CC BY
58
т
селекция расщепленной ионосферной волны
с помощью вращения поляризации приемной антенны
DOI 10.24411/2072-8735-2018-10001
Аджемов Сергей Сергеевич,
МТУСИ, Москва, Россия, adjemov@srd.mtuci.ru
Репинский Владимир Николаевич,
МТУСИ, Москва, Россия, vnrepinski@gmail.com
Ключевые слова: обыкновенная волна, необыкновенная волна, поляризация эллиптическая и круговая, плоскость поляризации, ионосфера.
Поляризация, возникающая как при излучении волны антенной, так и в процессе распространения является фактором, исследованным относительно меньше, чем прочие стороны электромагнитного волнового процесса. Особую роль поляризация играет в системах передачи информации, когда осуществляется модуляция параметров поляризации электромагнитного поля, используется поляризационное разделение каналов приема, поляризационно-разнесенный прием. Так, еще в 1962 году Н.Т.Петровичем и Е.Ф.Камневым [1] была предложена относительная поляризационная модуляция путем изменения направления вращения электрического вектора на противоположное. В системах связи, использующих диапазоны частот, сигналы в которых распространяются в пределах прямой видимости, поляризационная обработка не представляет больших трудностей и сводится, в основном, к проектированию соответствующих антенн и систем автоматического управления ими. Иначе обстоит дело в диапазонах волн ионосферного распространения [2].
Представлены результаты исследования способа приема ионосферных волн антеннами с периодически изменяющимися поляризационными характеристиками. Показано, что ионосферная волна, расщепленная при распространении на обыкновенную и необыкновенную составляющие может быть принята на двух частотах: разностной с частотой вращения поляризационной характеристики антенны и суммарной, в зависимости от типа взаимодействующей составляющей - обыкновенной или необыкновенной. Проанализированы причины появления переходных искажений, показан способ их минимизации.
Информация об авторах:
Аджемов Сергей Сергеевич, д.т.н., профессор, МТУСИ, Москва, Россия Репинский Владимир Николаевич, к.т.н., доцент, МТУСИ, Москва, Россия
Для цитирования:
Аджемов С.С., Репинский В.Н. Селекция расщепленной ионосферной волны с помощью вращения поляризации приемной антенны // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2018. Том 12. №1. С. 4-8.
For citation:
Adzhemov S.S., Repinsky V.N. (2018). Selection of the split ionospheric wave by means of rotation of polarization of the reception antenna. T-Comm, vol. 12, no.1, pр. 4-8. (in Russian)
У
Ионосфера для коротких волн {3-30 МГц) представляет собой анизотропную среду, получившую такое свойство из-за взаимодействия свободных носителей с магнитным полем Земли. Расщепление падающей волны на обыкновенную и необыкновенную составляющие, распространяющиеся разными путями приводит к еще одному механизму возникновения замираний - поляризационному. Борьба с поляризационными замираниями идет постоянно, в частности путем излучения волн с вращающейся поляризацией. В [3] показано, что обнаруженная автором эллиптическая поляризация атмосферных помех позволяет найти новый подход к проблеме обнаружения и различения сигналов в присутствии поляризованной помехи.
Ввиду сложности процессов, происходящих в ионосфере, адекватные аналитические модели сложны и не инвариантны различным условиям. Обычно принято осуществлять построение адаптивных эмпирических моделей [4], использующих наряду с известными параметрами, такими как число Вольфа и значение глобального ионосферного индекса, данных возвратно-наклонного зондирования. Но и в этом случае достоверно рассчитать поляризационные изменения сигнала не удается.
Разделение составляющих пришедшей волны с различными поляризациями актуальная задача для всех систем связи. Сейчас она решается путем ориентации соответствующих антенных систем механическими или электрическими способами. Однако это не относится к элементам составной волны - обыкновенной и необыкновенной. Их эффективное разделение до сих является нерешенной задачей, хотя, при ее решении системы радиолокации и связи могли бы получить выигрыш в уменьшении глубины поляризационных замираний на величину до 10 дБ [5], что послужило бы существенному повышению эффективности таких систем.
В данной статье предлагается метод частотного разделения колебаний обыкновенной и необыкновенной составляющих волны, основанный на использовании стробоскопического эффекта.
Суть предлагаемого метода заключается в использовании механически или электрически вращающейся приемной антенны с линейной поляризацией. Как известно |5, 6], при распространении электромагнитных волн в анизотропной плазменной среде ионосферы вдоль внешнего магнитного поля (Земли), в диапазоне частот больших электронной циклотронной частоты соИе, существуют обыкновенная и необыкновенная волны. Необыкновенная волна имеет правую круговую поляризацию, совпадающую с направлением циклотронного вращения электронов; вектор электрического поля в обыкновенной волне вращается в противоположном направлении.
При распространении электромагнитных волн в анизотропной плазменной среде ионосферы перпендикулярно внешнему магнитному полю (Земли), в области высоких частот имеются по-прежнему две линейно независимые волны — обыкновенная и необыкновенная - с ортогональными поляризациями, которые в данном случае линейны.
При промежуточном направлении излучения относительно магнитного поля земли поляризации обыкновенной и необыкновенной волн ортогональны и эллиптичны.
Суть предлагаемого метода обработки принятого сигнала может быть лучше всего объяснена для частного случая распространения волны вдоль магнитно-силовых линий магнитного поля Земли, когда поляризация обыкновенной и необыкновенной волн круговая.
При частоте щу ,падающей на ионосферу волны, и
частоте вращения линейного вибратора приемной антенны О, то согласно стробоскопическому эффекту, напряжения, наводимые электрическими векторами Е обыкновенной и необыкновенной волн на вибратор, будут иметь соответственно частоты а>ол = со№ + Г2 и о)иА - а>№ - О, то есть частоты напряжений, наводимых в антенне обыкновенной и необыкновенной волнами, будут отличаться на удвоенную частоту вращения вибратора и могут быть обработаны раздельно.
Математическая модель приема на вращающуюся антенну. Рассмотрим вначале случай, когда обыкновенная и необыкновенная волны имеют круговую поляризацию, то есть направление падающей на ионосферу волны было строго перпендикулярно вектору магнитного поля Земли Н„, а условия на трассе таковы, что ослабление и
задержка для обеих этих волн одинаковы. В системе координат ОХУ задана точка М=(х,у) (Рис.1). Перед поворотом системы координат на угол ф системы ОХ\' и ОХ2У2 совпадали.
Рис. 1
К системе координат ОХ2У2 применим преобразование вращения так, что относительно исходного своего положения, то есть относительно системы ОХУ, эта система оказывается повернутой на угол ф [7]. В системе координат 0X2V2 координаты точки М составляют пару чисел (х2,у2). Для рассматриваемого случая выражения, определяющие связь координат ОХ У и 0X2 ¥2 имеет вид:
Т-Сотт Уо!.12. #1-2018
Y
| ЗС = СОв вш (р • у2 (|)
= + соъ<р • У2
Рассматривая только ось «X», как ориентацию вибратора, подставляем в первое уравнение в качестве .у-, гармоническую функцию и в качестве у2 также гармоническую функцию со сдвигом —. Это соответствует круго-
2
вой поляризации обыкновенной падающей волны:
х2 = [/() ■ [сОб{л)/) — 5ш(й)/)] (2)
У2 = и0 • [с05(<ш) + 5т(&^)]
Для необыкновенной волны, имеющей обратное направление вращения вектора электрического поля, имеем аналогичные соотношения;
х2 =ин *[со5((У/)+зт(й^)] (3)
у2 =ин ■ [соз{й»)-вт(й>/)]
Ра в [то мерное вращение вибратора приемной антенны - это линейное изменение аргумента (р. Угловая частота вращения антенны О.
Подставляем выражения (2) и (3)в первое уравнение системы (1) и получим выражение для напряжения на выходе вращающейся антенны приемника: 7/(0 >- соэО/ • ({/, ■ [еоь{/Уг)-зт(й>/)]+ ии ■[соб{м/)+5т(г<У)]) ^ —5т ■ (Ь0 • [со&(й*г)+йт(й)?)]+IIЦ
Из выражения (4) и получается очевидный вывод о частотном разделении обыкновенной и необыкновенной составляющих. На рисунке 2 показан амплитудный спектр разделенной волны в условиях отсутствия помех и при круговой поляризации составляющих.
1.2 : оз о.я
0.75 0 6 045 0.3 015 D
7 П
какой-либо модуляцией. При наличии нелинейного преобразования двух колебаний, одно из которых модулировано, наблюдается так называемая перекрестная модуляция. то есть модуляция переходит на немодулированное до того колебание. На практике это соответствует случаю, когда на одну из двух расщепленных составляющих, распространяющихся по различным путям, воздействует мультипликативная помеха, а на дру!ую - нет.
Амплитудная модуляция. В рассматриваемом случае не имеет значения какую из волн модулировать по амплитуде. Введем модуляцию в выражение для обыкновенной волны, для чего в выражении (4) осуществим подстановку ио У и<}{\ - тсонй,/) :
1/(0 >- соаП/ (1 - тосозП(0'[со8{й>')—+■
+и„ ■[ соя (в><)+бш (о*)])—$1п Яг ■ (ЦД^ т сей Я, 0 * I*)
х [со5(/ц/) + $т(й>/)] + ин -[сс^/у/) -
Па рисунке 3 показан амплитудный Спектр напряжения на выходе вращающегося вибратора при амплитудной модуляции обыкновенной волны. Как видно, никакой зависимости между преобразованными по частоте колебаниями обыкновенной и необыкновенной волн нет.
1.2 1 05 0.0 0.75 - 0.6 0.45 0 3 0.15
а
—& &
5x10е 1*10* 1.5*10 2*10 2.5*10' 3*10* f
Рис. 2
Взаимное влияние обыкновенной и необыкновенной волн в процессе частотного преобразования вращением вибратора приемной антенны. Стробоскопический эффект сдвига частот при проекции вращающегося вектора на вращающийся вибратор не является следствием нелинейного преобразования, если вращение относительно друг друга является равномерным. Если движение равномерным не является, то и спектр принятого движущимся объектом сигнала не является монохроматическим. Аналогично можно рассуждат ь и в отношении точки, вращающейся по окружности, сравнивая ее с точкой, вращающейся по эллипсоидной траектории. Для количественной оценки влияния такого вида «нелинейности» в математической модели, одну из волн можно «окрасить»
Рве. 3
Иначе происходит в случае, когда модулированная (обыкновенная) волна, в силу обстоятельств становится поляризованной по эллипсу, процесс преобразования становится нелинейным, появляются комбинационные частоты и взаимное влияние составляющих, которое тем больше, чем сильнее «сжат» эллипс. На рисунке 4 приведен амплитудный спектр напряжения на выходе антенны для случая, когда соотношения осей эллипса поляризации обыкновенной модулированной по амплитуде волны равно 1,5.
1.2 105 0.9 0.75
- ол
0.45 0.3 0.15 0
1 1 d
Рис. 4
T-Comm Том 12. #1-2018
У
Как видно, модуляция переходит на второе колебание (преобразованную необыкновенную волну), однако уровень перекрестных искажений относительно невелик и при не слишком больших отклонениях от круговой поляризации малозаметен.
Чем больше отношение осей эллипса поляризации обыкновенной волны, тем сильнее возрастают перекрестные искажения, фиксируемые на необыкновенной составляющей, которая теперь отнесена по частоте на величину 2С1.
Исследование модели показало, что при амплитудной модуляции обыкновенной волны при круговой ее поляризации, отклонение траектории вектора электрического поля необыкновенной волны от круговой, не приводит к увеличению ее искажений путем переноса части энергии обыкновенной волны на частоту необыкновенной. Но при этом, часть энергии необыкновенной немодулиро-ванной волны попадает на частоту несущей обыкновенной волны. Таким образом, можно сделать вывод, что отклонение от круговой поляризации одной из волн приводит к переходе части ее энергии на другую волну с круговой поляризацией. Обратного влияния нет, пока поляризация ее круговая. Разумеется, все сказанное верно только в том случае, когда вибраторы приемной антенны вращаются в плоскости ЕН падающей волны.
Рассмотрим случай, когда амплитудные модуляции (независимые) наблюдаются у обеих составляющих. При круговой поляризации обыкновенной и необыкновенной волн, а также антенны, взаимного влияния и перекрестных искажений нет. При появлении некоторой «эллинсо-идности» поляризаций волн, проявляется нелинейность, и возникают перекрестные искажения, которые возрастают по мере «сжатия» эллипсов поляризации. Однако, даже при довольно высоких соотношениях осей эллипса поляризации эти искажения не превышают уровень основной энергии колебания волны, то есть отношение сигнал\помеха практически всегда остается величиной большей единицы. Разумеется, речь идет только о перекрестной помехе, возникшей при частотном разделении обыкновенной и необыкновенной волн.
Изменение круговой поляризации на эллиптическую сразу порождает переходные искажения в другую составляющую волны. Отметим, что при круговых поляризациях обыкновенной и необыкновенной волн, но при эллиптической поляризации приемной антенны, имеют
Ряс. 5
место взаимные переходные искажения, что указывает на необходимость ориентации приемной антенны строго в плоскости падающей волны.
Соотношение амплитуд обыкновенной и необыкновенной воли в точке приема на приведенные результаты влияния не оказывает.
Иллюстрацией к вышесказанному является рис. 5.
Амплитудный спектр обыкновенной волны на выходе вращающейся антенны на рисунке 5 показан сплошными линиями, а необыкновенной - жирными точками. Частоты модуляции волн - разные. При изменении поляризации на эллиптическую, модуляция переходит на частоту другой волны. На втором рисунке обыкновенная волна имеет круговую поляризацию и, как видно, переход модуляции на частоту необыкновенной волны не наблюдается.
Использование каналов передачи на обыкновенной и необыкновенной волнах для повышения помехоустойчивости приема сигналов в условиях замираний. Обыкновенная и необыкновенная волны отражаются от ионосферы на различной высоте, распространяются по различным путям, подвергаются различному затуханию и мультипликативным помехам. В силу этих обстоятельств корреляция помех в обыкновенном и необыкновенном каналах связи должны быть небольшой в такой степени, чтобы стал возможным комбинированный прием с оптимальным автовыбором или оптимальным сложением. Известно [8], что для реализации эффективного разнесенного приема, необходимо, чтобы коэффициент корреляции между помехами в каналах был меньше или
равен — я 0.37. В классической схеме организации сисе
темы коротковолновой связи, в отличие от УКВ, такое поляризационное разнесение невозможно, так как исходная линейная поляризация не сохраняется и превращается в эллиптическую. Практически непреодолимые трудности возникают из-за того, что обе волны имеют одну и ту же частоту.
Прием сигналов коротковолнового диапазона на электрически вращаемую антенную систему создает новые условия, отсутствовавшие прежде, происходит разделение обыкновенной и необыкновенной волны по частоте, позволив осуществить прием каж'дой из них в отдельности.
т
Повышение устойчивости системы приема сигналов коротковолнового диапазона к воздействию средств активного радиотехнического противодействии. В случаях, когда средства радиоэлектронного противодействия противника находится на расстояниях, исключающих использование ионосферы, т.е. воздействие осуществляется земной волной, классические способы организации приема коротких волн практически беззащитны.
Все иначе, когда прием ведется на электрически вращаемый вибратор. Обыкновенная и необыкновенная волны, пришедшие из ионосферы, имеют противоположно вращающиеся векторы электрического поля и в соответствии с принципами разделения переносятся па разные частоты. Волна, излучаемая средствами радиоэлектронной борьбы противника, имеет, скорее всего, круговую поляризацию для поражения антенн любой ориентации. Помеха, созданная противником, попадает на частоту одной из разделенных волн, тогда как другая остается свободной от поставленной помехи.
Выводы
1. Разнесение по частоте обыкновенной и необыкновенной волн при осуществлении приема возможно, путем циклического переключения соответственно ориентированных антенных систем.
2. Отсутствие влияние колебаний обыкновенной и необыкновенной волн друг па друга при частотном разделение, имеет место в случае их круговой поляризации.
3. Если одна из волн поляризована по кругу (или плоскость приемной антенны ориентирована так, что
SELECTION OF THE SPLIT IONOSPHERIC WAVE BY MEANS OF ROTATION OF POLARIZATION OF THE RECEPTION ANTENNA
Sergey S. Adzhemov, MTUCI, Moscow, Russia, adjemov@srd.mtuci.ru Vladimir N. Repinsky, MTUCI, Moscow, Russia, vnrepinski@gmail.com
Abstract
Results of a research of a method of reception of sky waves by antennas with periodically changing polarization characteristics are provided. It is shown that the sky wave split in case of distribution on ordinary and unusual components can be accepted at two frequencies: the difference with rotating speed of a polarization characteristic of the antenna and summary, depending on type of an interacting component - ordinary or unusual. The reasons of appearance of the transition distortions are analyzed, the method of their minimization is shown.
Keywords: ordinary wave, unusual wave, polarization elliptic and circle, polarization plane, ionosphere. References
1. Kamnev E.F., Petrovich N.T. (1965). Questions of a space radio communication. Moscow: Owls. Radio.
2. Chernov Yu.A. (2002). Elliptic polarization of waves on KV routes. Moscow: Works NNIR.
3. Sivokon V.P. (2007). Polarization of short waves in an ionospheric communication channel. Telecommunication, No. 7.
4. Teterin K.A. (2013). Local adaptation of model of an ionosphere of IRI according to returnable and inclined sounding. Geomagnetism and aeronomy.
5. Kiryakova K.S., Kryukovsky A.S. (2012). Features of beam distribution of radio waves in Earth ionosphere. T-Comm, no. 11.
6. Ginzburg V.L. (1967). Distribution of electromagnetic waves in plasma. Moscow: Science.
7. Perch I. (1974). Factorial analysis. Translation from Polish. Moscow: Statistics.
8. Baghdadi E.Dzh. (1964). Lectures on the theory of communication systems. Moscow: World. 402 p.
Information about authors:
Sergey S. Adzhemov, professor of MTUCI, Moscow, Russia
Vladimir N. Repinsky, associate professor of MTUCI, Moscow, Russia
T-Comm ^м 12. #1-2018
проекция электрического вектора на нее образует круг), то она не дает переходных искажений амплитудной модуляции на другую волну. Эллиптическая поляризация обязательно приводит к появлению переходных искажений.
4. Наивысшая эффективность раздельного приема обыкновенной и необыкновенной составляющих, наблюдается, если антенная система сориентирована таким образом, что хотя бы одна из волн имеет круговую проекцию вращения вектора электрического поля на плоскость вращения вибраторов антенны.
Литература
1. Камнев Е. Ф., Петрович II. Т. Вопросы космической радиосвязи. М.: Сов. Радио, 1965.
2. Чернов Ю.Л, Эллиптическая поляризация волн на КВ трассах, М.: Груды ННИР, 2002,
3. Сиеоконъ В.П. Поляризация коротких волн в ионосферном канале связи И Электросвязь, №7, 2007.
4. Тетерин К.А. Локальная адаптация модели ионосферы 1R1 по данным возвратно-наклонного зондирования // Геомагнетизм и аэрономия. 2013.
5. Кирьякова К.С., Крюковский A.C. Особенности лучевого распространения радиоволн в ионосфере Земли II T-Comin: Телекоммуникации и транспорт, №11, 2012.
6. Гинзбург B.JI. Распространение электромагнитных волн в плазме. М.: Наука, 1967.
7. Окунь Я. Факторный анализ. Перевод с польского. М,: Статистика, 1974.
8. Багдади Е.Дж. Лекции по теории систем связи. М.: Мир, 1964. 402 с.
