Способ радиосвязи и системы его реализации

Способ радиосвязи и системы его реализации

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к радиосвязи и технике СВЧ и может быть использовано для передачи и приема информации на гармониках несущего сигнала стороннего источника или несущего сигнала одного из абонентов или стороннего источника без собственного источника несущего сигнала.

Известен способ радиосвязи, состоящий в генерировании несущего сигнала, формировании первичного сигнала первого абонента, модуляции несущего сигнала информационным (первичным) низкочастотным сигналом первого абонента, излучении модулированного колебания в свободное пространство, приеме модулированного колебания, выделении из него (демодуляции) первичного сигнала и преобразовании первичного сигнала в сообщение первого абонента вторым абонентом. При обратной передаче операции, выполняемые на сторонах первого и второго абонентов, осуществляются в обратном порядке. Известна система реализации этого способа, состоящая в том, что оба (в общем случае количество абонентов произвольно) абонента используют традиционные приемопередатчики [Проектирование радиопередающих устройств с применением ЭВМ. / Под. ред. О.В.Алексеева - М.: Радио и связь, 1987. - стр.5.].

Недостатки этого способа и системы его реализации состоят в том, что все абоненты имеют собственные генераторы несущего сигнала, что увеличивает энергопотребление и массогабаритные характеристики, а дальность связи ограничивается пределом прямой видимости при крупных препятствиях и условиями дифракции электромагнитных волн при препятствиях, размеры которых малы по сравнению с длиной волны или соизмеримы с нею.

Известен способ радиосвязи, отличающийся от первого тем, что при больших расстояниях между абонентами, превышающих пределы прямой видимости, для переотражения модулированного сигнала одного абонента в сторону другого абонента, в интересах огибания препятствия, используют искусственные или естественные неоднородности. Реализация этого способа осуществляется путем использования в качестве естественной неоднородности ионосферы [Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. - М.: Высшая школа, 1988. - стр.4]. В качестве искусственной неоднородности используются экраны в виде сеток, выполненных из металлических проводников.

Недостатки этого способа и системы его реализации состоят в том, что, во-первых, каждый из абонентов имеет генератор несущего сигнала, что приводит к увеличению энергопотребления и массогабаритных характеристик, и, во-вторых, абонент, находящийся вблизи неоднородности, без традиционного приемопередатчика не может принимать участия в процессе обмена информацией.

Известен способ радиосвязи, состоящий в генерировании несущего сигнала и формировании первичного информационного сигнала первого абонента, модуляции несущего сигнала первичным сигналом первого абонента, излучении модулированного сигнала в сторону управляемой искусственной неоднородности, выделении путем демодуляции с помощью искусственной неоднородности информационного сигнала первого абонента, переотражении его посредством управляемой искусственной неоднородности в сторону второго абонента, формировании третьим абонентом поднесущего сигнала и дополнительного первичного информационного сигнала, воздействии им на формирование искусственной неоднородности путем изменения сопротивления управляемого слоя искусственной неоднородности, приеме переотраженного от искусственной неоднородности дважды модулированного сигнала приемопередающей станцией второго абонента и выделении из него путем демодуляции и фильтрации информационных сигналов первого и третьего абонентов. При обратной связи процедура повторяется в обратном порядке, то есть функции первого и второго абонентов переходят друг к другу [Головков А.А. Комплексированные радиоэлектронные устройства. - М.: Радио и связь, 1996. - 126 с., Golovkov A.A. The controlled plat-layred medium as a basis for new methods and airborne communication devices development// International conference or Satellite Communication. IEEE Proceedings. Volume П. - Moscow, 1994. - p.42-59].

В качестве основных недостатков этого способа и системы его реализации необходимо отметить следующее. В качестве несущего сигнала третьим абонентом используется отраженный от неоднородности сигнал первого или второго абонентов, следствием чего является осуществление радиосвязи между тремя абонентами на несущих сигналах первого и второго абонентов. Третий абонент, расположенный вблизи искусственной неоднородности, не имеет источника несущего сигнала. Недостатком такого способа является низкая скрытность передачи информации третьим абонентом другим абонентам, кроме первого и второго абонентов. Это связано с тем, что несущие частоты приема и передачи первого абонента расположены достаточно близко друг от друга и соответственно равны несущим частотам передачи и приема второго абонента. Поэтому при передачи информации между первым и вторым абонентами информация, передаваемая третьим абонентом с помощью искусственной неоднородности только другим абонентам, кроме первого и второго, станет также доступной первому и второму абонентам. Между тем, возможны случаи, когда третий абонент, не имеющий по какой-либо причине собственного источника несущего сигнала, имеет необходимость передать информацию нескольким только определенным абонентам, в число которых первый и второй абонент не входят.

В способе-прототипе в спектре отраженного сигнала гармоники тоже существуют, но мощность их низка в виду выбора параметров среды (неоднородности) не по критерию обеспечения максимальной мощности гармоник и направлений на абоненты, не совпадающих с максимумами диаграммы излучения гармоник.

Техническим результатом изобретения является повышение скрытности передачи информации за счет использования в качестве несущего сигнала наиболее мощных гармоник отраженного искусственной неоднородностью несущего сигнала первого или второго абонентов и увеличение мощности гармоник путем специального выбора параметров управляемого слоя искусственной неоднородности и выбора направлений приема и излучений сигналов неоднородностью.

Указанный результат достигается тем, что в способе радиосвязи, состоящем в генерировании несущего сигнала и формировании первичного информационного сигнала первого абонента, модуляции несущего сигнала первичным сигналом первого абонента, излучении модулированного сигнала в сторону управляемой отражательной искусственной неоднородности, выделении путем демодуляции с помощью искусственной неоднородности информационного сигнала первого абонента, переотражении модулированного сигнала посредством искусственной неоднородности в сторону второго абонента, формировании третьим абонентом поднесущего сигнала и первичного информационного сигнала, воздействии ими на формирование искусственной неоднородности путем изменения сопротивления ее управляемого слоя, приеме переотраженного от искусственной неоднородности дважды модулированного сигнала приемопередающей станцией второго абонента и выделении из него путем демодуляции и фильтрации информационных сигналов первого и третьего абонентов, направление прихода сигнала первого абонента или угол падения этого сигнала на искусственную неоднородность, направление переотраженного искусственной неоднородностью сигнала в сторону второго абонента, а также параметры этой неоднородности выбирают исходя из условий обеспечения максимумов мощности на гармониках несущего сигнала первого абонента в направлении на второй абонент, в качестве несущих сигналов третьего абонента используют наиболее мощные гармоники переотраженного сигнала первого абонента, количество вторых абонентов определяют количеством главных и добавочных максимумов диаграммы переотраженного сигнала на наиболее мощных гармониках несущего сигнала первого абонента.

Указанный результат достигается тем, что в системе реализации способа радиосвязи, выполненной из двух приемопередающих станций первого и второго абонентов, отражательной управляемой искусственной неоднородности, сформированной из экрана, управляемого слоя, выполненного в виде двумерно-периодической решетки проводящих полосок или стержней, в разрывы которых включены полупроводниковые элементы, и неуправляемых слоев в виде диэлектрических слоев или двумерно-периодических решеток из проводящих элементов, причем количество и значения параметров неуправляемых слоев выбраны из условия обеспечения амплитудной и (или) фазовой модуляции отраженного сигнала первого абонента в сторону второго абонента, одного источника первичного информационного сигнала и устройства регистрации сообщений, подключенных к управляемому слою, управляемый слой выполнен в виде матрицы N×N диодов, соединенных между собой проводящими элементами, при этом в каждом столбце матрицы каждая соседняя пара диодов соединена между собой одним и тем же электродом, в соседних столбцах в одной и той же строке матрицы диоды включены в противофазных направлениях, а все диоды соединены параллельно и ориентированы вдоль электрического вектора, периоды включения диодов вдоль электрического и магнитного полей выполнены одинаковыми, величина периода d управляемого слоя и ширина полосок (диаметр стержней) D выбраны из условия обеспечения наибольшей мощности второй гармоники:

направление прихода модулированного сигнала первого абонента или угол падения θ этого сигнала на искусственную неоднородность выбрано из условия обеспечения на направлениях ϕ_n, ϕ_m на заданное количество вторых абонентов главных максимумов мощности второй гармоники переотраженного сигнала:

и добавочных максимумов мощности второй гармоники переотраженного сигнала:

где n=1, 3, 5... - порядок главных максимумов; m=1, 2, 3... - порядок добавочных максимумов; λ - длина волны второй гармоники; N - количество диодов в строке и столбце матрицы.

Указанный результат достигается тем, что в предыдущей системе реализации способа радиосвязи в соседних столбцах матрицы в одной и той же строке управляемого слоя диоды включены в одном направлении, направление прихода модулированного сигнала первого абонента или угол падения θ этого сигнала на искусственную неоднородность выбрано из условия обеспечения на направлениях ϕ_n, ϕ_m на заданное количество вторых абонентов главных максимумов мощности второй гармоники переотраженного сигнала:

и добавочных максимумов мощности второй гармоники переотраженного сигнала:

где n=0, 1, 2... - порядок главных максимумов; m=1, 2, 3... - порядок добавочных максимумов; λ - длина волны второй гармоники; N - количество диодов в строке и столбце матрицы.

На фиг.1 изображена система реализации способа радиосвязи - прототипа.

На фиг.2 представлена система реализации предлагаемого способа радиосвязи.

На фиг.3 представлен первый вариант выполнения управляемого слоя и схема соединения управляемых элементов.

На фиг.4 показан второй вариант выполнения управляемого слоя и схема соединения управляемых элементов.

На фиг.5 изображена блок-схема измерительной установки для определения диаграммы направленности вторичного излучения решеток.

На фиг.6 изображены диаграммы вторичного излучения искусственной управляемой неоднородности с управляемым слоем первого типа.

На фиг.7 представлены диаграммы вторичного излучения искусственной управляемой неоднородности с управляемым слоем второго типа.

На фиг.8 представлены зависимости интенсивности вторичного излучения искусственной неоднородности с произвольным типом управляемого слоя на первой и второй гармониках падающего сигнала от параметров решетки.

Система реализации способа радиосвязи - прототипа (фиг.1) состоит из двух приемопередающих станций двух абонентов и искусственной неоднородности.

Неоднородность сформирована в виде управляемой плоскослоистой среды 1, содержащей проводящий экран 2, управляемый слой 3 и неуправляемые слои 4. Управляемый слой - это двумерно-периодическая решетка 5 проводящих элементов (полосок или стержней), в разрывы которых включены управляемые элементы (параметрические диоды, p-i-n диоды, диоды Ганна, сегнетокерамические конденсаторы и т.д.) 6, подключенные к источнику первичного информационного сигнала третьего абонента 7 и к устройству регистрации сообщений 8. Неуправляемые слои - это однородные слои диэлектриков без потерь 9 и двумерно-периодические решетки проводящих элементов 10. В систему реализации входят также находящиеся по обе стороны от препятствия 11 приемопередающие станции 12 и 13 первого и второго абонентов [Головков А.А. Комплексированные радиоэлектронные устройства. - М.: Радио и связь, 1996. - 126 с., Golovkov А.А. The controlled plat-layred medium as a basis for new methods and airborne communication devices development// International conference or Satellite Communication. IEEE Proceedings. Volume П. - Moscow, 1994. - p.42-59].

Эта система функционирует следующим образом. Благодаря специальному выбору параметров неуправляемых слоев среды 1 (толщин диэлектрических слоев и проводимостей решеток проводящих элементов) [Головков А.А. Комплексированные радиоэлектронные устройства. - М.: Радио и связь, 1996. - 126 с.] при падении модулированного сигнала первого абонента на неоднородность произойдет демодуляция и информационный (первичный) сигнал будет зарегистрирован устройством 8. На параметры управляемого слоя (период, ширина полосок или диаметр стержней) никаких ограничений не накладывается. В режиме передачи информации устройство 7 модулирует амплитуду и (или) фазу отраженного неоднородностью сигнала первого абонента своим первичным сигналом и некоторой поднесущей. Поэтому второй абонент может отфильтровать и демодулировать поднесущую, то есть принять информацию третьего абонента. При передачи информации вторым абонентом он меняется функциями с первым абонентом.

Система реализации заявляемого способа радиосвязи (фиг.2) отличается от системы реализации способа-прототипа дополнительным специальным выбором параметров управляемого слоя, направлений на произвольно заданное количество вторых абонентов и угла падения сигнала первого абонента на неоднородность (1)-(5). Кроме того, в качестве несущего сигнала используется вторая гармоника сигнала первого абонента, что повышает скрытность передачи информации. Более того, первый абонент вообще может быть не в курсе, что вторая гармоника его сигнала используется в качестве несущего сигнала совершенно посторонним абонентом. При этом благодаря указанному выбору параметров управляемого слоя и направлений мощность второй гармоники может достигать значительных долей мощности первой гармоники.

Покажем экспериментально возможность достижения указанного результата.

В интересах обоснования возможности реализации способов нелинейной радиосвязи и для исследования диаграмм вторичного излучения на 1-й и 2-й гармониках были изготовлены два типа решеток с включенными нелинейными сопротивлениями. Первый тип решетки представлял собой полистироловую пластину размером 160×160 мм, с одной стороны которой были нанесены металлические полоски шириной 5 мм и отстоящие друг от друга на 16 мм. В разрыве этих полосок были включены СВЧ диоды 1А402Г, причем в каждых двух соседних полосках диоды были включены в обратных направлениях (фиг.3). С другой стороны полистироловая пластина была металлизирована.

Второй тип решеток отличался от первого тем, что подложкой для решетки служила фторопластовая пластина тех же размеров и диоды были включены в одном направлении. Кроме того, сама решетка являлась не полосковой, а была выполнена на полых стержнях с внешним диаметром, равным диаметру диода 1А402Г (фиг.4).

В испытаниях использовалась установка, блок-схема которой показана на фиг.5. На исследуемую решетку Р, помещенную в безэховую камеру (Б.Э.К.), падала излучаемая генератором Г (тип ГС-626) электромагнитная волна с частотой ω=8,3 ГГц.

Мощность излучения составляла примерно 40 мВт. Фильтр, настроенный на указанную частоту, использовался для устранения гармоник, возникающих в самом генераторе. Отраженная волна первой гармоники принималась через рупор измерительным приемником (П5-8), способным перемещаться по окружности радиусом R=4 метра в секторе углов ≈100°. Возникающая при взаимодействии падающей волны с нелинейными элементами вторая гармоника принималась измерительным приемником П5-15а. Угол падения электромагнитной волны на решетку измерялся с помощью относительного измерения положения генератора и плоскости решетки. Падающая волна была поляризована в вертикальной плоскости. Полоски (стержни) решетки также были ориентированы вертикально (вдоль вектора Е электрического поля), так что сканирование происходило в Н-плоскости.

Угол падения электромагнитной волны на основной гармонике на каждую решетку изменялся от 0 до 45° с интервалом 4...6° на различных частотах трехсантиметрового диапазона длин волн. В результате такого изменения угла падения и частоты падающей волны измерения диаграмм направленности этих решеток соответствовали измерениям диаграмм направленности решеток с изменяемыми периодами и ширинами полосок (диаметров стержней с одновременным изменением толщины подложки). Диаграммы направленности и интенсивность максимумов при каждом угле падения и каждой частоте изменялись соответствующим образом. Это позволило достаточно подробно изучить свойства вторичного излучения этих решеток.

В качестве примера для углов падения для решеток первого типа - 0, 22 и 30°, для решетки второго типа - 0, 21 и 29° на фиг.6-7 приведены нормированные диаграммы вторичного излучения на 1-й (-·-·-) и 2-й гармониках падающей электромагнитной волны с длиной волны λ=3,61 см, где (- - -) - главный максимум 2-й гармоники и - добавочный максимум 2-й гармоники.

Исследование полученных диаграмм показало возможность объяснения их вида с помощью известной теории дифракции Фраунгофера (дифракции в параллельных лучах) [М.Борн, Э.Вольф. Основы оптики. - М.: Наука, 1973. - стр.369-372]. Действительно, так как расстояние от рупора генератора до решетки составляло ≈4 м, то фронт волны у решетки можно считать плоским.

Можно показать, что для решетки первого типа токи первой гармоники, наведенные на соседних полосках, возбуждаются синфазно, а токи второй гармоники - в противофазе. Для этого достаточно определить знаки коэффициентов ряда Фурье, в который можно разложить ток j м, наведенный на полоске.

На основании полученных результатов о фазности возбуждения токов в соседних полосках и использования теории дифракции в параллельных лучах можно записать условия для главных максимумов на второй гармонике для решения первого типа:

где n=1, 3, 5... - порядок главных максимумов. Для добавочных максимумов это условие будет выглядеть следующим образом:

где m=1, 2, 3... - порядок добавочных максимумов.

Для решетки второго типа направления главных и добавочных максимумов определяются соответственно условиями:

где m=1, 2, 3,...; n=0,1,2,...; d - период решетки; ϕ - угол наблюдения; θ - угол падения, N - число диодов в одной строке и одном столбце матрицы, в виде которой выполнен управляемый слой.

В таблице 1 приведены расчетные и полученные экспериментально направления главных максимумов для решеток первого и второго типов.

Анализ приведенной таблицы показывает на вполне удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных результатов. Некоторые расхождения между расчетными и полученными экспериментально направлениями максимумов можно объяснить не идентичностью параметров нелинейных сопротивлений, включенных в решетку, а также тем, что приемный и передающие рупора в эксперименте были несколько разнесены (примерно на ±3°) в вертикальной плоскости для обеспечения возможности снятия диаграммы, так что все полученные диаграммы на самом деле относятся к случаю, когда угол падения электромагнитной волны на решетку в плоскости Е составляет примерно 3°, а сканирование происходило в плоскости Н.

Таблица 1
Тип решетки	Угол падения	n	0	1
1-ый тип	0	теор.		±34,4°
эксп.		+32-36
22	теор.		-11
эксп.		-11
33	теор.		-3,76
эксп.		-6
2-ой тип	1	теор.	1°
эксп.	1°
21	теор.	21°	-50,6°
эксп.	21°	-48°
29	теор.	29°	-40,25
эксп.	29°	-42°

На основе полученных многочисленных диаграмм направленности, типа изображенных на фиг.6-7, оказалось возможным с учетом разумной экстраполяции построить зависимости суммарной по всем направлениям интенсивности вторичного излучения на 1-й и 2-й гармониках от параметров решеток.

Типичные такие зависимости, характерные для обоих типов решеток, приведены на фиг.8.

Анализ показывает, что при уменьшении нормированной ширины полоски (диаметра стержня) относительно периода решетки (D/d→0) величина интенсивности вторичного излучения определяется только величиной иммитанса диода. При увеличени D/d→1 интенсивность вторичного излучения на первой гармонике равна интенсивности падающей волны, а на второй гармонике стремится к нулю. Из графиков видно, что минимумы интенсивности на 1-й гармонике совпадают с максимумами на 2-й. Это хорошо согласуется с процессом взаимодействия гармоник. Максимумы второй гармоники наблюдаются при следующих соотношениях параметров решетки:

При этом выборе параметров управляемого слоя наиболее мощными окажутся третья, четвертая или какая-либо еще гармоника.

При использовании в качестве управляемых элементов активных диодов (диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды), сохраняющих активность в определенной полосе частот, мощность гармоники может превысить мощность несущего сигнала. Это обеспечивается выбором типа диода, у которого полоса активности расположена в зоне гармоники, а в зоне несущего сигнала отсутствует, а также соответствующим выбором параметров неуправляемых слоев [Головков А.А., Волобуев А.Г. Алгоритмы синтеза и анализа активных многофункциональных плоскослоистых сред отражательного и смешанного типов.// Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2003. -№ 2. - стр.39-43].

Предлагаемое техническое решение практически применимо, так как для его реализации могут быть использованы типовые приемопередающие станции и искусственные неоднородности в виде управляемых плоскослоистых сред, состоящих из известных материалов и элементов - слоев диэлектриков, периодических решеток проводящих элементов, полупроводниковых диодов транзисторов. Параметры управляемого слоя и направления можно легко рассчитать по приведенным в описании изобретения математическим выражениям.

Технико-экономическая эффективность предложенных способа и устройств его реализации заключается в увеличении мощности выбранной гармоники за счет выбора параметров управляемого слоя неоднородности и повышении скрытности передачи информации за счет использования в качестве несущего сигнала наиболее мощной гармоники отраженного искусственной неоднородностью несущего сигнала первого или второго абонентов.

1. Способ радиосвязи, состоящий в генерировании несущего сигнала и формировании первичного информационного сигнала первого абонента, модуляции несущего сигнала первичным сигналом первого абонента, излучении модулированного сигнала в сторону управляемой отражательной искусственной неоднородности, выделении путем демодуляции с помощью искусственной неоднородности информационного сигнала первого абонента, переотражении модулированного сигнала посредством искусственной неоднородности в сторону второго абонента, формировании третьим абонентом поднесущего сигнала и первичного информационного сигнала, воздействии ими на формирование искусственной неоднородности путем изменения сопротивления ее управляемого слоя, приеме переотраженного от искусственной неоднородности дважды модулированного сигнала приемопередающей станцией второго абонента и выделении из него путем демодуляции и фильтрации информационных сигналов первого и третьего абонентов, отличающийся тем, что направление прихода сигнала первого абонента или угол падения этого сигнала на искусственную неоднородность, направление переотраженного искусственной неоднородностью сигнала в сторону второго абонента, а также параметры этой неоднородности выбирают исходя из условий обеспечения максимумов мощности на гармониках несущего сигнала первого абонента в направлении на второй абонент, в качестве несущих сигналов третьего абонента используют наиболее мощные гармоники переотраженного сигнала первого абонента, количество вторых абонентов определяют количеством главных и добавочных максимумов диаграммы переотраженного сигнала на наиболее мощных гармониках несущего сигнала первого абонента.

2. Система реализации способа радиосвязи, выполненная из двух приемопередающих станций первого и второго абонентов, отражательной управляемой искусственной неоднородности, сформированной из управляемого слоя в виде двумерно-периодической решетки проводящих полосок или стержней, в разрывы которых включены полупроводниковые элементы, и неуправляемых слоев в виде диэлектрических слоев или двумерно-периодических решеток из проводящих элементов, количество и значения параметров которых выбраны из условия обеспечения амплитудной и (или) фазовой модуляции отраженного сигнала одного абонента в сторону другого абонента, одного источника первичного информационного сигнала и устройства регистрации сообщений, подключенных к управляемому слою, отличающаяся тем, что величина периода d управляемого слоя и ширина полосок (диаметр стержней) D выбараны из условия обеспечения наибольшей мощности второй гармоники

где λ - длина волны второй гармоники, направление прихода модулированного сигнала первого абонента или угол падения этого сигнала на искусственную неоднородность выбраны из условия обеспечения в направлениях на заданное количество вторых абонентов главных и добавочных максимумов мощности второй гармоники в переотраженном сигнале.

3. Система реализации способа радиосвязи по п.2, отличающаяся тем, что управляемый слой выполнен в виде матрицы N×N диодов, соединенных между собой проводящими элементами, причем в каждом столбце матрицы каждая пара диодов соединена между собой одним и тем же электродом, в соседних столбцах в одной и той же строке матрицы диоды включены в противофазных направлениях, а все диоды соединены параллельно и ориентированы вдоль электрического вектора, периоды включения вдоль электрического и магнитного полей одинаковы, направление прихода модулированного сигнала первого абонента или угол падения θ этого сигнала на искусственную неоднородность выбраны из условия обеспечения на направлениях ϕ_n, ϕ_m на заданное количество вторых абонентов главных максимумов мощности второй гармоники переотраженного сигнала

и добавочных максимумов мощности второй гармоники переотраженного сигнала

где n=1, 3, 5... - порядок главных максимумов; m=1, 2,3... - порядок добавочных максимумов.

4. Система реализации способа радиосвязи по п.2, отличающаяся тем, что управляемый слой выполнен в виде матрицы N×N диодов, соединенных между собой проводящими элементами, причем в каждом столбце матрицы каждая пара диодов соединена между собой одним и тем же электродом, в соседних столбцах в одной и той же строке матрицы диоды включены в синфазных направлениях, направление прихода модулированного сигнала первого абонента или угол падения θ этого сигнала на искусственную неоднородность выбрано из условия обеспечения на направлениях ϕ_n, ϕ_m на заданное количество вторых абонентов главных максимумов мощности второй гармоники переотраженного сигнала

и добавочных максимумов мощности второй гармоники переотраженного сигнала

где n=0, 1, 2... - порядок главных максимумов; m=1, 2, 3... - порядок добавочных максимумов; λ - длина волны второй гармоники.