способ определения параметров случайной антенны
Классы МПК: | G01R29/08 для измерения характеристик электромагнитного поля H01Q1/36 конструктивные формы излучающих элементов, например конусообразные, спиралевидные, зонтичные |
Автор(ы): | Маслов Олег Николаевич (RU), Алышев Юрий Витальевич (RU), Рябушкин Аркадий Викторович (RU) |
Патентообладатель(и): | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Поволжская государственная академия телекоммуникаций и информатики" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2008-01-10 публикация патента:
27.11.2009 |
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 fc, электромагнитного излучения дополнительного передатчика с частотой f , расчет частот интермодуляционных составляющих излучения случайной антенны; с помощью измерительного приемника определяется неизвестная частота fc 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 Пi или напряженности электрического поля Е0 и Ei соответственно на частотах fc и fi сигналов в месте расположения измерительного приемника; относительные уровни интермодуляционных составляющих излучения случайной антенны рассчитываются по формулам. 2 ил.
![способ определения параметров случайной антенны, патент № 2374655](/images/patents/89/2374655/2374655-9.jpg)
![способ определения параметров случайной антенны, патент № 2374655](/images/patents/89/2374655/2374655-10.jpg)
Формула изобретения
Способ определения параметров случайной антенны, включающий воздействие на случайную антенну, излучающую сигнал с частотой fc, электромагнитного излучения дополнительного передатчика с частотой f , отличающийся тем, что с помощью измерительного приемника с полосой частот fmin÷fmax определяется неизвестная частота fc сигнала, излучаемого случайной антенной; рассчитываются минимально возможное значение частоты дополнительного передатчика:
f .min=fc-fmin; если fc >f
;
f .min=fc+fmin; если f
>fc,
и максимально возможное значение частоты дополнительного передатчика:
f .max=(fmax-mfc)/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 Пi или напряженности электрического поля Е0 и Ei, соответственно, на частотах fc и fi сигналов в месте расположения измерительного приемника; относительные уровни
им интермодуляционных составляющих излучения случайной антенны рассчитываются по формулам
или
Описание изобретения к патенту
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 fc ЭМ-излучением дополнительного передатчика с частотой f ;
- калибровка и регулировка элементов измерительного тракта;
- расчет частот ИМ-составляющих fu2=|fc±f | второго порядка; fu3=2fc±f
; fu3=2f
±fc третьего порядка, а также, при необходимости, произвольного порядка fi=|mfc ±nf
|, где m=1; 2; 3
; n=1; 2; 3
;
- измерение уровней мощности Рс (или напряжения Uc) сигнала, создаваемого на частоте fс контролируемым передатчиком на входе измерительного приемника;
- измерение уровней мощности Р i (или напряжения Ui) ИМ-составляющих, создаваемых на частотах fi 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 fi=fu2; f u3,
|mfc±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 им излучениями определяются здесь косвенным путем: с помощью пересчета значений уровней мощности Рс и Рi (или напряжений Uc и Ui ) на частотах fс и fi 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 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
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
им по результатам непосредственного измерения уровней ЭМ-излучения на частотах fс и fi .
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 fс , электромагнитного излучения дополнительного передатчика с частотой f ; калибровку элементов измерительного тракта; расчет частот интермодуляционных составляющих излучения случайной антенны fi=|mfc±nf
| где m=1; 2; 3
; n=1; 2; 3
; измерение уровней мощности Рс (или напряжения Uc) сигнала, создаваемого на частоте fс случайной антенной на входе измерительного приемника; измерение уровней мощности Рi (или напряжения Ui) интермодуляционных составляющих излучения случайной антенны, создаваемых на частотах fi на входе измерительного приемника при совместной работе контролируемого и дополнительного передатчиков, и расчет относительных уровней
им для всех интермодуляционных составляющих излучения случайной антенны с частотами fi=|mf c±nf
| по формулам
где Кc и Кi - значения коэффициентов передачи по мощности измерительного тракта соответственно на частотах fc и fi; состоит в том, что с помощью измерительного приемника определяется неизвестная частота fc сигнала, излучаемого случайной антенной; рассчитываются минимально возможное значение частоты дополнительного передатчика:
f .min=fc-fmin; если fc >f
f .min=fc+fmin; если f
>fc
и максимально возможное значение частоты дополнительного передатчика:
f .max=(fmax-mfc)/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 Пi (или напряженности электрического поля Е0 и Ei) соответственно на частотах fс и fi сигналов в месте расположения измерительного приемника; относительные уровни
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 fc; на дополнительном передатчике 1 - частоту f с заданной расстройкой
f=fc-f
(знак и значения расстройки
f определяют значения ИМ-частот 2-го порядка fu2 и 3-го порядка fu3). Измерительный приемник 6 настраивают на частоту fc 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 fc измерительного тракта Кс). Затем включают контролируемый передатчик 3 и на частоте fc производят измерение мощности Рс (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=fc+f =2f
+
f; fu2=fc-f
=
f; если fc>f
;
fu2=fc+f =2fc+
f; fu2=f
-fc=
f; если f
>fc;
и частоты ИМ-составляющих третьего порядка:
fu3=2fc +f =2f
+fc+
f; fu3=2fc-f
=fc+
f; если fc>f
;
fu3=2f +fc=2fc+f
+
f; fu3=2f
-fc=f
+
f; если f
>fc.
На частотах ИМ-составляющих 2-го порядка fu2 и 3-го порядка fu3 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 fi где i=1÷4, измерительного тракта Кi).
На третьем этапе включают контролируемый передатчик 3 на частоте fc и дополнительный передатчик 1 на частоте f одновременно. Измерительный приемник 6 поочередно настраивают на частоты ИМ-составляющих fi и каждый раз измеряют мощность Рi (или напряжение Ui ) 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 f (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 им в прототипе определяются путем пересчета значений уровня мощности Рс и Рi (или напряжения Uc и Ui) на частотах fc и f i сигналов на входе измерительного приемника 6 с учетом результатов предварительной калибровки измерительного тракта Кс, Кi, 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 fc и fi .
3. В исследуемой СА принципиально невозможно устанавливать необходимые значения fc; 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 данном изобретении предлагается, во-первых, сделать частоту f переменной величиной, изменяющейся по заранее известному (линейному) закону и, во-вторых, определять значения
им, по результатам измерения уровней ЭМ-излучения на частотах fc и fi.
Предлагаемый способ определения параметров СА включает воздействие на СА, излучающую сигнал с частотой fc, ЭМ-излучения дополнительного передатчика с частотой f ; калибровку элементов измерительного тракта; расчет частот ИМ-составляющих излучения CA fi=|mfc ±nf
|, где m=1; 2; 3
; n=1; 2; 3
; измерение уровней мощности Pс (или напряжения Uc) сигнала, создаваемого на частоте fc СА на входе измерительного приемника; измерение уровней мощности Pi (или напряжения Ui) ИМ-составляющих излучения СА, создаваемых на частотах fi на входе измерительного приемника при совместной работе контролируемого и дополнительного передатчиков и расчет относительных уровней
им для всех ИМ-составляющих излучения СА с частотами fi=|mfc±nf
| по формулам
где Кс и Ki - значения коэффициентов передачи по мощности измерительного тракта соответственно на частотах fc и fi; и отличается от способа-прототипа тем, что с помощью измерительного приемника определяется неизвестная частота fc сигнала, излучаемого СА; рассчитываются минимально возможное значение частоты дополнительного передатчика:
f .min=fc-fmin; если fc >f
f .min=fc-fmin; если f
>fc,
и максимально возможное значение частоты дополнительного передатчика:
f .max=(fmax-mfc)/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 Пi (или напряженности электрического поля Е0 и Ei) соответственно на частотах fc и fi сигналов в месте расположения измерительного приемника; относительные уровни
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 fc сигнала, излучаемого СА 3 (см. Фиг.2) и, так как полоса частот fmin÷fmax измерительного приемника 4 известна, на основании равенств
fmin =fc-f ; если fc>f
fmin=f -fc; если f
>fc
определяется f .min - минимально возможное значение частоты дополнительного передатчика 1:
f .min=fc-fmin; если fc >f
f .min=fc-fmin; если f
>fc
Максимально возможное значение частоты f при этом определяется из условия
fmax=mfc+nf ,
откуда следует
f max=(fmax+mfc)/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 Пi (или напряженности электрического поля Е0 и Ei) на частотах fс и fi 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
f min÷fmax 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 Пi (или напряженности электрического поля Е0 и Еi ) на частотах fc и fi в месте расположения измерительного приемника 4, а не уровней мощности Р0 и Рi (или напряжения U0 и Ui ) 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 (f), так и на всех его представляющих интерес дискретных точках
им (fi), 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 им(f) и
им(fi) 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.
Класс G01R29/08 для измерения характеристик электромагнитного поля
Класс H01Q1/36 конструктивные формы излучающих элементов, например конусообразные, спиралевидные, зонтичные