Способ радиосвязи и системы его реализации
Владельцы патента RU 2291571:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военный институт радиоэлектроники (RU)
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. Сущность изобретения заключается в том, 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 искусственной неоднородности, выделении путем демодуляции с помощью искусственной неоднородности информационного сигнала первого абонента, переотражении модулированного сигнала посредством искусственной неоднородности в сторону второго абонента, находящегося по одну сторону от плоскости неоднородности, формировании третьим абонентом поднесущего сигнала и первичного информационного сигнала, воздействии ими на формирование искусственной неоднородности путем изменения сопротивления ее управляемого слоя, приеме переизлученного искусственной неоднородностью дважды модулированного сигнала приемопередающей станцией второго абонента и выделении из него путем демодуляции и фильтрации информационных сигналов первого и третьего абонентов, переизлученный сигнал усиливают с помощью искусственной неоднородности, пропускают дважды модулированные сигналы первого и второго абонентов посредством искусственной неоднородности в сторону четвертого абонента, находящегося по другую сторону от плоскости неоднородности, принимают прошедшие через искусственную неоднородность дважды модулированные сигналы первого и второго абонентов, выделяют из них путем демодуляции и фильтрации с помощью приемопередающей станции четвертого абонента информационные сигналы первого, второго и третьего абонентов, направление прихода сигнала первого абонента или угол падения этого сигнала на искусственную неоднородность, направление переизлученного искусственной неоднородностью сигнала в сторону второго абонента, направление переизлученного искусственной неоднородностью сигнала в сторону четвертого абонента, а также параметры этой неоднородности выбирают исходя из условий обеспечения максимумов мощности на гармониках несущего сигнала первого абонента в направлении на второй и четвертый абоненты, в качестве несущих сигналов третьего абонента используют наиболее мощные гармоники переизлученных сигналов первого и второго абонентов в оба полупространства относительно плоскости неоднородности, количество вторых и четвертых абонентов определяют количеством главных и добавочных максимумов диаграммы переизлученных наиболее мощных гармоник несущих сигналов первого и второго абонентов и добавочных максимумов мощности второй гармоники переизлученных сигналов. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 8 ил., 1 табл.
Изобретение относится к радиосвязи и технике СВЧ и может быть использовано для передачи и приема информации на гармониках сигнала стороннего источника или несущего сигнала одного из абонентов 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 II. - 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 передаче 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 абоненты 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 несущего сигнала первого или второго абонентов, возникающих во вторичном излучении искусственной неоднородности, и увеличение мощности гармоник путем специального выбора параметров управляемого слоя искусственной неоднородности и выбора направлений приема и излучений сигналов неоднородностью, а также за счет усиления гармоник.
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 искусственной неоднородности, выделении путем демодуляции с помощью искусственной неоднородности информационного сигнала первого абонента, переотражении модулированного сигнала посредством искусственной неоднородности в сторону второго абонента, находящегося по одну сторону от плоскости неоднородности, 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, дополнительно усиливают сигналы вторичного излучения, пропускают дважды модулированные сигналы первого и второго абонентов посредством искусственной неоднородности в сторону четвертого абонента, находящегося по другую сторону от плоскости неоднородности, принимают прошедшие через искусственную неоднородность дважды модулированные сигналы первого и второго абонентов, выделяют из них путем демодуляции и фильтрации с помощью приемопередающей станции четвертого абонента информационные сигналы первого, второго и третьего абонентов, при этом 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 и четвертый абоненты, в качестве несущих сигналов третьего абонента используют наиболее мощные гармоники переизлученных в оба полупространства относительно плоскости неоднородности сигналов первого и второго абонентов, количество вторых и четвертых абонентов определяют количеством главных и добавочных максимумов диаграммы переизлученных наиболее мощных гармоник несущих сигналов первого и второго абонентов.
Указанный результат достигается тем, что в системе реализации способа радиосвязи, выполненной из двух приемопередающих станций первого и второго абонентов, 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 повторной амплитудной и(или) фазовой модуляции вторичного сигнала первого абонента, переизлученного в сторону другого абонента, находящегося по одну сторону от плоскости неоднородности, одного источника первичного информационного сигнала третьего абонента, расположенного вблизи неоднородности, и устройства регистрации сообщений, подключенных к управляемому слою, дополнительно в качестве полупроводниковых элементов включены активные диоды, количество и значения параметров неуправляемых слоев выбраны из условий обеспечения усиления и повторной амплитудной и фазовой модуляции сигналов первого и второго абонентов, переизлучаемых в сторону четвертого абонента, находящегося по другую сторону от плоскости неоднородности, при этом величина периода d управляемого слоя и ширина полосок D выбраны из условия обеспечения наибольшей мощности гармоники сигналов первого и второго абонентов, выбранной в качестве несущего сигнала третьего абонента:
0.2≤D/d≤0.4; 0.1≤d/λ≤0.5, (1)
направление прихода модулированного сигнала первого абонента или угол падения этого сигнала на искусственную неоднородность выбраны из условия обеспечения в направлениях на заданное количество вторых и четвертых абонентов главных и добавочных максимумов диаграммы вторичного излучения на выбранной гармонике в оба полупространства относительно плоскости неоднородности.
Указанный результат достигается тем, что в предыдущей системе реализации способа радиосвязи 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 выполнены одинаковыми, количество и значения параметров неуправляемых слоев выбраны из условия усиления и обеспечения повторной амплитудной и (или) фазовой модуляции сигналов первого и второго абонентов, переизлучаемых в сторону четвертого абонента, находящегося по другую сторону от плоскости неоднородности, направление прихода модулированного сигнала первого абонента или угол падения θ этого сигнала на искусственную неоднородность выбраны из условия обеспечения на направлениях ϕn, ϕm на заданное количество вторых и четвертых абонентов главных максимумов мощности второй гармоники переизлученного сигнала:
и добавочных максимумов мощности второй гармоники переизлученных сигналов:
где n=1, 3, 5... - порядок главных максимумов диаграммы излучения второй гармоники в оба полупространства; m=1, 2, 3... - порядок добавочных максимумов диаграммы излучения второй гармоники в оба полупространства, где λ - длина волны второй гармоники.
Указанный результат достигается тем, что в первой системе реализации способа радиосвязи 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 матрицы в одной и той же строке 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 ϕn, ϕm, на заданное количество вторых и четвертых абонентов главных максимумов мощности второй гармоники переизлученных сигналов:
и добавочных максимумов мощности второй гармоники переизлученных сигналов:
где n=0, 1, 2... - порядок главных максимумов диаграммы излучения второй гармоники в оба полупространства; m=1, 2, 3... - порядок добавочных максимумов диаграммы излучения второй гармоники в оба полупространства, λ - длина волны второй гармоники.
На фиг.1 изображена система реализации способа радиосвязи - прототипа.
На фиг.2 представлена система реализации предлагаемого способа радиосвязи.
На фиг.3а и 3б представлены первый вариант выполнения управляемого слоя и схема соединения управляемых элементов.
На фиг.4 показаны второй вариант выполнения управляемого слоя и схема соединения управляемых элементов.
На фиг.5а изображена блок схема измерительной установки для определения диаграммы направленности вторичного отраженного излучения решеток.
На фиг.5б изображена блок схема измерительной установки для определения диаграммы направленности прошедшего через решетки вторичного излучения.
На фиг.6 изображены диаграммы вторичного излучения искусственной управляемой неоднородности с управляемым слоем первого типа в обоих полупространствах.
На фиг.7 представлены диаграммы вторичного излучения искусственной управляемой неоднородности с управляемым слоем второго типа в обоих полупространствах.
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 II. - 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 передаче информации вторым абонентом он меняется функциями с первым абонентом.
Система реализации заявляемого способа радиосвязи (фиг.2) отличается от системы реализации способа-прототипа отсутствием проводящего экрана 2, количеством неуправляемых слоев и выбором значений их параметров из условия обеспечения амплитудной и (или) фазовой модуляции одновременно отраженного сигнала первого абонента в сторону второго и прошедших через искусственную неоднородность сигналов первого и второго абонентов в сторону четвертого абонента, кроме того, 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. Вместо второй гармоники может быть использована третья или четвертая и т.д. гармоники.
Мощность выбранных гармоник дополнительно усиливается за счет выбора 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. Т.6, №4, 2003]. При передаче информации со стороны четвертого абонента функциональные операции первого и второго абонентов, с одной стороны, и четвертого абонента, с другой стороны, меняются местами. Направления главных и добавочных максимумов на заданное количество четвертых абонентов определяется углом преломления rn, rm соответственно.
Теоретически возможность одновременного усиления и модуляции амплитуды и фазы сигнала с помощью неоднородности в виде плоскослоистой среды показана в работе [Головков А.А., Волобуев А.Г. Алгоритмы синтеза и анализа активных многофункциональных плоскослоистых сред отражательного и смешанного типов. - Физика волновых процессов и радиотехнические системы. Т.6, №4, 2003]. Покажем экспериментально возможность формирования требуемых диаграмм направленностей.
В интересах обоснования возможности реализации способов нелинейной радиосвязи и для исследования диаграмм вторичного излучения на 1-ой и 2-ой 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 шириною 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.3а, б). С другой стороны решетки с диодами 1А402Г была установлена точно такая же полистироловая пластина.
Второй тип решеток отличался от первого тем, что вместо полистироловых пластин выбраны фторопластовые пластины тех же размеров, а 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.5а, б. На исследуемую решетку Р, помещенную в безэховую камеру (Б.Э.К.), падала излучаемая генератором Г (тип ГС - 626) электромагнитная волна с частотой ƒ=8,3 ГГц. При этом для исследования диаграммы направленности вторичного излучения на первой и второй гармониках в одном полупространстве использовалась установка, изображенная на фиг.5а, а в другом полупространстве - на фиг.5б.
Мощность излучения составляла примерно 40 мВт. Фильтр, настроенный на указанную частоту, использовался для устранения гармоник, возникающих в самом генераторе. Отраженная или прошедшая 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-ой (-·-·-) и 2-ой гармониках падающей электромагнитной волны с длиной волны λ=3,61 см, где (- - -) - главный максимум 2-ой гармоники и (
) - добавочный максимум 2-ой гармоники в обоих полупространствах.
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 для полупространства, в котором расположены первый и вторые абоненты, 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 в этом же полупространстве направления главных и добавочных максимумов определяются соответственно условиями:
где m=1, 2, 3,...; n=0, 1, 2,...; d - период решетки; ϕn,m - угол наблюдения; θ - угол падения, N - число диодов в одной строке и одном столбце матрицы, в виде которой выполнен управляемый слой. Для полупространства, в котором расположены четвертые абоненты, экспериментальным результатам удовлетворяет аналог закона Снелиуса [Б.М.Яворский, Справочник по физике, "Наука", 1968 г., стр.586]. В данном случае отличие состоит в том, что угол "преломления" соответствующего максимума связан не с углом падения, а с углом "отражения" соответствующего максимума диаграммы излучения второй гармоники. Для исследуемых решеток направления главных rn и добавочных rm максимумов на четвертые абоненты:
где n1 - показатель преломления воздушного пространства, а n2 - показатель преломления диэлектрика слоев.
После выхода преломленных лучей из диэлектрика в силу указанного закона лучи излучаются с направлениями ϕn и ϕm на четвертые абоненты. Таким образом формулы (7-9) справедливы для всех лучей второй гармоники, излучаемых в оба полупространства. Диаграммы оказываются симметричными относительно плоскости неоднородности.
В таблице 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 | ||||
| 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 | |||
| 1 | теор. | 1° | ||
| эксп. | 1° | |||
| 2-ой тип | 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-ой гармонике совпадают с максимумами на 2-ой. Это хорошо согласуется с процессом взаимодействия гармоник. Максимумы второй гармоники наблюдаются при следующих соотношениях параметров решетки:
При другом 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 первого и второго абонентов на 10-13 дБ. 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 является новым, поскольку из общедоступных сведений неизвестны способ и системы его реализации, обеспечивающие преобразование стороннего сигнала на высшие гармоники, усиление их, модуляцию амплитуды и (или) фазы и переизлучение в оба полупространства, также демодуляцию стороннего сигнала с помощью искусственной среды в виде управляемой слоистой структуры со специально выбранными параметрами, обеспечивающими реализацию указанных свойств и многолучевой характер диаграммы излучения.
Предлагаемое техническое решение имеет изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявленная последовательность операций - прием, демодуляция, преобразование частоты, модуляция, усиление и передача заданному количеству абонентов информации при использовании высших гармоник сигнала стороннего источника одного из абонентов в качестве несущего сигнала с помощью неоднородности, состоящей из слоистой среды, выполненной из управляемого слоя и симметрично относительно него расположенных неуправляемых слоев со специальным образом выбранными параметрами обеспечивает повышение скрытности передачи информации при уменьшении массогабаритных характеристик.
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, дополнительном усилении гармоник за счет использования активных диодов и выбора параметров неуправляемых слоев, повышении скрытности передачи информации за счет использования в качестве несущего сигнала наиболее мощных гармоник сигналов первого и второго абонентов, переизлучаемых искусственной неоднородностью, и увеличении объема передаваемой информации за счет увеличения количества абонентов, расположенных по обе стороны от плоскости неоднородности.
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 искусственной неоднородности, выделении путем демодуляции с помощью искусственной неоднородности информационного сигнала первого абонента, переотражении модулированного сигнала посредством искусственной неоднородности в сторону второго абонента, находящегося по одну сторону от плоскости неоднородности, формировании третьим абонентом поднесущего сигнала и первичного информационного сигнала, воздействии ими на формирование искусственной неоднородности путем изменения сопротивления ее управляемого слоя, приеме переизлученного искусственной неоднородностью дважды модулированного сигнала приемопередающей станцией второго абонента и выделении из него путем демодуляции и фильтрации информационных сигналов первого и третьего абонентов, отличающийся тем, что переизлученный сигнал усиливают с помощью искусственной неоднородности, пропускают дважды модулированные сигналы первого и второго абонентов посредством искусственной неоднородности в сторону четвертого абонента, находящегося по другую сторону от плоскости неоднородности, принимают прошедшие через искусственную неоднородность дважды модулированные сигналы первого и второго абонентов, выделяют из них путем демодуляции и фильтрации с помощью приемопередающей станции четвертого абонента информационные сигналы первого, второго и третьего абонентов, направление прихода сигнала первого абонента или угол падения этого сигнала на искусственную неоднородность, направление переизлученного искусственной неоднородностью сигнала в сторону второго абонента, направление переизлученного искусственной неоднородностью сигнала в сторону четвертого абонента, а также параметры этой неоднородности выбирают исходя из условий обеспечения максимумов мощности на гармониках несущего сигнала первого абонента в направлении на второй и четвертый абоненты, в качестве несущих сигналов третьего абонента используют наиболее мощные гармоники переизлученных сигналов первого и второго абонентов в оба полупространства относительно плоскости неоднородности, количество вторых и четвертых абонентов определяют количеством главных и добавочных максимумов диаграммы переизлученных наиболее мощных гармоник несущих сигналов первого и второго абонентов.
2. Система реализации способа радиосвязи, выполненная из двух приемопередающих станций первого и второго абонентов, 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 повторной амплитудной и(или) фазовой модуляции вторичного сигнала первого абонента, переизлученного в сторону другого абонента, находящегося по одну сторону от плоскости неоднородности, одного источника первичного информационного сигнала третьего абонента, расположенного вблизи неоднородности, и устройства регистрации сообщений, подключенных к управляемому слою, отличающаяся тем, что в качестве полупроводниковых элементов включены активные диоды, количество и значения параметров неуправляемых слоев выбраны из условий обеспечения усиления и повторной амплитудной и фазовой модуляции сигналов первого и второго абонентов, переизлучаемых в сторону четвертого абонента, находящегося по другую сторону от плоскости неоднородности, при этом величина периода d управляемого слоя и ширина полосок D выбраны из условия обеспечения наибольшей мощности гармоники сигналов первого и второго абонентов, выбранной в качестве несущего сигнала третьего абонента:
0,2≤D/d≤0,4; 0,1≤d/λ≤0,5,
направление прихода модулированного сигнала первого абонента или угол падения этого сигнала на искусственную неоднородность выбраны из условия обеспечения в направлениях на заданное количество вторых и четвертых абонентов главных и добавочных максимумов диаграммы вторичного излучения на выбранной гармонике в оба полупространства относительно плоскости неоднородности.
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 выполнены одинаковыми, количество и значения параметров неуправляемых слоев выбраны из условия усиления и обеспечения повторной амплитудной и(или) фазовой модуляции сигналов первого и второго абонентов, переизлучаемых в сторону четвертого абонента, находящегося по другую сторону от плоскости неоднородности, направление прихода модулированного сигнала первого абонента или угол падения 9 этого сигнала на искусственную неоднородность выбраны из условия обеспечения на направлениях ϕn, ϕm на заданное количество вторых и четвертых абонентов главных максимумов мощности второй гармоники переизлученного сигнала
и добавочных максимумов мощности второй гармоники переизлученных сигналов
где n=1, 3, 5... - порядок главных максимумов диаграммы излучения второй гармоники в оба полупространства; m=1, 2, 3... - порядок добавочных максимумов диаграммы излучения второй гармоники в оба полупространства, где λ - длина волны второй гармоники.
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 матрицы в одной и той же строке диоды включены в одном направлении, направление прихода модулированного сигнала первого абонента или угол падения 6 этого сигнала на искусственную неоднородность выбрано из условия обеспечения на направлениях ϕn, ϕm на заданное количество вторых и четвертых абонентов главных максимумов мощности второй гармоники переизлученных сигналов
и добавочных максимумов мощности второй гармоники переизлученных сигналов
где n=0, 1, 2... - порядок главных максимумов диаграммы излучения второй гармоники в оба полупространства; m=1, 2, 3... - порядок добавочных максимумов диаграммы излучения второй гармоники в оба полупространства; λ - длина волны второй гармоники.
