Газизов Т.Р. КНИГА ЭлектромТерроризм

7. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МИКРОВОЛН С ПЕРСОНАЛЬНЫМ КОМПЬЮТЕРОМ: ЭКСПЕРИМЕНТ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

Реферат [52]: В статье представлены результаты экспериментального и численного моделирования взаимодействия микроволн с типичным персональным компьютером (ПК) и нарушения его работы. При эксперименте вёлся мониторинг выполнения типичной программы ПК, облучаемого в безэховой комнате широкополосной рупорной антенной микроволнового генератора со ступенчато изменяющейся частотой 1–4 ГГц. ПК выполнял простые, но вычислительно интенсивные операции считывания-записи с жёстким диском. Применялось излучение с различными видами поляризации и углами падения. Сбой ПК происходил на нескольких определённых частотах (но не при всех видах поляризации), которые, как предполагается, являются резонансными частотами корпуса ПК. Для проверки был использован временной метод конечных разностей для моделирования этого воздействия на структуру с упрощенной конструкцией. Результаты моделирования подтверждают, что воздействие на различные дорожки печатной платы, расположенной внутри корпуса, действительно происходит в основном на определенных частотах, связанных с резонансными частотами корпуса ПК. Выявлено, что рассчитанное воздействие также значительно изменяется в зависимости от поляризации воздействующего поля.

7.1. Введение

Применение ЭМ волн высокой мощности для преднамеренного нарушения или вывода из строя коммуникаций и оборудования для обработки информации является областью, которой ЭМС сообщество уделяет значительное внимание, поскольку использование энергии микроволнового радиоимпульса, излучаемого направленной антенной, делает ЭМ терроризм реальной возможностью. Для оценки этой угрозы важно знать восприимчивость типового коммерческого компьютерного оборудования, такого как ПК.

В статье исследуется угроза МВМ как способных вызвать нарушение работы или выход из строя типичного ПК. Персональный компьютер со снятой крышкой корпуса подвергался длительному воздействию одночастотных импульсов при интенсивных операциях записи-считывания с диском. Наиболее интересным было то, что сбои компьютера: 1) происходили только на определенных частотах и повторялись; 2) проявлялись только на определенных поляризациях падающей плоской ЭМ волны; 3) почти всегда происходили в виде зависания, т.е. надо было перезагрузить компьютер, чтобы возобновить работу. Хотя сложно определить конкретную причину выхода из строя, зависимость воздействия от поляризации и частоты можно исследовать с помощью временного метода конечных разностей.

44

Как видно из таблицы, наблюдалось пять эффектов: потеря данных, перезагрузка (когда ПК перезагружается сам), ошибка записи на диск (сообщение из операционной системы), потеря доступа к жёсткому диску (сообщение из операционной системы, для возобновления нормальной работы системы требовалось отключение питания) и отключение питания (система отключалась сама по себе, восстановление требовало отсоединения сетевого кабеля). Самая низкая напряжённость электрического поля, способного нарушить работу ПК, была равна 30 В/м. Нежелательные эффекты производили все три типа модуляции. Данные для ПК 133 МГц взяты из более ранних экспериментов, в которых поляризация и направление падения поля не менялись.

7.3. Моделирование временным методом конечных разностей

Временной метод конечных разностей – это простой метод во временной области, использующий центральные разности второго порядка уравнений Максвелла во времени и в пространстве. Прямое применение разностей второго порядка приводит к так называемой "попеременно опережающей схеме". Из-за особой структуры уравнений Максвелла, если искать все составляющих поля в каждом месте решётки, на ней будет 16 независимых решений. Простой выход, впервые предложенный Йи [53], заключается в том, чтобы искать только одно из решений решётки. Это даёт решётку, в которой компоненты поля переплетены в пространстве и во времени (рис. 7.1).

Временной метод конечных разностей использовался для большого числа инженерных приложений, простирающихся от определения радаром поперечного сечения специфичных целей до определения ЭМ полей внутри тела из-за расположенных рядом излучателей. Хороший обзор этого метода представили Кунз и Любберс [54]. Программа, по которой получены наши результаты, разработана в Университете западного Онтарио и содержит модели резисторов, конденсаторов и дисперсных материалов с потерями [55, 57, 58].

7.3.1. Описание общей геометрии

Геометрия, которая моделировалась с помощью временного метода конечных разностей, показана на рис. 7.2. Она состоит из корпуса с двумя отделами высотой 10 см. (Примечание: при моделировании все электропроводные материалы полагались идеально проводящими.) Первый отдел имеет

размеры 30 20 10 см и содержит диэлектрическую материнскую плату, расположенную в нижней части этого отдела, по центру. Материнская плата

размерами 29 19 0,5 см моделировалась Дюроидом с r=2,2. Дисковод и источник питания размерами 12 14 10 см и 15 14 10 см помещались во второй отдел размерами 30 15 10 см. У корпуса не было крышки, т.е. он был открыт.

46

Геометрия моделировалась кубической решёткой размером 100 110 40 ячеек по 0,5 см. Корпус ПК, моделируемый идеальным проводником, расположен в нижней части решётки (где z=0). С остальных 5 сторон решётка усекается, используя поглощающие граничные условия Мюра первого порядка [56]. Поглощающая граница сверху решётки находится на расстоянии 20 ячеек от корпуса ПК. Боковые поглощающие стенки расположены на расстоянии 20 ячеек от сторон корпуса. На материнской плате расположены микрополосковые линии резисторами 50 Ом на концах. При моделировании линий тангенциальная составляющая электрического поля на соответствующей поверхности диэлектрика, полагалась равной нулю. Только одна составляющая электрического поля использовалась для моделирования и толщины, и ширины полосок. Таким образом, моделируемая ширина полагалась равной 0,5 см. Использовалась формулировка рассеиваемого поля, и структура возбуждалась переходной плоской волной с различными углами падения. Графики временных и частотных зависимостей воздействующего электрического поля у правого конца линии передачи Т1 показаны на рис. 7.3.

Рис. 7.3. Зависимости воздействующего электрического поля у правого конца линии Т1

47

7.4.Обсуждение результатов

Спомощью временного метода конечных разностей было произведено моделирование для различных вариаций геометрии, угла падения и поляризации воздействующего поля. Во всех этих различных тестовых случаях использовалась общая геометрия, показанная на рис. 7.2, но некоторые из геометрических объектов, например дисковод, можно было удалять. Подробности первого набора тестовых случаев приведены в табл. 7.2.

48

8. ВЫЧИСЛЕНИЕ ЁМКОСТНОЙ МАТРИЦЫ ТРЁХМЕРНОЙ МНОГОПРОВОДНОЙ СИСТЕМЫ В МНОГОДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СРЕДЕ

Реферат [60]: Предлагается вычисление ёмкостной матрицы трёхмерной многопроводной системы в многодиэлектрической среде над идеально проводящей плоскостью для случая прямоугольных и ортогональных границ проводников и диэлектриков. Возможны границы диэлектрик–диэлектрик ортогональные не только оси Y, но оси Z и X. Представляются полный алгоритм, вывод окончательных аналитических формул, результаты вычислений.

8.1. Введение

Вычисление ёмкостной матрицы трёхмерной многопроводной системы в многодиэлектрической среде полезно для определения эквивалентных схем микрополосковых стыков и неоднородностей, используемых в анализе и моделировании ЭМС. Для самого общего случая произвольной формы проводников и диэлектриков, поверхность которых описывается совокупностью плоских треугольников, предложено решение [61] этой задачи методом моментов, где интегралы для границ проводник–диэлектрик представлены в аналитическом виде, но интегрирование для границ диэлектрик–диэлектрик выполнено численно. На основе этого решения рассмотрен частный случай [62] этой общей конфигурации, и представлены аналитические выражения для обоих типов интегрирования. В этом случае интегрирование выполняется по прямоугольным областям границ проводник–диэлектрик, имеющим прямоугольную форму и ортогональным оси X, Y, или Z. Допускаются границы диэлектрик–диэлектрик ортогональные только оси Y, что сводит диэлектрическое заполнение только к слоям диэлектриков в плоскости XZ.

Цель данной работы – развить подход работы [62] для случая, когда допустимы прямоугольные границы диэлектрик–диэлектрик ортогональные не только осиY, но оси Z и X.

8.2. Теоретическая основа

Подробное изложение теоретической основы алгоритма опубликовано в работах [61, 62]. Поэтому, из-за тесных рамок статьи, он будет приведён кратко, а вывод всех окончательных формул будет представлен подробно.

Для рассматриваемой в квазистатическом приближении трёхмерной многопроводной системы в многодиэлектрической среде над идеально проводящей плоскостью ij-й элемент ёмкостной матрицы равен свободному заряду на i-м проводнике при единичном потенциале на j-м проводнике и нулевом потенциале на всех других проводниках. Полагается, что в системе общий

50