Средства измерений и методы испытаний телекоммуникационных систем в условиях воздействия электромагнитных импульсов с субнаносекундной длительностью фронта

В настоящее время наблюдается стремительное развитие телекоммуникационных систем (ТКС) и радиоэлектронной аппаратуры, результатом которого становится появление нового типа устройств, использующих цифровые технологии на основе как проводных, так и беспроводных линий связи. Достигаемое быстродействие подобных систем осуществляется за счет их миниатюризации и снижения уровня энергетического потребления, которое приводит к значительному уменьшению степени помехозащищенности к внешним электромагнитным полям, в особенности к сверхширокополосным электромагнитным импульсам [1−7].

Особенностью данного типа излучения является соразмерность длительности воздействующих импульсов с длительностью рабочих импульсов, сопровождающих обработку цифровой информации [8−12]. В соответствии с этим для своевременной разработки методов защиты и оценки уровней восприимчивости аппаратуры, с учетом вступающих в действие международных стандартов МЭК 61 000, необходимо проводить испытания как вновь разрабатываемых, так и ранее созданных ТКС на стойкость к воздействию сверхкоротких (СК) электромагнитных импульсов (ЭМИ) [13−20].

Проведение подобных испытаний требует наличия излучателей СК ЭМИ. Большой цикл работ по разработке и исследованию подобных излучателей проведен во ВНИИОФИ. —. •.

Характеристики излучаемых СК ЭМИ находятся в следующих амплитудно-временных диапазонах: амплитуда импульсов напряженности электрического поля Е = 0,1−5-100 кВ/мдлительность фронта импульса =100^-300 псдлительность импульсов на полувысоте 130-г300 псчастота повторения Г = 0−10 кГц [19].

Сложность измерений параметров СК ЭМИ заключается в жестких требованиях к широкополосности и помехоустойчивости измерительных каналов, при этом их переходная характеристика должна быть близка к ступенчатой.

Диссертация посвящена исследованиям по разработке и совершенствованию методов и средств измерений (СИ) импульсных электромагнитных полей (ЭМП), при воздействии электромагнитных импульсов субнаносекундного диапазона на объекты ТКС.

В современных нормативных документах по метрологическому обеспечению испытаний методом измерения называется прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений, то есть физическим явлением или совокупностью физических явлений, положенных в основу измерений. 4.

Актуальность работы обусловлена тем, что современные технические средства (ТС) насыщены радиоэлектронной аппаратурой, изготовленной с использованием микросхем, микропроцессоров, чипов и т. п., функционирующих при малых уровнях тока и напряжения.

Поэтому воздействие на технические средства электромагнитных полей источников природного и техногенного происхождения может привести к сбоям или отказам в работе аппаратуры. В результате таких сбоев или отказов аппаратуры нарушается ее функционирование.

Учитывая насыщенность ТКС аппаратурой со сложными электрическими цепями, их стойкость в условиях воздействия ЭМП обычно оценивается экспериментально с использованием установок-имитаторов ЭМП и генераторов СК ЭМИ.

Для обеспечения испытаний и оценки стойкости аппаратуры ТКС в условиях воздействия СК ЭМИ с использованием имитаторов в соответствии с современными требованиями необходима разработка соответствующих методов и средств измерений внешних полей и электромагнитных наводок во внутренних объемах объектов испытаний.

Основной целью диссертационной работы является разработка и совершенствование методов н средств измерений, обеспечивающихизмерение параметров гнагружения и реакции во внутренних объемах объектов испытаний и < электрических цепях ТКС в условиях воздействия электромагнитных полей субнаносекундного диапазона.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Обоснование требований к средствам измерений электромагнитных полей на основе проведенного анализа состояния исследований проблемы ЭМС, результатов испытаний ТКС и существующих методов и средств измерений импульсных полей.

2. Совершенствование физико-математического аппарата для расчета характеристик перспективных средств измерений импульсных электромагнитных полей (ЭМП) субнаносекундного диапазона.

3. Проведение экспериментальных исследований воздействия пространственно однородного ЭМИ ступенчатой формы на прямые полосковые линии различной длины и с разными сопротивлениями нагрузки на концах с целью подтверждения основных положений математических моделей, положенных в основу расчета характеристик измерительных преобразователей;

4. Разработка средств измерений на основе полосковых линий и определение их метрологических характеристик.

5. Разработка методов и средств измерений параметров электромагнитных полей при проведении испытаний ТКС на излучателях СК ЭМИ.

6. Разработка методов и средств испытаний ТКС в условиях воздействия СК ЭМИ, позволяющих оценить достоверность расчетных методов и устойчивость ТКС.

7. Проведение испытаний и разработка рекомендаций по обеспечению устойчивости объектов ТКС к воздействию СК ЭМИ.

Научная новизна работы определяется:

• результатами теоретических и экспериментальных исследований физических процессов, определяющих метрологические характеристики линейных полосковых измерительных преобразователей импульсного электромагнитного поля;

• разработанными методами и средствами измерений параметров сверхкоротких электромагнитных импульсов субнаносекундного диапазона;

• результатами испытаний объектов современных телекоммуникационных систем на имитаторах СК ЭМИ.

На защиту выносятся:

• требования к средствам измерений полей, используемых при испытаниях ТКС на действие СК ЭМИ;

• результаты расчета характеристик средств измерений по предложенной модели взаимодействия линейного полоскового измерительного преобразователя при различных нагрузках с внешним импульсным электромагнитным полем и результаты экспериментальных исследований измерительных преобразователей на основе полосковых линий;

• методы и средства измерений импульсных электрических полей и напряжений при проведении испытаний объектов ТКС на излучателях СК ЭМИ;

• методики и результаты испытаний современных объектов телекоммуникационных систем в условиях воздействия СК ЭМИ.

Основные результаты работы внедрены и нашли практическое применение на ряде предприятий при создании измерительных комплексов и при испытаниях систем телекоммуникаций: ВНИИОФИ, МИЭМ, РФЯЦ-ВНИИЭФ, ИТЭС ОИВТ РАН, МИТ, МНИРТИ, 32 ГНИИ МО РФ. Результаты также внедрены в учебный процесс МИЭМ на кафедре «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» по дисциплине «Основы проектирования РЭС» .

Результаты внедрения обеспечили повышение точности измерений параметров импульсных электрических и магнитных полей при испытаниях объектоввоенной, специальной и гражданской техники к воздействию электромагнитных импульсов.

Основные теоретические и практические результаты диссертации внедрены и реализованы в НИР, выполненных ФГУП «ВНИИОФИ» при непосредственном участии автора: «Актив-3"(1994г.), «Заря-ОФИ» (1999г.), «Персей-СИ» (2000г.), «Сходня» (2000г.), «МАКОНТ» (2001г.), «Колибри-02» (2004г.), «Импульс-К» (2004г.), «Залив-02» (2005г.), «ЭМИ-157» (2005г.), «Листва-ОФИ» (2005г.), «Изображение-1» (2005г.).

Полученные в диссертационной работе результаты рекомендуется использовать при разработке методов и средств измерений параметров электромагнитных полей субнаносекундного диапазона, для измерения параметров нагружения и реакции объектов испытаний в условиях воздействия СК ЭМИ и проектировании радиотехнических систем в защищенном от сверхкоротких ЭМИ исполнении.

Дальнейшие исследования по данному направлению целесообразно направить на создание средств измерений СК ЭМИ нового поколения с использованием перспективных технологий и элементной базы. * *.

Лично автором проведены теоретические и экспериментальные исследования влияния физических процессов на характеристики средств измерений, а также геометрических размеров и конструктивных особенностей средств измерений на погрешность измерения. ,.

В соавторстве с Соколовым A.A., Сахаровым К. Ю и Подосеновым С. Н. разработаны предложения по созданию средств измерений и методик исследований их характеристик, методик испытаний, методики выполнения измерений.

Совместно с Туркиным В. А. разработана и проведена экспериментальная отработка методических вопросов. * *.

Значительные успехи в решении задач анализа стойкости систем связи, создании методов измерений и экспериментальной проверки методик расчета, наведенных токов и напряжений в кабельных линиях, экранах и антеннах в России достигнуты благодаря вкладу в эту проблему ученых: Соколова A.A., Подосенова С. А., Сахарова К. Ю., Иванова B.C., Золотаревского Ю. М., Мыровой Л. О., Кечиева Л. Н., Балюк Н. В., Михайлова А. К., Синий Л. Л., Степанова П. В., Фоминича Э. Н., Крохалева Д. И., а также циклу исследований, выполненных во ВНИИОФИ, ФГУ 12 ЦНИИ МО, БИТУ, НИИИТ, МНИРТИ, МИЭМ. * *.

В заключение хочу выразить искреннюю признательность за внимательное руководство и всестороннюю помощь научному руководителю, кандидату технических наук, Сахарову Константину Юрьевичу.

Выражаю глубокую благодарность доктору технических наук, профессору Соколову A.A., кандидату физико-математических наук Подосенову С. А., доктору технических наук, профессору Балюку Н. В., директору ФГУП «ВНИИОФИ» Иванову B.C., доктору технических наук, профессору Золотаревскому Ю. М. за помощь при проведении теоретических исследований, плодотворное обсуждение работы и ценные советы.

Считаю своим долгом выразить благодарность сотрудникам Туркину В. А., Денисову М. Ю., Уголеву В. Л., Корневу А., Певневу А. за помощь при подготовке и проведении экспериментальных исследований, а также за содействие и полезные советы при обсуждении результатов работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основным итогом диссертационной работы, определяющим ее. научную и практическую значимость, являются разработанные методы, средства измерений параметров импульсных ЭМП субнаносекундного диапазона и результаты испытаний ТКС на излучателях СК ЭМИ.

В процессе решения задач, поставленных в диссертации, получены следующие основные научные результаты:

1. Показано, что для измерения полей при воздействии СК ЭМИ полосковьш измерительный преобразователь является наиболее точным средством измерений, так как в течение некоторого интервала времени имеет ступенчатую переходную характеристику, позволяющую осуществлять преобразование сигнала электрического поля в сигнал напряжения той же формы с минимальными искажениями.

2. Обоснован выбор дифференциального измерительного преобразователя напряженности импульсного электрического поля на основе меандрической полосковой линии для исследования электромагнитной обстановки в процессе проведения испытаний в условиях отражения сигналов от проводящих конструкций помещений.

Для оперативного определения максимальной напряженности поля' в зоне исследуемых объектов разработан автономный измеритель амплитуды СК ЭМИ, у которого в качестве первичного преобразователя используется линейный полосок.

Для определения амплитудно-временных параметров импульсов генераторов излучателей СК ЭМИ используется коаксиальный делитель высоковольтных импульсов напряжения со сверхкоротким фронтом. Делитель выполнен на основе отрезка 50-омной коаксиальной линии.

3. На основе анализа источников погрешностей измерений полей с помощью уточненной методики оценки погрешностей измерений определены требования к метрологическим характеристикам СИ полей и напряжений при испытаниях ТКС на воздействие СКЭМИ.

Установлено, что время нарастания ПХ основных средств измерений полей типа ИППЛ-Л и ИППЛ-М должно быть не более 70 пс для линейной полосковой линии и 200 пс для меандрической полосковой линии. Погрешность коэффициента преобразования ИППЛ-Л и ИППЛ-М не должна превышать ±10% при доверительной вероятности 0,95 соответственно. Длительность ПХ должна быть не менее 4 не для линейной полосковой линии и 30 не для меандрической полосковой линии.

4. Определены требования к конструктивным и эксплуатационным характеристикам СИ полей. Конструкция средств измерений выбирается из условий минимизации габаритов и веса, обеспечения механической прочности и надежности, возможности быстрой сборки, подключения, настройки и поверки СИ, возможности дистанционного управления режимами работы. Эксплуатационные характеристики СИ должны обеспечивать возможность проводить измерения в любой точке исследуемого объема, безопасную работу обслуживающего персонала, нормальную работу в заданных климатических условиях, малое потребление энерпш активными элементами оптоэлектронных СИ, достаточно долгий срок автономной работы ИП от внутренних источников питания.

5. Усовершенствован физико-математический аппарат для расчета возбуждения внешним импульсным электромагнитным полем линейного полоскового несимметричного измерительного преобразователя при различных нагрузках. Использованная модель телеграфных уравнений с распределенным источником в достаточной степени отражает существо физических процессов,. происходящих в полосковых измерительных преобразователях.

6. Проведены экспериментальные исследования воздействия пространственно однородного ЭМИ ступенчатой формы на макеты полосковых линий прямой, меандрической и пилообразной формы, имеющих разные длины и с разными сопротивлениями нагрузки на концах. Эксперименты полностью подтвердили правильность расчетов, что позволяет использовать их для оценки воздействия ЭМИ на двухпроводные линии, а также возможность использования отрезков полосковых линий в качестве датчиков СК ЭМИ.

7. По результатам проведенных теоретических расчетов и экспериментальных исследований были изготовлены средства измерений параметров СК ЭМИ и импульсного напряжения на основе полосковых линий. Коррекция переходной характеристики проводилась индивидуально для каждого типа полосковой линии изготовленных средств по разработанной автором диссертации методике.

Разработанные СИ имеют следующие характеристики.

• Измерительный преобразователь напряженности импульсного электрического поля типа ИППЛ-Л. Метрологические характеристики: время нарастания переходной характеристики между уровнями 0,1−0,9 от установившегося значения 45 псдлительность переходной характеристики по уровню 0,5 от установившегося значения 4,4 некоэффициент преобразования измерительного преобразователя 5,43×10″ 4 (В/(В/м) — погрешность коэффициента преобразования измерительного преобразователя 3,4%- длина линии связи -8,2 м.

• Дифференциальный измерительный преобразователь напряженности импульсного электрического поля на основе меандрической полосковой линии типа ИППЛ-М. Метрологические характеристики: время нарастания переходной характеристики между уровнями 0,1−0,9 от установившегося значения 120 псдлительность переходной характеристики по уровню 0,5 от установившегося значения 144 некоэффициент преобразования измерительного преобразователя — 1,1×10″ 5 (В/(В/м) — погрешность коэффициента преобразования измерительного преобразователя 7,3%- длина линии связи — 25 м.

• Автономный переносной измеритель амплитуды СК ЭМИ. Метрологические характеристики: диапазон измерения амплитуды СК ЭМИ 0,5-^50 кВ/мдлительность измеряемых импульсов: 150 + 500 псчастота следования импульсов: 0 — 10 000 Гцпогрешность измерения амплитуды не более 10%.

• Коаксиальный делитель высоковольтных импульсов напряжения со сверхкоротким фронтом. Метрологические характеристики: время нарастания переходной характеристики между уровнями 0,1−0,9 от установившегося значения 40 псдлительность переходной характеристики по уровню 0,5 от установившегося значения Знскоэффициент деления: 1180 (В/(В) — погрешность коэффициента деления — 5,2%.

Полученные значения метрологических характеристик разработанных — средств измерений соответствуют требованиям к средствам измерений, используемым при проведении испытаний ТКС на воздействие СК ЭМИ. Разработанные средства измерений прошли поверку и калибровку.

Созданные средства измерений напряженности импульсного электрического поля ИППЛ-Л и ИППЛ-М прошли процедуру утверждения типа средств измерений в Госстандарте РФ и занесены в Госреестр средств измерений РФ.

Результаты исследований реализованы при разработке типовых методик выполнения измерений параметров электромагнитных полей и напряжений при испытаниях техники на излучателях СК ЭМИ, а также рабочих методик выполнения измерений внутренних ЭМП при испытаниях ряда ТКС.

8. Разработаны экспериментальные методики и проведены испытания объектов современных телекоммуникационных систем на стойкость к воздействию СК ЭМИ:

— цифровых интегральных микросхем серий 1564ЛН1 и 1554ЛН1, расположенных на печатных проводниках;

— локальной вычислительной сети на базе двух персональных компьютеров.

Определены амплитудно-временные параметры сигналов, наводимых под действием сверхкоротких электромагнитных импульсов в типичных линиях связи на поверхности печатных плат (несимметричные полосковые линии, однопроводные линии, витые пары).

Выявлены нарушения работоспособности ЛВС, ПК и определены параметры воздействующих СК ЭМИ, приводящих к сбоям и временным отказам.

9. На основе результатов испытаний разработаны рекомендации по увеличению помехоустойчивости и защищенности телекоммуникационных систем. Показано, что наиболее простым и эффективных! способом защиты ТКС является экранировка всех подверженных воздействию объектов. * *.