Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор состояния проблемы обеспечения стойкости радиотехнических устройств к воздействию сверхширокополосных электромагнитных импульсов 7
1.1. Анализ состояния исследования воздействия СШП ЭМИ на радиотехнические устройства 7
1.2. Общая характеристика параметров сверхширокополосных электромагнитных импульсов 10
1.3. Анализ радиотехнических устройств как объектов, подверженных воздействию мощных электромагнитных импульсов 12
1.4. Анализ существующих методов оценки устойчивости радиотехнических устройств к воздействию СШП ЭМИ17
Глава 2. Разработка экспериментальных методов оценки стойкости элементов радио технических устройств к воздействию СШП ЭМИ 30
2.1. Анализ существующей экспериментальной базы для оценки стойкости радиотехнических устройств к воздействию СШП ЭМИ 30
2.2. Выбор объектов для проведения экспериментальных исследований 41
2.3. Средства для проведения экспериментальных исследований 46
2.4. Разработка программ и методик экспериментальных исследований элементов радиотехнических устройств на воздействие СШП ЭМИ 49
2.4.1. Программа и методика экспериментальных исследований воздействия СШП ЭМИ на полевой кабель 49.
2.4.2. Программа и методика экспериментальных исследований воздействия СШП ЭМИ на приемных устройства 55
2.4.3. Методика экспериментальных исследований воздействия СШП ЭМИ на интегральные микросхемы и печатные платы 62
Глава 3. Экспериментальные исследования и анализ результатов воздействия сверх широкополосных импульсов на элементы радиотехнических устройств 67
3.1. Критерии оценки стойкости элементов радиотехнических устройств к воздействию СШП ЭМИ 67
3.2. Режимы эффективного воздействия СШП ЭМИ на элементы радиотехнических устройств 70
3.3. Экспериментальные исследования и анализ результатов воздействия СШП ЭМИ 76
на элементы радиотехнических устройств
3.3.1. Результаты и анализ экспериментальных исследований воздействия СШП ЭМИ на радиостанции и радиоприемное устройство KB диапазона 76
3.3.2. Результаты и анализ экспериментальных исследований воздействия СШП ЭМИ на полевой кабель 90
3.3.3. Результаты и анализ экспериментальный исследований воздействия СШП ЭМИ на интегральные микросхемы 122
Глава 4. Разработка рекомендаций по обеспечению стойкости элементов радиотехнических устройств к воздействию СШП ЭМИ 132
4.1. Анализ существующих методов обеспечения стойкости РЭА к воздействию СШП ЭМИ и разработка алгоритма обеспечения стойкости РТУ к воздействию СШП ЭМИ 132
4.2. Разработка рекомендаций по совершенствованию математических моделей воздействия СШП ЭМ на элементы радиотехнических устройств 142
4.2.1. Основные принципы создания математических моделей воздействия СШП ЭМИ на элементы РТУ 142
4.2.2. Уточненная математическая модель воздействия СШП ЭМИ на кабельные линии 153
4.2.3. Уточненная математическая модель воздействия СШП ЭМИ на антенно- фидерные устройства 158
4.3. Разработка рекомендаций по обеспечению стойкости радиотехнических устройств к воздействию СШП ЭМИ 161
4.3.1. Особенности поражающего воздействия СШП ЭМИ на средства защиты РТУ... 161
4.3.2. Разработка требований к средствам защиты элементов РТУ от воздействия СШП ЭМИ 163
4.3.3. Обоснование рекомендаций по обеспечению стойкости РТУ к воздействию СШП ЭМИ 172
4.4.Выводы по главе 192
Заключение 194
Литература 199
- Общая характеристика параметров сверхширокополосных электромагнитных импульсов
- Выбор объектов для проведения экспериментальных исследований
- Режимы эффективного воздействия СШП ЭМИ на элементы радиотехнических устройств
- Разработка рекомендаций по совершенствованию математических моделей воздействия СШП ЭМ на элементы радиотехнических устройств
Введение к работе
Современные радиотехнические устройства (РТУ) все в большей степени оснащаются электронными системами управления, микропроцессорными устройствами, чувствительными к электромагнитным воздействиям. Повышение степени интеграции элементной базы электроники, и, как следствие, снижение электрической прочности отдельных компонентов аппаратуры приводит к повышению уязвимости элементов РТУ к воздействию электромагнитных излучений различного происхождения.
В природе источником ЭМИ являются импульсные токи, сопровождающие нестационарные природные явления-геомагнитные бури, удары молнии, электростатические разряды. В технике источниками ЭМИ являются электромагнитные поля радиопередающих и радиолокационных станций, высоковольтные линии электропередачи, импульсные электротехнические устройства [1-4]. Источником наиболее мощного ЭМИ является ядерный взрыв (ЯВ). С началом решения общей проблемы защиты от воздействия ЭМИ ЯВ проводились активные исследования механизмов взаимодействия ЭМИ с РЭА. Исследования стимулировались также широким распространением микроэлектроники в современных информационных системах учета, планирования и регулирования. Воздействие ЭМИ приводит к возрастанию вероятности отказов ответственных систем управления и связи. Кроме того, качественное переоснащение РТУ современной компьютерной техникой, повышение требований по стойкости их к действию различных электромагнитных полей приводит к тому, что в современных условиях проблема воздействия СШП ЭМИ на РТУ становится одной из ключевых.
С другой стороны, средства электромагнитного поражения радиоэлектронной техники также совершенствуются, создаются поражающие средства воздействия нового типа. В последнее десятилетие в радиотехнике произошла своеобразная революция, связанная с практическим использованием нового типа радиоволн - повторяющихся коротких сверхширокополосных электромагнитньк импульсов. Они имеют длительность до 10"10 с, фокусируются антеннами с размером порядка 1 м и достаточно просто генерируются современными полупроводниковыми приборами. Спектральная плотность СШП ЭМИ распределена в интервале от сотен МГц до единиц ГГц, что и дало основание называть их сверхширокополосными.В последние годы появились новые мощные стационарные и мобильные генераторы, излучающие периодические и однократные сверхширокополосные электромагнитные импульсы. Особенностью данного типа излучения является соразмерность длительности воздейств;то-щих импульсов с длительностью рабочих импульсов, сопровождающих обработку цифровой информации.
По мере развития теории и технических средств генерирования, излучения и измерения сверхкоротких ЭМИ, имеющих субнаносекундную длительность, стала развиваться кон-
5 цепция об исключительном значении сверхширокополосных электромагнитных импульсов (СШП ЭМИ, английская аббревиатура UWB ЕМР) в прикладной электродинамике. Отечественными и зарубежными специалистами были показаны возможности генерирования остронаправленного излучения повторяющихся СШП ЭМИ субнаносекундной длительности и их эффективной регистрации с помощью устройств, аналогичных стробоскопическому осциллографу. По своей структуре повторяющиеся СШП ЭМИ чрезвычайно удобны для передачи цифровой информации: значения 0 и 1 передаются путем сдвига импульса по времени на +At от "нормального" положения. При длительности СШП ЭМИ 0,1 не его пространственный размер в направлении распространения составляет 3 см, что позволяет создать радиолокатор с разрешением в несколько сантиметров. И, наконец, при воздействии сверхкоротких ЭМИ на компьютеры и цифровые устройства в их цепях наводятся сигналы, аналогичные рабочим, что приводит к нарушению работы цифровых систем. По мнению отечественных и зарубежных специалистов, особая специфика действия мощных передвижных излучателей СШП ЭМИ позволяет прогнозировать их использование в качестве источников преднамеренных помех для нарушения работы компьютеризованных систем, приемных и передающих средств связи и т.д.
Такие устройства обладают новыми качествами, отсутствующими у традиционных источников преднамеренных помех - сверхширокополосностью и большой амплитудой. Одной из возможных областей применения таких излучателей является дистанционное поражение электронных компонентов элементов РТУ. Кроме того, электронные компоненты и цепи, такие как микропроцессоры, составляющие сегодня основную часть используемых элементов, работают на все более высоких частотах и низких напряжениях и, таким образом, становятся все более восприимчивы к СШП ЭМИ.
Преднамеренная ЭМ помеха опасна еще и тем, что она может создаваться тайно, анонимно и на большом удалении от поражаемого объекта. Она может поразить большое число целей и не оставлять никаких следов.
Проведенные первые экспериментальные исследования и испытания элементов аппаратуры связи с использованием существующих генераторов микроволнового излучения показали, что с уменьшением длительности фронта воздействующего поля снижается эффективность применяемых защитных устройств, усиливается проникновение электромагнитных полей через неоднородности в корпусах и увеличиваются амплитуды наведенных токов и напряжений на выходах антенно-фидерных устройств, кабелей и проводов, расположенных вне экранов или имеющих плетеные и витые экраны, что приводит к ложным срабатываниям или катастрофическим отказам аппаратуры. Кроме того, при экспериментальных исследова-
ниях воздействия СШП ЭМИ на элементы РТУ выявлен ряд новых, до конца не исследованных эффектов, которые могут привести к выходу из строя РТУ.
По общему мнению большинства зарубежных и отечественных военных экспертов, электромагнитное оружие на основе излучателей СШП ЭМИ будет являться одним из главных видов оружия в 21 веке. По их мнению уже в ближайшие 10-20 лет это оружие будет иметь то же стратегическое значение, что и ядерное оружие во второй половине 20 века ввиду того, что электромагнитное оружие высокоэффективно и при этом экологически чистое, относительно гуманное, действует скрытно, направленно и мгновенно. Оно может быть эффективно использовано, как в военных, так и в криминальных целях. Мировая научная общественность активно пытается привлечь внимание политиков и правительств к появлению новой угрозы для современного общества, пронизанного информационными технологиями.
С учетом изложенного следует, что в настоящее время СШП ЭМИ являются новой серьезной угрозой для РТУ. Данные тенденции в развитии генераторов сверхмощных электромагнитных полей обуславливают необходимость проведения широких исследований, направленных на обеспечение стойкости современных РТУ к такого рода электромагнитным воздействиям. Кроме того, учитывая насыщенность РТУ аппаратурой со сложными электрическими цепями, их стойкость в условиях воздействия СШП ЭМИ в настоящее время в основном оценивается экспериментально с использованием установок СШП ЭМИ. Это обусловлено тем, что до сих еще отсутствуют доступные и достоверные методы априорной оценки стойкости элементов РТУ и системы в целом. Экспериментальные методы тоже требуют совершенства и развития в силу своих больших особенностей и несовершенства.
Следовательно, задача разработки и совершенствования методов оценки, в том числе экспериментальных, средств определения характеристик СШП ЭМИ и результатов его воздействия на РТУ, а также разработка и уточнение требований к средствам защиты, является в настоящее время особенно актуальной.
Объектом исследования диссертации являются радиотехнические устройства, в частности: полевые кабельные линии, радиостанции различного назначения, а также базовые радиоприемные устройства коротковолнового диапазона, которые сегодня вообще не исследованы и являются наиболее перспективными для использования при решении целого ряда задач народно-хозяйственного назначения.
Общая характеристика параметров сверхширокополосных электромагнитных импульсов
Электромагнитный импульс (ЭМИ) (Electromagnetic pulse, EMP) - импульс напряженности электромагнитного поля. Вне зависимости от физики процессов и искусственно созданных неядерных ЭМИ БМ, которых уже известно довольно много [5-7] их принято подразделять на узкополосные (УП ЭМИ) и сверхширокополосные (СШП ЭМИ).
Узкополосные ЭМИ (УП ЭМИ) обычно представляют собой редко повторяющиеся радиоимпульсы напряженности электромагнитного поля длительностью до 10 мс, имеющие высокочастотное монохроматическое заполнение на частотах превышающих 1 ГГц.
Сверхширокополосные ЭМИ обычно представляют собой повторяющиеся с относительно низкой частотой последовательности сверхкоротких импульсов или затухающих колебаний напряженности электромагнитного поля. Длительность СШП ЭМИ очень мала (менее 10 не), а энергетический спектр имеет ширину до 40-50 ГГц. ЭМИ БМ - электромагнитный импульс большой мощности, когда мощность источника импульса превышает один ГВт. ЭМИ БМ в широком смысле - это все виды ЭМИ большой мощности, показанные на рис. 1.1. В данной работе сокращение ЭМИ БМ применено в узком смысле (если не оговорено другого) и охватывает только два вида ЭМИ: узкополосные (УП) ЭМИ и СШП ЭМИ. Электромагнитное возмущение (Electromagnetic disturbance) - электромагнитное явление, которое может снизить качество функционирования прибора, устройства или системы, или нежелательно воздействовать на живую или неживую материю. Электромагнитное воздействие (Electromagnetic stress) - возмущение напряжения, тока или напряженности электромагнитного поля, которое воздействует на аппаратуру. Если воздействие превышает уровень уязвимости аппаратуры, то могут наблюдаться сбои и отказы. Электромагнитное воздействие может быть охарактеризовано такими параметрами, как пиковая амплитуда, время нарастания и спада, длительность импульса и др. Ориентировочные значения параметров, характеризующих СШП ЭМИ, приведены в табл. 1.1. Там же для сравнения приведены данные для ранней фазы ЭМИ высотного ЯВ. РТУ можно рассматривать как совокупность аппаратуры, заключенную в некоторую оболочку и сообщающуюся с внешней электромагнитной средой через «порты». 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 РТУ нежелательных внешних воздействий (токов, напряжений, полей), если они не обладают достаточными защитными свойствами.
Защитные свойства РТУ, в основном определяются наличием защитного электромагнитного барьера, задача которого ослабить проникновение нежелательной электромагнитной энергии из внешней среды в цепи аппаратуры РТУ. Защитный барьер обычно содержит отражающий и/или поглощающий экран (его роль, в частности, может выполнять и сам корпус РТУ), 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 РТУ может иметь не один, а два или более защитных барьеров. Первым барьером здесь является проводящий корпус РТУ и фильтры высоких частот на ее сигнальных и питающих вводах. Вторым может служить помещение, в котором установлена РТУ, стены которого покрыты проводящей экранирующей сеткой или пленкой, а цепи питания и заземления оборудованы фильтрами высоких частот. И, наконец, третьим барьером могут служить интегрально металлизированный каркас здания, в котором расположено помещение РТУ (арматура, трубы и др.).
Современные РТУ часто эксплуатируются в условиях, когда на них могут воздействовать специфические внешние факторы, в том числе мощные электромагнитные излучения.
Внешние воздействующие факторы весьма многообразны и внутри каждого вида в основном различаются по интенсивности, режимам и времени воздействия. Все виды ВВФ могут действовать на объект независимо друг от друга, либо комплексно с различной степенью корреляции. В свою очередь, объекты избирательно воспринимают различные воздействия в зависимости от их структуры. Одновременно с усложнением конструкции объекта усложняется, и задача определения последствий влияния воздействующих факторов и тех мер, которые необходимо предпринять с целью сохранения работоспособности объекта в реальных условиях окружающей среды.
До настоящего времени исследования воздействия электромагнитных излучений большой мощности на различные объекты, включая РТУ, в основном проводились с целью защиты их от последствий ядерных взрывов. Сегодня вероятность войны с применением ядерного оружия перестала быть актуальной, но появилась угроза другого оружия -электромагнитного, поэтому разработка стойких к этим воздействиям систем и аппаратуры РТУ ни в коей мере не теряет своей актуальности.
Любая система связи (управления) предназначена для передачи информации (управляющего сигнала) от отправителя к ее получателю. Построение системы связи (управления) зависит от многих факторов, таких как вид сообщения, дальность связи, пропускная способность, критерий качества передачи, стоимость, габариты и т.д. [8,9]. На канал связи, как правило, воздействуют различного вида помехи, которые могут привести к искажениям передаваемого сигнала, а при воздействии мощных помех, к которым относятся СШП ЭМИ, к выходу из строя, как канала связи, так и приемного устройства.
Выбор объектов для проведения экспериментальных исследований
Объекты исследований - кабель полевой типа П-296,: радиостанции Р-159М; Р-168-0,5У; Р-168-05УД; радиоприемное устройство KB диапазона Р-397П2-215; цифровые интегральные микросхемы серий 1564ЛШ и 1554ЛН1, расположенные на печатных проводниках. Полевой кабель П-296 - предназначен для развертывания полевых магистральных линий дальней связи, уплотненных в диапазоне частот до 2048 кГц. Кабели представляют собой четыре токопроводящие жилы с полиэтиленовой изоляцией, скрученные в звездную четверку с шагом (60 ± 3) мм вокруг полиэтиленового корделя. Противоположные жилы в четверке образуют рабочую пару. Токопроводящая жила гибкая, многопроволочная, скру ченная из семи отожженных медных проволок номинальным диаметром 0,35 мм. Длина кабеля при испытаниях составляла 100 м. Внешний вид показан на рис. 2.3. Радиостанция Р-168-0.5У (рис. 2.5) предназначена для ведения открытой или маскированной бесподстроечной, помехоустойчивой телефонной ЧМ радиосвязи. В табл. 2.5 приведены основные тактико-технические характеристики. Рис. 2.6. Внешний вид радиостанции Р-168-0,5У Радиостанция Р-168-0,5УД (рис.2.6) предназначена для обеспечения устойчивой радиосвязи. В табл. 2.6 и 2.7 приведены основные тактико-технические характеристики. Таблица 2.6 Тактико-технические характеристики радиостанции Р-168-0,5УД Виды работ: Режимы работ: Телефон без криптографической защиты информации с частотной модуляцией; телефон с криптографической защитой информации с частотной моду ляцией; передача цифровой информации от внешней оконечной аппаратуры Симплекс или двухчастотный симплекс на одном из 8 заранее подготовлен ных каналов; прием с подавлением шума; ввод радиоданных; речевой ин форматор; криптографическая защита передаваемой информации; скани рующий прием на 2-4 запасных частотах; дежурный экономичный прием; передача и прием тонального вызова; автоматизированный контроль ис правности. Виды переда- Аналоговая информация, не защищенная встроенным средством крипто-ваемой и при- графической защиты информации; аналоговая информация, защищенная нимаемой ин- встроенным средством криптографической защиты информации; цифровая формации: информация от внешней оконечной аппаратуры; тональный вызов на частоте 1 000 Гц. Обеспечивается сопряжение с ЭВМ по стыку RS-232C. Радиоприемное устройство KB диапазона Р-397 П2-215 (рис.2.7) предназначен для работы в диапазоне частот от 0,1 до 29,99999 МГц в составе стационарных автоматизированных объектов радиосвязи, а также автономного использования, предназначено для обеспечения устойчивого радиоприема. В табл.2.8 приведены основные тактико-технические характеристики. Цифровые интегральные микросхемы серий 1564ЛН1 и 1554ЛН1, расположенные на печатных проводниках. Аналогичные микросхемы используются при проектировании и в производстве радиоприемника Р-397П2-215. Объектом воздействия являлись печатные платы с расположенными на них двумя однотипными интегральными микросхемами. Микросхемы соединялись печатными проводниками - соединительными линиями. Были исследованы различные типы соединительных линий: полосковая (ширина 0,5 мм) и проводная (диаметр провода 0,5 мм); конфигурация линий: - прямая; - пилообразная (с прямым углом в местах излома). Длина линий/период пилообразного колебания составляли: - 1 см/1 см; - 6 см/2 см; - 20 см/4 см 9. При испытаниях объекты воздействия монтировались на установочных устройствах (УУ), выполненных на основе двухстороннего фольгированного стеклотекстолита с длиной соединительных линий 1 см, 6 см, и 20 см. Установочные устройства, не имеющие фольгированной дорожки соединительной линии, использовались для испытаний объектов воздействия с проводными линиями связи. Установочные устройства с длиной соединительных линий 20 см имели полигон (заземленная полоска фольги) для подвода питания к микросхеме источника, который осуществлялся экранированным проводом, при этом экран провода опаивается на полигоне. экспериментальных исследований воздействия СШП ЭМИ выбранных радиотехнические средства узлов связи использовались следующие средства воспроизведения и измерения параметров СШП ЭМИ:- излучатель СШП ЭМИ в составе: бездисперсионной 4-х ТЕМ рупорной фазированной антенной системы; фидера - разветвителя для согласования генератора и антенной системы;- измеритель параметров воздействия СШП ЭМИ на основе полоскового измерительного преобразователя.- генераторы высоковольтных импульсов напряжения для возбуждения излучателя СШП ЭМИ
Для регистрации сигналов от измерителя параметров воздействия СШП ЭМИ используются цифровые осциллографы и экранированная кабина из состава Государственного специального эталона ГЭТ 148-93.
Антенно-фидерная система представляет собой антенную решетку из четырех 200-омных рупоров, подключенных к четырехканальному трансформатору разветвителю сверхкоротких импульсов напряжения с высоковольтным вводом, помещенных в радиопрозрачном корпусе.
Антенно-фидерная система (АФС) предназначена для формирования в пространстве направленного излучения электромагнитных импульсов.
Ось направления излучения проходит через центр антенной системы перпендикулярно к плоскости ее раскрыва. Для получения требуемой поляризации излученного сигнала антенна может быть ориентирована в пространстве любым образом.
Режимы эффективного воздействия СШП ЭМИ на элементы радиотехнических устройств
Как уже было сказано, что для всех электронных технических средств воздействие СШП ЭМИ является в настоящее время новым фактором, по отношению к которому они не подвергались контрольным испытаниям на устойчивость. РТУ не являются в этом смысле исключением. Отсюда априори нельзя утверждать, в какой мере и для какого средства СШП ЭМИ представляют наибольшую опасность.
Тем не менее, можно утверждать, что чем меньше мощность электрических сигналов, используемых при функционировании объекта, тем больше он подвержен воздействию СШП ЭМИ. Из наиболее распространенных технических средств на первом месте по этому признаку стоит сотовый телефон, работающий в режиме приема сигнала. Далее следуют цифровые электронные средства, работающие с сигналами порядка 1В, например, компьютеры типа Pentium. Сюда же следует отнести и все остальные электронные устройства, содержащие полупроводниковые элементы с рабочим напряжением того же уровня. Это могут быть серверы локальных вычислительных сетей, охранные системы, системы оповещения о пожаре и т.д. Специфика воздействия СШП ЭМИ состоит в наведении в цифровых схемах коротких электрических импульсов, по амплитуде и длительности близких к рабочим импульсам. Соединительные провода плат и межблочные коммуникации выступают в данном случае в качестве приемных антенн. Наведенные сигналы при логической обработке принимаются за команды, что нарушает работу цифровых систем. Более того, представляется, в принципе, возможным подобрать последовательность импульсов, соответствующую каждой команде, необходимой злоумышленнику. Возможные последствия этого очевидны.
Что касается аналоговых электронных схем, с большим уровнем сигналов, то наведенный под воздействием СШП ЭМИ короткий сигнал, как правило, интегрируется в ее цепях и амплитуда наведенного напряжения мала. Энергия одного импульса ничтожна, вывести из строя или нарушить работу аналоговой системы она не в состоянии. Для блокирования или поражения аналоговых схем необходимы большие напряженности СШП ЭМИ.
Эффект воздействия на элементы РТУ в случае, если рассматривать распространение СШП ЭМИ в свободном пространстве, зависит от многих параметров излучателя, в том числе: амплитуда; длительность фронта; длительность импульса; частота следования импульсов; поляризация сигнала; диаграмма направленности; возможность оперативного поворота максимума диаграммы направленности. Рассмотрим последовательно все эти факторы. Влияние амплитуды СШП ЭМИ.
Влияние этого фактора наиболее очевидно. Все энергетические эффекты СШП ЭМИ пропорциональны квадрату амплитуды. Все эффекты, связанные с электрической прочностью элементов РЭС, пропорциональны амплитуде сигнала. Так как поле излучателя в волновой зоне обратно пропорционально расстоянию, то дальнодействие излучателя прямо пропорционально амплитуде излучаемого сигнала. Влияние длительности фронта СШП ЭМИ.
Для импульсного сигнала с фронтом т верхняя граничная частота его спектра (на уровне 3 дБ) оценивается из соотношения fre = 0,3 5/т. Таким образом, укорочение фронта линейно расширяет спектральную плотность сигнала в области высоких частот, расширяя, соответственно, частотный диапазон воздействий. В работах по излучению СШП ЭМИ принято считать, что при т =100 пс эффективность их воздействия распространяется вплоть до частоты 10 ГГц.
Напряженность поля, проникающего через отверстие в корпуса РТУ, пропорциональна производной от падающего СШП ЭМИ, т.е. обратно пропорциональна длительности фронта. Если говорить о проникающей внутрь энергии, то она также пропорциональна крутизне фронта. Влияние длительности СШП ЭМИ.
Энергия, переносимая СШП ЭМИ в области низких и средних частот, пропорциональна длительности импульса. Таким образом, увеличивая длительность импульса, его основная энергия сдвигается в область низких частот.
Длительность импульса существенна при воздействии СШП ЭМИ на цепи РЭС, подключаемые к приемным антеннам или внешним линиям связи. Обычно для защиты этих цепей используется комбинация параллельно включенных разрядников и ограничительных диодов. Время срабатывания разрядников превышает 100 не, поэтому они не эффективны при защите от сигналов СШП ЭМИ. Лавинные ограничительные диоды имеют время срабатывания порядка 1нс при напряжениях, близких к пробивному. При увеличении напряжения это время составляет несколько десятых долей наносекунды. Таким образом, при воздействии на РЭС нецелесообразно использовать импульсы длительностью порядка 1нс и более.
Кроме того, увеличение длительности требует - при сохранении той же диаграммы направленности - пропорционального увеличения размеров излучающей антенны. Влияние частоты следования СШП ЭМИ.
При энергетическом воздействии переносимая энергия пропорциональна частоте следования СШП ЭМИ. Эффект существенен, если за время между импульсами теплоотвод у нагреваемого элемента невелик. Однако из-за очень малой длительности импульсов эффекты, связанные с нагревом могут быть заметны только для входных смесительных диодов радиолокаторов, непосредственно связанных с антеннами большой эффективной площади.
Частота следования импульсов имеет гораздо большее влияние при информационном воздействии на цепи РТУ, передающие цифровые сигналы. В первую очередь это относится к цепям современных компьютеров, рабочие сигналы которых имеют амплитуду в несколько вольт при наносекундной длительности импульсов. Для сбоя логической схемы достаточно энергии паразитного сигнала порядка 10" Дж. При достаточной частоте наведенных в цепях ЭВМ электрических импульсов с уровнем в единицы вольт с большой вероятностью возможно появление ложных сигналов, нарушающих работу ЭВМ. Более того, сигналы определенной последовательности могут быть приняты за рабочие, что в принципе позволяет вводить ложные команды, вскрывать электронные охранные системы и т.п. Влияние поляризации СШП ЭМИ.
Изменение поляризации СШП ЭМИ изменяет амплитуду и, при повороте на 180, знак сигнала, наведенного в РТУ. Это существенно при воздействии на нелинейные полупроводниковые элементы РТУ. Большинство приемных антенн РТУ предназначены для приема поляризованных сигналов. По этим двум причинам для эффективного воздействия на РТУ необходимо изменять поляризацию излучаемого сигнала. Изменение поляризации должно производиться достаточно оперативно, особенно при облучении движущихся объектов.
При реализации этой задачи возникает ряд проблем. Первая связана с униполярно-стью большинства генераторов коротких сверхширокополосных электромагнитных импульсов. Но так как при излучении сигнал генератора дифференцируется, то проблема поворота плоскости поляризации на 180, (т.е. проблема излучения двуполярного импульса) сводится к проблеме генерирования импульса, задний фронт которого близок по длительности к переднему.
Что касается поворота плоскости излучаемого сигнала на углы, отличные от 180, то она практически может быть решена только с помощью второй излучающей антенны, плоскость поляризации которой повернута на 90. Возбуждение этой антенны за счет использования более длинных фидеров сдвигается на несколько наносекунд. Таким образом, излучаемый сигнал при возбуждении симметричным током генератора будет иметь вид двух двуполярных импульсов с перпендикулярными поляризациями, сдвинутых по времени. Это обеспечивает при каждом срабатывании возбуждающего генератора воздействие на РТУ четырех импульсов с последовательно изменяющимися поляризациями: 0, 180, 90 , 270. Для промежуточных углов поляризации воздействующий сигнал уменьшается про
Разработка рекомендаций по совершенствованию математических моделей воздействия СШП ЭМ на элементы радиотехнических устройств
При создании защитных устройств от поражающего действия СШП ЭМИ для элементов радиотехнических узлов связи необходимо иметь математические модели, описывающие воздействие СШП ЭМИ на элементы аппаратуры и позволяющие оценить величины токов и напряжений, наводимых во внешних элементах систем. К таким элементам в нашем случае в первую очередь относятся прежде всего кабели и антенно-фидерные устройства. Взаимодействие электромагнитных полей с этими элементами описывается уравнениями электродинамики. Получить решение в общем виде не представляется возможным в силу нестационарности полей СШП ЭМИ, протяженности и сложной геометрии взаимодействия. Для приближенных оценок величин наводимых токов используются методы расчета, основанные на различных упрощениях и допущениях [28,36,40,94] Анализ литературных источников по данной проблеме показывает, что в настоящее время нет достаточно универсальных методов расчета, которые позволили бы решить поставленную задачу с учетом частотных спектров и всех других влияющих факторов.
Наиболее общее решение задачи взаимодействия полей ЭМИ с рассматриваемыми объектами может быть получено на основе теории дифракции электромагнитных волн. Однако решение в такой постановке представляет значительные математические трудности, обусловленные необходимостью учета геометрической формы объекта, и получено только для оценки токов в простейших случаях: одного, двух параллельных, двух пересекающихся цилиндров бесконечной длины, возбуждаемых монохроматической волной [95,96]. Использовать полученные зависимости для конкретных расчетов практически не представляется возможным.
Решение задачи взаимодействия полей ЭМИ с кабельными линиями и антенно-фидерными устройствами в общем виде на основе уравнений Максвелла получено лишь для прямого протяженного проводника или кабеля [36,41,97]. Вследствие этого, представляется целесообразным привести сначала решение для данного простого случая, а затем, используя методы математического и электрофизического моделирования, получить приближенные математические модели и решения для конкретных объектов. Основным источником наведенных токов и напряжений в протяженных объектах является проекция электрического поля ЭМИ в грунте на ось проводника Ex(x,t). Под действием этого поля в проводнике наводится ток. Закон распределения тока в горизонтальном проводнике при воздействии продольного электрического поля Ex(x,t) определяется на основе решения системы уравнений Максвелла, связывающей внешние поля с полями внутри проводника с учетом граничных условий.
Система уравнений Максвелла в частотной области решается значительно проще, чем во временной области для импульсных полей, какими являются поля СШП ЭМИ. Вследствие этого решать данную задачу целесообразно, используя прямое и обратное преобразование
Фурье, т.е. получить решение для спектральной плотности тока 7(х,Со) при воздействииспектральной плотности радиального электрического поля.(л;,(в). Применяя к полученному уравнению спектральной плотности тока обратное преобразование Фурье, получим решение для тока во временной области.
Рассмотрим уравнения взаимодействия протяженного проводника (кабель, антенна) радиусом го, с толщиной стенок 8 (пустотелый цилиндрический проводник), проводимостью сто, находящегося в однородной среде с проводимостью аср, причем проводимость цилиндра сто много больше проводимости среды сто» Стер. При этом не учитываются нелинейные процессы, связанные с изменением электрофизических характеристик среды и проводника [97].
Введем цилиндрическую систему координат (г, р, х) так, чтобы ось х совпадала с осью цилиндра (рис. 4.2.).
В случае достаточно тонкого и хорошо проводящего цилиндра зависимостью тока от угла р можно пренебречь, т.е. считать, что ток в сечение зависит только от радиуса. Кроме того, в этом случае можно считать, что изменение тока и магнитного поля в сечении значительно больше изменения тока и магнитного поля вдоль проводника на расстояниях, соизмеримых с радиусом проводника, что справедливо при длине проводника много большей его поперечного размера. Рассмотрим, насколько верно данное допущение для воздействующих высоко частотных полей.
Ток в проводнике будет обладать цилиндрической симметрией, если время прохождения электромагнитной волной расстояния, равного поперечному размеру проводника, значительно меньше времени достижения максимума импульсов высокочастотных полей. Для реальных полей СШП ЭМИ это условие выполняется
Введение указанных допущений позволило вывести достаточно простое интегро дифференциальное уравнение для спектральной плотности тока 7(х,ю), наводимого в проводнике [97[. Рассмотрим основные положения данного вывода.
С целью упрощения записи формул зависимость спектральных плотностей полей от со в дальнейшем писать не будем.
Рассмотрим уравнение (4.3) внутри цилиндрического проводника. Как было показано выше, в цилиндрическом проводнике мы может пренебречь изменением поля вдоль цилиндра, т.е. получим (4.3) в виде:Внутри проводника мы можем пренебречь точками смещения, т.е. считать CJQ = J0 +/СОЄ = С70.
Выполнив дифференцирование по г и вводя переменную р = (1 — ОУо уравнение (4.4) можно представить в виде:
П - внутренний радиус проводника.Уравнение (4.5) является уравнением Бесселя первого порядка, общее решение которого имеет вид:где: Ji(p) - функция Бесселя первого порядка; Ni(p) - функция Неймана первого порядка.Константы А и В находятся из условия выражения магнитного поля на внутреннейи внешней поверхности цилиндра через полный ток 1(х), протекающий в проводнике:Решив совместно уравнения (4.6) и (4.7), найдем постоянные А и В, а затем по формулам
