Торокин А.А. Инженерно-техническая защита информации, 2005

Глава 17. Средства перехвата сигналов

17.1. Средства перехвата радиосигналов

Перехват электромагнитного, магнитного и электрического по­ лей, а также электрических сигналов с информацией осуществля­ ют органы добывания радио- и радиотехнической разведки. При перехвате решаются следующие основные задачи:

•поиск в пространстве и по частоте сигналов с нужной информа­ цией;

•обнаружение и выделение сигналов, интересующих органы до­ бывания;

•усиление сигналов и съем с них информации;

•анализ технических характеристик принимаемых сигналов;

•определение местонахождения (координат) источников пред­ ставляющих интерес сигналов;

•обработка полученных данных с целью формирования первич­ ных признаков источников излучения или текста перехваченно­ го сообщения.

Упрощенная структура типового комплекса средств перехвата приведена на рис. 17.1.

Рис. 17.1. Структура комплекса средств перехвата

радиосигналов

Типовой комплекс включает:

•приемные антенны;

•радиоприемник;

•анализатор технических характеристик сигналов;

•радиопеленгатор;

•регистрирующее устройство.

502

Антенна предназначена для пространственной селекции и преобразования электромагнитной волны в электрические сигна­ лы, амплитуда, частота и фаза которых соответствуют аналогич­ ным характеристикам электромагнитной волны.

В радиоприемнике производится поиск и селекция радиосиг­ налов по частоте, усиление и демодуляция (детектирование) выде­ ленных сигналов, усиление и обработка демодулированных (пер­ вичных) сигналов: речевых, цифровых данных, видеосигналов и т. д.

Для анализа радиосигналов после частотной селекции и уси­ ления они подаются на входы измерительной аппаратуры анализа­ тора, определяющей параметры сигналов: частотные, временные, энергетические, виды модуляции, структуру кодов и др.

Радиопеленгатор предназначен для определения направления на источник излучения (пеленг) или его координат.

Регистрирующее устройство обеспечивает запись сигналов для документирования и последующей обработки.

17.1.1. Антенны

Антенны представляют собой электромеханические конструк­ ции из токопроводящих элементов, размеры и конфигурация ко­ торых определяют эффективность преобразования электрических сигналов в радиосигналы (для передающих антенн) и радиосигна­ лов в электрические (для приемных антенн).

Возможности антенн, как приемных, так и передающих, опре­ деляются следующими электрическими характеристиками:

•диаграммой направленности и ее шириной;

•коэффициентом полезного действия;

•коэффициентом направленйого действия;

•коэффициентом усиления;

•полосой частот.

Диаграмма направленности представляет собой графичес­ кое изображение уровня излучаемого (принимаемого) сигнала от угла поворота антенны в горизонтальной и вертикальной плоскос­ тях. Диаграммы изображаются в прямоугольных и полярных коор­ динатах (см. рис. 17.2).

503

Рис. 17.2. Диаграмма направленности антенн

Диаграммы направленности могут иметь разнообразный и из­ резанный характер, определяемый механической конструкцией и электрическими параметрами. Лепесток диаграммы направленнос­ ти с максимумом мощности излучаемого или принимаемого элек­ тромагнитного поля называется главным или основным лепест­ ком, остальные — боковыми и задними. Соотношение между ве­ личинами мощности основного лепестка по сравнению с остальны­ ми характеризует направленные свойства антенны. Ширина глав­ ного лепестка диаграммы измеряется углом между прямыми, про­ веденными из начала полярных координат до значений диаграм­ мы, соответствующих половине максимальной мощности излуче­ ния или 0,7 напряжения электрического сигнала приемной антен­ ны. Чем меньше ширина диаграммы направленности антенны, тем выше ее коэффициент направленного действия.

Коэффициент направленного действия (КНД) определяет величину энергетического выигрыша, который обеспечивает на­ правленная антенна по сравнению с ненаправленной.

Потери электрической энергии в антенне оцениваются коэф­ фициентом полезного действия (КПД), равного отношению мощ­ ности сигнала на выходе реальной антенны к мощности сигнала идеальной антенны без потерь.

Произведение этих двух коэффициентов определяет коэффи­ циент усиления антенны (КУ). Так как КНД > 1, а КПД < 1, то ко­ эффициент усиления в зависимости от значений сомножителей мо­

504

жет теоретически принимать значения как меньше, так и больше 1. Чем выше КУ, тем больший энергетический эффект обеспечивает антенна, но тем точнее необходимо ориентировать направление ос­ новного лепестка на источник излучения.

Для обеспечения эффективного излучения и приема в широ­ ком диапазоне используемых радиочастот создано большое коли­ чество видов и типов антенн, классификация которых представле­ на на рис. 17.3.

Рис. 17.3. Классификация антенн

Назначение передающих и приемных антенн ясно из их наиме­ нований. По своим основным электрическим параметрам они не различаются. Многие из них в зависимости от схемы подключения (к передатчику или приемнику) могут использоваться как переда­ ющие или приемные, например антенны радиолокационных стан­ ций. Однако если к передающей антенне подводится большая мощ­ ность, то в ней принимаются специальные меры по предотвраще­ нию пробоя между элементами антенны, находящимися под более высоким напряжением.

Эффективность антенн зависит от согласования размеров эле­ ментов антенны с длинами излучаемых или принимаемых волн. Минимальная длина согласованной с длиной волны электромаг­ нитного колебания штыревой антенны близка к X / 4, где X— дли­ на рабочей волны. Размеры и конструкция антенн различаются как для различных диапазонов частот, таки внутри диапазонов.

Если для стационарных антенн требование к геометрическим размерам антенны может быть достаточно просто выполнено для коротких и ультракоротких волн, то для антенн, устанавливаемых

на мобильных средствах, оно неприемлемо. Например, рациональ­ ная длина антенны (к / 4) для обеспечения связи на частоте 30 МГц составляет 2,5 м, что неудобно для пользователя. Поэтому приме­ няют укороченные антенны, но при этом уменьшается их эффек­ тивность. По данным [7], укорочение длины этой антенны в 2 раза уменьшает эффективность до 60%, в 5 раз (до 50 см) — до 10%, а эффективность антенны, укороченной в 10 раз, составляет всего около 3% от рационального варианта.

По типу излучающих элементов антенны делятся на линей­ ные, апертурные и поверхностных волн.

Улинейных антенн поперечные размеры малы по сравнению

спродольными и с длиной излучаемой волны. Линейные антенны выполняются из протяженных токопроводящих элементов (метал­ лических стержней и проводов), вдоль которых распространяют­

ся токи высоких частот. В зависимости от величины нагрузки ли­ нии в ней возникают стоячие (линия разомкнута) или бегущие вол­ ны (сопротивление нагрузки равно волновому сопротивлению ли­ нии). По конструкции различают симметричные и несимметрич­ ные электрические вибраторы, бегущей волны, ромбические и ра­ мочные антенны. В симметричном вибраторе провода линии — вибраторы разведены на 180° (рис. 17.4 а)).

к

2

Кабель

Рис. 17.4. Типы линейных антенн

Несимметричным вибратором называется одиночный линей­ ный проводник, расположенный вертикально над проводящей по­ верхностью (корпусом, «землей») (рис. 17.4 б)).

Антенна бегущей волны, применяемая в коротковолновом диа­ пазоне, представляет собой длинную двухпроводную линию с на­ грузкой, равной волновому сопротивлению и к которой на одина-

506

мнюм расстоянии, не более 1/8 длины принимаемой волны, при­ шел инены симметричные вибраторы. Ромбическая антенна име- v г высокую направленность излучения и представляет собой длин­ ную двухпроводную линию, провода которой расходятся у входа, а Потом, образуя ромб, сходятся, замыкаясь на активное сопротивле­ ние, равное волновому сопротивлению линии. Рамочную антенну образуют один или несколько последовательно соединенных вит­ ков провода квадратной, круглой, треугольной формы, расположен­ ных обычно в вертикальной плоскости (рис. 17.4 в)). Линейные ан­ тенны используются при ДВ, СВ, КВ и УКВ диапазонах длин волн. Н ДВ, СВ и КВ диапазонах вибраторы укрепляют на мачтах, высота которых в ДВ диапазоне может достигать 100 и более метров.

Излучающим элементом апертурных антенн является их рас­ крыв. По виду апертуры различают рупорные, линзовые, зер­ кальные и щелевые антенны (рис. 17.5).

Рис. 17.5. Апертурные антенны

Так как для эффективного излучения размеры апертуры антгнп должны быть соизмеримы с длиной волны, то эти антенны имеют приемлемые размеры в СВЧ диапазоне.

507

Рупорная антенна (рис. 17.5 а)) представляет собой конец вол­ новода с рупором прямоугольной или круглой формы. По волново­ ду передается электромагнитная энергия от генератора передатчи­ ка, а рупор обеспечивает плавный переход от волновода к свобод­ ному пространству, уменьшающий отражение электромагнитной волны от конца волновода.

Основным элементом линзовых антенн (рис. 17.5 б)) являет­ ся линза, принцип работы которой аналогичен оптической линзе. В передающей антенне линза преобразует расходящуюся от облу­ чателя (рупор, конец волновода или вибратор) электромагнитную волну в плоскую волну. Приемная антенна фокусирует на облуча­ тель падающую на раскрыв линзы электромагнитную волну. Линзы делятся на замедляющие, в которых фазовая скорость распростра­ нения электромагнитной волны ниже скорости света, и ускоряю­ щие. Замедляющие линзы выполняются из диэлектрика, в кото­ рый вкраплены токопроводящие элементы. Ускоряющие линзы из­ готовляются из параллельных металлических пластин или секций прямоугольных волноводов. Наиболее широко используются мно­ голучевые линзы, обеспечивающие широкий сектор излучения и приема: сферические и цилиндрические линзы Люнеберга, линзы Ротмана и так называемые линзы R-2R.

Линзы, у которых электромагнитное поле в ее раскрыве фор­ мируется в результате отражения электромагнитной волны, излу­ чаемой облучателем, от металлической поверхности специально­ го рефлектора (зеркала), называются зеркальными (рис. 17.5 в)). Форма линзы в виде параболоида вращения, усеченного параболо­ ида, параболического цилиндра или цилиндра специальной формы создает требуемую диаграмму направленности антенны. В диапа­ зоне дециметровых и более длинных волн в качестве облучателя применяется вибратор, более коротких длин волн — волноводно­ рупорные облучатели.

В линзовых антеннах путем увеличения размеров зеркала можно обеспечить высокое угловое разрешение. Они широко при­ меняются в сантиметровом и дециметровом диапазонах волн, пре­ жде всего для обеспечения космической связи и в радиоастроно­ мии. Например, зеркало радиотелескопа РАТАН-600, работающего

508

вдиапазоне 0,8-30 см, состоит из 895 щитов размерами 7,4 х 2 м2, расположенных по кругу диаметром 600 м.

Щелевая антенна (рис. 17.5 г)) представляет собой металли­ ческий лист с щелью, облучаемый электромагнитным полем. В ос­ новном применяется узкая прямоугольная щель шириной (0,03- 0,05)}. и длиной 0,5А,, но щель может быть иной формы, в виде угла, креста и др. В щели, расположенной перпендикулярно наводимым

влисте токам, возбуждается электромагнитное поле. Для обеспе­ чения односторонней направленности излучаемого поля щель с тыльной стороны закрывается резонатором в виде металлической коробки. Возбуждающий сигнал подводится к краям щели с помо­ щью коаксиального кабеля непосредственно илн с помощью зонда, укрепляемого внутри резонатора.

Вантеннах поверхностных волн направленное излучение (при­ ем) возникает в результате интерференции волн, излучаемых собс­ твенно возбудителем и распространяющихся с меньшей скоростью вдоль направителя поверхностной волны. В качестве возбудителей чаще всего используются односторонние направленные излуча­ тели: рупор, открытый конец волновода, вибратор с рефлектором. 11аправители бывают диэлектрические (рис. 17.6) и металличес­ кие, а по форме — плоские, дисковые и стержневые.

Рис. 17.6. Стержневая диэлектрическая антенна поверхностных волн

Для линейных антенн (например, вибраторов) коэффициент уеиления (КУ) антенны характеризуется действующей высотой или длиной ha = Еа / Е, где Еа — максимальное значение наводимой н антенне электродвижущей силы, Е — напряженность электро­ магнитного поля в точке приема. Полоса частот, в пределах кото­

509

рых сохраняются заданные технические характеристики антенны, называется полосой ее пропускания.

Для параболической антенны коэффициент усиления антенны рассчитывается по формуле:

КУ = 4лБ^/Х2,

эф ’

где 8эф — эффективная площадь зеркала антенны; А.— длина элек­ тромагнитной волны.

Создание антенн с высоким коэффициентом усиления и широ­ кой полосой пропускания представляет основную проблему в об­ ласти конструирования антенн. Чем выше КУ, тем труднее обес­ печить широкополосность антенны. В зависимости от полосы про­ пускания антенны разделяются на узкополосные, широкополос­ ные, диапазонные и широкодиапазонные.

Узкополосные антенны обеспечивают прием сигналов в диапа­ зоне 10% от основной частоты. У широкополосных антенн эта вели­ чина увеличивается до 10-50%, у диапазонных антенн коэффици­ ент перекрытия (отношение верхней частоты полосы пропускания антенны к нижней) составляет 1,5-4, а у широкодиапазонных ан­ тенн это отношение достигает значений в интервале 4-20 и более.

Совокупность однотипных антенн, расположенных определен­ ным образом в пространстве, образует антенную решетку. Сигнал антенной решетки равен сумме сигналов от отдельных антенн. Различают линейные (одномерные) и плоские (двухмерные) антен­ ные решетки. Антенные решетки, у которых можно регулировать фазы сигналов отдельных антенн, называют фазированными ан­ тенными решетками. Путем изменения фаз суммируемых сигна­ лов можно менять диаграмму направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях и производить быстрый поиск сигнала по пространству и ориентацию приемной антенны на источник из­ лучения.

17.1.2. Радиоприемники

Радиоприемник — основное техническое средство перехвата, осуществляющее поиск, селекцию, прием и обработку радиосигна­ лов. В состав его входят устройства, выполняющие:

•перестройку частоты настройки приемника и селекцию (выде­ ление) нужного радиосигнала;

510