СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СЛУЧАЙНОЙ АНТЕННЫ Российский патент 2009 года по МПК G01R29/08 H01Q1/36 

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:

- воздействие на контрольный передатчик с частотой f_c ЭМ-излучением дополнительного передатчика с частотой f_∂;

- калибровка и регулировка элементов измерительного тракта;

- расчет частот ИМ-составляющих f_u2=|f_c±f_∂| второго порядка; f_u3=2f_c±f_∂; f_u3=2f_∂±f_c третьего порядка, а также, при необходимости, произвольного порядка 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_с контролируемым передатчиком на входе измерительного приемника;

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

- расчет относительных уровней χ_им для сигналов (или пересчет для ЭМ-полей) для всех ИМ-составляющих f_i=f_u2; f_u3,…|mf_c±nf_∂| 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 χ_им излучениями определяются здесь косвенным путем: с помощью пересчета значений уровней мощности Р_с и Р_i (или напряжений U_c и U_i) на частотах f_с и f_i сигналов на входе измерительного приемника, тогда как предпочтительным, с точки зрения снижения погрешности измерений, является прямой способ определения χ_им. Кроме того, в реальных СА ни частота f_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 χ_им с помощью способа-прототипа) невозможно.

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_им по результатам непосредственного измерения уровней ЭМ-излучения на частотах f_с и f_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.

Сущность предлагаемого способа определения параметров случайной антенны, включающего воздействие на случайную антенну, излучающую сигнал с частотой f_с, электромагнитного излучения дополнительного передатчика с частотой f_∂; калибровку элементов измерительного тракта; 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_с 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 контролируемого и дополнительного передатчиков, и расчет относительных уровней χ_им для всех интермодуляционных составляющих излучения случайной антенны с частотами f_i=|mf_c±nf_∂| по формулам

где К_c и К_i - значения коэффициентов передачи по мощности измерительного тракта соответственно на частотах f_c и f_i; состоит в том, что с помощью измерительного приемника определяется неизвестная частота f_c сигнала, излучаемого случайной антенной; рассчитываются минимально возможное значение частоты дополнительного передатчика:

f_∂.min=f_c-f_min; если f_c>f_∂

f_∂.min=f_c+f_min; если f_∂>f_c

и максимально возможное значение частоты дополнительного передатчика:

f_∂.max=(f_max-mf_c)/n;

с помощью генератора качающейся частоты, подключенного к дополнительному передатчику, изменяется частота внешнего воздействия на случайную антенну в пределах f_∂.min÷f_∂.max и с помощью оконечного устройства, подключенного к измерительному приемнику, измеряются уровни плотности потока мощности П₀ и П_i (или напряженности электрического поля Е₀ и E_i) соответственно на частотах f_с и f_i сигналов в месте расположения измерительного приемника; относительные уровни χ_им 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.

В известном способе-прототипе на первом этапе на контролируемом передатчике 3 (см. Фиг.1) устанавливают выбранную частоту f_c; на дополнительном передатчике 1 - частоту f_∂ с заданной расстройкой Δf=f_c-f_∂ (знак и значения расстройки Δf определяют значения ИМ-частот 2-го порядка f_u2 и 3-го порядка f_u3). Измерительный приемник 6 настраивают на частоту f_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 f_c измерительного тракта К_с). Затем включают контролируемый передатчик 3 и на частоте f_c производят измерение мощности Р_с (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_∂+Δf; f_u2=f_c-f_∂=Δf; если f_c>f_∂;

f_u2=f_c+f_∂=2f_c+Δf; f_u2=f_∂-f_c=Δf; если f_∂>f_c;

и частоты ИМ-составляющих третьего порядка:

f_u3=2f_c+f_∂=2f_∂+f_c+Δf; f_u3=2f_c-f_∂=f_c+Δf; если f_c>f_∂;

f_u3=2f_∂+f_c=2f_c+f_∂+Δf; f_u3=2f_∂-f_c=f_∂+Δf; если f_∂>f_c.

На частотах ИМ-составляющих 2-го порядка f_u2 и 3-го порядка f_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 f_i где i=1÷4, измерительного тракта К_i).

На третьем этапе включают контролируемый передатчик 3 на частоте f_c и дополнительный передатчик 1 на частоте f_∂ одновременно. Измерительный приемник 6 поочередно настраивают на частоты ИМ-составляющих f_i и каждый раз измеряют мощность Р_i (или напряжение U_i) сигнала на входе измерительного приемника 6, после чего относительные уровни ИМ-составляющих ЭМ-излучения χ_им 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.

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

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

Поэтому в данном изобретении предлагается, во-первых, сделать частоту f_∂ переменной величиной, изменяющейся по заранее известному (линейному) закону и, во-вторых, определять значения χ_им, по результатам измерения уровней ЭМ-излучения на частотах f_c и f_i.

Предлагаемый способ определения параметров СА включает воздействие на СА, излучающую сигнал с частотой f_c, ЭМ-излучения дополнительного передатчика с частотой f_∂; калибровку элементов измерительного тракта; расчет частот ИМ-составляющих излучения CA f_i=|mf_c±nf_∂|, где m=1; 2; 3…; n=1; 2; 3…; измерение уровней мощности P_с (или напряжения U_c) сигнала, создаваемого на частоте f_c СА на входе измерительного приемника; измерение уровней мощности P_i (или напряжения U_i) ИМ-составляющих излучения СА, создаваемых на частотах f_i на входе измерительного приемника при совместной работе контролируемого и дополнительного передатчиков и расчет относительных уровней χ_им для всех ИМ-составляющих излучения СА с частотами f_i=|mf_c±nf_∂| по формулам

где К_с и K_i - значения коэффициентов передачи по мощности измерительного тракта соответственно на частотах f_c и f_i; и отличается от способа-прототипа тем, что с помощью измерительного приемника определяется неизвестная частота f_c сигнала, излучаемого СА; рассчитываются минимально возможное значение частоты дополнительного передатчика:

f_∂.min=f_c-f_min; если f_c>f_∂

f_∂.min=f_c-f_min; если f_∂>f_c,

и максимально возможное значение частоты дополнительного передатчика:

f_∂.max=(f_max-mf_c)/n;

с помощью генератора качающейся частоты, подключенного к дополнительному передатчику, изменяется частота внешнего воздействия на СА в пределах f_∂.min÷ f_∂.max и с помощью оконечного устройства, подключенного к измерительному приемнику, измеряются уровни плотности потока мощности П₀ и П_i (или напряженности электрического поля Е₀ и E_i) соответственно на частотах f_c и f_i сигналов в месте расположения измерительного приемника; относительные уровни χ_им ИМ-составляющих излучения случайной антенны рассчитываются по формулам

а калибровка элементов измерительного тракта не производится.

При реализации предлагаемого способа на первом этапе с помощью измерительного приемника 4 и оконечного устройства 5 определяется частота f_c сигнала, излучаемого СА 3 (см. Фиг.2) и, так как полоса частот f_min÷f_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 f_∂.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 f_∂ при этом определяется из условия

f_max=mf_c+nf_∂,

откуда следует

f_∂max=(f_max+mf_c)/n.

На втором этапе с помощью генератора качающейся частоты 2, подключенного к дополнительному передатчику 1, изменяют частоту внешнего воздействия на СА 3 в пределах f_∂.min÷f_∂.max. При этом с помощью оконечного устройства 5, подключенного к измерительному приемнику 4, измеряют уровни плотности потока мощности П₀ и П_i (или напряженности электрического поля Е₀ и E_i) на частотах f_с и f_i сигналов в месте расположения измерительного приемника 4.

На третьем этапе относительные уровни ИМ-составляющих ЭМ-излучения χ_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

f_min÷f_max измерительного приемника 4. Во-вторых, необходимость в калибровке элементов измерительного тракта отпадает, поскольку для определения χ_им используются измеренные значения уровней плотности потока мощности П₀ и П_i (или напряженности электрического поля Е₀ и Е_i) на частотах f_c и f_i в месте расположения измерительного приемника 4, а не уровней мощности Р₀ и Р_i (или напряжения U₀ 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 χ_им (f), так и на всех его представляющих интерес дискретных точках χ_им (f_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 устройство 5 может иметь цифровой выход для подключения ЭВМ, процесс определения χ_им(f) и χ_им(f_i) 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.

Изобретение относится к технике радиоизмерений и может быть использовано для определения параметров радиотехнических систем, объединенных термином «случайные антенны». Технический результат - повышение точности и достоверности результатов определения параметров случайной антенны, относящихся ко всем каналам утечки конфиденциальной информации, потенциально возможных в ней. Способ включает воздействие на случайную антенну, излучающую сигнал с частотой f_c, электромагнитного излучения дополнительного передатчика с частотой f_∂, расчет частот интермодуляционных составляющих излучения случайной антенны; с помощью измерительного приемника определяется неизвестная частота f_c сигнала, излучаемого случайной антенной; рассчитываются минимально возможное значение частоты дополнительного передатчика и максимально возможное значение частоты дополнительного передатчика с помощью генератора качающейся частоты, подключенного к дополнительному передатчику, изменяется частота внешнего воздействия на случайную антенну в пределах f_∂.min÷f_∂.max и с помощью оконечного устройства, подключенного к измерительному приемнику, измеряются уровни плотности потока мощности П₀ и П_i или напряженности электрического поля Е₀ и E_i соответственно на частотах f_c и f_i сигналов в месте расположения измерительного приемника; относительные уровни интермодуляционных составляющих излучения случайной антенны рассчитываются по формулам. 2 ил.

Способ определения параметров случайной антенны, включающий воздействие на случайную антенну, излучающую сигнал с частотой f_c, электромагнитного излучения дополнительного передатчика с частотой f_∂, отличающийся тем, что с помощью измерительного приемника с полосой частот f_min÷f_max определяется неизвестная частота f_c сигнала, излучаемого случайной антенной; рассчитываются минимально возможное значение частоты дополнительного передатчика:
f_∂.min=f_c-f_min; если f_c>f_∂;
f_∂.min=f_c+f_min; если f_∂>f_c,
и максимально возможное значение частоты дополнительного передатчика:
f_∂.max=(f_max-mf_c)/n,
где m=1; 2; 3…; n=1; 2: 3…; с помощью генератора качающейся частоты, подключенного к дополнительному передатчику, изменяется частота внешнего воздействия на случайную антенну в пределах f_∂.min÷f_∂.max и с помощью оконечного устройства, подключенного к измерительному приемнику, измеряются уровни плотности потока мощности П₀ и П_i или напряженности электрического поля Е₀ и E_i, соответственно, на частотах f_c и f_i сигналов в месте расположения измерительного приемника; относительные уровни χ_им интермодуляционных составляющих излучения случайной антенны рассчитываются по формулам
или