Содержание к диссертации
Введение
1 Энергетические характеристики связных и локационных систем передачи-приёма сверхширокополосных сигналов и сверхкоротких импульсов 15
1.1 Энергетические и корреляционные уравнения передачи-приёма сверхширокополосных сигналов в связных и локационных системах 15
1.2 Основные положения методики и результаты расчёта параметров распространяющегося в атмосфере мощного сверхкороткого импульса и возникающего за ним ионизированного образования 35
1.3 Основные положения методики и результаты расчёта энергетиче ских потерь и увеличения времени автокорреляции сверхкороткого импульса при уменьшении его длительности в системах дальней передачи по трансатмосферным трассам 45
2 Энергетические характеристики и особенности построения мощных свсрхкороткоимпульных устройств электромагнитного поражения и подавления радиоэлектронных объектов
2.1 Основные результаты и анализ экспериментальных исследований нелинейных помеховых эффектов и определения энергетических порогов их возникновения при воздействии мощных сверхкоротких импульсов на телефоны мобильной связи и радиопередатчики 57
2.2 Основные положения методики и результаты расчёта достижимых коэффициентов фокусирования излучения в мощных сверхкороткоим-пульных устройствах электромагнитного поражения и подавления 66
3 Энергетические характеристики различных типов систем и устройств передачи-приёма сверхширокополосных сигналов и сверх коротких импульсов внутри здания 81
3.1 Основные положения методики и результаты расчёта квазиоптимальных параметров передачи сверхкоротких импульсов различными типами систем и устройств через поглощающие препятствия в виде стен и дверей внутри здания 81
3.2 Основные результаты и анализ экспериментальных измерений в сверхшироком диапазоне частот уровней ослабления ОВЧ-СВЧ радиоволн внутри многоэтажного здания гостиничного типа 95
Заключение 105
Список использованных источников
- Основные положения методики и результаты расчёта параметров распространяющегося в атмосфере мощного сверхкороткого импульса и возникающего за ним ионизированного образования
- Основные положения методики и результаты расчёта энергетиче ских потерь и увеличения времени автокорреляции сверхкороткого импульса при уменьшении его длительности в системах дальней передачи по трансатмосферным трассам
- Основные положения методики и результаты расчёта достижимых коэффициентов фокусирования излучения в мощных сверхкороткоим-пульных устройствах электромагнитного поражения и подавления
- Основные результаты и анализ экспериментальных измерений в сверхшироком диапазоне частот уровней ослабления ОВЧ-СВЧ радиоволн внутри многоэтажного здания гостиничного типа
Введение к работе
Актуальность темы. За последние годы резко возрос интерес к изучению вопросов, связанных с формированием, излучением, распространением, приёмом и обработкой сверхширокополосных сигналов (СШПС) и сверхкоротких импульсов (СКИ). Причина этого заключается в ожидании больших возможностей, открывающихся с появление новой техники, принципы построения и функционирования которой основаны на использовании СШПС и СКИ. Так, в радиолокации повышается точность измерения расстояния до объектов и разрешающая способность, устраняется лепестковая структура диаграмм рассеяния облучаемых целей, реализуется возможность построения "радиопортрета" объекта и на этой основе его распознавание, повышается помехозащищённость и скрытность работы радаров. В радиосвязи повышается скорость передачи информации, повышается помехоустойчивость и информационная безопасность работы радиолинии, улучшается электромагнитная совместимость при работе в совместной полосе частот с другими узкополосными радиосредствами т.д. В практике радиоэлектронной борьбы впервые реализуется возможность с помощью мощных СКИ дистанционно воздействовать не только на приёмники работающих радиоэлектронных средств, но и на такие ранее недоступные и нетрадиционные объекты как передатчики, компьютеры, различные полупроводниковые узлы и блоки, причём не только функционирующие, но и находящиеся даже в разобранном состоянии.
Многие важные физические и технические аспекты построения новых
радиосистем обсуждались на обычных и специализированных научных конференциях [3-6, 41-50, 84, 95, 99 и др.], исследованы в монографиях [1, 2, 7, 8, 46 и др.], статьях [9-23, 26-40, 43, 63, 67, 72,73,76,78, 80, 85, 86, 91-94, 96, 98, 100 и др.], в т.ч. в работах X. Хармута, Дж. Тейлора (США), К. Коппа (Австралия), Л.Ю. Астанина, Н.В. Зернова, А.Ф. Кардо-Сысоева, В.А. Сары-чева, А.Д. Французова (г.С.-Петербург), Л.Д. Бахраха, И.Я. Иммореева, Д.И. Воскресенского, А.Ю. Гринёва, В.А. Кашина, В.Н. Скосырева, Н.А. Бея, В.Н. Митрохина, С. Л. Чернышёва, В.А. Пермякова, А А. Соколова (Москва), В.И. Кошелева, Ю.Г. Юшкова (Томск), В.В. Крымского (Челябинск), А.П. Трифонова, А.П. Ярыгина, В.В. Быкова, Ю.Г. Пастернака (Воронеж), Д.А. Усанова (Саратов), С.Н. Долбни (Сергиев Посад), А.В. Самсонова (Муром), Я.Д. Ширмана, Л.Г. Содина, Г.В. Ермакова, И.И. Магды (Харьков) и многих других.
Вместе с тем, несмотря на большое число публикаций, до сих некоторые принципиальные вопросы, связанные с расчётом и измерением важнейших характеристик различных типов систем передачи-приёма СШПС и СКИ, оставались не решёнными. В частности, практически отсутствовали, либо имелись фрагментарно сведения об энергетических и корреляционных характеристиках связных и локационных систем передачи-приёма СШПС и СКИ, а также достижимых энергетических характеристиках устройств электромагнитного поражения и функционального подавления радиоэлектронных объектов, защищенных радиопоглощающими укрытиями. Не были в достаточной мере ни теоретически, ни экспериментально изучены особенностей воздействия мощных СКИ на современные телеком-
6 действия мощных СКИ на современные телекоммуникационные системы, в
частности, мобильную и сотовую радиосвязь, в особенности в режиме передачи. Отсутствовали также достаточно адекватные модели и надёжные данные измерений по распространению СШПС и СКИ, излучаемых системами локации и связи и средствами радиоэлектронной борьбы, внутри зданий с ячеистой структурой и поглощающими препятствиями в виде стен и дверей.
По этим причинам тема данной диссертации, посвященной изучению энергетических характеристик и особенностей функционирования различных систем и устройств передачи-приёма сверхширокополосных и сверхкоротко-импульсных сигналов и помех и в этой связи частично восполняющей отмеченные пробелы в предыдущих исследованиях, является актуальной.
Цель работы - развитие представлений о потенциальных возможностях и эффективности нового класса систем радиолокации, радиосвязи, средств радиоподавления и электромагнитного поражения на основе определения и исследования достижимых энергетических характеристик различных типов систем и устройств передачи-приёма сверхширокополосных и сверх-короткоимпульсных сигналов и помех.
Объект исследований — системы и устройства передачи-приёма СШПС и СКИ.
Предмет исследований - энергетические характеристики систем и устройств передачи-приёма СШПС и СКИ.
Достижение поставленной цели основано на решении следующих 3 составных частей и 7 основных задач:
I. Исследование энергетических характеристик связных и локационных систем передачи-приёма СШПС и СКИ:
1. Обобщение на случай СШПС уравнений передачи-приёма сигналов
связными и локационными системами,
Разработка методики, расчёт и анализ достижимых энергетико-временных характеристик распространяющегося в атмосфере мощного СКИ и пространственно-временных параметров возникающего за ним ионизированного образования.
Разработка методики, расчёт и анализ достижимых энергетических потерь и ухудшения автокорреляционных свойств СКИ при уменьшении его длительности в системах дальней передачи по трансатмосферным трассам.
II. Исследование энергетических характеристик мощных сверхкорот-
коимпульных устройств электромагнитного поражения и подавления радио
электронных объектов:
Поиск нелинейных помеховых эффектов и экспериментальное определение энергетических порогов их возникновения при воздействии мощных СКИ на телефоны мобильной связи и радиопередатчики.
Разработка методики, расчёт и анализ достижимых коэффициентов фокусирования излучения в мощных сверхкороткоимпульных устройствах электромагнитного поражения и подавления.
III. Исследование энергетических характеристик различных типов сис
тем и устройств передачи-приёма СШПС и СКИ внутри здания:
6. Разработка аналитической методики, расчёт и анализ квазяопти-
мальных параметров передачи СКИ различными типами систем и устройств через поглощающие препятствия в виде стен и дверей.
7, Проведение и анализ экспериментальных измерений в сверхшироком диапазоне частот достижимых уровней ослабления ОВЧ-СВЧ радиоволн внутри типового офисного многоэтажного здания.
Методы проведения исследований. При решении поставленных задач использовались элементы теорий линейного и нелинейного распространения радиоволн, передачи-приёма сигналов в радиоканалах с рассеянием, теории цепей и статистической радиотехники, численного моделирование на ЭВМ, а также экспериментальные методы исследований, в т.ч. методики планирования экспериментов и проведения радиоизмерений.
Научная новизна работы заключается в следующем.
Впервые классические уравнения дальности радиолокации и связи обобщены на случай применения СШП сигналов.
В разработанной методике расчёта энергетико-временных характеристик мощного СКИ и пространственно-временных параметров возникающего за ним ионизированного образования, в отличие от известных аналитических и численных методик, страдающих в первом случае значительной относительной погрешностью, а во втором - большим временем расчётов, реализован комбинированный подход, основанный на рациональном поэтапном применении численных и аналитических алгоритмов, согласованных по входу и выходу, что позволяет обеспечить достаточно высокую относительную точность расчётов при практически приемлемых временных затратах.
Впервые теоретически установлено, что при уменьшении длительности СКИ до декапикосекундных и пикосекундных значений в системах дальней передачи СКИ по трансатмосферным радиотрассам резко возрастают (в ряде случаев на 2...3 порядка величины) энергетические затраты, требуемые для предыскажения спектра передаваемого СКИ с целью сохранения его времени автокорреляции, что позволяет определить границы использования классического корреляционного метода обработки принимаемых сигналов применительно к сигналам класса СКИ.
Получены новые экспериментальные данные об энергетических порогах появления "сбойных" помех, а также обнаружены новые, энергетически эконономичные и по этой причине перспективные для применения в средствах радиоподавления и электромагнитного поражения типы помех -так называемые "циркулярные" и "переключающие режимы", которые возникают при проникновении мощных СКИ через корпуса сотовых радиотелефонов и работающих в режиме передачи мобильных радиостанций.
Впервые теоретически обоснована возможность фокусировки импульсного поля в сверхкороткоимпульных устройствах электромагнитного поражения и подавления на основе обобщённого на случай СКИ способа зонирования апертуры антенны.
Впервые на основе учёта дисперсионного воздействия передающих и приёмных антенн, а также поглощения в препятствии, определены квазиоптимальные (по энергетико-временному критерию) частоты передачи СКИ локационными и связными системами через стены и двери в здании.
7. Впервые предложена и на основе полученных в сверхшироком диапазоне частот экспериментальных данных обоснована новая, физически более корректная модель формирования результирующего поля внутри многоэтажного здания гостиничного типа, отличающаяся от известной однокомпонентної! модели с переменной степенной зависимостью плотности потока мощности от расстояния учётом большего числа компонент ("сквозной", дифракционной и волноводной), что позволяет существенным образом уточнить энергетические требования, предъявляемые к локационными и связными системами и средствам радиоподавления и электромагнитного поражения с зоной действия внутри здания.
Достоверность полученных в работе теоретических результатов подтверждается корректным применением используемых методов исследований и математического аппарата, а также совпадением частных результатов расчётов с результатами, независимо полученными с использованием других моделей и методик. Достоверность экспериментальных результатов подтверждается натурным характером проведения экспериментов, использованием для измерения и регистрации аттестованных средств и апробированных частных методик.
Практическая ценность полученных в диссертации теоретических и экспериментальных результатов заключается, главным образом, в том, что они могут служить основой в дальнейшей поиске целесообразных принципов построения и разработке методов оценки эффективности функционирования перспективных систем радиолокации, связи и средств радиоэлектронной
11 борьбы, использующих СШПС и СКИ. Кроме того, созданные и апробированные программы расчёта на ПЭВМ характеристик различных радиоканалов позволяют расширить возможности существующих специализированных программных пакетов по обоснованию потенциально достижимых технических характеристик СШП- и СКИ-средств и систем.
Реализация основных результатов.
Разработанные программные продукты и полученные теоретические и экспериментальные результаты использованы в 5 ЦНИИИ МО РФ и Военном институте радиоэлектроники (ВИРЭ, г.Воронеж).
В частности, в 5 ЦНИИИ МО РФ использованы: программа расчёта на ПЭВМ энергетических и корреляционных характеристик передачи-приёма СШПС в радиоканалах с апертурними антеннами; программа расчёта на ПЭВМ энергетических характеристик направленности дипольных, рупорных и зеркальных антенн, а также антенных решёток, возбуждаемых СШПС и СКИ; программа расчёта на ПЭВМ характеристик фокусирования сверхко-роткоимпульсного излучения.
В ВИРЭ использованы результаты экспериментальных исследований нелинейных помеховых воздействий мощных СКИ на телефоны мобильной связи и радиопередатчики, а также результаты измерений в сверхшироком диапазоне частот уровней ослабления радиоволн внутри многоэтажного здания офисного типа.
Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления ВГТУ "Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства, системы
передачи, приёма, обработки и защиты информации" (47.05/02, 47.13/02, 47.33/02). Работа является результатом обобщения исследований, проведенных автором в аспирантуре ВГТУ в период 2001-2004 гг. Публикации и апробация результатов работы.
Основные результаты исследований изложены в 19 работах, в т.ч. а 4 отчетах о НИР, 8 статьях, из которых 7 опубликованы в международных и центральных республиканских журналах. Результаты в виде докладов (тезисов докладов) представлялись на 7 конференциях международного, всероссийского и регионального уровней.
В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателем разработаны основные положения методик, алгоритмы и программы расчета энергетических и корреляционных характеристик связных и локационных систем передачи-приёма СШПС и СКИ [111, 112, 117, 120]; параметров распространяющегося в атмосфере мощного СКИ и возникающего за ним ионизированного образования [116]; коэффициентов фокусирования СКИ [118].
Учитывая, что широкомасштабные (в частности, натурные) экспериментальные исследования [119, 121-125] с привлечением большого количества сил и средств невозможно провести единолично, роль соискателя в них заключалась в участии в разработке программ и частных методик проведения экспериментов, в проведении отдельных этапов экспериментов, в обработке полученных результатов и их анализе в интересах оценки энергетических характеристик и особенностей функционирования систем и устройств передачи СШПС и СКИ.
Структура и объём работы.
Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Объём работы: 124 страницы, включая 20 рисунков, 3 таблицы, список использованных источников из 129 наименований (в т.ч. 19 работ автора).
Первая глава посвящена определению и исследованию энергетических характеристик связных и локационных систем передачи-приёма СШПС и СКИ. Приводятся результаты обобщения уравнений передачи-приёма сигналов в связных и локационных системах на случай СШПС. Рассматриваются методические вопросы расчёта параметров распространяющегося в атмосфере мощного СКИ и возникающего за ним ионизированного образования. Разрабатывается методика и с её помощью рассчитываются энергетические потери и увеличение времени автокорреляции СКИ в системе дальней передачи по трансатмосферным радиотрассам.
Вторая глава посвящена исследованию энергетических характеристик и особенностей построения мощных сверхкороткоимпульных устройств электромагнитного поражения и подавления радиоэлектронных объектов. Приводятся результаты экспериментальных исследований нелинейных помеховых эффектов и определения энергетических порогов их возникновения при воздействии мощных сверхкоротких импульсов на телефоны мобильной связи и радиопередатчики. Разрабатываются основные положения методики, позволяющей количественно оценить достижимые коэффициенты фокусирования излучения в мощных сверхкороткоимпульных устройствах электромагнитно-
го поражения и подавления.
В третьей главе приводятся результаты исследований энергетических характеристик различных типов систем и устройств передачи-приёма СШПС и СКИ внутри здания. Разрабатываются основные положения методики расчёта квазиоптимальных параметров, в частности, частот передачи СКИ различными типами систем и устройств через поглощающие препятствия в виде стен и дверей внутри здания. Приводятся и анализируются результаты экспериментальных измерений в сверхшироком диапазоне частот уровней ослабления ОВЧ-СВЧ радиоволн внутри многоэтажного здания гостиничного типа.
В заключении кратко изложены основные результаты исследований.
В приложении приведены акты об использовании диссертационных результатов.
Автор выражает глубокую благодарность профессору Макарову Геннадию Васильевичу, под руководством которого подготовлена диссертация, а также коллективу кафедры радиотехники ВГТУ и, в особенности, заместителю заведующего кафедрой доценту Матвееву Борису Васильевичу и доценту Токареву Антону Борисовичу за активное участие в обсуждении полученных в работе результатов, их объективную критику и неизменную поддержку автора на всех этапах аспирантского обучения, написания диссертации, а также при подготовке необходимых документов для представления в диссертационный совет.
Основные положения методики и результаты расчёта параметров распространяющегося в атмосфере мощного сверхкороткого импульса и возникающего за ним ионизированного образования
Как известно [1,2, 7], использование в радиолокации СКИ наносекунд-ной длительности позволяет "снять" радиолокационный портрет цели и затем по нему провести её распознавание. В частности, такая задача весьма актуальна применительно к таким радиолокационным объектам как крылатые ракеты, самолёты, космические аппараты. Из-за требуемого достаточно большого запаса времени на распознавание крылатых ракет и самолётов, имеющих весьма сложную форму, дальности обнаружения этих объектов и снятия их "радиопортрета" должны быть по возможности максимальными и приближаться к дальности радиогоризонта. Очевидно, что в этом случае трассы зондирования будут весьма большими, порядка нескольких сотен км и при этом проходить практически через всю толщу атмосферы. Однако ещё больший (практически в 2 раза) участок атмосферного прохождения радиолокационных волн возникает при зондировании с поверхности Земли уходящих за радиогоризонт космических аппаратов [51]. В этих условиях весьма ощутимым становится поглощение зондирующих импульсов в атмосфере, что обычно стараются компенсировать излучаемой мощностью. Однако тогда начинают проявляться нелинейные эффекты поглощения и искажения зондирующих сигналов, в первую очередь, так называемый эффект самовоздействия [55]. Таким образом, исходя из изложенного, ключевым вопросом при оценке эффективности функционирования сверхмощных радиолокаторов, использующих сверхкороткие импульсы, становится учёт влияния нелинейного эффекта самовоздействия зондирующих импульсов на искажение их параметров, уменьшение переносимой ими энергии и, в конечном счёте, на потерю передаваемой информации.
Физическая причина возникновения паразитного самовоздействия импульса обусловлена различными условиями распространения его передней и задней частей. Передней частью импульс вызывает ионизацию проходимого им участка атмосферы; затем через этот участок проходит остальная часть импульса. Вследствие повышенного поглощения на ионизированном участке эта часть импульса уменьшается, причём тем больше, чем выше уровень ионизации. При определенных условиях на достаточно длинных радиотрассах ионизированное образование (ИО), порождённое передней частью импульса и сопровождающее его заднюю часть, может практически полностью поглотить заднюю часть и таким образом ослабить импульс.
Очевидно, что во избежание самовоздействия необходимо использовать достаточно короткие импульсы. Но тогда возникающее ИО, не успевая за первым импульсом, будет ослаблять все последующие, периодически "подпитываясь" от них. Для предотвращения этого явления необходимо в достаточной мере снижать частоту следования импульсов в передаваемой последовательности. Тогда ИО, созданное на данном атмосферном участке предыдущим импульсом, может успевать "рассасываться" к моменту приходу последующего импульса. К сожалению, в литературе отсутствует достаточно точный и приемлемый в отношении вычислений методический аппарат оценки влияния указанных явлений на искажение параметров передаваемых по радиотрассе импульсов.
Цель раздела - на основе комбинированного использования приближённого аналитического подхода, предложенного в [52, 53], и уточняющих численных процедур решения, разработать новую, удовлетворяющую практическим запросам численно-аналитическую методику расчёта основных параметров ИО и импульсов в условиях самовоздействия.
Основные результаты раздела опубликованы в [116], а элементы разработанного алгоритма — в [111].
Поиск самосогласованного решения для поля и среды заменим последовательным поиском двух раздельных решений для поля и среды. Результаты, полученные при таком подходе, обычно служат в качестве первого приближения в нахождении самосогласованного решения.
Таким образом, методика расчёта будет состоять из двух этапов: на первом в приближении заданного поля вычислим пространственно-временные распределения электронной температуры и электронной концентрации в ИО, возникающем в поле импульса с заданными параметрами, а на втором, полагая параметры ИО заданными, определим искажения исходных параметров импульса, распространяющегося через ИО. В расчётах ограничимся случаем исходного импульса с гауссовой формой огибающей. Как известно [54], в таком импульсе активная ширина спектра близка к минимально возможной, что важно для экономии используемого частотного ресурса.
Таким образом, пространственно-временную зависимость от расстояния г и времени / комплексной напряженности ЕЛГ,І) электрического поля в исходном импульсе зададим в виде: EQ(r,t) = (A/r)exp -(t-rjcf/x1 -ico(r-r/c)]» (1.57) где f = т/2п - несущая частота, А - постоянный амплитудный множитель, 2т - длительность импульса (по уровню е от максимальной амплитуды поля); с - скорость света.
В (1.57) предполагается, что в ионизированной среде показатель преломления близок к 1 и по этой причине фазовая и групповая скорости распространения импульса примерно равны и совпадают со скоростью света. Для простоты дальнейших расчётов будем полагать, что в (1.57), кроме того, шт »1, т.е. импульс, хотя и сверхкороткий, но узкополосный. Используя соотношение неопределённости для одновременно допустимых величин длительности и ширины спектра сигнала, можно показать, что это предположение хорошо выполняется для наносекундных импульсов, если их активные части спектров находятся в СВЧ (3...30 ГГц) и более высокочастотных диапазонах.
Основные положения методики и результаты расчёта энергетиче ских потерь и увеличения времени автокорреляции сверхкороткого импульса при уменьшении его длительности в системах дальней передачи по трансатмосферным трассам
В настоящее время при разработке перспективных средств СШП-локации и связи начинают ориентироваться на использование импульсов со сверхмальши длительностями т , составляющими единицы-десятки пикосе кунд. Ожидается [1-10], что в радиосвязи это позволит обеспечить очень большую скорость R (поскольку R \[x ) передачи дискретных сообщений, в радиолокации - распознавание объектов за счёт высочайшего разрешения с точностью порядка Аї ст /2 (с - скорость света) мелких деталей объектов.
Однако при передаче-приёме исходные СКИ искажаются. Основными причинами, из-за которых происходит этот нежелательный процесс, являются частотные зависимости характеристик направленности передающего и приёмного элементов системы передачи-приёма, а также дисперсии показателей преломления и поглощения воздуха как среды распространения. Влияние этих факторов приводит к паразитному увеличению эффективной длительности импульса [73] и времени автокорреляции, особенно в радиоканалах, имеющих атмосферные участки с большой протяжённостью.
Для уменьшения времени т о автокорреляции импульса на выходе системы передачи-приёма обычно применяются два подхода, заключающиеся в целенаправленном изменении спектра или исходного импульса, возбуждающего передающую антенну, или импульса, прошедшего по радиоканалу (на выходе приёмной антенны). В дальнейшем ограничимся анализом только первого из них. Обычно он применяется тогда, когда стараются максимально упростить приём сигналов, перенеся все трудности на передающий элемент системы передачи-приёма.
Простейшим способом изменения спектра исходного импульса являет 46 ся расширение спектра путём уменьшения времени т т автокорреляции этого импульса при простом укорочении его длительности. Однако этот способ может привести и к обратному эффекту - увеличению т „ вследствие реализующейся немонотонной зависимости т„ = (т J Во втором, более сложном способе уменьшения т „, помимо расширения спектра, дополнительно вводятся предыскажения, компенсирующие изменение спектра при излучении, распространении и приёме импульса. Анализ показывает, что в этом случае для обеспечения монотонной зависимости т „(г т) ширину полосы частот, в которой вводятся предыскажения, необходимо выбирать соизмеримой с шириной активной полосы частот спектра исходного импульса (в соответствии с [74] в активной полосе частот заключена подавляющая часть, в дальнейших расчётах - 90% энергии импульса). Однако такая большая полоса предыскажений может приводить к дополнительным потерям в радиолинии и уменьшать сквозной энергетический коэффициент К передачи-приёма, особенно при достаточно малых величинах т т и т в. В этом случае энергетические потери являются естественной "платой" за обеспечение прохождения СКИ по радиолинии с сохранением автокорреляционных характеристик.
Цель раздела - разработать основные положения методики и оценить возможный относительный уровень уменьшения К и изменения автокорреляционных характеристик импульсов при применении двух указанных способов уменьшения т „ .
Основные результаты раздела опубликованы в [112, 114, 115]. Пусть QT{ ) - комплексный Фурье-спектр исходного импульса на входе передающей антенны; со = 2я/ - циклическая частота. Для расчёта т т используем два принципиально различных критерия - пороговый (критерий 1) и интегральный (критерий 2). Спектр (1-71), наряду с простотой, примечателен следующими двумя свойствами. Во-первых, в спектре нет постоянной составляющей (0 (0)-0).
Это позволяет повысить эффективность излучения импульса антенной, поскольку на более высоких частотах коэффициент усиления антенны может быть гораздо большим, чем на низких. Во-вторых, в весьма широком интервале изменения параметра т., регулирующем активную полосу частот спектра исходного импульса, максимум спектра достигается примерно на одной и той же частоте юп. Это позволяет в качестве со.-, выбрать среднюю частоту одного из частотных диапазонов прозрачности атмосферы. В связи с этим в дальнейших расчётах для определённости будем полагать: oQ = 2тг 33 ГГц средняя частота К -диапазона прозрачности [75]. Анализ показывает, что в этом случае модель спектра (1.71) пригодна для всех значений параметра т.. 6 пс. Указанный нижний порог является достаточно малой величиной, что и обусловливает вполне широкие возможности использования модели (1.71).
Основные положения методики и результаты расчёта достижимых коэффициентов фокусирования излучения в мощных сверхкороткоим-пульных устройствах электромагнитного поражения и подавления
В связи с развитием технологий использования субнаносекундных импульсов в практике радиолокации, связи и радиоэлектронной борьбы, существенное значение приобретают вопросы изучения особенностей излучения СШП сигналов и СКИ, пространственный размер которых гораздо меньше характерного масштаба (калибра) передающей антенны. В частности, особый интерес [69, 88-95] вызывает оценка возможности фокусировки импульсного излучения на больших расстояниях, составляющих сотни и тысячи калибров антенны. Очевидно, что в случае положительного ответа на этот вопрос и при разработке соответствующей технологии фокусирования открывается заманчивая перспектива уменьшения мощностных параметров устройств электромагнитного поражения и подавления за счет обеспечения фокусировки поражающего (подавляющего) излучения в заданном направлении.
Анализ показывает, что в этих устройствах в качестве передающих антенн вполне целесообразно использовать антенны апертурного типа, например, параболические зеркальные антенны, поскольку они имеют достаточную широкополосность и обладают высокими направленными свойствами.
Модельной задачей, позволяющей вскрыть физическую картину формирования нестационарного поля излучения апертурной антенной и на этой основе адекватно объяснить возможные фокусировочные эффекты, является задача о дифракции импульсного излучения точечного источника на круглом отверстии в бесконечном экране. Наиболее простой вариант этой задачи -случай расположения источника на оси отверстия. При такой геометрии сохраняются все основные дифракционные аспекты задачи и, в отличие от случая произвольного расположения источника, существенно упрощаются математические выкладки за счет обеспечения симметрии.
Цель раздела - на основе решения указанной дифракционной задачи проанализировать возможности увеличения плотности потока энергии СКИ на больших расстояниях от антенны путём зонирования апертуры. Впервые о таком зонировании, основанном на разбиении апертуры на импульсные зоны Френеля, сообщалось в [95].
Таким образом, результаты решения поставленной задачи позволят оценить достижимые коэффициенты фокусирования излучения в мощных сверхкороткоимпульных устройствах электромагнитного поражения и подавления, что позволит улушить массо-габаритные характеристики этих средств.
Основные результаты раздела опубликованы в [118, 126, 129]. Поле излучения в передней полусфере
Рассмотрим сначала случай, когда точечный источник излучает импульсное поле в свободное пространство, т.е. когда экран отсутствует. Тогда в точке наблюдения Р (рис.2.2) поле излучения U (f,t) {г -радиус-вектор из точки О расположения источника в точку Р наблюдения, / - время) находится элементарно. Если A(t) - дважды непрерывно дифференцируемая временная функция излучаемого импульса, причём то поле Up(r,t), удовлетворяющее волновому уравнению, начальным условиям U (f,0L-o ( 0/ t=0 и Условию затухания излучения на бесконечности будет: Up(r,t)=A(?-r/c)/r. (2.2) где г \г\\ с - скорость света.
При наличии экрана для определения поля воспользуемся также, как и в [96[, методом Кирхгофа в его обобщенной формулировке на случай нестационарных полей [97]. Согласно этому методу поле U (r,t) будем искать в виде поверхностного интеграла: где 2 - сложная поверхность (рис.2.2), состоящая из противоположной от источника теневой поверхности 20 экрана и прикрывающей отверстие по верхности S шарового сегмента с радиусом rQ = Jz0 + а и центром в точке О; а - радиус отверстия; 2Q - расстояние от источника до центра отверстия; U = U(r ,t ) - некоторое поле на поверхности 2; Ґ и R = r -r - радиус-векторы из точек О и Р ъ произвольную точку на поверхности 2; Я = п(г ) нормаль к элементарному участку на поверхности 2; R= R; it = й. По существу, поверхность S является частью сферической поверхности волнового фронта излучения источника в момент касания волнового фронта краёв отверстия.
Основная особенность дальнейшего использования интегрального соотношения (2.3) заключается в надлежащем выборе функции U(r ,t ). Если в качестве значений U{f, ґ) задать точные значения полного поля на поверхности 2, то (2.3), согласно теореме Кирхгофа, будет точным интегральным уравнением для искомого поля. Метод Кирхгофа решения такого уравнения основан на приближенном задании U(f ,t \ например, с помощью геометро-оптического (по гипотезе Френеля) или иного подходящего приближённого решения. Тогда с определенным допущением выражение (2.3) можно сразу считать искомым решением для поля в квадратурах.
В рассматриваемой задаче в качестве приближенного значения поля U{r ,t ) на S выберем по (2.2) соответствующие значения поля излучения импульса в случае его распространения в отсутствие экрана, а для приближенных значений поля Uifj ) и д/(?, )/5л _ - на ZQ -соответствующие геометрооптические значения поля для случая полной радиотени:
Основные результаты и анализ экспериментальных измерений в сверхшироком диапазоне частот уровней ослабления ОВЧ-СВЧ радиоволн внутри многоэтажного здания гостиничного типа
Основные положения методики и результаты расчёта квазиоп-тнмальных параметров передачи свержкоротких импульсов различными типами систем и устройств через поглощающие препятствия в виде стен и дверей внутри здания
Как показывает анализ особенностей функционирования систем радиолокации, связи и средств РЭБ, использующих СКИ [1-19], важнейшей отправной точкой при выборе схем и конструкций этих устройств является определение целесообразного рабочего диапазон частот,
К настоящему времени освоены многие диапазоны частот работы генераторов импульсов, однако до сих пор не вполне ясно, какие частоты более предпочтительны. Тем более это касается случаев, когда приёмная антенна в радиоканале связи, или лоцируемый объект в локационном канале, или поражаемый объект в канале электромагнитного поражения находятся вне пределов прямой видимости, например, за радиопоглощающими стенами здания.
Вместе с тем, такая ситуация вполне реальна. Например, в части задач электромагнитного поражения радиотелефонов мобильной связи она многократно возникала при освобождении заложников, захваченных террористами в Москве в 2001 г. на спектакле "Норд-Ост", или совсем недавно в 2004 г, в событиях при освобождении заложников, захваченных террористами в Вислане (Северная Осетия). По этим причинам представляет интерес оценка частот и длительностей импульсов, при которых достигается высокая эффективность различных типов систем и устройств передачи-приёма импульсов через поглощающие препятствия в виде стен и дверей внутри здания.
Для удобства дальнейшего анализа разделим радиоканалы передачи на два типа: простой канал, не содержащий экранирующее препятствие, и сложный, с препятствием, например, в виде бетонной стены здания, двери в со седнюю комнату здания или какого-либо другого радиопоглощающего слоя.
В начале рассмотрим канал электромагнитного поражения (ЭП) радиоэлектронных объектов. Затем в полученных аналитических выражениях сделаем необходимые уточнения и изменения для других радиоканалов — связного и локационного.
Обычно в средствах ЭП, работающих в УВЧ-КВЧ диапазонах, используются антенны апертурного типа (например, рупор или зеркальная антенна), имеющие высокую направленность излучения и достаточно простые конструкции. Если расстояние г от антенны до объекта достаточно велико, так что объект находится в зоне дифракции Фраунгофера для компонент активной (по [74]) части энергетического спектра импульса, возбуждающего апертуру антенны, то для описания энергетической эффективности канала передачи импульсной энергии можно использовать величину энергетического коэффициента направленного действия (ЭКНД) канала:
D=(Ait/W) lim [r2w(r)\, (3.1)
где w(r) - плотность потока энергии импульса в точке наблюдения; W - излучённая энергия. Однако помимо большого ЭКНД для обеспечения энергетически экономичного поражения переданный по каналу импульс должен иметь малую длительность, не превышающую некоторое пороговое значение, например, т ,=10 не (в соответствии с простейшей моделью поражаемого полупроводникового объекта - моделью Wunch-Bellasca [20, 21]).
Определим оптимальные частоты возбуждения апертуры антенны, при которых достигаются максимальные ЭКНД различных каналов передачи импульсов, и на этой основе построим примеры квазиоптимальных возбуждающих импульсов, при которых ЭКНД каналов близки к максимальным, а длительности импульсов на выходе каналов не превосходят указанный порог.
Затем определим целесообразные частоты передачи импульсов через препятствия в связных системах передачи-приёма. Основные результаты раздела опубликованы в [126, 129]. Основные модели и расчётные соотношения
Для простоты оценок будем полагать, что апертура антенны имеет форму круга радиуса а, а фронт возбуждающего поля сферичен, причём центр сферы находится на нормали к центру апертуры. Таким образом, в отличие от многих работ, в том числе [62, 63, 69, 98], предполагается, что апертура антенны возбуждается несинхронно. На практике для рупора это вызвано непостоянством его поперечного сечения, а для зеркальной антенны -размещением облучателя не точно в фокусе, ошибками изготовления зеркала и т.п. Как будет видно в дальнейшем, при поиске оптимальных частот такая модель несинхронного возбуждения позволяет получить физически более обоснованный результат.
Простой канал
Рассмотрим вначале случай простого канала передачи, полагая, что среда однородна и без поглощения. Тогда, применяя метод Кирхгофа для определения парциальных монохроматических полей и спектральный метод расчета импульсных сигналов, излучённое по оси антенны электрическое поле E(r, t) записываем в виде интеграла Фурье:
