CC BY
229
Андреев П.Г., Наумова И.Ю. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ В ЗАДАЧАХ ИНФОРМАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
Вопросы электромагнитной совместимости (ЭМС) непосредственно связаны с обширной областью радиотехники, электроники и электротехники. Миниатюризация оборудования, а также его возрастающая сложность, интеграция и взаимодействие - делают электронные системы и компоненты более уязвимыми при электромагнитных воздействиях. Более высокие токи, напряжения и уровни мощности оборудования увеличивают уровни этих воздействий, а интегрирование и взаимопроникновение силовых и информационных компонентов физически сближают источники и приемники электромагнитных наводок.
Проблема ЭМС не только теоретическая, но и практическая, например, функционирование многочисленных промышленных предприятий, интеллектуальных зданий и объектов особой важности, офисных помещений, сетей электроснабжения целых областей (регионов) зависит от информационно-управляющих систем. Известны многочисленные случаи выхода из строя банковских информационных систем из-за мощных грозовых разрядов, нарушения электропитания. Можно привести примеры из других областей, когда помехи в информационных системах приводили к серьезным, а порой и к катастрофическим последствиям. Поэтому обеспечение электромагнитной совместимости является не только задачей функциональной надежности электронных и электронно-вычислительных систем, но и информационной безопасности в целом.
Технический комитет Международной электротехнической комиссии (МЭК) установил следующую классификацию электромагнитных явлений, принятую техническим комитетом Европейского комитета по стандартизации в области электротехники (таблица 1) [1].
Таблица 1 Классификация электромагнитных явлений, вызывающих помехи
Явления Проявление
Кондуктивные низкочастотные - гармоники, интергармоники, - системы передачи сигналов по сетям электроснабжения, - колебания напряжения, - провалы и прерывания напряжения, - разбаланс напряжений (в многофазных цепях), - изменение частоты электропитания, - наведенные низкочастотные напряжения, - постоянный ток в сетях переменного тока
Низкочастотные, в виде поля излучения - Магнитные поля: - непрерывные, - переходные, - Электрические поля
Кондуктивные высокочастотные - Непосредственно введенные или наведенные напряжения или токи: - незатухающие колебания, - модулируемые волны. - Однонаправленные переходные процессы.* - Колебательные переходные процессы*
Высокочастотные, в виде поля излучения - Магнитные поля - Электрические поля. - Электромагнитные поля: - незатухающие колебания, - модулируемые волны, - переходные процессы
Разряд электростатического электричества (ЭСР)
Высотный ядерный электромагнитный импульс (ЯЭМИ)
Примечание: * — отдельные или повторяющиеся (пачки).
Как видно из таблицы, электромагнитные явления в виде помех различного проявления могут являться существенными источниками угроз безопасности. Здесь необходимо сделать следующие замечания:
— термин ЭМС больше не ограничен областью высоких частот и применяется к целому спектру явлений в полосе частот от 0 Гц до нескольких гигагерц.
— по практическим соображениям было принято целесообразным разделить явления по составу спектра на низкочастотные и высокочастотные. Граница была установлена на уровне 9 кГц.
— помехи включаются в кондуктивные или излучаемые высокочастотные явления.
— программа работы технического комитета включает исследование электромагнитных эффектов высотных ядерных взрывов, но эта тема не входит в программу работы других организаций, например Европейского комитета по стандартизации в области электротехники.
Четкого разграничения частей радиоэлектронного устройства на источники и приемники наводки сделать нельзя. Иногда один и тот же элемент может являться одновременно и источником, и приемником наводки. Например, промежуточный каскад многокаскадного усилителя является источником наводки для всех предыдущих каскадов и приемником наводки от всех последующих. Поэтому на первом этапе решения конкретной задачи удобно считать все элементы устройства потенциальными источниками и приемниками наводки, выбирая затем методом последовательного исключения наиболее вероятные варианты, подлежащие детальной проработке.
Чем выше соотношение уровней мощностей и напряжений между какими-либо частями и устройства, тем вероятнее наводка с одной из этих частей на другую. При одинаковых коэффициентах паразитной связи на резонансных контурах, работающих на основной частоте, возбуждается большее напряжение, чем в апериодических или в расстроенных цепях. Поэтому из всех элементов радиоустройства наиболее вероятными источниками наводки являются элементы с самыми высокими уровнями высокочастотной или импульсной мощности. Наиболее вероятными приемниками наводки являются элементы с наименьшим уровнем высокочастотной мощности, содержащие резонансные контуры, настроенные на частоты, излучаемые вероятными источниками наводки.
К вероятным источникам наводок можно отнести:
— сеть питания переменного тока;
— мощные генераторы высокой частоты, особенно работающие в нелинейном режиме и импульсные;
— импульсные модуляторы с высоким напряжением и большим током;
— двигатели внутреннего сгорания с электрическим зажиганием;
— электросварочные аппараты;
— электропечи с дуговым разрядом;
— генераторы импульсов, особенно с большим током;
— генераторы развертки, особенно с высоким напряжением и малым временем обратного хода;
— обмотки реле, контакторов, соленоидов и других приборов, имеющие большую индуктивность и работающие в режиме включения — выключения;
— электродвигатели, работающие в режиме включения — выключения;
— коллекторные электродвигатели;
— выключатели, переключатели и контактные пары реле;
— флуоресцентные осветительные приборы;
— феррорезонансные стабилизаторы напряжения;
— выходные и силовые трансформаторы. Дроссели питания с зазором;
— выходные и предвыходные каскады усилителей высокой, промежуточной и низкой частот;
— недостаточная и ненадежная металлизация аппаратуры.
Вероятные приемники наводок:
— все радиоприемники, особенно чувствительные и работающие в длинноволновом диапазоне;
— электронно-лучевые трубки;
— спусковые устройства (триггеры, мультивибраторы и другие элементы импульсной и вычислительной техники) с высокой чувствительностью срабатывания;
— входные и первые промежуточные каскады усилителей всех типов;
— входные трансформаторы усилителей низкой частоты;
— длинные кабели, соединяющие разные устройства или части одного устройства, особенно при наличии двух и более заземлений.
Можно выделить наводки, наблюдаемые на основной частоте и на гармониках. Первый вид наводок наблюдается, когда в пределах одного или нескольких радиоэлектронных устройств имеются источники наводки, паразитно связанные с чувствительными приемниками наводки, работающими на частотах источников. Второй вид возникает в устройствах, содержащих элементы, работающие на кратных частотах. Если элемент, имеющий относительно высокий уровень мощности, работает в нелинейном режиме, то гармоники основной частоты, получающиеся на его выходе, могут по цепям паразитной связи попадать на вход чувствительного элемента, настроенного на кратную частоту.
Примером такого вида наводки может служить радиостанция с совмещенным расположением радиопередатчиков и радиоприемников, работающих на различных частотах. В таких станциях невозможна работа приемников на гармониках основных частот передатчиков.
Другим примером высокочастотной наводки на гармониках может служить диапазонный супергетеродинный приемник с большим усилением по высокой и промежуточной частотам. В этих приемниках принимаются меры для ослабления паразитных связей отдельно в усилителях высокой и промежуточной частот во избежание их неустойчивой работы. Однако обычно не принимаются меры по ослаблению связей выхода усилителя промежуточной частоты со входом усилителя высокой частоты и с антенной, так как считается, что такая система работает на двух различных частотах, и обратная связь безопасна. Иногда же выходной каскад усилителя промежуточной частоты и детектор, работающие в нелинейном режиме, создают достаточно мощные гармоники промежуточной частоты, попадающие на вход приемника. При настройке усилителя высокой частоты на эти гармоники получается самовозбуждение или искажение частотных характеристик.
К наводке на основной частоте относится также наводка фона сети питания на чувствительные усилители низкой частоты. В этом случае источником наводки являются трансформатор, провода и другие элементы, соединенные с сетью питания, особенно если она работает на повышенной частоте, принятой в подвижных установках, а приемниками наводки являются первые каскады усилителей.
Задачи ЭМС можно сформулировать следующим образом:
— все источники наводки, находящиеся в разрабатываемой аппаратуре, не должны мешать ее нормальному функционированию;
— разрабатываемая аппаратура не должна мешать нормальному действию окружающей аппаратуры, за исключением случаев принципиальной невозможности осуществления этого;
— в разрабатываемой аппаратуре должны быть приняты меры к тому, чтобы окружающая аппаратура, в том числе аппаратура несанкционированного блокирования, управления и доступа к информации, не мешала нормальному функционированию изделия.
Для решения первых двух задач необходимо встраивать помехоподавляющие элементы (экраны, фильтры, развязывающие и искрогасящие цепи) во все вероятные источники наводки, что гарантирует отсутствие наводки не только на данный конкретный приемник ее, но и на все другие, которые могут обнаружиться в дальнейшем. В случаях, когда наводка поступает на приемник по входным цепям вместе с сигналами и на тех же частотах, подавление наводки у источника является единственным способом избавления от нее. В остальных случаях для большей надежности полезно решать и третью задачу — вводить помехоподавляющие элементы в приемники наводки, хотя бы частично.
Наилучший эффект получается при совмещении основных и помехоподавляющих элементов в единую конструкцию. При этом исключается возможность прохождения помех помимо подавляющих элементов.
Экспериментальные работы по подавлению наводок сложны и занимают много времени. Поэтому при конструктивной проработке аппаратуры полезно с запасом вводить помехоподавляющие элементы во все вероятные источники и приемники наводки. А также использовать математическое моделирование различных элементов РЭА и процессов их электромагнитного взаимодействия с применением современных информационных технологий на ранних этапах проектирования. Такой подход позволит получить экономию временных затрат, стоимости, веса и объема изделия.
Электромагнитная совместимость РЭА непосредственно зависит от внутренних и внешних электромагнитных связей. Между двумя электрическими цепями, находящимися на некотором расстоянии друг от друга, могут возникнуть электромагнитные связи через:
— электрическое поле;
— магнитное поле;
— электромагнитное поле излучения;
— провода и волноводы, соединяющие эти цепи.
Напряженность ближних электрического и магнитного полей в свободном пространстве обратно
пропорциональна квадрату расстояния от элемента, возбуждающего поле. Напряженность
электромагнитного поля излучения обратно пропорциональна первой степени расстояния. Напряжение на
конце проводной линии или волновода с увеличением расстояния падает весьма медленно, за
исключением случая стоячих волн в линии, когда небольшие изменения расстояния могут приводить к значительному увеличению или уменьшению напряжения. Из этой зависимости различных видов связи от расстояния между цепями следует, что при малых расстояниях действуют все четыре вида связи, с увеличением расстояния в первую очередь исчезают связи через ближние электрическое и магнитное поля, во вторую очередь перестает влиять электромагнитное поле излучения и на большом расстоянии влияет только связь по проводам и волноводам.
Из теории поля известно, что в электромагнитном поле излучения существует определенное соотношение между векторами электрического Е и магнитного Н полей: Е¡Н = Zc , где Zc —
волновое сопротивление среды. Для вакуума (и воздуха) Zc =377 Ом . Кроме того, в ближней и
дальней зонах излучения между электрическим и магнитным полями также существует неразрывная связь, выражающаяся в том, что при любом изменении напряжения источника наводки изменяется его ток и, следовательно, его магнитное поле. Наоборот, изменение магнитного поля источника наводки индуктирует в его цепях напряжение, что приводит к изменению электрического поля.
Теоретически полная взаимная независимость электрического и магнитного полей может наблюдаться только в статических условиях. Однако при решении большинства практических задач пренебрежимо малые величины электрических и магнитных полей не учитывают. Поэтому паразитная связь через ближнее электрическое поле рассматривается как емкостная связь через малую паразитную емкость без учета появляющегося при этом магнитного поля. Аналогично паразитная связь через ближнее магнитное поле ниже рассматривается как индуктивная связь через малую паразитную взаимную индуктивность без учета появляющегося при этом электрического поля.
Рассмотрим некоторые виды паразитных связей присутствующих в любой РЭА и в той или иной мере оказывающих влияние на информационную безопасность [2].
1. Паразитная емкостная связь.
В конструкции любой РЭА имеется металлический корпус, несущая конструкция или разветвленная широкая экранирующая шина, к которым присоединены все общие точки деталей прибора. Такое соединение, осуществляемое непосредственно или через блокировочные конденсаторы, позволяет отсчитывать напряжение каждой точки прибора относительно его корпуса.
Если напряжение источника наводки в некоторой точке А (рис. 1) равно величине £
относительно корпуса, то в точке В , связанной с точкой А паразитной емкостью Спар , возникает
наведенное напряжение 11н , величина которого определяется соотношением емкостного сопротивления
Хпар=1/у<^Спар и полного сопротивления 2Ъ между точкой В и корпусом. Величина ин может быть
определена по формуле:
. 7
и«=Е^7 А ' (1)
в ' пар
из которой следует, что наведенное напряжение в точке В будет тем больше, чем меньше емкостное сопротивление ^пар и чем больше сопротивление Zв . Комбинация из этих двух сопротивлений представляет собой обычный делитель напряжения.
Рис. 1. Емкостная паразитная связь
На рис. 1 и в формуле (1) не учтено внутреннее сопротивление источника £ , которое всегда
значительно меньше Хтр .
Часто полное сопротивление точки В относительно корпуса бывает чисто емкостным. Тогда гъ=\ ч<оСъ и наведенное напряжение, получающееся на выходе этого емкостного делителя, будет
С
ии=Еист-^-, (2)
Св ' Спар
В другом частном случае получается паразитная емкостная связь источника, работающего на частоте , с резонансным контуром, настроенным на ту же частоту (рис. 2). Причем сопротивление между точкой В и корпусом равно 2В = \/а0Ыэ , где С — емкость контура и <і3 — его эквивалентное затухание.
Рис. 2. Емкостная паразитная связь с резонансным контуром
Когда Хпар >> , то из (1), получаем
С
ии = Еист (3)
С<*э
Существует параметр показывающий, какая часть напряжения источника наводки возникает на приемнике, называемый коэффициентом паразитной емкости и определяемый по выражению: Р = ин / Еи.т .
Из сравнения приведенных трех примеров следует, что наиболее опасной является паразитная связь с узкополосным резонансным контуром.
2. Паразитная индуктивная связь.
В пространстве, окружающем любую цепь, по которой протекает электрический ток, возникает магнитное поле, постоянное или переменное в соответствии с характером тока.
Постоянное магнитное поле никаких э. д. с. в находящихся в этом поле проводниках не вызывает, а переменное возбуждает в них переменные э. д. с., величина которых растет с повышением частоты. Если такой проводник является частью замкнутой электрической цепи, то под влиянием возникающих в нем э. д. с. в цепи протекает переменный электрический ток такой фазы, что магнитное поле будет направлено против первоначального поля и будет стремиться его компенсировать.
Рис. 3. Индуктивная паразитная связь
Если в цепи источника наводки А (рис. 3) под действием имеющейся в ней э. д. с. Еист протекает переменный ток1А , то в другой цепи В , находящейся в магнитном поле, создаваемом цепью А , появится наведенная э. д. с.: Е'ИС1 = Еист$Мпар / ХА , где Мпар — паразитная взаимная
индуктивность между цепями А и В , — полное сопротивление цепи А .
В замкнутой цепи В будет проходить ток, величина которого 1В определяется по закону Ома полным сопротивлением цепи : 1в = Ец^М^ /^А^в .
Проходя по входному сопротивлению приемника наводки Zup , которое является частью полного сопротивления ^ , этот ток даст наведенное напряжение = Eст^MпарZпр /ZAZв .
Причем коэффициент индуктивной паразитной связи равен:
р = ^Мпар^р / В . (4)
Таким образом, паразитная индуктивная связь проявляется тем сильнее, чем выше частота, больше паразитная взаимная индуктивность, входное сопротивление приемника наводки и меньше полные сопротивления связывающихся цепей.
3. Паразитные емкостная и индуктивная связи с участием сторонних проводников.
Емкостная и индуктивная паразитные связи могут появляться и при отсутствии непосредственной связи между источником и приемником наводки. На рис. 4. показан случай размещения источника и приемника наводки в отдельных экранированных отсеках. Через оба отсека проходит проводник АВ , не имеющий непосредственного отношения к обоим элементам. Этот проводник имеет емкость С (рис. 4,а) или взаимоиндукцию М\ (рис.4,б) по отношению к источнику наводки и емкость — или
взаимоиндукцию М2 по отношению к приемнику наводки.
Рис. 4. Емкостная (а) и индуктивная (б) паразитные связи по постороннему проводу
Очевидно, что из-за наличия провода АВ оба элемента имеют емкостные, индуктивные или индуктивно-емкостные связи. Величина связи определяется как величинами С , — , М1 и М2 , так и
величиной полного сопротивления Z^ , которым обладает посторонний проводник относительно корпуса.
4. Паразитная связь через электромагнитное поле и волноводная связь.
При значительных расстояниях между источником и приемником наводки, на которых паразитные емкостная и индуктивная связи практически отсутствуют, возможна паразитная связь через электромагнитное поле излучения. Эта паразитная связь проявляется не в пределах одного устройства, в котором имеются непосредственные паразитные индуктивные и емкостные связи, а между удаленными друг от друга устройствами. Связь через электромагнитное поле излучения является паразитной, если она приводит к нежелательным наводкам, в том числе намеренно дестабилизирующим работу радиоустройства.
В пределах одного устройства паразитная связь через электромагнитное поле излучения может возникнуть только на очень коротких волнах, длина которых меньше габаритных размеров прибора. В этих условиях металлический кожух прибора можно считать отрезком прямоугольного волновода, в котором могут распространяться различные типы волн. Из них более опасной является волна Н01
наибольшая критическая длина которой =2Ь , где Ь — размер большей стороны поперечного сечения
прямоугольного волновода.
Волны короче критической свободно распространяются в волноводе с весьма малым затуханием, менее 1% на метр.
Таким образом, если в пределах одного кожуха имеются источники и приемники наводки, работающие на волнах, длина которых короче удвоенной длины наибольшей стороны кожуха, то между ними возможна связь через электромагнитное поле излучения. Этот же вид паразитной связи возможен и между частями устройства, расположенными в различных блоках или отсеках, если они соединены волноводом.
Волны длиннее критической в волноводе распространяться не могут, и в нем остается только поле, наблюдаемое в непосредственной близости от источника и быстро затухающее по мере удаления от него.
5. Паразитная связь через общее полное сопротивление.
В конструкции РЭА и ее узлов часто обнаруживаются паразитные сопротивления, входящие одновременно в цепи источников и приемников наводки, которые принято называть паразитные общие сопротивления. Из эквивалентной схемы такого включения (рис. 5) следует, что коэффициент паразитной связи равен: р = Zoбщ/Zист .
Связь через общее сопротивление является чаще других встречающихся видов паразитной связи. Это, прежде всего, связь через внутреннее сопротивление и соединительные провода источников питания или управления работой радиоэлектронного устройства. Через цепь источника питания протекают токи всех частот, составляющих спектр сигнала источника наводки. Эти токи дают падение напряжения на всех сопротивлениях, включенных в цепь питания.
I ¿А
0а;т
—---------------------------
Рис. 5. Эквивалентная схема паразитной связи через общее сопротивление Часть сопротивлений ^общ оказывается включенной в цепи приемника наводки, и напряжение 11н , снимаемое с £общ , является наводимым напряжением. Величина сопротивления £общ зависит от частоты
наводимого напряжения. Для постоянного тока и очень низких частот — это в основном сопротивление дросселей фильтра и диодов выпрямителя или внутреннее сопротивление химических источников питания, для звуковых частот — активное сопротивление соединительных проводов и емкостное
сопротивление выходного конденсатора фильтра питания. На высоких частотах величина ^общ зависит в
основном от индуктивного сопротивления соединительных проводов и конденсаторов фильтра питания. Индуктивности проводов и распределенные емкости монтажа могут образовывать резонансные
контуры. При неудачном сочетании величин индуктивности и емкости величина ^общ на некоторых
высоких частотах может быть велика.
К этому же виду паразитной связи относится связь через общие лепестки присоединения к корпусу, общие отрезки проводов и общие участки корпуса, по которому протекают блуждающие токи. Чем выше частота, тем большая вероятность проявления такой связи.
Велика вероятность получения паразитной наводки при использовании «земляной шины», по которой протекает большой ток, для подключения к корпусу чувствительных элементов, могущих оказаться приемниками наводки. В этом случае наводимое напряжение может оказаться значительным, несмотря на малое сопротивление общего участка шины. Также осторожно нужно подходить к использованию проводников печатных плат для присоединения различных деталей и узлов к общему корпусу устройства.
Электромагнитная совместимость при обеспечении информационной безопасности является сложной неоднозначной задачей. Поэтому затронутые аспекты являются далеко не полным рассмотрением данного вопроса.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кечиев Л. НСтепанов П. В. ЭМС и информационная безопасность в системах телекоммуникаций:
— Издательский Дом «Технологии», 2005. — 320 с., илл., табл.
2. Волин М.Л. Паразитные процессы в радиоэлектронной аппаратуре. — М.: Радио и связь, 1981 —
2 9 6 с., илл.
