Transcript Восприимчивость электронных систем к ЭМИ

Лекция X
Воздействие электромагнитных
импульсов на РЭА, ПП и ИС
Скоробогатов П.К., д.т.н., профессор
Особенности воздействия ЭМИ ЯВ
Наиболее важные варианты ЭМИ обстановки
Электромагнитное оружие



Принцип действия ЭМИ-оружие основан на кратковременном
электромагнитном излучении большой мощности, способном вывести
из строя радиоэлектронные устройства, составляющие основу любой
информационной системы.
Элементная база радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) весьма
чувствительна к энергетическим перегрузкам, поток
электромагнитной энергии достаточно высокой плотности
способен выжечь полупроводниковые переходы, полностью или
частично нарушив их нормальное функционирование.
Как известно, напряжения пробоя переходов невысоки и
составляют от единиц до десятков вольт в зависимости от типа
прибора. Так, даже у кремниевых сильноточных биполярных
транзисторов, обладающих повышенной прочностью к
перегревам, напряжение пробоя находится в пределах от 15 до
65 В, а у арсенидгаллиевых приборов этот порог равен 10 В. ЗУ,
составляющие существенную часть любого компьютера, имеют
пороговые напряжения порядка 7 В. Типовые логические ИС на
МОП-структурах – от 7 до 15 В, а микропроцессоры обычно
прекращают свою работу при напряжениях 3,3–5 В.
Электромагнитное оружие
ЭМИ-оружие может осуществлять физическое разрушение
(функциональное поражение) полупроводниковых элементов РЭС, в
том числе находящихся в выключенном состоянии.
 Следует отметить также возможность поражающего действия мощного
излучения ЭМИ-оружия на электротехнические системы вооружения и
военной техники (ВВТ), электронные системы зажигания двигателей
внутреннего сгорания.


Токи, возбуждаемые электромагнитным полем в цепях электро- или
радиовзрывателей, установленных на боеприпасах, могут достигать
уровней, достаточных для их срабатывания. Потоки высокой энергии в
состоянии инициировать детонацию взрывчатых материалов.
Электромагнитное оружие

ЭМИ-оружие может быть
создано как в виде
стационарных и мобильных
электронных комплексов
направленного излучения,
так и в виде
электромагнитных
боеприпасов (ЭМБ),
доставляемых к цели с
помощью артиллерийских
снарядов, мин,
управляемых ракет,
авиабомб и т. п.
Реализация ЭМИ-оружия
Наиболее компактными на сегодня
источниками энергии для
ЭМБ считаются спиральные
взрывомагнитные генераторы (ВМГ),
или генераторы с взрывным сжатием
магнитного поля,
имеющие наилучшие показатели
удельной плотности энергии по
массе (100 кДж/кг) и объему (10
кДж/см3), а также взрывные
магнитодинамические генераторы
(ВМДГ)
 Конструкция и принцип
использования типового ЭМБ
(900 кг)
Реализация ЭМИ-оружия
ВМГ
Основу коаксиального генератора с взрывным сжатием магнитного поля
составляет цилиндрическая медная трубка с взрывчатым веществом,
выполняющая функции ротора. Статором генератора служит спираль из
прочного (обычно медного) провода, окружающая роторную трубку. Во
избежание преждевременного разрушения генератора поверх статорной
обмотки установлен кожух из немагнитного материала, обычно из
цемента или стекловолокна с эпоксидной смолой.
Реализация ЭМИ-оружия
Увеличение выходного тока по
сравнению со стартовым зависит от
конструкции генератора и может
достигать нескольких десятков раз.
ВМГ
Первоначальное магнитное поле в
генераторе формируется стартовым
током силой от единиц килоампер до
мегаампер. Подрыв взрывчатого
вещества происходит с помощью
специального генератора в момент,
когда ток в статорной обмотке достигает
максимума. Образующийся при этом
плоский однородный фронт взрывной
волны распространяется вдоль
взрывчатого вещества, деформируя
трубку и превращая ее цилиндрическую
форму в коническую. В момент
расширения трубки до размеров
статорной обмотки происходит короткое
замыкание обмотки, приводящее к
эффекту сжатия магнитного поля и
возникновению мощного импульса тока
порядка нескольких десятков
мегаампер.
Реализация ЭМИ-оружия


В ВМГ с помощью взрывчатого вещества происходит
преобразование энергии взрыва в энергию магнитного поля с
эффективностью до 10%, а при оптимальном выборе параметров
ВМГ – даже до 20%.
Такой тип устройств способен генерировать импульсы энергией в
десятки мегаджоулей и длительностью до 100 мкс. Пиковая
мощность излучения может достигать 10 ТВт.
ВМГ
Параметры полей ЭМИ ЯВ, ВМГ и молнии
 Параметры ЭМИ ЯВ, поля разряда молнии и поля ВМГ источника
Реализация ЭМИ-оружия
В последние годы появились новые стационарные и подвижные генераторы,
излучающие периодические и однократные сверхширокополосные (СШП)
электромагнитные импульсы и микроволны высокой мощности (МВМ). Такие
устройства обладают новыми качествами, отсутствующими у традиционных
источников преднамеренных помех – сверхширокополосностью и большой
амплитудой. Одной из возможных областей применения таких излучателей
является дистанционное поражение (до 2 км) электронных компонентов
информационно-управляющих систем различного назначения, технических
средств связи. Уровни плотности потоков электромагнитного излучения этих
генераторов таковы, что могут приводить к нарушению работоспособности
аппаратуры связи, а в ряде случаев, к необратимым изменениям ее
параметров.
Кроме того, электронные компоненты и цепи, такие как микропроцессорные
комплекты, составляющие сегодня основную часть используемых элементов,
работают на все более высоких частотах и низких напряжениях и, таким
образом, становятся все более восприимчивыми к СШП и МВМ.
Реализация ЭМИ-оружия
Релятивистские установки, формирующие широкополосное СВЧ излучение с несущей частотой 1…40 ГГц и шириной спектра 25…40 %.
 Схема СВЧ-виркатора
Конструкция генератора с виртуальным катодом (виркатора)
представляет собой круглый волновод, переходящий в конус с
диэлектрическим окном на торце. Катодом служит
металлический цилиндрический стержень, анодом –
металлическая сетка.
Реализация ЭМИ-оружия
СВЧ-Виркатор
Виркаторы наиболее приемлемы для
генерации импульсов наносекундной
длительности в длинноволновой части
сантиметрового диапазона. Экспериментально
от них получены мощности от 170 кВт до 40
ГВт в сантиметровом и дециметровом
диапазонах.
При подаче на анод положительного потенциала порядка 105–106 В с
катода, вследствие взрывной эмиссии, устремляется к аноду поток
электронов и проходит через него в пространство за анодом, где
тормозится собственным “кулоновским полем”. Затем он отражается
обратно к аноду, образуя тем самым виртуальный катод на расстоянии от
анода, равном примерно расстоянию от него до реального катода.
Отраженные электроны проходят сквозь сетку анода и вновь тормозятся у
поверхности реального катода. В результате формируется облако
электронов, осциллирующее у анода в потенциальной яме между
виртуальным и реальным катодами. Образованное на частоте колебаний
электронного облака СВЧ-поле излучается в пространство через
диэлектрическое окно.
Реализация ЭМИ-оружия
СВЧ-Виркатор
Большинство виркаторов формируют однократные импульсы СВЧ –
излучения. Однако в последнее время разработан ряд установок,
работающих в частотно-импульсном режиме генерации излучения пачек
импульсов.
Преимущество высокочастотного ЭМИ-оружия перед низкочастотным состоит
в возможности фокусирования генерируемой энергии в направлении цели с
помощью достаточно компактных антенных систем с механическим или
электронным управлением.
Благодаря высокой скорости нарастания тока в тандемах виркатор–ВМГ
возможна генерация сверхкоротких радиоимпульсов.
В качестве примера следует указать, что для виркаторного генератора с
несущей 5 ГГц и мощностью 10 ГВт конус поражающего действия
электромагнитного излучения имеет диаметр до 500 метров в основании на
расстоянии нескольких сотен метров от точки подрыва (напряженность
поля, наведенного на кабели и антенны в этом основании, достигает 1–3
кВ/м).
Реализация ЭМИ-оружия
Излучатели сверхширокополосных СВЧ - импульсов сверхкороткой
длительности– 0,1…5 нс, энергия которых сосредоточена в
спектральном диапазоне ~ 0,1…2 ГГц.
Генераторы данного типа могут строиться на основе жидкостных (как
правило, масляных) или газовых (рабочая среда – азот или водород,
давление до 20…60 кг/см2) разрядников. В этом случае величина
коммутируемого напряжения может достигать 1 МВ, что соответствует
мощности порядка 10 ГВт.
Частота следования импульсов может доходить до 1 кГц. Ширина
спектра излучения в дальней зоне антенн может достигать 100 %.
Непосредственно на апертуре антенн могут быть реализованы
предельные амплитуды напряженности электрического поля,
ограниченные электрической прочностью среды, и достигающие
значений 105…107 В/м.
Реализация ЭМИ-оружия
SOS-генераторы
В России разработана серия многоразовых мобильных SOS-генераторов
ЭМИ, проникающая способность излучения которых намного выше, чем у
ВМГ. Принцип действия SOS-генераторов основан на эффекте
наносекундной коммутации сверхплотных токов в полупроводниковых
приборах (SOS – Semiconductor Opening Switch).
SOS-эффект представляет собой качественно новый вариант коммутации
тока – развитие процесса стремительного падения тока происходит не в
низколегированной базе полупроводниковой структуры, как в других
приборах, а в ее узких высоколегированных областях. База и pn-переход
остаются при этом заполненными плотной избыточной плазмой,
концентрация которой приблизительно на два порядка превышает
исходный уровень легирования.
 Типовая конструкция SOS-диода – это
последовательная сборка элементарных
диодов, взаимно стянутых
диэлектрическими шпильками между двумя
пластинами-электродами.
Реализация ЭМИ-оружия
SOS-генераторы
 типичная форма обратного тока
через SOS-диод с площадью
структуры 1 см2. Значение
коммутируемого тока – 5,5 кА,
время его срыва (падения с 0,9 до
0,1 амплитуды) – 4,5 нс. Скорость
коммутации – 1200 кА/мкс, что
приблизительно на три порядка
превышает токовый градиент в
обычных быстродействующих
тиристорах.
Самый мощный из разработанных на сегодня SOSдиодов при площади структуры 4 см2 имеет рабочее
напряжение 200 кВ и коммутирует ток 32 кА, что
соответствует коммутируемой мощности 6 ГВт.
Реализация ЭМИ-оружия
Генераторы на основе плазменных прерывателей тока (ППТ)
Плазменный прерыватель тока является ключом для вывода энергии из
индуктивного накопителя, применяемый в мощных импульсных генераторах.
Такой генератор представляет собой замкнутый через ППТ LC-контур. ППТ отрезок вакуумной коаксиальной линии, зазор которой замыкается
плазменной перемычкой. Одним концом линия соединена с емкостным
накопителем энергии - генератором импульсов напряжения (ГИН), другим с нагрузкой. При включении ГИН нарастающий во времени ток замыкается
через плазменную перемычку, и электрическая энергия контура CU2/2
преобразуется в магнитную LI2/2. Затем (при выполнении ряда условий)
импеданс плазменной перемычки резко увеличивается, происходит обрыв
тока, возникает напряжение UППТ=-LdI/dt. При этом энергия магнитного
поля реализуется в виде потоков ускоренных частиц в ППТ и шунтирующей
его нагрузке. Создан ряд установок (0.04 – 4 МВ, 20 – 400 кА, 0.5-40 мкс),
позволяющих не только проводить исследование физики ППТ, но и
применять их для прикладных целей.
Реализация ЭМИ-оружия
 Параметры генераторов мощных импульсов напряжения и тока
Параметры полей ЭМИ ЯВ и СШП-импульсов
 Параметры ЭМИ ЯВ и поля СШП источника
Опасность новых вариантов ЭМИ-оружия
Проведенные первые экспериментальные исследования и испытания
аппаратуры средств связи с использованием существующих генераторов
микроволнового излучения показали, что с уменьшением длительности
фронта воздействующего поля снижается эффективность применяемых
защитных устройств, усиливается проникновение электромагнитных
полей через неоднородности в корпусах и увеличиваются амплитуды
наведенных токов и напряжений на выходах высокочастотных антеннофидерных устройств, кабелей и проводов, расположенных вне экранов
или имеющие плетеные и витые экраны, что приводит к ложным
срабатываниям или катастрофическим отказам аппаратуры.
Восприимчивость электронных систем к ЭМИ
• У любой электронной системы имеется много воспринимающих ЭМИ
структур: входные цепи (антенны), соединительные провода, включая
печатные, линии питания и т.п.
• Полный расчет электромагнитной восприимчивости любой реальной
электронной системы по уравнениям Максвелла практически невозможен.
• Тем не менее можно выделить некоторые общие закономерности
поведения электронных систем, приведенные ниже.
Общий характер
передаточной функции
электронной системы по
отношению к внешним полям:
Т.е. отношение спектра
выходной функции
напряжения и спектра
воздействующего ЭМ поля.
[1] Электромагнитный терроризм на пороге тысячелетий/Под ред. Т.Р.Газизова. –
Томск, 2002. – 206 с.
Восприимчивость электронных систем к ЭМИ
• Амплитуда влияния максимальна в резонансной области всей системы.
Импульс с высокими амплитудами спектральных составляющих в этом
диапазоне был бы очень действенным.
• Мерами эффективности воздействия служат:
-Эффективность воздействия по энергии
- Эффективность воздействия по напряжению:
Эти величины служат
мерой эффективности
влияния конкретного
импульса ЭМИ,
заданного его
спектром, на систему,
заданную диапазоном
ее влияния.
Восприимчивость электронных систем к ЭМИ
• Эти отношения вычислены для четырех экспоненциальных импульсов,
параметры которых приведены в Таблице, а формы импульсов на графике.
Для упрощенных оценок стойкости
аппаратуры используют
двухэкспоненциальные аппроксимации
одиночного импульса вида
E(t) = Emax[exp(-t/1) - exp(-t/2)];
H(t) = Hmax[exp(-t/1) - exp(-t/2)].
Типы исследуемых импульсов и их
параметры
 Формы исследуемых импульсов
Восприимчивость электронных систем к ЭМИ
 Плотности энергии
импульсов
Несмотря на
наименьшую энергию
СШП импульса,
эффективность его
воздействия по энергии
и напряжению на
типовую электронную
систему максимальна!
 Эффективности
воздействия импульсов
по энергии и
напряжению для
типовой системы: f1 =
100 МГц и f2 = 1 ГГц
Восприимчивость электронных систем к ЭМИ
• Для определения относительной эффективности воздействия двух
разных импульсов h(t) и f(t) с коррелированными спектрами Hin(j) и
Fin(j) определяют относительную эффективность воздействия
по энергии:
по напряжению:
 Отношения
эффективностей
воздействующих ЭМИ
Эффективность воздействия СШП импульса наибольшая среди
всех рассмотренных видов ЭМИ.
Восприимчивость электронных систем к ЭМИ
Для экспериментальной
проверки этого предположения
были изготовлены тестовые
печатные платы. Они
помещались в волновод, где
создавалось электрическое
поле, с двухэкспоненциальной
формой, рассмотренной ранее.
 Экспериментальная установка
Тестовая плата с размещенными структурами, имитирующими такие 
типовые структуры как диполи, индуктивности и емкости
Восприимчивость электронных систем к ЭМИ
 Максимальные значения
энергий и напряжений,
наводимых действием
различных ЭМИ с
максимальной
напряженностью 10 кВ/м в
зависимости от номера
разъема тестовой платы 
Восприимчивость электронных систем к ЭМИ
Выводы из результатов испытаний тестовых плат:
- Более 80% наводимой энергии приходилось на диапазон
100 МГц – 1 ГГц, основную резонансную область;
- Наводимые энергия и напряжение, связанные с СШП импульсом,
оказались максимальными среди всех рассмотренных ЭМИ;
- Таким образом мерой наводимой энергии является не общая
энергия импульса, а энергия в определенном частотном интервале.
Ее поведение для данного воздействующего импульса описывается
эффективностью воздействия по энергии Е;
- Наводимые напряжения ведут себя аналогичным образом и
описываются эффективностью воздействия по напряжению V.
Восприимчивость электронных систем к ЭМИ
 Экспериментальная установка
После сбоя платы выполнялась внешняя
перезагрузка по оптоволоконной линии связи.
Вероятность сбоя определялась как
отношение числа сбоев к числу импульсов.
Воздействию описанными
ранее импульсами
подвергались различные
микропроцессорные
платы промышленного
изготовления. Во время
этого испытания
микропроцессорной
платой выполнялась
программа,
вырабатывавшая
прямоугольный импульс
на выбранном контакте
параллельного порта.
Выполнялся мониторинг
этого сигнала, чтобы
быть уверенным, что
основные элементы
платы работают.
Восприимчивость электронных систем к ЭМИ
Установлена сильная зависимость порога появления первых сбоев
от длительности фронта, а следовательно, от распределения
энергии в спектре.
 Вероятность
сбоя для платы
Rocky-518 HV с
процессором
Pentium-MMX 233
МГц при
различных
временах фронтов
воздействующих
импульсов
Первые сбои происходят при напряженности 12 кВ/м для СШП импульса и
примерно при 30 кВ/м для ЭМИ ЯВ. Ширина переходной области также
увеличивается.
Восприимчивость электронных систем к ЭМИ
Установлена зависимость порога появления первых сбоев
микропроцессорных плат одинакового размера от тактовой частоты
процессора и типа используемых компонентов.
 Вероятность
сбоя разных плат
при облучении
СШП импульсом.
Методы защиты электронных систем от воздействия ЭМИ
Методы защиты электронных систем от воздействия ЭМИ
Методы защиты электронных систем от воздействия ЭМИ
Методы защиты электронных систем от воздействия ЭМИ
Методы защиты электронных систем от воздействия ЭМИ
Методы защиты входных цепей электронных систем
 Определение времени
реакции и времени
восстановления
ограничителей
Средства защиты электронных систем от воздействия ЭМИ
 Газоразрядные
ограничители
 Ферритовые
ограничители
Средства защиты электронных систем от воздействия ЭМИ
 Диодные ограничители на
основе p-n перехода
 Ограничители на основе p-i-n
диодов
Средства защиты электронных систем от воздействия ЭМИ
 Варисторы на основе
окислов металлов
 Ограничители на основе
GaAs СВЧ Шоттки-диодов
Средства защиты электронных систем от воздействия ЭМИ
 Основные
характеристики
ограничителей
Средства защиты электронных систем от воздействия ЭМИ
 Схема стенда для измерений временных характеристик
ограничителей
Реакция ограничителей на сигнал СШП ЭМИ
 OLP 3140A – ограничитель
на основе p-i-n диода
Реакция ограничителей на сигнал СШП ЭМИ
 OLP 3226A – ограничитель
на основе p-i-n диода
Реакция ограничителей на сигнал СШП ЭМИ
 EV18N0402L – варистор
на основе окислов
металлов
Реакция ограничителей на сигнал СШП ЭМИ
 CG75L – газоразрядный ограничитель
Реакция ограничителей на сигнал СШП ЭМИ
 GG77311-05
– диодный
ограничитель
Реакция ограничителей на сигнал СШП ЭМИ
 GG-77314-04
– диодный
ограничитель
Реакция ограничителей на сигнал СШП ЭМИ
 TGL2201 - Ограничитель
на основе GaAs СВЧ Шотткидиода
Основные параметры отечественных ограничителей
Основные параметры отечественных ограничителей
Особенности использования ограничителей для СШП
сигналов
Особенности использования ограничителей для СШП
сигналов
 Использование искрового разрядника в качестве первой ступени
защиты для коаксиального (а) и симметричного (б) кабелей
Особенности использования ограничителей для СШП
сигналов
 Схема защиты несимметричной (а) и симметричной (б) линий
связи с использованием ограничительных диодов
 В линиях высокой частоты
для уменьшения емкостных
потерь, вносимых
ограничительными диодами,
последовательно с ними
включают малоемкостные
диоды с учетом требований по
к синфазному и парафазному
сигналам
Особенности использования ограничителей для СШП
сигналов
 Схемы
комбинированной
защиты симметричных
линий связи
В этом случае искровые разрядники выполняют роль первичной
защиты, а ограничительные диоды - вторичной. При этом основная
доля энергии импульса перенапряжения поглощается разрядником.
Однако включение разрядника происходит, как правило, после
включения ограничительного диода, т.е. диод поглощает энергию
быстрых переходных процессов.
Заключение
 Проведенный обзор ограничителей показал, что не все из них
пригодны для защиты РЭА от СШП сигналов.
 Лучшие показатели по быстродействию показывают
ограничители на основе диодных структур. Однако их мощностные
характеристики могут оказаться недостаточными. Наиболее
оптимально использовать их совместно с газоразрядными или
варисторамию
При использовании ограничителей для СШП сигналов необходимо
учитывать особенности их подключения и возможную индуктивную
реакцию.