CC BY
11
т
ЛОКАЦИЯ ДЕПОЛЯРИЗОВАННОЙ ВОЛНЫ
Аджемов Сергей Сергеевич,
МТУСИ, Москва, Россия, [email protected]
Репинский Владимир Николаевич,
МТУСИ, Москва, Россия, [email protected]
DOI 10.24411/2072-8735-2018-10101
Ключевые слова: обыкновенная волна, необыкновенная волна, поляризация эллиптическая и круговая, плоскость поляризации, поверхность поляризации, интерференция.
Представлены результаты моделирования приема волны, являющейся суперпозицией составляющих с противоположными направлениями вращения электрического вектора фазированной антенной решеткой с управляемой поляризационной характеристикой. Необходимость построения такой модели была обусловлена данными экспериментальных исследований, при которых были обнаружены переходные помехи между волнами с различными поляризациями. Применение вращающейся (электрически) антенны позволяет, используя стробоскопический эффект, осуществить разделение таких составляющих, путем переноса их на разные частоты (суммарную и разностную с частотой вращения поляризационной характеристики антенны). Такое частотное разнесение позволяет уменьшить поляризационные замирания ионосферной волны, а в случае использования поляризационной модуляции несущей, повысить помехоустойчивость приема. Однако этот эффект проявляется в полной мере при круговой поляризации падающей волны, потому что при эллиптической поляризации возникают переходные помехи между волнами с правым и левым вращением электрического вектора. Уменьшить переходные помехи можно подбором ориентации антенной апертуры таким образом, чтобы поляризация одной из волн проецировалась на нее в виде круга. Делать это приходится во всех случаях, потому что ионосферная волна в подавляющем большинстве случаев имеет либо эллиптическую поляризацию, либо деполяризована при интерференции нескольких волн, отраженных от разных участков. После подстройки помехи от этой волны не переходят на частоту другой.
Предложена гипотеза, согласно которой, поляризация электромагнитного колебания, обычно считающегося деполяризованным, на деле представляет собой 3D фигуру, описываемую концом электрического вектора, которая получается в результате интерференции волн, имеющих различия в направлениях распространения. Показано, что при определенных условиях, можно определить ориентацию этой 3D фигуры, электрического вектор (эллипсоид вращения) и, на основе полученных пространственных координат фигуры, получить статистические выводы о вероятном направлении на излучатель основной падающей волны. Ориентировать антенну в трехмерном пространстве предлагается по минимуму уровня мощности на частоте волны, "очищенной" от переходных помех.
Информация об авторах:
Аджемов Сергей Сергеевич, д.т.н. профессор, МТУСИ, Москва, Россия
Репинский Владимир Николаевич, к.т.н., доцент, МТУСИ, факультет радио и телевидения, Москва, Россия
Для цитирования:
Аджемов С.С., Репинский В.Н. Локация деполяризованной волны // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2018. Том 12. №6. С. 4-8.
For citation:
Ajemov S.S., Repinsky V.N. (2018). Location of a depolarized wave. T-Comm, vol. 12, no.6, pp. 4-8. (in Russian)
7TT
Y
Проведенные авторами натурные эксперименты с приемом волн декаметрового диапазона на антенную решетку с управляемой поляризационной характеристикой, показали, что сигнал, претерпевший множество отражений при распространении, в точке приема образует волну, которую обычно описывают как полностью деполяризованную, так как положение приемной антенны в виде простого вибратора практически не влияет на уровень входного сигнала приемного устройства. Более того, точные измерения показывают, что поляризационная картина в точке приема как бы «дышит» постоянно меняя свою конфигурацию.
Для того, чтобы из линейно-поляризован ной волны получилась волна с круговой или эллиптической (что чаще) поляризацией, нужно, как минимум, две волны с линейной поляризацией, отличающиеся и различными фазовыми сдвигами (рис. I }.
е (t)=E,mcos(wf>
Ey.cos(wt- ф)
©](t)=E im sin(wt)
Рис.
Если фронтальные плоскости волн ие совпадают (рис. 2 а,б), то результирующий электрический вектор описывает в пространстве некоторую поверхность вращения, в результате чего и возникает картина деполяризации (рис. 2в). То же самое происходит при интерференции волн с круговой или эллиптической поляризацией, лишь пространственный анализ становится сложнее (рис. 2).
Нсрмздь к фронту волны Й
Нор мать : фронту волны
Рис. 2
Если разность фаз интерферирующих воли флуктуирует, что обычно всегда имеет место в декаметровом диапазоне волн, то поверхность поляризации, образуемая концом результирующего вектора Е, также меняет как конфигурацию, так и ориентацию в пространстве.
В силу этих причин локация удаленного передатчика вызывает трудности, подчас непреодолимые, так как трудно сориентировать рамочную антенну по сигналу с сильно выраженной деполяризацией. Если в точке приема интерферируют обыкновенная и необыкновенная составляющие ионосферной волны, имеющие противоположные вращения электрических векторов, то проблему идентификации направления основного излучения можно решать применяя фазированную антенную решетку с поляризационной характеристикой регулируемой таким образом, чтобы вращать диаграмму антенны, ориентируя ее в соответствии с траекторий, описываемой концом электрического вектора. Модель приема волн на вращающийся вибратор предложена в 111. Воспользуемся ею для определения параметров ориентации поверхности поляризации волны в точке приема.
Для расчета напряжении во вращающейся антенне с плоскости, секущей поляризационный эллипсоид вращения, используем известное преобразование вращающихся координат, а в качестве расчетного инструмента Mathcad 14.
Координаты вращающейся по произвольной (круговой или эллиптической) траектории антенны, используемой при приеме, рассчитаем для обыкновенной и необыкновенной волн по формулам:
[ 2яО., —-— I ual, - sin I 2я€1 „ —-— и ^ ,gl92 j „, ^ "SI92 J
",Л0 = eos 2;гП
m У*1 -о)
"ммС) = COS 2лП , —-— ию, + sin I 2лПЁ1 —-— lu. ; ^ " g 192 J "" l, "8192
Здесь 8192=2 количество точек, необходимое для исследования спектральных характеристик принимаемого вращающейся антенной сигнала. Напряжения (1) фактически представляют собой значения проекции элекгрических векторов обыкновенной и необыкновенной волн на вращающийся с угловой частотой Q| вибратор антенны. Напряжение и и ипи представляют собой мгновенные значения проекций элекгрических векторов обыкновенной и необыкновенной волн па оси абсцисс системы координат, повернутой вокруг точки начала на угол ф или /? соответственно. Аналогично и для оси Y. В момент расщепления волны на обыкновенную и необыкновенную составляющие фа-
П
зовыи сдвиг между ними —.однако, в точке приема из-за
2
различных интерференции и переотражений это может быть и не так. В математическую модель мы вводим именно два угла, а не их разность для сохранения возможности введения третьего измерения, для организации оптимального приема волны пространственной поляризационной характеристикой антенны. Учтем возможность эллиптической поляризации обозначив а ,Ь - удвоенные большую и малую полуоси
эллипса, описывемого вращающимся электрическим вектором волны.
Аналогичным (1) образом с учетом произвольного угла наклона плоскостей поляризации обыкновенной и необыкновенной волн, находим их проекции на пока неподвижную антенную систему (на оси х и у, что необходимо для расчетов по формулам ( 1 ):
7ТТ
У
«¿а =
= со8(/г)(7,„
и,.,, соз (] + Д 3111 {2лЙ„/))г)-
-Ьы зт (2^Пг (] + Д 8т(2лйлг/))/) а,л со$(2яО(I + Д 51п (2;гПт/))( )н + 31П (1 +■ Д8!П (2лО„())(§
аы сс$;(2ггПу {¡ + Д 8т(2яА,.г))/)-(2лП,. (1 + Д^п (2яП,г))г) а^ соз(2 + Д (2 1 -I
+Ь1Л $т(2жС1, (] + Д 5т (2^0,,/))/)
ашб соь{}лПу (1 + Д »¡п (2ггП„г))г)-кт (2^2, (] + Д $т (2;гО„/))г) соз(2,тП, (1 + Д5т{2л£Зт/))/) +
ят (1 + Д 5111 (2^!г/
а1мл с°5(I + Л зт (2яС1т1))/ )-5'п (2л£1, (1 ФДзт {2яО.„,'))') соз(2лО,. (| + Дзт (2лП,„/))/)н зт (2лПг (! + Д 8га(2яЙи*))г)
•(2)
Здесь а,Ь ~ удвоенные большая и малая полуоси эллипса, опиеы в ем о го вращающимся вибратором переменной длины соответственно, угловая частота вращения антенны и угол эллипса к вертикали (для случая эллиптического закона вращения поляризационной характеристики), -
угловая частота принимаемой волны, Д — индекс угловой модуляции принимаемого сигнала, - частота модуля-
ции, I/ и 11кго6 — амплитуды несущих волн с правым и левым вращениями электрического вектора.
Перемещая пространственную поляризационную характеристику антенны таким образом, чтобы проекция траектории электрического вектора па плоскость ортогональных диполей образовала круг, минимизируем переходные искажения от этой волны на новую частоту волны с противоположным вращением,
В результате математического моделирования установлено, что при такой настройке системы имеет место экстремальная зависимость уровня сигнала на высокой частоте преобразования, при учете которой можно проводить оптимизацию системы регулируя ее поляризационную характеристику, В двумерной модели можно пользоваться системой взаимно перпендикулярных диполей, в случае же, когда электрический вектор волны в точке приема описывает поверхность в трехмерном пространстве - следует пользоваться антенной триангулярного типа. Заметим, что этот эффект экстремума не проявляется на спекзре амплитуд, что, по-видимому, связано с неучетом в нем фазовых соотношений преобразования.
Рассмогрим механизм образования спектров на суммарной и разностной частотах волны и вращения антенны. Означенный эффект возникает при приеме двух волн с противоположными направлениями вращения электрического вектора - обыкновенной и необыкновенной. Если волны поляризованы эллиптически (наиболее частый случай [2-4]), а плоскость вращения антенны не совпадает с оптимальной ориентацией, то переходные искажения возникают у обеих волн (рис. 3).
МО®
Рне. 4
У
7ТЛ
т
LOCATION OF A DEPOLARIZED WAVE
Sergey S. Ajemov, Moscow Technical University of Communications and Informatics, Moscow, Russia, [email protected] Vladimir N. Repinsky, Moscow Technical University of Communications and Informatics, Moscow, Russia, [email protected]
Abstract
The results of simulation of wave reception, which is a superposition of components with opposite directions of rotation of electric vector by phased antenna array with controlled polarization characteristic, are presented. The need to build the model was determined by these experimental studies, in which were found transient interference between waves with different polarizations. The use of a rotating (electrically) antenna allows, using a stroboscopic effect, to carry out the separation of such components by transferring them to different frequencies (total and difference with the frequency of rotation of the polarization characteristics of the antenna). This frequency diversity allows to reduce polarization fading of the ionospheric wave, and in the case of polarization modulation of the carrier, to increase reception immunity. However, this effect is fully manifested in the circular polarization of the incident wave, because the elliptical polarization causes transient interference between the waves with the right and left rotation of the electric vector. You can reduce transient interference by selecting the orientation of the antenna aperture so that the polarization of one of the waves is projected onto it as a circle. It is necessary to do this in all cases, because the ionospheric wave in the vast majority of cases has either elliptical polarization or depolarized by interference of several waves reflected from different sites. After tuning, the interference from this wave does not change to another frequency.
The hypothesis according to which the polarization of electromagnetic oscillations, usually considered depolarized, is in fact a 3D figure, described by the end of the electric vector, which is obtained as a result of interference of waves with differences in the directions of propagation. It is shown that under certain conditions, it is possible to determine the orientation of this 3D figure, the electric vector (ellipsoid of rotation) and, on the basis of the obtained spatial coordinates of the figure, to obtain statistical conclusions about the probable direction to the emitter of the main incident wave. It is proposed to Orient the antenna in three-dimensional space at the minimum power level at the frequency of the wave, "cleared" of transient interference.
Keywords: ordinary wave, extraordinary wave, polarization elliptical and circular, plane of polarization, surface of polarization, interference. References
1. Adzhemov S.S., Repinsky V.N. (2018). Selection of the split ionospheric wave by rotating the polarization of the receiving antenna. T-Comm, Vol. 12, No.1, pp. 4-8.
2. Gusev K.G., Filatov A.D., Sopolev A.P. (1974). Polarization modulation. Moscow: Soviet Radio. 288 p.
3. Chernov Yu.A. (2002). Elliptic polarization of waves on HF traces. Proceedings of NIIR, pp. 72-75.
4. Kiryakova K.S., Kryukovsky A.S. (2012). Features of the radiation propagation of radio waves in the Earth's ionosphere. T-Comm. No. 11, pp. 25-28.
5. Manley J.M., Rowe H.E. (1956). Some general properties of nonlinear elements. Pt. 1. General energy relations. Proceedings of Institute of Radio Engineers. Vol. 44. No. 7, pp. 904-913.
Information about authors:
Sergey S. Ajemov, Doctor of Technical Sciences professor, Moscow Technical University of Communications and Informatics, Moscow, Russia Vladimir N. Repinsky, Ph.D., associate professor, Moscow Technical University of Communications and Informatics, Faculty of Radio and Television, Moscow, Russia
7TT
