные каналы утечки КИ в СА, возникающие за счет ИМ эффектов.

2. Относительные уровни ИМ составляющих ЭМ излучения _им в прототипе определяются путем пересчета значений уровня мощности Р_с и Р_i (или напряжения U_c и U_i) на частотах _с и _i сигналов на входе измерительного приемника 6 с учетом результатов предварительной калибровки измерительного тракта К_с; К_i, что связано с ростом погрешности определения _им (ввиду влияния погрешности измерения указанных величин) по сравнению с определением значения _им, непосредственным путем - по результатам измерения уровней ЭМ излучения на частотах _с и _i.

3. В исследуемой СА принципиально невозможно устанавливать необходимые значения _с; подключать и калибровать элементы измерительного тракта (направленный ответвитель, фильтр, аттенюатор); подключать измерительный приемник непосредственно к СА - без чего определить значения _им с помощью способа-прототипа невозможно.

Поэтому в предлагаемом изобретении предлагается, во-первых, вместо гармонического сигнала с частотой использовать шумовой сигнал в полосе частот _.min÷ _.max путем подключения к дополнительному передатчику генератора шума и, во-вторых, определять значения _им по результатам непосредственного измерения уровней ЭМ излучения на частотах _c и _i.

В предлагаемом способе на первом этапе с помощью измерительного приемника 4 и оконечного устройства 5 определяется частота _c сигнала, излучаемого СА 3 (см. Фиг.2), и так как полоса частот _min÷ _max измерительного приемника 4 известна, на основании равенств

f_min=f_c -f ; если f_c>f ;

f_min=f -f_c; если f >f_c,

определяется _.min - минимально-возможное значение частоты дополнительного передатчика 1:

f _.min=f_c-f_min; если f_c >f ;

f _.min=f_c+f_min; если f >f_c.

Максимально-возможное значение частоты при этом ищется из условия

f _max=mf_c+nf ;

откуда следует

f _.max=(f_max-mf_c)/n.

На втором этапе с помощью генератора шума 2, подключенного к дополнительному передатчику 7, осуществляют внешнее воздействие на СА 3 в пределах полосы частот _.min÷ _.max. При этом с помощью оконечного устройства 5, подключенного к измерительному приемнику 4, фиксируют и измеряют уровни плотности потока мощности П₀ и П_i , (или напряженности электрического поля E₀ и Е _i) на частотах _c и _i сигналов в месте расположения измерительного приемника 4.

На третьем этапе относительные уровни ИМ составляющих ЭМ излучения _им 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÷f_max измерительного приемника 4. Во-вторых, необходимость в калибровке элементов измерительного тракта отпадает, поскольку для определения _им используются измеренные значения уровней плотности потока мощности П₀ и П_i (или напряженности электрического поля E₀ и Е_i ) на частотах _c и _i в месте расположения измерительного приемника 4, а не уровней мощности Р₀ и Р_i (или напряжения U_o и U_i) 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 _им ( ), так и на всех его представляющих интерес дискретных точках _им ( _i), что обеспечивает дополнительные сервисные удобства при интерпретации полученных результатов.

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 _им( ) и _им( _i) 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.