Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса по оценке воздействия сверхкороткоимпульсных электромагнитных полей высокой мощности на аппаратуру телекоммуникационных систем 10
1.1 Характеристика телекоммуникационных систем и их составных частей как объектов потенциально уязвимых к действию импульсных ЭМП 10
1.2 Анализ влияния электромагнитного воздействия на функционирование элементов и узлов РЭА 11
1.3 Анализ средств формирования СКИ ЭМИ высокой мощности 16
1.4 Анализ методов оценки воздействия СКИ ЭМИ на РЭА и её элементы 18
1.5 Выбор направлений исследований. Постановка задач 20
2. Экспериментальные исследования эффектов воздействия СКИ ЭМИ НА телекоммуникационные системы и их элементы 21
2.1 Исследования воздействия импульсных ЭМИ на элементную базу устройств передачи и обработки информации 21
2.2 Исследования эффектов воздействия СКИ ЭМИ па типовые устройства ТС 35
2.3 Критерии оценки воздействия ЭМИ высокой мощности на ТС и их элементы 43
2.4 Разработка алгоритма оценки воздействия СКИ ЭМИ на типовые устройства ТС 45
2.4.1 Модель воздействия СКИ ЭМИ на типовые устройства СПОИ 45
2.4.2 Алгоритм оценки воздействия СКИ ЭМИ на типовые устройства ТКС 45
3. Разработка методов и средств расчетно-экспериментальной оценки воздействия СКИ ЭМИ на типовые элементы телекоммуникационных систем 49
3.1 Разработка методики экспериментальной оценки параметров сигналов формируемых в критических цепях элементов ТКС при воздействии СКИ ЭМИ 49
3.1.1 Методология экспериментальной оценки параметров сигналов формируемых в критических цепях РЭА привоздействии СКИ ЭМИ 49
3.1.2 Разработка средств измерения параметров критических цепей элементов и устройств ТС 62
3.1.3 Экспериментальное определение параметров сигналов наводимых в критических цепях базовых элементов ТС при воздействии СКИ ЭМИ 62
3.2 Разработка расчетно-экспериментальной методики оценки обратимых отказов элементной базы ТКС при воздействии СКИ ЭМИ 72
3.3 Разработка расчетно-экспериментальной методики оценки необратимых отказов элементной базы ТС при воздействии СКИ ЭМИ 77
3.3.1 Моделирование функционирования интегральных схем с учетом влияния источников помеховых сигналов 78
3.3.2 Физико-топологическое моделирование функциониро- вания уязвимого элемента ИС при воздействии СКИ ЭМИ 83
3.3.3 Разработка электротепловой модели уязвимого элемента интегральной схемы 86
3.3.4 Моделирование воздействия СВЧ-помехи на уязвимый элемент ИС методом электротепловых аналогий 89
4. Оценка устойчивости систем передачи и обработки информации к действию СКИ ЭМИ
4.1 Оценка уязвимости ТКС и определение их критериальных уровней 98
4.2 Оценка влияния спектральных и временных характеристик СКИ ЭМИ на критериальные уровни 105
4.3 Разработка рекомендаций по обеспечению устойчивости функционирования ТС в условиях воздействия СКИ ЭМИ 111
Заключение 114
Список используемой литературы 117
- Анализ влияния электромагнитного воздействия на функционирование элементов и узлов РЭА
- Исследования эффектов воздействия СКИ ЭМИ па типовые устройства ТС
- Разработка расчетно-экспериментальной методики оценки обратимых отказов элементной базы ТКС при воздействии СКИ ЭМИ
- Оценка влияния спектральных и временных характеристик СКИ ЭМИ на критериальные уровни
Введение к работе
Актуальность работы
Современные телекоммуникационные системы (ТКС) занимают особое место в автоматизированных системах управления и контроля, а проблема обеспечения их устойчивости к деструктивным воздействиям (ДВ) является одной из сложнейших задач, решаемых при проектировании и эксплуатации таких систем. Тем более, что за последнее десятилетие произошло качественное переоснащение отечественных систем управления современной вычислительной техникой, потенциально уязвимой к электромагнитным воздействиям различного происхождения.
В связи с этим последнее время все большее внимание уделяется разработкам и созданию средств электромагнитного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру (РЭА) как объектов вооружения и военной техники, так и объектов общего и специального назначения. Особое внимание многими странами уделяется созданию средств формирования деструктивных воздействий на основе сверхмощных генераторов сверхкоротких импульсов для функционального поражения радиоэлектронных средств различного назначения. Это привело к появлению новейших подвижных, в том числе носимых излучающих систем, формирующих периодические и однократные сверхкороткие электромагнитные импульсы (СКИ ЭМИ). Такие устройства обладают новыми качествами, отсутствующими у традиционных источников преднамеренных помех - широкой полосой частот и большой амплитудой излучаемых электромагнитных полей. Импульсная мощность генераторов составляет сотни МВт.
Действующие системы электромагнитного воздействия на РЭА созданы и прошли успешные испытания в США, Швейцарии, Нидерландах, Германии и др. Типичным представителем систем данного класса является серия установок разработки Air Force Research Laboratory, Kirtland AFB, NM USA. Интенсивные работы по созданию мощных излучателей субнаносекундного диапазона ведутся под руководством Карла Баума в Государственной лаборатории Sandia, Albuquerque, NM, где разработана система Sniper с выходным напряжением 0,2 MB, пиковой мощностью 1 ГВт при длительности импульса - 2 не.
В России исследования воздействия мощных импульсных ЭМП на РЭА различного назначения велись параллельно с разработкой средств генерации. Для этого использовались теоретические и экспериментальные методы. Достигнуты определенные успехи в решении задач анализа стойкости различных систем, создании методов измерений и экспериментальной проверки методик расчета наведенных ЭМИ токов и напряжений в кабельных линиях, экранах и антеннах. Проведён ряд работ по выявлению и анализу отдельных эффектов взаимодействия импульсных сигналов с элементной базой РЭА различного назначения.
Экспериментальные исследования, проведенные как в России, так и за рубежом, показали, что одной из возможных областей использования СКИ ЭМИ является деструктивное воздействие на РЭА систем военного, специального и общего назначения, особенно на ТКС.
Однако, анализ ранее проведенных экспериментальных и теоретических исследований показывает, что объект исследования в них, как правило, рассматривался в виде «чёрного ящика», при этом целью проводимых исследований являлось определение только уровней уязвимости изделия (системы) в целом. В качестве критерия уязвимости рассматривался, как правило, необратимый отказ изделия. В то же время, проведенные исследования не затрагивали вопросы о критериях оценки уязвимости сложных многокомпонентных систем, механизмах взаимодействия ЭМП с элементной базой, приводящих в первую очередь к обратимым эффектам воздействия, что особенно актуально при оценке воздействия СКИ ЭМИ на ТКС. Исследования воздействия СКИ сигналов на элементную базу устройств ТКС проводились только для отдельных видов воздействия и ограниченного перечня элементов. Как следствие, неизученными остались законы поражения элементной базы различных типов, причины и механизмы обратимых и необратимых отказов этих элементов и системы в целом. Отсутствовали систематизация и обобщение результатов экспериментальных и теоретических исследований, которые бы определили методологию оценки устойчивости ТКС к воздействию мощных электромагнитных полей с учетом требований международных стандартов и прогноза параметров воздействия. Всё это не позволяло обеспечивать (гарантировать) устойчивое функционирование разрабатываемых ТКС в условиях ДВ СКИ ЭМИ.
Особый практический интерес вызывают также вопросы определения зависимостей уровней помеховых сигналов от параметров воздействующих ЭМП, которые сегодня можно получить только экспериментальным путём. В связи с этим, экспериментальная оценка устойчивости ТКС и входящих в их состав устройств к воздействию мощных электромагнитных импульсов и СКИ ЭМИ в частности, является исключительно актуальной задачей.
Таким образом, актуальность поставленной задачи определяется:
необходимостью создания (совершенствования) ТКС и их элементов, соответствующих современным требованиям по устойчивости функционирования в условиях деструктивного воздействия мощных ЭМИ;
недостаточной изученностью механизмов воздействия субнаносекундных электромагнитных полей на ТКС и их элементы;
отсутствием методик и критериев оценки воздействия СКИ ЭМИ на ТКС, обеспечивающих получение достоверной информации о механизмах воздействия, эффектах и соответствующих им уровнях воздействующих ЭМИ;
отсутствием средств экспериментальной оценки характеристик устройств ТКС, опре-
деляющих их устойчивость при деструктивном воздействии СКИ ЭМИ.
Это определило важность и практическую значимость решаемой в диссертации научно-технической задачи направленной на снижение влияния СКИ ЭМИ для обеспечения эффективного функционирования ТКС.
Объектами исследования в работе выбраны типовые ТКС и их элементы, как общего, так и специального назначения. Выбранные устройства являются наиболее широко распространёнными и перспективными для использования в мобильных и стационарных системах, выполняющих задачи управления, сбора, обработки и передачи информации.
Целью диссертационной работы является экспериментальная оценка уязвимости устройств ТКС для обеспечения их эффективного функционирования в условиях деструктивного воздействия СКИ ЭМИ.
Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:
Анализ результатов исследований устойчивости РЭА и методов её оценки при деструктивном воздействии сверхкороткоимпульсного электромагнитного излучения.
Экспериментальные исследования эффектов воздействия СКИ ЭМИ на типовые устройства ТКС.
Разработка критериев оценки устойчивости устройств телекоммуникационных систем к деструктивному воздействию СКИ ЭМИ.
Разработка модели ДВ СКИ ЭМИ на ТКС и алгоритма его оценки.
Разработка средств измерения характеристик критичных цепей типовых элементов ТКС определяющих их уязвимость к ДВ СКИ ЭМИ.
Разработка методики экспериментальных исследований устойчивости ТКС к деструктивному воздействию СКИ ЭМИ.
Проведение экспериментальных исследований устойчивости типовых элементов ТКС к деструктивному воздействию СКИ ЭМИ для оценки влияния характеристик излучения на критериальные уровни.
Разработка рекомендаций по обеспечению эффективного функционирования ТКС при деструктивном воздействии СКИ ЭМИ.
Методы исследований
При решении поставленных задач использовались теория электромагнитного поля, теоретические и экспериментальные методы исследования, принципы системного анализа и математического моделирования.
На защиту выносятся:
- метод оценки устойчивости устройств ТКС в условиях ДВ СКИ ЭМИ, основанный на
экспериментальном выявлении эффектов воздействия и уязвимого элемента;
критерии оценки устойчивости ТКС к деструктивному действию СКИ ЭМИ, определяющие условия функционального поражения;
алгоритм оценки деструктивного действия СКИ ЭМИ на устройства ТКС, основанный на экспериментальной оценке антенных свойств критических цепей, позволяющий определить критериальные уровни в широком диапазоне параметров воздействия;
технические решения по созданию средств измерений характеристик критичных цепей типовых элементов ТКС, определяющих их уязвимость к деструктивному воздействию СКИ ЭМИ и позволяющих экспериментально определить зависимость амплитудно-частотных сигналов, наводимых в критичных цепях уязвимых элементов от параметров воздействующего СКИ ЭМИ.
Основные научные результаты:
Обоснована модель деструктивного воздействия СКИ ЭМИ на ТКС.
Разработана методика экспериментальных исследований устойчивости ТКС к ДВ СКИ ЭМИ, основанная на оценке параметров электрических наводок, формируемых в критических цепях ТКС при воздействии СКИ ЭМИ.
Разработан комплекс средств измерений характеристик критичных цепей типовых элементов ТКС для оценки антенных параметров критических цепей ТКС, являющихся «случайными» антеннами.
Обоснованы критерии оценки устойчивости ТКС при ДВ СКИ ЭМИ.
Получены новые экспериментальные данные по устойчивости функционирования элементов ТКС при деструктивном воздействии СКИ ЭМИ.
Практическая значимость работы состоит:
В разработке критериев и методики оценки устойчивости функционирования, позволяющих определить уровни уязвимости устройств телекоммуникационных систем и оценить соответствие их требованиям по устойчивости функционирования в условиях деструктивных воздействий СКИ ЭМИ.
В получении и систематизации результатов экспериментальных и теоретических исследований воздействия СКИ ЭМИ на РЭА ТКС, позволяющих определять зависимость уровней уязвимости от параметров ДВ.
В разработке средств измерений характеристик критичных цепей типовых элементов ТКС, позволяющих обеспечить разработку базовых элементов ТКС заведомо стойких к деструктивному воздействию СКИ ЭМИ.
В разработке рекомендаций по обеспечению эффективного функционирования ТКС
при деструктивном воздействии СКИ ЭМИ.
Достоверность научных положений и выводов подтверждается:
корректностью использования математического аппарата и методов испытаний;
апробацией и публикациями основных результатов исследований;
сравнением полученных данных с результатами других исследований;
результатами внедрения разработанных методов и рекомендаций в практику. Реализация и внедрение результатов работы:
Практические результаты диссертации реализованы при разработке ряда нормативных документов общего (ГОСТ Р 52863-2007) и специального назначения.
Основные теоретические и практические результаты диссертации реализованы при непосредственном участии автора при разработке испытательных СКИ-комплексов: «Залив», «Блистер» и «Динамит», а также при создании электромагнитного комплекса «Листва».
Разработанные методики, программы, технические решения использовались при разработке стойких к воздействию СКИ ЭМИ элементов ТКС, а также при разработке технических заданий на создание ТКС нового поколения. Использование результатов работы позволило повысить показатели стойкости РЭС к воздействию мощных ЭМИ на этапах проектирования и разработки перспективных комплексов ТСФЗ (ФГУП «СНПО «Элерон», Росатом).
В деле имеется 3 Акта о внедрении полученных автором результатов.
Апробация работы
Основные результаты работы опубликованы в виде статей в научно-технических журналах по проблеме, докладывались и обсуждались на 8 научных конференциях, включая: 9-ю НТК «Электромагнитная совместимость технических средств и электромагнитная безопасность» (г.С.Пб., ВИТУ, 2008); НТК «Стойкость 2000, 2003, 2005- 2007» (г. Лыткарино, НИИ ПП); НТК секции № 2 НТС Росатома РФ (г. Саров, РФЯЦ ВНИИЭФ, 2005г.- 2007 г.).
Публикации
Автор имеет более 50 научных работ, из них по теме диссертации опубликованы 14 научных работ, в том числе 3 статьи в журнале ТЭМС, включенного в перечень ведущих журналов и изданий ВАК РФ.
Получен патент по теме диссертации: «Способ дистанционного обезвреживания минно-взрывных устройств с электронными взрывателями при разминировании местности» №2328845 от 05.06.2008 г.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и изложена на 119 страницах машинописного текста, содержит 28 таблиц, 43 рисунка. Список литературы включает 47 наименований.
Анализ влияния электромагнитного воздействия на функционирование элементов и узлов РЭА
Для краткости в далее будем использовать понятие "радиоэлектронное средство"- (РЭС). РЭС можно рассматривать как совокупность аппаратуры, заключенную в некоторую оболочку и сообщающуюся с внешней электромагнитной средой через т.н. порты (см.рис.1). В общем случае оболочка - это корпус прибора, или каркас и обшивка стойки, или, наконец, стены экранированной камеры или здания. Оболочка обычно выполнена из проводящих материалов.
Все порты потенциально могут стать трактами проникновения в аппаратуру РЭС нежелательных внешних воздействий (токов, напряжений, полей), если они не обладают достаточными защитными свойствами [6, 8].
Защитные свойства РЭС, в основном предопределяются наличием т.н. защитного электромагнитного барьера, задача которого ослабить проникновение нежелательной электромагнитной энергии из внешней среды в цепи аппаратуры ТС и/или ослабить нежелательную эмиссию (излучение) электромагнитной энергии из цепей РЭС во внешнюю среду. Защитный барьер обычно содержит отражающий и/или поглощающий экран (его роль, в частности, может выполнять и сам корпус РЭС), защитные цепи (фильтры, гальванические развязки и др.) на всех проводных вводах в корпус, иногда дополненные ограничителями (элементами защиты от перенапряжений) и специальные элементы и схемы защиты антенно-фидерных трактов. В общем случае РЭС может иметь не один, а два или более защитных барьеров. Примером может служить управляющий промышленный компьютер, установленный на электростанции.
Первым барьером здесь является проводящий корпус компьютера и фильтры высоких частот на его сигнальных и питающих вводах.
Вторым барьером может служить помещение, в котором установлен компьютер, стены которого покрыты проводящей экранирующей сеткой или пленкой, а цепи питания и заземления оборудованы фильтрами высоких частот.
Третьим барьером могут служить интегрально металлизированный каркас здания, в котором расположено помещение компьютера (арматура, трубы и др.).
Сверхширокополосные ЭМИ (СШП ЭМИ) обычно представляют собой повторяющиеся с относительно низкой частотой последовательности сверхкоротких импульсов или затухающих колебаний напряженности электромагнитного поля [9, 10]. Длительность СШП ЭМИ очень мала (менее 1 не), а энергетический спектр имеет ширину до 5... 10 ГГц.
При попадании энергии ЭМИ на недостаточно защищенное РЭС можно выделить следующие факторы, воздействующие на него:
Сверхширокая полоса частот СШП ЭМИ, облегчающая проникновение энергии ЭМИ в аппаратуру через порты доступа защитных барьеров.
Большие значения напряженности электрического поля. Они приводят к появлению недопустимо больших значений перенапряжений на сигнальных и питающих линиях и проводах, что, в свою очередь, имеет следствием пробой в р-n переходах полупроводниковых элементов и изолирующих промежутках конструкции (в платах печатного монтажа, разъемах, кабелях и ДР-) Большие значения напряженности магнитного поля. Они приводят к протеканию недопустимо больших токов в замкнутых контурах схем, что в свою очередь приводит к обрыву в сигнальных и питающих линиях и проводах из-за их расплавления и/или механических сил взаимодействия токов с полем.
Большие значения плотности электромагнитной энергии, поступающей на аппаратуру. Часть ее поглощаясь преобразуется в тепловую и приводит к разогреву и расплавлению элементов и частей конструкции аппаратуры.
Наводки от электромагнитного поля на сигнальные, питающие и заземляющие линии и провода, приводящие к сбоям и другим некритическим случаям снижения качества функционирования РЭС [11]
Факторы 2, 3, 4 обычно приводят к необратимым отказам РЭС. Фактор 5 чаще имеет следствием сбои и обратимые отказы, которые можно классифицировать по критериям работоспособности аппаратуры.
Ориентировочные значения энергии, приводящие к повреждению или деградации различных электронных компонентов ТС приведены в табл.2, а характер возможных повреждений приведен в табл.3. [12, 13]. Таблица 2 - Интересно отметить, что для импульсных воздействий с длительностями менее 0,1 мкс критическое значение энергии повреждения полупроводниковых компонентов постоянно и не зависит от длительности воздействия. Соответственно критическая мощность, необходимая для повреждения полупроводниковых компонент, обратно пропорциональна длительности воздействия при малых длительностях ( 0,1 мкс).
Исследования эффектов воздействия СКИ ЭМИ па типовые устройства ТС
Исследования воздействия СКИ ЭМП на ТС проводилось в следующих направлениях: исследования эффектов воздействия на ЛВС и СВТ общего и специального назначения; определение уязвимых элементов СВТ и систем на их основе; определение критериальных уровней различных типов СВТ и систем на их основе. На рисунке 2.16 приведен внешний вид различных образцов СВТ общего и специального назначения исследованных на стойкость к действию импульсных СВЧ-полей в широком диапазоне спектрально-временных характеристик [60]. Всего было исследовано более 60 образцов средств вычислительной техники и устройств на их основе [1...5]. Исследования проводились как в лабораторных условиях, так и при размещении объектов исследования в реальных условиях: в типовых лабораторных корпусах и в составе мобильных образцов ВВТ. Наиболее часто регистрируемым эффектом воздействия являлся обратимый отказ («зависание») СВТ. Схемы проведения экспериментальных исследований приведены на рисунках 2.17...2.22 а) - рабочая станция «Багет РС-5», б) - малогабаритный ПК специального назначения «Кулон TS-11», в) - контроллер доступа (плата процессора и устройств управления), г) - шкаф с маршрутизаторами локальной вычислительной сети, д) - персональный компьютер в промышленном исполнении, е) - типовое здание с локальной вычислительной сетью Рисунок 2.17 - Схема исследования функционирования персональго компьютера и элементов ЛВС при воздействии импульсного СВЧ-излучения Рисунок 2.18 - Схема исследования функционирования персонального компьютера включенного в ЛВС при воздействии импульсного ЭМИ Рисунок 2.19 - Схема исследования функционирования персонального компьютера при воздействии импульсного ЭМИ Рисунок 2.20 - Схем исследования функционирования сетевого коммутатора при воздействии импульсного ЭМИ В ходе экспериментов было установлено, что уровни уязвимости СВТ резко снижаются с увеличением длительности импульса и длины волны излучения. Что касается частоты следования импульсов, то этот параметр не является определяющим и влияет на результат воздействия в меньшей степени, чем длительность импульса. В таблицах 2.2 и 2.3 приведены данные об экспериментально найденных уровнях уязвимости персональных ЭВМ общего назначения (в том числе промышленных и мобильных компьютеров) в зависимости от длины волны излучения и длительности импульса соответственно. Там же указан процент поражения СВТ, определяемый как отношение числа функционально пораженных в ходе экспериментов ЭВМ к общему числу исследованных образцов (более 20 компьютеров). Проведение широкого спектра экспериментальных работ позволило определить уровни функционального поражения настольных и портативных ПК различными типами ИЭМП. Анализ полученных результатов позволил заключить, что причиной сбоев в ПК при их нахождении в СВЧ- и СШП ЭМП, как правило, являются: для ПК с процессорами Pentium и ниже — нарушения в работе устройств ввода информации (клавиатуры); для ПК с процессорами Pentium II и выше - нарушения в работе накопителей на жестких магнитных дисках. При этом проявлением сбоя на уровне компьютера в целом практически всегда является его «зависание», приводящее к необходимости перезагрузки операционной системы. Одним из вопросов сопутствующим исследованиям воздействия ЭМП на средства вычислительной техники и локальные вычислительные сети общего назначения являются исследования проникновения излучения в здания и сооружения. Экспериментальные исследования вопросов прохождения электромагнитных полей в типовые здания показывают, что на частотах 3 ГГц и более, экранирующие свойства типовых кирпичных и железобетонных стен могут достигать десятков дБ. Исследования проникновения в здания ЭМП в диапазонах несущей 0,3...1 ГГц показали, что реальные уровни ослабления, при наличии в зданиях дверей, окон и т.п., может составлять единицы дБ /Скань/. Так, например, при исследованиях воздействия СКИ-излучения на установке «Однолетник» эффекты нарушения работоспособности ПК промышленного типа наблюдались при воздействии на расстояниях до 65 м на открытой площадке и на расстоянии 20...30 м при его нахождении в типовом здании (кирпичные стены толщиной 0,6 м, окна размером 1,2 2 м, ПК был расположен за стеной в 1 м от ближайшего окна).
Разработка расчетно-экспериментальной методики оценки обратимых отказов элементной базы ТКС при воздействии СКИ ЭМИ
Результаты экспериментальных исследований показали, что нарушение функционирования (в том числе и необратимые отказ) ряда цифровых устройств построенных на КМОП элементной базе связан, по всей видимости, с активизацией паразитных четырехслойных структур. «Тиристорный» эффект наиболее часто встречающийся паразитный эффект, связанный со срабатыванием паразитных 4-х-слойных (тиристорных) структур под действием электрического (ионизирующего) импульса. Образование тиристорных структур возможно и в биполярных, и в КМОП ИС [66, 67]. В биполярных ИС срабатывание паразитных структур проявляется только при ошибках на стадии проектирования изделия. В КМОП ИС, выполненных по объемной технологии, паразитные 4-х-слойные структуры существенно определяют поведение изделий при воздействии импульсного воздействия. В нормальном рабочем режиме паразитные тиристорные структуры КМОП ИС не оказывают влияния на работу схем. Однако при нарушении рабочего и температурного режимов, а также при различных дестабилизирующих воздействиях (импульс ИИ, импульсные перенапряжения, воздействие тяжелой заряженной частицы) паразитные структуры могут переходить в активное состояние. При этом происходит отказ КМОП ИС, сопровождающийся протеканием значительных токов в цепи питания или входов ИС в зависимости от типа паразитной структуры [68]. Условия включения тиристорной структуры (рисунок 3.8): падение напряжения от ионизационного тока на эмиттерно-базовых резисторах Rn и Rp превышает напряжение отпирания соответствующих переходов паразитных транзисторов; произведение коэффициентов усиления тока транзисторов превосходит единицу (регенеративное усиление); напряжение на структуре и ток через нее превышают удерживающие значения. Включение тиристорной структуры происходит при одновременном выполнении перечисленных условий и описывается перемещением рабочей точки из 1 в 3 по нагрузочной прямой. Основными параметрами, характеризующими ТЭ паразитной структуры являются: Івкл, Ивкл - ток и напряжение структуры во включенном состоянии; Іуд - удерживающий ток - минимальный ток, при котором она еще может находиться во включенном состоянии; иуд - удерживающее напряжении - минимальное напряжение, при котором она еще может находиться во включенном состоянии. Характерной особенностью тиристорных структур является немонотонный характер вольт-амперных характеристик, приводящий к наличию нескольких (чаще двух) устойчивых состояний, из которых лишь одной является рабочим для КМОП ИС. Процесс изменения состояния тиристорной структуры под действием различных факторов описывается аппаратом теории тиристоров. С целью выяснения возможности активизации паразитных четырехслойных структур под действием СВЧ-импульса было выполнено физико-топологическое моделирование процесса «защелкивания» в типовой КМОП-структуре, приведенной на рисунке 3.9. Моделирование проводилось с использованием пакета «DIODE 2D». Моделирование ТЭ представляет собой достаточно сложную задачу. В общем случае необходимо учитывать реальную картину распределения линий тока по структуре и неоднородность пространственного распределения удельных сопротивлений соответствующих слоев. Расчет параметров таких структур является весьма трудоемкой задачей, требующей привлечения двух-, а в ряде случаев и трехмерных моделей и использования машинных методов анализа. Эффективное средство определения параметров элементов моделей -использование специальных тестовых структур, обладающих сходными с анализируемыми областями ИС электрофизическими и топологическими характеристиками. Средства моделирования ТЭ требуют использования как минимум двумерного численного анализа [69, 70]. Пакет "DIODE-2D" представляет собой двумерную программу физико -топологического моделирования, основанную на использовании жестко-устойчивых методов Гира для решения ФСУ в кремнии с учетом влияния ионизирующих излучений. Моделирование физических процессов в полупроводниковых приборах производится на основе диффузионно-дрейфовой модели, описываемой уравнениями вида
Оценка влияния спектральных и временных характеристик СКИ ЭМИ на критериальные уровни
В дальнейшем, с использованием полупроводникового излучателя «Залив-80/1» с комплектом макетов пассивных преобразователей формы (ППФ) импульсов были проведены экспериментальные исследования по обоснованию наиболее эффективных режимов сверхкороткоимпульсного электромагнитного воздействия на объекты, в зависимости его длительности (количества полупериодов). В качестве объектов исследований были выбраны два типа персональных компьютеров и навигационный приемник. Основные параметры излучения для исследованных режимов воздействия представлены в таблице 4.4, при этом в качестве длительности импульса (т имп) фиксировалась его общая длительность, а не длительность первого полупериода [78].
На рисунке 4.7 представлены осциллограммы сигналов и расчетные значения нормированных спектров импульсов, полученные с использованием быстрого преобразования Фурье, для различных преобразователем формы импульсов.
В таблице 4.5 представлены уровни напряженности электрического поля сверхкороткоимпульсного СВЧ-излучения, приводящие к нарушениям функционирования исследованных объектов. Частота следования импульсов во всех режимах составляла 1 кГц, время воздействия - 30 с.
Из таблицы 4.7 видно, что минимальные уровни напряженности электрического поля, приводящие к нарушению функционирования персональных компьютеров и навигационного приемника характерны для излучателя с установленным пассивным преобразователем формы ППФ2. Следует отметить, что уровни уязвимости для самых неэффективных режимов воздействия в 4...6 раз превышают уровни уязвимости, характерные для наиболее эффективных режимов.
Представляет интерес тот факт, что для всех объектов наиболее опасным режимом явился режим работы генератора с ПГТФ2, а наиболее неэффективным режимом - с ППФ4. Это свидетельствует о схожести процессов, протекающих в средствах вычислительной техники при воздействии сверхкоротких импульсов, и может объясняться доминирующем влиянием на уязвимость внутренней «начинки» объектов (вплоть до используемой элементной базы), а не их конструктивных особенностей, таких, как корпуса и геометрия печатных плат.
На рисунке 4.9 представлена зависимость импульсной ППЭ требуемой для достижения функционального отказа различных коммутационных устройств локальной сети от частоты несущей СВЧ-поля.
На рисунке 4.10 представлена зависимость импульсной напряженности электрического поля в спектральном диапазоне 0,3...1 ГГц (длительность импульса 0,5...1 не) требуемой для достижения 100% потерь информации в локальной сети от частоты следования воздействующих импульсов [79]. коммутатор
Проведенные исследования показали, что при электромагнитном воздействии СВЧ-импульсов микросекундной длительности в объектах исследований наблюдаются эффекты нарушения работоспособности, идентичные и регистрируемым при воздействии сверхкоротких электромагнитных импульсов. То есть, для сравнения эффективности двух типов электромагнитного воздействия, необходимо сравнивать измеряемые параметры этих излучений, при которых наблюдается нарушение функционирования объектов. Проблема такого рода сравнения состоит в том, что при измерениях амплитудных (энергетических) параметров СВЧ-импульсов микросекундной и субнаносекундной длительности принято оперировать различными величинами: для СКИ-излучения измеряется напряженность электрической составляющей электромагнитного поля [кВ/м]; а для узкополосных СВЧ-импульсов - плотность потока энергии [Вт/см"]. Для проведения сравнительного анализа указанные величины необходимо привести к единой шкале. В таблице 4.5 представлены параметры наиболее эффективных режимов сверхкороткоимпульсного и длинноимпульсного СВЧ- воздействия, приводящие к нарушениям функционирования различных объектов исследований.
