Направления исследований по проблеме ЭМИ.
В последние десятилетия наблюдается постоянно возрастающий интерес к исследованию и использованию в задачах радиотехники нового типа электромагнитных волн — электромагнитных импульсов (ЭМИ) [1]. 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 [2−5]. Источником наиболее мощного ЭМИ является ядерный взрыв (ЯВ). С началом решения проблемы защиты от воздействия ЭМИ ЯВ начинались 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.
Поэтому актуальными в этих условиях становятся проблемы защиты информационных ресурсов, оценка устойчивости гражданских объектов, обеспечение функциональной безопасности информационных и телекоммуникационных систем. Решение этих проблем к проводится по следующим основным направлениям:
1. Задание в качестве требований в нормативно-технических документах обоснованных, типизированных параметров электромагнитных факторов [6−12,22].
2. Создание и модернизация имитаторов для воспроизведения заданных в стандартах параметров электромагнитных полей ЭМИ ЯВ и сверхкоротких ЭМИ [13−14,20].
3. Разработка средств измерений [25].
4. Испытание объектов к действию электромагнитных факторов с использованием имитаторов ЭМИ [13−19,28−30].
5. Разработка методов и средств защиты [15].
6. Обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) технических систем [21−27].
В нашей стране и за рубежом ведется целенаправленная работа по разработке стандартов. Завершается работа над комплексом российских стандартов технического регламента по ЭМС.
По оценке специалистов проблема ЭМС и устойчивость технических средств к ЭМИ выходит на ведущую позицию при разработке электронной и телекоммуникационной аппаратуры и систем на их основе [19].
Имитаторы электромагнитного импульса ядерного взрыва. Для испытаний радиотехнических средств на стойкость к воздействию ЭМИ ЯВ в экономически развитых странах было сооружено несколько десятков имитаторов ЭМИ ЯВ [14].
Дальнейшие исследования (1968 — 1978 гг.) в области генерирования и измерения параметров ЭМИ проводились в направлении разработки излучающих имитаторов ЭМИ ЯВ и средств измерений параметров в наносекундной области. Например, излучающий имитатор ВНИИОФИ имел импульсную мощность около 10 ГВт и излучал ЭМИ с длительностью фронта 10 не. Антенна имитатора была выполнена в виде плоской решетки из четырех несимметричных вибраторов высотой 10 м. Возбуждение антенны осуществлялось от искрового генератора с рабочим напряжением до 1 МВ. Увеличение числа вибраторов позволило пропорционально снизить рабочее напряжение на антенне, кардинальным образом упростив задачу ее высоковольтной изоляции. Разработка имитатора стимулировала развитие методов расчета излучателей ЭМИ, а также средств измерений параметров ЭМИ и эталонных установок.
В связи с возрастанием требований к крутизне переднего фронта ЭМИ во ВНИИОФИ был проведен цикл исследований по созданию имитатора с субнаносекундной длительностью фронта ЭМИ. Проблема излучения мощного ЭМИ подобной длительности распадается на две самостоятельные задачи: создание возбуждающего генератора импульсного напряжения с субнаносекундным фронтом и рабочим напряжением в сотни киловольт и разработка достаточно широкополосной и электрически прочной антенны, позволяющей излучить подобные импульсы.
Короткие сверхширокополосные электромагнитные импульсы. В настоящее время в развитии телекоммуникационных технологий наблюдается интенсивное освоение нового типа радиоволн — сверхкоротких (сверхширокополосных) электромагнитных импульсов.
Они имеют длительность порядка 0,1 не. Было установлено, что подобный тип электромагнитных волн чрезвычайно эффективен для передачи цифровой информации, а также для сверхширокополосной (в первую очередь для подповерхностной) радиолокации с разрешением образа объекта.
На основе этой технологии за рубежом разработаны и проходят испытания устройства скрытой телефонной радиосвязи, приемо-передающие устройства для бескабельных локальных компьютерных сетей, высокоточные системь! местоопределения. Испытываются локаторы для обнаружения в грунте пластиковых мин, для дальнометрии и систем охранной сигнализации, для контроля расстояний на транспорте и для дистанционного контроля пульса и дыхания человека [121].
Для метрологического обеспечения телекоммуникационных технологий, использующих сверхкороткие электромагнитные импульсы (СК ЭМИ) необходимы средства измерений параметров этих импульсов, быстродействие которых должно быть менее 100 пс. Практика показала, что единственным типом средств измерений, обеспечивающим требуемую широкополосность являются полосковые измерительные преобразователи [1]. Развитие полосковых измерительных преобразователей проходило в направлении сокращения времени нарастания их переходной характеристики.
По мере развития теории и технических средств генерирования, излучения и измерения коротких ЭМИ, имеющих субнаносекундную длительность, стала развиваться концепция об исключительном значении коротких сверхширокополосных электромагнитных импульсов (СШП ЭМИ, английская аббревиатура ЩУВ ЕМР) в прикладной электродинамике. Отечественными и зарубежными специалистами были показаны возможности остронаправленного излучения повторяющихся СШП ЭМИ субнаносекундной длительности и 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 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 единодушному мнению отечественных и зарубежных специалистов, относительная простота изготовления мощных передвижных излучателей СК ЭМИ позволяет прогнозировать их использование в террористических целях для нарушения работы компьютеризованных государственных инфраструктур. Необходимым условием развертывания работ в трех перечисленных направлениях (связь, локация, борьба с электромагнитным терроризмом) является решение двух проблем — метрологического обеспечения исследований и создания излучателей СК ЭМИ (разработка методов расчета АФС и разработка генераторов).
Методы расчета антенн для излучения и регистрации СКИ ЭМИ. Теоретическая часть исследований изложена в [1].
Что касается приемных антенн, то объектом расчетов была выбрана полосковая линия, возбуждаемая внешним ЭМИ. Сложность задачи заключалась в том, что разные участки линии возбуждаются в разное время, при этом в возбуждении участвуют как электрическое, так и магнитное поле ЭМИ.
Испытательные излучатели СК ЭМИ. Одной из наиболее актуальных задач при оценке стойкости ТС в условиях воздействия сверхкоротких электромагнитных импульсов (СК ЭМИ) в соответствии с требованиями стандартов ГОСТ и МЭК является проблема воспроизведения необходимых параметров нагружения в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн. Для проведения таких исследований требуется разработка новых методов и соответствующий комплекс установок-имитаторов электромагнитных излучений для испытаний аппаратуры и стационарных объектов. Это позволит повысить достоверность исследований устойчивости ТС, обеспечит их стойкость и взрывобезопасность на всех этапах жизненного цикла (хранение, транспортировка, эксплуатация). В России имеется существенный задел по разработке мощных излучателей с узконаправленными антенными системами [8,9]. Результаты могут служить основой для создания мощных импульсных излучателей СК ЭМИ.
Цель работы. Совершенствование научно-методического аппарата, средств воспроизведения излучения и методов испытаний РТС в условиях воздействия сверхкоротких электромагнитных импульсов.
Постановка задач. Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
Результаты работы могут быть использованы:
— в НИУ, занимающимися проектированием и испытанием стационарных узлов связи на действие ЭМИ;
— для получения типовых параметров воздействия СК ЭМИ на телекоммуникации офисов, интеллектуальных зданий;
— при разработке методик иагружеиия при испытании оборудования и систем и обосновании требований на средства защиты;
— для использования при разработке рабочих проектов международных стандартов по методам расчета воздействия СК ЭМИ на ТС.
Дальнейшее исследование по данному направлению целесообразно сосредоточить на решении следующих вопросов:
1. Расширение возможностей применения излучателей:
— в плане уточнения физико-математической модели, описывающей излучение СКИ ЭМИ;
— во введении в разработанные модели уточненных характеристик устройств, подключенных к генераторам.
2. Разработка методов обеспечения устойчивости РТС к воздействию сверхширокополосных электромагнитных импульсов.
Ведущую роль в исследованиях воздействия сверхкоротких ЭМИ на радиотехнические системы в России играют научные коллективы ФГУП ВНИИОФИ, ФГУП МНИРТИ, ФГУ 12 ЦНИИ МО, НИИФ СПбГУ, ВИТУ, ЦНИИ 22 МО, МИЭМ.
Были достигнуты успехи в решении задач анализа стойкости систем связи, создании методов измерений и экспериментальной проверки методик расчета наведенных СК ЭМИ в кабельных линиях, экранах и антеннах.. .
Крупный вклад в эти работы внесли ученые: Соколов А. А., Сахаров К. Ю., Подосенов С. Н., Мырова JI.O., Кечиев JI.H., Чеков Г. Н., Балюк Н. В., Крохалев Д. И., Синий JI.JI., Воскобович В.В.
Лично автором разработаны требования к излучателям сверхкоротких импульсов, физико-математические модели расчета параметров излучения в части расчета полей излучения, проведены экспериментальные исследования характеристик излучателей и испытания технических средств на стойкость к воздействию СК ЭМИ.
В соавторстве с Соколовым А. А., Сахаровым К. Ю и Подосеновым С. Н. разработаны предложения по созданию излучателей, методики испытаний, методики выполнения измерений.
Совместно с Михеевым О. В. разработана и проведена экспериментальная отработка методических вопросов.
В заключение хочу выразить искреннюю признательность за внимательное руководство и всестороннюю помощь научному руководителю кандидату технических наук Сахарову Константину Юрьевичу.
Выражаю глубокую благодарность доктору технических наук, профессору Соколову A.A., доктору технических наук, профессору Золотаревскому Ю. М., доктору технических наук, профессору, директору ФГУП «ВНИИОФИ» Иванову B.C. и кандидату физико-математических наук Подосенову С. Н. за плодотворное обсуждение работы и ценные советы.
Не могу не высказать признательность кандидату технических наук Долбне С. Н. за внимательное отношение к работе и критические замечания, которые были, по возможности, учтены при подготовке рукописи.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Основным результатом, определяющим научную и практическую значимость, выполненных в работе исследований, является создание научно-методических основ расчета АФС и разработка сверхмощных искровых излучателей на основе антенны с параболическим рефлектором и решеток из ТЕМ-рупоров, включающие в себя:
— разработку математических моделей, расчета АФС;
— обоснование параметров генераторов и исследование характеристик излучателей;
— проведение комплекса экспериментальных исследований воздействия полей разработанных излучателей на радиотехническую и телекоммуникационную аппаратуру.
Наиболее важные конкретные научные результаты, полученные в ходе исследований, состоят в следующем:
1. На основе анализа состояния проблемы ЭМИ установлено, что в настоящее время в развитии телекоммуникационных технологий наблюдается интенсивное освоение нового типа радиоволн — сверхширокополосных (сверхкоротких) электромагнитных импульсов.
Они имеют длительность порядка 0,1 не. Было установлено, что подобный тип электромагнитных волн чрезвычайно эффективен для передачи цифровой информации, а также для сверхширокополосной (в первую очередь для подповерхностной) радиолокации с разрешением образа объекта.
Одной из наиболее актуальных задач при оценке стойкости ТС в условиях воздействия сверхкоротких электромагнитных излучений (СК ЭМИ) в соответствии с требованиями стандартов ГОСТ и МЭК является проблема воспроизведения необходимых параметров нагружения в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн. Для проведения таких исследований требуется разработка новых методов и соответствующий комплекс установок-имитаторов электромагнитных излучений для испытаний аппаратуры и стационарных объектов. Это позволит повысить достоверность исследований устойчивости ТС, обеспечит их стойкость и взрывобезопасность на всех этапах жизненного цикла (хранение, транспортировка, эксплуатация). В России имеется существенный задел по разработке мощных излучателей с узконаправленными антенными системами. Результаты могут служить основой для создания мощных импульсных излучателей СК ЭМИ.
2. Обоснованы требования к метрологическим н конструктивным характеристикам излучателей.
На основе обоснованных требований определены три вида, разрабатываемых излучателей.
1. Мощные искровые однократные излучатели супер-ЭМИ. В качестве источника высокого напряжения — многоступенчатый ГИН, работающий на обостряющую емкость. В качестве полеобразующей системы — монорупор, нагруженный на сопротивление, равное волновому сопротивлению рупора. Объект испытаний помещается внутри полеобразующей системы, при этом достигаются максимальные напряженность и длительность поля и протяженность и однородность рабочей зоны.
2. Мощные. искровые передвижные излучатели сверхкоротких ЭМИ с максимальной частотой повторения до 1 кГц. В качестве источника высокого напряженияимпульсный трансформатор Тесла, заряжающий формирующую емкость. Для получения длительности фронта генератора, порядка 100 — 250 пс — несколько ступеней обостряющих разрядников. Для получения требуемой частоты повторения — прокачка масла' в обостряющих разрядников. В качестве АФС можно использовать все выше перечисленные типы (в зависимости от конкретных целей): монорупор, антенна с рефлектором и решетка из ТЕМ-рупоров.
3. Лабораторные переносные излучатели сверхкоротких ЭМИ, на основе полупроводниковых генераторов, производства ЗАО «НПАО «ФИД-Технология». Максимальная частота повторения до 1 кГц, возможность внешнего запуска, максимальное выходное напряжение генератора до 40 кВ. В качестве АФС используются следующие типы: антенна с рефлектором и решетка из ТЕМ-рупоров.
3. Получены аналитические выражения для расчета АФС.
Был использован простой способ аналитического расчета излучения от бегущих волн тока, распространяющегося по тонким криволинейным проводам, расположенным на электродах исследуемых полеобразующих систем. Полученные решения справедливы как в ближней, так и в дальней зоне.
На основе вышеуказанной теории разработана программа для расчета ТЕМ — рупоров и рупорных решеток с заменой сплошного рупора проводами. Таким образом, создан математический аппарат, позволяющий находить поля излучения от сложных проволочных структур, а также и от сплошных структур при известных плотностях тока.
Время расчета по такой программе на обычных персональных компьютерах составляет несколько минут. Все другие известные методы расчетов полей требуют значительно больших усилий.
Расчеты ТЕМ-рупорных антенных систем, а также результаты их экспериментального исследования позволили получить упрощенную формулу для определения амплитуды Ег излучаемых СК импульсов в дальней зоне на расстоянии г: где: — площадь раскрыва антенныиг и //- амплитуда и длительность фронта (в не) импульса напряжения на входе антенны (выходе возбуждающего генератора).
Для синхронного возбуждения решеток из ТЕМ-рупоров был предложен так называемый «волновой трансформатор», позволяющий согласовать один мощный генератор с 50-омным выходом со многими ТЕМ-рупорами антенной решетки.
Трансформатор представляет собой коаксиал с нарастающим по ходу волны диаметром внутреннего электрода, что соответствует уменьшению волнового сопротивления. В соответствии с известным выражением для волнового сопротивления Ъ=60Не Ьп Б/с1, где Б и (1 — соответственно наружный и внутренний диаметр коаксиала, а? — диэлектрическая проницаемость среды, выбираются значения входного и выходного сопротивления трансформатора. Входное сопротивление равно сопротивлению фидера, а выходное равно 200/Ы, где N — число ТЕМ-рупоров, каждый из которых имеет входное сопротивление 200 Ом. К выходу трансформатора подключается N/4 коаксиальных 50-омных кабелей, каждый из которых разветвляется на 4 двухсотомные линии, подключенные к рупорам. Синхронность возбуждения рупоров обеспечивается одинаковой длиной всех кабелей. Собственное время нарастания переходной характристики системы волновой трансформатор — кабели — рупора составляет согласно измерениям не более 100 пс.
Решетка из ТЕМ-рупоров в сочетании с волновым трансформатором позволяет передать энергию генератора практически полностью к раскрыву антенны. Рабочее напряжение на каждом рупоре снижается в несколько раз, поле практически равномерное в раскрыве, решетка вписывается в любой прямоугольный габарит, имеет малую толщину, а наличие гибких кабелей позволяет осуществлять ее поворот.
Преимущество антенны с рефлектором, по сравнению с решеткой из ТЕМ-рупороввозможность получить более узконаправленный сигнал СК ЭМИ за счет более плоского фронта импульса поля в раскрыве антенны, а также более крутого фронта возбуждающего генератора, вследствие отсутствия разветвленных фидерных линий и потерь в фидере.
Узконаправленная АФС с шириной диаграммы направленности в единицы градусов может быть реализована при этом только если с! «ст, где с! — линейный размер плоского фронта, х — длительность излучаемого сигнала и с — скорость света. При малых углах, а оценка ширины диаграммы направленности определяется соотношением, а ~ ст/с1.
Другой вариант оценки ширины диаграммы следует из утверждения, что формулы обычной радиотехники при длине волны сигнала X пригодны для оценок импульсного излучения при сх = X. Отсюда для оценки ширины диаграммы по уровню половинной мощности может быть использовано соотношение а~ 51° ст/<1.
Так как 1 рад = 57,3°, то приведенные оценки практически совпадают. Ширина реальных диаграмм может существенно отличаться от этих значений, поскольку зависит от формы излучаемого сигнала.
Реально достигнутые значения ширины диаграмм направленности параболических антенн по уровню 0,7 по амплитуде составили для излучателя «Снайпер» при диаметре зеркала 2,6 м и длительности импульса 200 пс — 5,3°, для излучателя «И-10/0,9Р» при диаметре зеркала 0,9 м и длительности импульса 100 пс — 3,4°. На основе этих экспериментальных данных наиболее вероятной оценкой ширины диаграммы направленности апертурных СК излучателей представляется соотношение.
Да ~±1000-ст/с1.
4, Созданы излучатели СК ЭМИ.
Разработанные во ВНИИОФИ испытательные излучатели СК ЭМИ делятся по типу возбуждающих генераторов на две группы: искровые и полупроводниковые.
Искровые излучатели обладают импульсной мощностью порядка 1 ГВт и более, но имеют ограниченный ресурс из-за эрозии электродов в разрядниках.
Полупроводниковые генераторы в настоящее время уступают по импульсной мощности искровым, однако имеют огромный ресурс и допускают (при уменьшении импульсной мощности) высокую частоту следования — до сотен килогерц. Если в искровых генераторах частота следования импульсов ограничивается временем восстановления электрической прочности искрового зазора (порядка 1 мс), то в полупроводниковых генераторах главную роль играют трудности отвода тепла от ключевых элементов, имеющих характерный размер около 1 см. Еще одно преимущество полупроводниковых генераторовпринципиальная возможность их синхронизации с погрешностью порядка 0,01 не, что позволяет наращивать импульсную и среднюю мощности излучателей.
Основная задача при разработке искровых излучателей — распределить достаточно равномерно мощность возбуждающего генератора по площади антенны. Были использованы два типа антенн: с параболическим рефлектором диаметром 2,6 мс плоской решеткой, размерами 1,2×1,2 м из 64 ТЕМ-рупоров и 2×2 м из 144 ТЕМ-рупоровмонорупорная антенна, апертурой 0,66×0,4 м. В первом случае облучение рефлектора осуществлялось двумя скрещенными биконическими диполями, подключенными к выходному коаксиалу возбуждающего генератора. Во втором случае энергия генератора с помощью понижающего коаксиального трансформатора распределяется между соответственно 16 и 36 кабелями, каждый из которых через согласующее устройство подключался к четырем ТЕМ-рупорам.
В третьем случае энергия генератора непосредственно подавалась на антенну, что позволило получить рекордную длительность фронта излученного импульса для искровых излучателей-100 пс. .
В полупроводниковых излучателях, используются в основном антенные решетки из ТЕМ-рупоров. Следует подчеркнуть, что ввиду высокого КПД полупроводниковых генераторов их вес при равной мощности примерно на порядок меньше массы искровых, что чрезвычайно важно в прикладных задачах. Во ВНИИОФИ разработана серия полупроводниковых излучателей для различных задач с числом рупоров в антенных решетках 4 — 64 и на основе антенны с рефлектором, диаметром 0,9 м. Технология полупроводниковых генераторов быстро развивается, и в настоящее время создание искровых излучателей становится нецелесообразным.
5. Экспериментально исследовались характеристики излучателей.
Исследования излучателей осуществлялись с помощью измерительных преобразователей напряженности импульсного электрического поля полоскового типа ИППЛ-Л и ИППЛ-М, разработанных и запатентованных ВНИИОФИ. Проведенные измерения показали, что максимальное отличие расчетных данных от экспериментальных составляет 10%. Это свидетельствует об удовлетворительной точности предлагаемых методов расчета АФС.
6. Экспериментальные исследования воздействия СК ЭМИ на РТС.-~.
Проведены исследования воздействия на ПЭВМ и систему контроля доступа (СКД).
Обоснованы оптимальные режимы воздействия СК ЭМИ на элементы РТС и информационных инфраструктур.
По результатам проведенных исследований разработаны рекомендации по совершенствованию методов средств защиты, РТС от воздействия СК ЭМИ.
Анализ показал, что международные стандарты по ЭМИ, в которых регламентируются уровни электромагнитных излучений, устанавливают низкие уровни излучений и наводок оборудования в сети.
Предложенные методы и программные средства являются методической основой для научно-обоснованных решений по обеспечению стойкости РТС и повышению помехозащищенности телекоммуникационной инфраструктуры, отвечающей требованиям стандартов МЭК.
Современная методология технических методов и средств оценки стойкости телекоммуникационных систем и РТС базируется на подходах обеспечения ЭМС, в которых выделены основные методы ослабления электромагнитных излучений — экранирование и заземление.
Эти методы и средства обеспечивают решение задач защиты от внешних низкочастотных локальных электромагнитных воздействий, но применительно к воздействию полей СК ЭМИ, требуют доработки.
Исследованный в работе механизм воздействия показал, что основным каналом проникновения в современные узлы связи мощных импульсных наводок являются кабельные линии, антенны и неоднородности в экранах. Защита РЭА от воздействия наводок в кабельных линиях, антеннах является первоочередной.
