Газизов Т.Р. КНИГА ЭлектромТерроризм

При напряжённости поля до 2 кВ/м не наблюдалось влияния, ни в каком случае. Уровни и результаты воздействия приведены в табл. 25.6.

Таблица 25.6

Уровни и результаты воздействия S-UTP (100BaseTX)

25.5. Заключение

Эффективность воздействия произвольных переходных ЭМ полей на структуры печатных плат можно описать эффективностями воздействия по энергии и по напряжению, которые определяют потенциал угрозы импульса системе. Предстоит выполнить больше работы по описанию уравнений статистического подхода, которые будут основаны на нормах временных функций и операторах свёртки.

Оценочные эксперименты на обобщённых печатных платах доказали, что эта модель применима и что энергия и спектральная амплитуда в определённом частотном диапазоне являются самыми важными факторами для эффективного воздействия на систему.

Были определены уровни восприимчивости по напряжённости поля для различных микропроцессорных плат. Восприимчивость для импульсов с меньшими временами нарастания была выше. Исследования двух различных печатных плат, приблизительно одинаковых размеров, показали большие различия в восприимчивости, обусловленные компонентами на плате.

Импульсы наводок в сетевых кабелях приводили к испорченным блокам и появлению ложных столкновений, тем самым, снижая готовность и целостность канала связи. При высоких амплитудах они приводили даже к выходу связи из строя или отказу компьютеров, которые можно было перезагрузить только выключением и включением питания. В системах реального времени и чувствительных к зависимости сигналов от времени такая ситуация могла бы вызвать катастрофический выход из строя этой системы.

162

страняется вдоль кабеля к телефону, достигает микрофона из-за паразитного взаимовлияния в компонентах и межсоединениях печатной платы телефона. Затем, если в комнате есть кто-нибудь говорящий, его голос модулирует этот сигнал, который, в свою очередь, распространяется обратно по телефонной линии и после надлежащей обработки даёт желаемую информацию.

Вторым примером преднамеренного ЭМ воздействия является принцип "нелинейной локации". Этот принцип лежит в основе нелинейного локатора, используемого в качестве наиболее эффективного средства для надёжного и точного обнаружения скрытых электронных систем или полупроводниковых приборов [136]. Передатчик локатора создаёт гармоническое ЭМ поле, которое наводит ток в проводниках системы. Этот ток, протекающий в нелинейном приборе системы, генерирует гармоники исходной частоты. Излучаемое ЭМ поле второй или третьей гармоник принимается локатором и делается вывод об обнаружении скрытой электронной системы.

Необходимо отметить, что результаты предварительного мониторинга излучения (собственного или вторичного из-за внешнего ЭМ воздействия) от электронной системы могут быть использованы не только для обнаружения системы, но и для точного определения местоположения наиболее уязвимой части цели для возможного разрушения ЭМ оружием [137].

26.3. Влияние паразитных эффектов

Отметим, что эффективность работы устройств специального назначения в описанных примерах существенно зависит от различных паразитных эффектов, например, паразитных ёмкостей сосредоточенных компонентов, взаимного влияния между соседними межсоединениями или способности межсоединений быть приёмной или передающей антенной. Влияние этих эффектов на результаты внешнего воздействия является первичным, тогда как такие известные методы защиты, как экранирование или фильтрация (имеющие известные достоинства и недостатки) лишь ослабляют это влияние и поэтому не будут рассматриваться в этой работе.

Рассмотрим контакты механического ключа (рис. 26.1, a). Когда ключ разомкнут, две цепи, кондуктивно развязанные этим ключом для низких частот, могут стать соединёнными для высоких частот из-за низкого импеданса паразитной ёмкости Cp между контактами ключа (рис. 26.1, г).

Отметим, что длина некоторых контактов в воздухе Lair довольно значительна. Кроме того, как правило, основания контактов изолирует диэлектрик

длиной Ldiel и относительной проницаемостью r >1. Для грубой оценки значения Cp можно использовать простую формулу

W

Cp = 0 D ( rLdiel + Lair ) .

164

Cp

Рис. 26.1. Разомкнутые контакты (а), проводник земли между разомкнутыми контактами (б), использование заземлённого контакта (в) и их эквивалентные схемы (г, д, е)

В общем случае ширина контакта W пропорциональна максимальному току контактов, а расстояние между контактами D пропорционально максимальному напряжению контактов. Поэтому, в качестве приблизительного правила, можно полагать, что чем больше максимальный ток и меньше максимальное напряжение, тем выше паразитная ёмкость контактов. В каждом конкретном случае может быть полезным измерение этой ёмкости.

Если возникает проблема уменьшения взаимной ёмкости между контактами, можно эффективно использовать проводник земли. Идея самого эффективного уменьшения показана на рис. 26.1, б, где между верхним и нижним контактами вставлен (посредством поворота или перемещения) проводник земли. В этом случае (рис. 26.1, д), взаимная паразитная ёмкостная связь между контактами значительно уменьшается из-за уменьшения взаимной ёмкости Cp и увеличения ёмкости C контакта на землю. (Заметим, что увеличение относительной проницаемости и уменьшение толщины диэлектрика, изолирующего проводник земли от контактов, теперь не увеличивает, а уменьшает ёмкостную связь.) В случае герконов, часто используемых на практике, для уменьшения ёмкостной связи между контактами можно использовать проводник земли в виде плоскости земли или коаксиальной земли (рис. 26.2). Наконец, чтобы оптимизировать формы и расположение контактов для минимизации паразитной ёмкости, можно использовать трёхмерное моделирование, например методом моментов [60].

165

Рис. 26.2. Герконы: без земли (a), с плоскостью земли (б), внутри коаксиальной земли (в)

Необходимо отметить, что различные соединения многочисленных соседних контактов могут увеличить или уменьшить влияние паразитной ёмкости. Например, параллельное соединение пар контактов в многоконтактном переключателе или реле увеличит общую ёмкость, тогда как надлежащее соединение или заземление неиспользуемых контактов может значительно уменьшить влияние ёмкости. Однако при выполнении таких соединений необходима определённая осторожность. Например, чтобы значительно уменьшить прохождение нежелательного сигнала слева направо в схеме на рис. 26.1, г, можно использовать другой заземлённый контакт, закорачивающий паразитную ёмкость на землю, как это показано на рис. 26.1, в. Но в этом случае, прежде всего, должны быть рассмотрены изменения в схеме, находящейся справа. При этом необходимо осознавать, что возникает замкнутый контур (рис. 26.1, е), который может значительно изменить условия влияния излучаемого ЭМ поля преднамеренного воздействия.

Другой аспект этой проблемы состоит в подсоединении компонентов к схеме. Пример широко используемого подсоединения герконов показан на рис. 26.3. Паразитная ёмкость самих контактов геркона может быть заметной из-за нескольких квадратных миллиметров площади контактов и из-за расстояния между контактами менее миллиметра. Однако дополнительное влияние двух длинных проводов (вплоть до нескольких сотен миллиметров) может значительно увеличить общий паразитный эффект.

Рис. 26.3. Геркон, подсоединённый длинными проводами

Теперь рассмотрим случай межсоединений печатных плат, которые (в отличие от сосредоточенных компонентов) часто являются электрически длинными и должны анализироваться как цепи с распределёнными параметрами. Обычные двусторонние печатные платы являются наиболее широко используемыми, благодаря их дешевизне. Если рассмотреть такие платы на предмет неконтролируемых взаимных влияний между различными цепями (межсоединениями), то можно обнаружить многочисленные возможности для таких влияний. Для преодоления этой проблемы необходима печатная плата с очень низкими уровнями перекрёстных помех в межсоединениях. В свете

166

программы вычисления характеристик одиночных, связанных и многопроводных межсоединений платы, многочисленные результаты вычислений зависимостей этих характеристик от различных параметров межсоединений платы и некоторые экспериментальные результаты приведены в работе [151].

26.4.Заключение

1.В процессе проектирования электронных систем важно знать, что система может подвергаться разнообразным преднамеренным ЭМ воздействиям, целью которых является не создание помех системе, а получение определённой информации об этой системе.

2.Уровень защиты разрабатываемой системы от преднамеренных воздействий может быть очень важен для её выбора потенциальными покупателями на рынке и успешного использования этой системы потребителями.

3.Влияние паразитных эффектов на защиту электронных систем от преднамеренных ЭМ воздействий является доминирующим.

4.Уровень влияния паразитных эффектов зависит от конструкции, монтажа и соединений компонентов и межсоединений печатных плат.

5.Поэтому, как можно больше способов ослабления паразитных эффектов (некоторые из которых могут быть очень простыми и дешёвыми) должно быть рассмотрено и использовано ещё на стадии проектирования.

6.Учёт необходимости защиты должен быть внедрён в проектирование и изготовление компонентов.

7.По возможности везде желательно использовать печатные платы, дающие наибольшую развязку сигналов в связанных межсоединениях.

8.Рекомендуется использовать новую помехозащищённую теплопроводную монтажную плату.

168

27.2. Теоретическая основа

Рассмотрим систему проводников и диэлектриков, показанную на рис. 27.1. Она регулярна и бесконечна вдоль оси Z ортогональной странице, так что поперечное сечение системы лежит в плоскости XY страницы.

Рис. 27.1. Поперечное сечение рассматриваемой системы

Для рассматриваемой в квазистатическом приближении двумерной системы проводников и диэлектриков над идеально проводящей плоскостью ij-й элемент ёмкостной матрицы равен свободному заряду на единице длины i-го проводника при единичном потенциале на j-м проводнике и нулевом потенциале на всех других проводниках. В свою очередь, этот свободный заряд на единице длины равен интегралу свободного заряда единицы площади по пересечению поверхности проводника с плоскостью XY.

Следуя широко используемому подходу [61,62,153,154], полагается, что в системе общий заряд находится только на границах проводник–диэлектрик (свободный и поляризационный заряды) и на границах диэлектрик– диэлектрик (только поляризационный заряды). Обозначим плотность этого

поверхностного заряда за (r), где r – вектор положения в двумерной (x,y) Декартовой системе. Теперь допустим, что все эти границы дискретизированы (т.е. разбиты на подынтервалы в поперечном сечении поверхности проводника с плоскостью XY) процедурой, описанной в разделе 27.3. Пусть в результате дискретизации оказалось всего N подынтервалов на J границах, где Nc элементов находятся на Jc границах проводник–диэлектрик и Nd элементов находятся на Jd границах диэлектрик–диэлектрик. Таким образом, J=Jc+Jd и N=Nc+Nd.

Потенциал (r) в точке r из-за заряда в точке r на всех границах и из-за образа этого заряда относительно идеально проводящей плоскости в точке r€

где Sj – поверхность j-й границы; da j – дифференциальный элемент площади в r на Sj;

170