THESE DE DOCTORAT
DE L'UNIVERSITE PARIS XI - ORSAY
Specialite : Electronique
Presentee par
Laurent PALETTA
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR EN SCIENCES DE L'UNIVERSITE PARIS XI ORSAY
DEMARCHE TOPOLOGIQUE POUR L'ETUDE DES
COUPLAGES ELECTROMAGNETIQUES SUR DES SYSTEMES DE CABLAGES INDUSTRIELS
DE GRANDE DIMENSION
Soutenue publiquement le 28 Septembre 1998 devant le Jury suivant
President
M. Jean-Charles Bolomey
Professeur, UFR Sciences d'Orsay - Supelec
Rapporteurs
M. Flavio Canavero
Professeur, Ecole Polytechnique de Turin
M. Michel Ianoz
Professeur, Ecole Polytechnique de Lausanne
Directeur de these M. Jean-Philippe Parmantier Ingenieur, ONERA
Examinateurs
M. Carl Edward Baum
Senior Scientist, Air Force Research Lab.
M. Philippe Dumas
Ingenieur de Recherche, RENAULT а б
в Рис. 3.2. Диссертация Палетта: титульный листа, испытательный самолет (б, фрагмент кабельной разводки (в)
3.2. Источники Поданным наг. (табл. 3.2 [154]), узкополосные источники электромагнитного (ЭМ) излучения способны генерировать в полосе частот
0,5–10 ГГц пиковую мощность в антенне 0,1–20 ГВт, создавая на расстоянии м электрические поля 20–300 кВ/м. Аналогичные величины для широкополосных (0,1–50 ГГц) источников 2–20 ГВт и 4–20 кВ/м. Таблица Характеристики источников МВМ, СШП и МЭМИ Показатель
МВМ
СШП
МЭМИ Пиковая мощность в антенне 100 МВт ГВт 2–20
ГВт 50000
ТВт
Длительность импульса (0,5)
< 10 нс мкс <
10 нс 20 нс Время фронта (0,1–0,9)
10–20 нс <
1 нс 1–5 нс Энергия на выходе генератора Дж кДж 5–500 Дж 10 6
ГДж Диапазон частот
500 МГц ГГц 100 МГц –50 ГГц 0–200
МГц
Энергия (нам) на дальности
100 мкм км
1–200 Дж
10 мДж Дж
0,1–200 мДж
8 нДж–1 мкДж 120 мкДж
120 мкДж
120 мкДж
Мощность (нам) на дальности
100 мкм км
1 Вт МВт
10 мВт МВт
0,1 мВт кВт
2–100 Вт 600 Вт
600 Вт
600 Вт Пиковое полена мкм км
20–300 кВ/м
2–30 кВ/м
0,2–3 кВ/м
4–20 кВ/м 50 кВ/м
50 кВ/м
50 кВ/м Частота повторения Импульс –250 Гц Импульс – десятки Гц
Импульс Облучаемая поверхность
< 1 км <
10 км 5
⋅
10 6 км
2
Дальность Десятки км <
100 м Метод излучения Антенна Антенна или управляемый взрыв Ядерный взрыв
Рассмотрим данные, касающиеся конкретных приборов. Что касается узкополосной генерации, то, например, от виркаторов получена мощность ГВт в сантиметровом и дециметровом диапазонах [142], а мощность современных релятивистских генераторов оценивается в 20–
80 ГВт [155]. Для генерации широкополосных импульсов разработаны различные технологии от гигантского одиночного импульса контролируемого взрыва до большого числа импульсов с высокой частотой повторения. В частности, для одиночного импульса взрывомагнитных генераторов достигнута генерация тока в десятки мегаампер и пиковой мощности в десятки тераватт [142]. На основе разряда газа высокого давления возможна генерация миллиона импульсов с частотой повторения вне- сколько килогерц при напряжении более пяти мегавольт и мощности в сотни гигаватт в наносекундном диапазоне. На кремниевых приборах, основанных на эффектах сверхбыстрого восстановления напряжения и обратимого пробоя, достигнуты напряжения до 100 кВ для времени фронта импульса <1 нс (пиковая мощность до 100 МВт) и до 20 кВ для
100 пс (>10 МВт. Благодаря таким особенностям этих приборов, как дешевизна, почти неограниченный ресурс и высокая стабильность, стала возможной разработка простых и компактных генераторов импульсов пиковой мощностью в сотни киловатт с частотой повторения вплоть до нескольких мегагерц. Чрезвычайно малый джиттер этих импульсов позволяет суммировать мощность большого числа генераторов [156].
Приведём характеристики уже работающих систем. Так, весьма показательна оценка напряжённости ЭМ поля, создаваемого подвижной станцией спутниковой связи SNG (рис. 3.3) [144]. Из неё следует, что пролетающий в луче самолёт будет около 0,15 с находиться в поле в 42 В/м, что может быть одного порядка с уровнями уязвимости оборудования.
t, с
0
E, В/м
–0,05 0,35 60 40 20 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 Рис. 3.3. Моделирование поляна высоте 300 м, создаваемого пролетающему самолёту станцией SNG при угле высоты луча 30 градусов
Пример информационного оружия (дальность поражениям в секторе микроволновой генератор пиковой мощностью около 1 ГВт (265 кВ 3,5 кА) с зеркальной антенной ∅3 м. Другой пример – фазированная антенная решётка из 144 твердотельных излучателей импульсов длительностью <1 нс, имеющая общую мощность 1 ГВт и работающая на несколько целей [142]. Генератор импульсов ( ±200 кВ 3,5 нс 100 Гц) импульсной мощностью 3,2 ГВт способен работать в течение 20 мин с перерывами 1,5 часа, создавая 1,3 ГВт импульсного поля вертикальной поляризации [157]. Новая антенна для решёток, управляемых подобным генератором позволяет излучение мощных и более коротких (<1 нс) импульсов. Для малогабаритных переносных источников ПЭМП, характеристики ив конечном счёте, цена определяются возможностями источника, запасающего энергию. Кейс на электролитических конденсаторах, запасающих МДж/м 3 энергии, стоимостью $10000–$15000 может вывести из строя до 20 компьютеров, а установка на ионисторах (10 МДж/м 3 , $50000) может быть достаточной для вывода из строя всех компьютеров большого вычислительного центра [142]. Наконец, электромагнитную (ЭМ) бомбу в кейсе, с дальностью действия в 500 м, можно купить по Интернету за $100000 [159]. Что касается возможных размеров, то генератор, например на 50 кВ и 2 кДж, может весить менее 50 кг [160]. 3.3. Уязвимость Трудно найти опубликованные данные по уязвимости авионики. Однако полезные косвенные оценки для сбоя и повреждения можно сделать из уровней уязвимости типового оборудования. Поскольку в состав многих систем входит персональный компьютер (ПК), то весьма важно знать уровни уязвимости ПК к ЭМ воздействиям. Параметры ЭМ излучений, вызвавших нарушения работы различных ПК (с открытой крышкой, приведены в табл. 3.3 [161]. Как видно, уровень уязвимости ПК, не защи- щённого ЭМ экраном, сильно зависит от параметров микроволнового ЭМ воздействия и может составлять всего 30 В/м. Проводились исследования уязвимости отдельных составляющих компьютерных систем к импульсному ЭМ воздействию. Вероятность сбоя при облучении материнской платы ПК показана для разных импульсов на риса для разных материнских платна рис. 3.5. Уровни импульсного ЭМ поля со временем нарастания 2 нс и результаты его воздействия на разные сетевые кабели, подключенные к компьютеру, приведены в табл. 3.4 [162]. Результаты уязвимости при кондуктивном воздействии на кабельные входы разных сетевых плат приведены в табл. 3.5
[141]. Немонотонная зависимость вероятности сбоя от числа воздействующих импульсов отмечена в [141], но её причины не выявлены. Таблица Описание испытываемых ПК, воздействующего поля и наблюдаемых эффектов Воздействующее поле
Напряжённость электрического поля и модуляция Тип ПК Частота несущей,
ГГц
В/м Модуляция Поляризация Направление падения
Наблюдаемые эффекты
2,713 30 НВ потеря данных
2,770 50 АМ Y потеря данных
1,133 50 АМ, имп. перезагрузка
2,675 50,
75
АМ, имп. потеря доступа
133 МГц
Pentium
2,887 75 АМ потеря доступа
1,070 100 Имп. ошибка записи на диск 100
АМ, НВ, имп. X
Z
откл. питания
233 МГц
Pentium2 1,480 100 НВ Y
Z
откл. питания
1,040 45 Имп. Y
Z
откл. питания
1,400 100 НВ
X
Z
откл. питания
1,510 100 АМ
X
–Z
откл. питания
1,515 100 АМ перезагрузка
1,510 75 Имп. Y
Z
откл. питания
1,750 75 Имп. Y
Z
откл. питания
1,430–1,550 50
Имп. X
–Z
откл. питания
300 МГц
Pentium2 1,690 85 Имп. Y
Z
откл. питания
0 50 1
1
E, кВ/м
2 40 30 20 10 Рис. 3.4. Вероятность сбоя для платы Rocky-518 HV с процессором Pentium MMX 233 МГц при облучении импульсами с временем нарастания–длительностью: 100 пс нс (1); 1,5 нс нс (2)
1 15
E, кВ/м
0 12 9
6 3
0 Рис. 3.5. Вероятность сбоя при облучении импульсом с временем нарастания 100 пси длительностью 2,5 нс материнских плати Таблица Уровни излучения и результаты его воздействия на различные кабели Уровень Результат воздействия
RG58 (10Base-2)
>12 кВ/м Разрушение аппаратного обеспечения
12 кВ/м Зависание выход связи из строя, отказы компьютеров
≤
6 кВ/м Нарушение работы, подавление число потерянных блоков возрастает, готовность канала к связи снижается с ростом частоты повторения импульсов
≤
0,53 кВ/м Битовая ошибка наводится импульс того же уровня, что и сигнал
S-UTP (10Base-T)
>12 кВ/м Разрушение аппаратного обеспечения
≥
6 кВ/м Зависание отказы компьютеров
<6 кВ/м Нет ошибок
S-UTP (100Base-TX)
>12 кВ/м Разрушение аппаратного обеспечения
12 кВ/м Зависание отказы компьютеров
≤
6 кВ/м Нарушение работы, подавление
≤
2 кВ/м Нет ошибок Таблица Число сбоев/испытаний при кондуктивном воздействии EFT импульсов (фронт 5 нс, ширина 50 нс) различного напряжения на кабельные входы разных сетевых плат 10Base-T Частота выбросов (импульсы) 1000 В 1500 В 2000 В 3000 В 4000 В 4500 В 1000 кГц (20000) 0/7 2/5 1/5 100 кГц (2000) 7/9 сбой при каждом испытании 10 кГц (200) 6/8 1/3 1 кГц (20) 0/6 2/5 3/5 6/8 Одна серия 0/2 × 0/3 1/3 0/3 10Base-2 Частота выбросов 500 В 1000 В 1500 В 2000 В 2500 В 3000 В 3500 В 4500 В Одна серия 1/6 3/6 3/6 4/6 сбой при каждом испытании Весьма важной и неотъемлемой составляющей жизни общества стал автомобиль, функционирование многих систем которого зачастую становится критичным. В принципе, можно провести аналогию (хоть и весьма грубую) между современным автомобилем и малым вертолётом. В этой связи результаты мощного ЭМ воздействия на автомобиль (рис. 3.6) представляют особый интерес для оценки дальности возможного саботажа. Результаты такой оценки для двух источников разной мощности без экрана и с экраном с эффективностью экранирования (ЭЭ) 30 дБ приведены в табл. 3.6. Как видно, автомобиль, подвергаемый мощному микроволновому облучению от источника размером с кейс (100 кВт, получает сбой на расстоянии 50 м, а от источника размером с фургон (10 МВт) – сбой нами повреждение нам Рис. 3.6. Микроволновая испытательная установка при испытаниях автомобиля кабина дистанционного управления (1); система генерации микроволн (2); дизель генератор (3) Таблица Оценка дальности действия для саботажа по результатам испытаний автомобиля на воздействие МВМ Результат на дальности, м Источник 15 50 500 МВМ фургон P=10 МВт Долговременное повреждение Временный сбой Временный сбой МВМ кейс * P=100 кВт Временный сбой Временный сбой Нет влияния МВМ фургон ЭЭ=30 дБ Временный сбой Нет влияния Нет влияния МВМ кейс * ЭЭ=30 дБ Нет влияния Нет влияния Нет влияния *– может вызвать долговременное повреждение вблизи жертвы **– может вызвать долговременное повреждение. Что касается реального бортового оборудования, то прямые измерения уровней уязвимости оказались, в основном, около нескольких сотен В/м, тогда как для ≈5% оборудования – менее 100 В/м [144]. Однако некоторые косвенные оценки уязвимости авионики могут дать много меньшие уровни. Например, в соответствии с оценкой, использованной в [154], рассматривая сотовый телефон как причину 80% обнаруженных воздействий на авионику и уровень его излучения в несколько В/м на нескольких метрах, оценивается уязвимость авионики также в несколько В/м. Однако известна статистика NASA [147], по которой число зафиксированных случаев по типам источников 25 – сотовый телефон 25 – ноутбук неизвестный источник 13 – электронная игра 13 – магнитофон радио 7 – CD плэйер; 3 – пэйджер; 2 – цифровой видео плэйер; по 1 – диктофон, калькулятор, телевизор, органайзер. Максимальные измеренные уровни излучения некоторых из них показаны на рис. 3.7 [147]. Таким образом, применение аналогичной оценки снижает уровень уязвимости авионики до 100 мкВ/м (см. табл. 3.7). Но это очень низкие уровни, свидетельствующие о том, что оценка уязвимости авионики по максимальному уровню излучения приборов, приводящих к её сбою, может быть некорректной. f, МГц E, дБмкВ/м 1 3 2 4 10 –2 10 –1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Рис. 3.7. Максимальные измеренные уровни излучения (см сотовых телефонов (1); ноутбуков (2); камер (3); плэйеров (4) Таблица Число инцидентов из-за переносных электронных приборов и их максимальные уровни излучения, измеренные на расстоянии 1 м, в диапазоне 10 кГц – 4 ГГц Тип переносных электронных приборов Параметр Мобильные телефоны Ноутбуки CD плэйеры Всего Число (%) инцидентов 25 (21) 25 (21) 7 (6) 118 (Максимальное излучение, В/м ≈ 1 <10 –3 ≈ 10 –4 – Возникает естественный вопрос как могут такие низкие уровни излучения нарушить работу авионики? Трудно ответить однозначно. Несомненный факт состоит в том, что появляются определённые условия, при которых создаются уровни поля, приводящие к сбою оборудования. Этот вопрос ещё будет затронут в следующем разделено прежде, в конце данного раздела рассмотрим некоторые детали возможных результатов ЭМ воздействий, касающиеся уязвимости. Повреждение вызывается, как правило, тепловыми эффектами из-за рассеяния тепла некоторые результаты воздействий мощных микроволн на автомобиль описываются в [163]. Сбой появляется, когда ложные на- ведённые сигналы нарушают правильную работу схемы описание различных аспектов сбоев можно найти в [141, 162, 164]. Одной из основных причин отказа всей системы является выход из строя полупроводникового прибора подробный обзор этой проблемы можно найти в [165]. Модель Вунша–Белла даёт адекватную оценку энергии, достаточной для теплового повреждения полупроводникового прибора, в зависимости от длительности микроволнового импульса (>100 нс. Однако приуменьшении длительности импульса от 100 нс до 5 нс происходит значительное снижение (примерно враз) энергии повреждения (рис. 1 в [166]), показывающее, что именно электрическое поле, а не тепло является главной причиной повреждения. Кроме того, результаты недавних экспериментальных исследований воздействий микроволнового излучения на различные полупроводниковые диоды [155] выявили следующее 1. Результаты влияния мощных микроволн на диоды могут проявиться не только в сбое из-за последствий детектирования воздействующего сигнала ив неустранимом повреждении диода из-за рассеяния тепла, но ив ряде промежуточных эффектов, вызываемых значительными изменениями различных характеристик диодов именно из-за воздействия электрического поля, а не тепла. (Например, прямое и обратное напряжения могут значительно снизиться ёмкость может увеличиться примерно в 3 раза) 2. Интенсивность мощных микроволн определяет не только степень этих изменений, но и время (до двух суток) возврата к прежнему состоянию до облучения (исключая неустранимое повреждение после облучения с критической интенсивностью. 3. Рост числа воздействовавших импульсов мощных микроволн вызывает немонотонное уменьшение, апериодическое возрастание и убывание напряжения, выпрямленного диодом (рис. 3.8). Последний факт находится в соответствии с периодическим поведением аналогичной зависимости, представленной в более ранней работе [167] (рис. 3.9), и они оба могут помочь объяснить немонотонную зависимость вероятности сбоя от числа воздействующих импульсов из табл. 3.5. Можно предположить, что это связано с начинающимися процессами лавинной генерации носителей заряда в локальных областях переходов полупроводниковых приборов, а также с начинающимися процессами локального выжигания переходов, на их неоднородностях, шну- ровыми токами.
200 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 1,00 0,95 Рис. 3.8. Зависимость нормированной амплитуды напряжения с нагрузки детектора от числа воздействовавших импульсов в пачке
20 0
–5 1
31
дБ/имп. Рис. 3.9. Зависимость изменения потери преобразования смесителя от числа воздействовавших импульсов
3.4. Ослабление или усиление Имея представление о порядках ЭМ воздействий и уровнях уязвимости типового оборудования, естественно рассмотреть возможности ослабления этих воздействий. Известным способом ослабления ЭМ воздействий является экранирование. Однако даже в случае полностью замкнутых металлических поверхностей поле внутри может быть больше, чем снаружи например в 3 раза, для электрического поля в центре полой сферы на резонансной частоте. Между тем, эффективность экранирования корпуса оборудования может существенно снижаться из-за щелей в корпусе. Чтобы оценить порядки величины возможного ослабления ПЭМП для наихудшего случая, рассмотрим некоторые примеры типовых корпусов. Например, измеренное отношение электрического поля внутри металлического корпуса со щелями к полю без корпуса в частотном диапазоне 1–6 ГГц изменяется от –60 дБ до более 0 дБ при среднем значении около –20 дБ рис. 3.10) [154]. Средняя эффективность экранирования корпуса реального компьютера, измеренная в реверберационной камере, уменьшается в диапазоне частот 1–6 ГГц приблизительно от 20 дБ до 10 дБ, сохраняясь почти постоянной около 10 дБ вплоть до 18 ГГц и даже уменьшаясь почти до 6 дБ на некоторых частотах (рис. 3.11) [169]. Обратимся к ослаблению ЭМ поля корпусом автомобиля. Результаты моделирования дают среднее значение около –60 дБВ/В/м, а максимальное значение доходит до –25 дБВ/В/м (рис. 3.12) [154]. Пример недавно полученных аналогичных результатов даёт среднее значение около –40 дБВ/В/м и максимальное значение выше –20 дБВ/В/м рис. 3.13) [170]. Это означает, например для внешнего поля 1 кВ/м, среднее напряжение на нагрузке 50 Ом около 10 В и максимальное – выше
100 В.
10 1
10 0
10
–1 10
–2 10
–3 1 2 3 4 5 6
E, В/м
f, ГГц
1 2 Рис. 3.10. Измеренное ЭМ поле снаружи (1) и внутри (2) металлического корпуса со щелями
Э Э , дБ , ГГц Рис. 3.11. Частотная зависимость средней эффективности экранирования компьютера
–20
–30
–40
–50
–60
–70
–80
–90
–100 10 0
10 1
10 2
10 3
1
f, МГц
V/E, дБВ/В/м Рис. 3.12. Измеренное (1) и вычисленное (2) отношения напряжения на 50-омной нагрузке двухпроводной линии внутри автомобиля к напряжённости внешнего электрического поля
f, МГц, дБВ/В/м
V
10 1
10 2
10 3
–60
–40
–20 0
1 2 3
–80 Рис. 3.13. Моделирование наводки внутри автомобиля от внешнего поля измерения (1); вычисления (2); структура разводки
Возвращаясь к авионике, обратимся к результатам измерения ослабления ЭМ поля фюзеляжем летательных аппаратов, некоторые из которых приведены в табл. 3.8 [144]. Числовые значения невелики дБ вдоль фюзеляжа и 7–15 дБ у кабины самолёта. Самое низкое значение эффективности экранирования для испытываемых самолётов составило 0 дБ, а на некоторых из вертолётов (с фюзеляжем из непроводящих материалов) наблюдался эффект повышения напряжённости поля за счёт отражений и резонанса. Измеренные ослабления сигнала достигали минус 6 дБ [144]. Следовательно, вспомнив о вопросе, оставленном без ответа в предыдущем разделе, можно предположить, что, если внешнее поле способно усилить поле внутри фюзеляжа, то внутренний источник может создать внутри фюзеляжа (как резонатора) намного более сильные поля. Таблица Минимальное ослабление, дБ в диапазоне 12,5–15 ГГц Часть самолёта DC-10 Boeing 747-236B Носовая 7 15 Передняя 20 31 Средняя 26 31 Очевидно, что ПЭМП не посредством излучения, а по проводникам могут повлиять гораздо сильнее. Короткие импульсы могут легко распространиться посети питания, например от трансформаторной подстанции на улице до блока питания компьютера, находящегося в комнате большого здания примеры исследованных способов воздействия показаны на риса его результаты на рис. 3.15 [171]. Часто полагают, что можно защититься традиционным устройством бесперебойного питания, однако выясняется, что оно само весьма подвержено деструктивному воздействию [142]. Грамотное построение защиты при укорочении импульсов, воздействующих по проводникам, оказывается нетривиальным делом. Так, напряжение срабатывания традиционных газовых разрядников возрастает, например с 250 до 800 Вас оп- ределённого порога разряди вовсе не наступает, те. прибор защиты не защищает. Те же тенденции, хотя ив меньшей степени, имеют место и для металлооксидных варисторов. Проблема, казалось бы, снимается быстродействующими защитными диодами, но их предельные токи составляют всего несколько ампер [172]. Ослабление кондуктивных ПЭМП без специальных мер (фильтры, разрядники, варисторы и т.п.) осуществляется только длиной кабеля от места воздействия до интересующего устройства. На рис. 3.16 приведены результаты ослабления стандартных EFT импульсов типовым сетевым кабелем. Как видно, импульсы довольно хорошо распространяются по кабелю, поскольку изменение его длины от 3 дом ослабляет их менее чем в 2 раза [141]. Фаза 3 Фаза 2 Фаза 1 Фаза Фаза Фаза Нейтраль Воздействующий генератор
0,38 кВ 10 кВ Заземление Фаза 3 Фаза 2 Фаза 1 Фаза Фаза Фаза Нейтраль Воздействующий генератор
0,38 кВ 10 кВ Заземление Рис. 3.14. Воздействие нацепи "фаза–нейтраль" (слева) и "нейтраль–земля" (справа)
20 0
0 10
«фаза–нейтраль»
«нейтраль–земля»
10 5 Рис. 3.15. Форма напряжения (кВ, мкс) на входном разъёме прибора при воздействиях нацепи «фаза–нейтраль» и «нейтраль–земля» импульса амплитудой 20 кВ со временем нарастания 1 мкс и затухания 10 мкс
205 0,3 0,2 0,1 0 5 10 15 20 25 30 l, м VВЫХ / VВХ2 4 3 Рис. 3.16. Измеренные (1) и вычисленные при Z/ R=20 (2), 30 (3) и 40 (4) ослабления EFT импульсов кабелем 10Base-T (й категории) в зависимости от его длины |
Скачать 3.32 Mb.