Читать книгу: «Исследование и оценка параметров сигналов в распределенных информационных системах. Для студентов технических специальностей», страница 4
Зоны излучения ЭМП
Другой подход к определению закона изменения уровня электромагнитного поля можно рассматривать как в книги Гольдштейн, Л. Д. Зернов, Н. В. Электромагнитные поля и волны. М.: Советское радио, 1956 г.
После решения волновых уравнений получены следующие выражения для расчета уровня электромагнитного поля.
В общем виде поле, создаваемое элементарным электрическим (или магнитным) вибратором в какой-либо точке, состоит из нескольких составляющих, величины которых зависят от направления излучения, излучаемой длины волны и расстояния г от излучающего вибратора. В сферической системе координат действующие значения составляющих поля (без учета фазы) имеют вид (13.1 – 13.4).
Для электрического вибратора (13.5 – 13.6).
Для магнитного вибратора (рамки) (13.7 – 13.8).
Где θ – угол между осью диполя или осью рамки (витка), перпендикулярной к ее плоскости, и направлением на точку, где определяется поле;
Eθ и Еφ – тангенциальные составляющие вектора напряженности электрического поля в плоскости, параллельной оси вибратора, и в, плоскости, перпендикулярной оси вибратора;
Hθ и Hφ – соответствующие составляющие вектора напряженности магнитного поля;
Еr и Нr – соответственно радиальные составляющие векторов электрического и магнитного полей;
Iа – ток антенны, равномерно распределенный по всей длине вибратора;
μ, ε – соответственно магнитная и диэлектрическая проницаемости воздуха.
Все составляющие полей вибраторов (пропорциональные 1/г, 1/г2, 1/г3) требуется учитывать, когда приемная антенна находится в промежуточной зоне, ограниченной пределами r = λ/2π и r = 10λ.
В ближней зоне, т. е. на расстоянии r <<λ, преобладают составляющие, пропорциональные 1/r3 для Eθ, Er, Нθ и Нr и пропорциональные 1 /r2 для Eφ, Нφ.
Вариант интерпретации напряженности поля в ближней и промежуточной зоне.
Из представленного выше выражения для Eθ (13.7).
Наибольший интерес представляет поле в ближней и промежуточной зоне. Закон изменения уровней напряженности электромагнитного поля, измеренного на единичном расстоянии E0, в зависимости от расстояния, имеет вид (13.8).
Построим и проанализируем график изменения каждой составляющей поля, а также суммарную напряженность. Он представлен на рисунке.
Пунктирными линиями показаны все составляющие поля (1/r3,1/r2, 1/r), а сплошной линией соответствует суммарная напряженность.
Рис. 12. – Изменение напряженности поля в ближней, промежуточной и дальней зоне
В дальней зоне влияние составляющих 1/r3,1/r2, сводится к минимуму и приближенно можно считать изменение поля по закону 1/r.
В практических измерениях определяется принадлежность точки измерения к зоне излучения.
Об измерении электромагнитных полей.
Для оценки защищенности ПЭМИ технических средств (ТС) в диапазоне 0,01- 1000Мгц приемник ЭМП (антенну) размещают на расстояниях один метр, что соответствует ближней и промежуточной зоны излучения от исследуемых средств. Как известно граница зон определяются условиями Rбз = λ/2π и Rпз = 6λ.
Определим принадлежность расчетного расстояния rрас. к одному из следующих интервалов (13.9).
Корректность использования антенн для проведения измерений определяется характером поля в ближней и промежуточной зонах, типом и характеристиками антенн. Ка, hд
Заключение о соответствия ПЭМИ ТС нормам проводится по соотношению с/ш (Ес/Eш) на границе контролируемой зоны.
О распределении поля.
Будем рассматривать поле, создаваемое элементарным электрическим (или магнитным) излучателем в какой-либо точке. Наиболее типичное излучение имеют электрические излучатели. Для этого случая в сферической системе координат действующие значения составляющих поля, указанные выше.
Распределение поля вблизи излучателя характеризуется отношением напряженностей электрической и магнитной составляющей, которые можно получить из выражений для Eθ и Hφ.
Для электрического излучателя в ближней и промежуточной зоне имеем: E/H=W0 (λ/2πr), в дальней зоне: E/H=W0. Для магнитного излучателя, используя литературные данные, имеем значения E и H,: E/H=W0 (2πr/λ).
Здесь (13.10) – волновое сопротивление в свободном пространстве.
Из приведенных отношений видно, что в ближней зоне однозначной связи между электрической и магнитной составляющей нет. Поэтому для измерения электрической составляющей поля в ближней и промежуточной зоне нельзя использовать магнитные антенны, с целью пересчета значений H в E.
Об измерении полей в ближней зоне (зоне индукции).
Напряженность электромагнитного поля в БЗ и ПЗ значительно превосходят поля в волновой зоне; кроме того, они обладают значительной неоднородностью, усиливающейся наличием вблизи исследуемых ТС проводящими предметами, случайными антеннами и линиями коммуникаций. В силу этого в зоне индукции (в отличие от волновой зоны) нет определенной связи между компонентами электромагнитного поля, и поэтому невозможно по результатам измерения одной из них вычислить значение второй. Из-за неоднородности поля в зоне индукции размеры измерительной антенны должны быть настолько малы, чтобы в области, занимаемой ею, поле можно было считать достаточно приближенным к однородному.
Для уменьшения погрешности вносимый в поле измерительный прибор по возможности удаляют от измерительной антенны, основные элементы цепей измерителя (селективного вольтметра) помещают во внутренний экран, изолированный от корпуса прибора, входные цепи вольтметра размещают в непосредственной близости от измерительной антенны, вход измерителя напряженности поля строго симметрируют по отношению к земле. Нарушение последнего требования может вызвать нежелательную разность потенциалов, наводимую большими полями, на входных клеммах прибора и так далее.
В качестве антенны для измерения электрического поля применяется диполь, для измерения магнитного поля – рамка. С точки зрения конструкции и удобства обращения с измерителем напряженности поля исследуем пассивную антенну, подключенную к входу селективного вольтметра или анализатора.
В теории приема и измерения характеристик электромагнитного поля часто используют эквивалентную схему, представленную на рис. 1, на которой Z А – полное входное сопротивление антенны; Zпр – полное входное сопротивление приемника; е – электродвижущая сила на выходе антенны
е = Е hд, где Е- напряженность электромагнитного поля, hд – действующая высота.
Рис.13 – Эквивалентная схема измерения характеристик ЭМП.
При согласованной нагрузки (оптимальный режим) Z А = Z ПР
Мощность и напряжение на входе приемника P, U.
На рис. 14 представлена эквивалентная схема входной цепей измерителей напряженности поля с диполем. Схема простая, так как отсутствуют усилители, какие либо согласующие устройства, кабели.
Рис.14 – Эквивалентная схема измерителя напряженности поля индукции диполем
Для схемы (рис. 13) напряжение на входном сопротивлении вольтметра (13.11),
где е= EhД – эффективное значение ЭДС, наведенной полем в диполе, В;
Сд – собственная емкость диполя, Ф; RBX – активная составляющая входного сопротивления вольтметра, Ом; Свх – входная емкость вольтметра, Ф.
Из выражения для Uвх видно, что показания измерителя будут зависеть от частоты. Эта зависимость практически исключается, если величина ω2 (Сд+Свх) 2R2вх выбрана достаточно большой (что реализуется в активных антеннах). Для пассивного вибратора при низком входном сопротивлении измерителя (RBX =50 ом), малом значении Сд = 5 пф Uвх будет <<е. Это означает, что измерения нельзя проводить (практически трудно измерить).
Проведенные натурные измерения для различных приемников и антенн дают другую картину.
Уровни измерений Е имеют отклонения от показаний, полученных с использованием калиброванных активных и пассивных антенн, соизмеримые с погрешностью метода измерения ближнего поля.
Коэффициент калибровки стандартных антенн приведенных в паспортах на антенны для дальнего поля и согласованных с регламентированной нагрузкой.
Отклонения результатов измерений лежат в пределах нескольких дБ на различных частотах. Это говорит о коэффициенте согласования Kc диполя с входом селективного вольтметра. Эта связь выражается так.
Е =e /hд = Ка Uвх Kc
Коэффициент согласования для схем измерения имеет важное значение при проведении измерений, влияет на точность метода измерения в ближней и промежуточной зонах.
Действующая высота антенны hД
Связь между геометрической и действующей высотой вертикального вибратора при la <<λ: hд=lа /2. Действующая высота четвертьволнового вибратора hд = λ/2π. Эти значения получены путем интегрирования косинусоидальной функции распределения тока штыревой антенны по ее физической высоте.
О коэффициенте калибровки.
Измерение Eс+п и Еп для оценки защищенности ПЭМИ проводится вблизи технического средства при размещении антенны или измерителя в следующих случаях.
а. рядом с ТС на фоне естественных помех
б. рядом с ТС при использование генераторов помех.
в. на границ КЗ на фоне естественных помех
г. на границе КЗ при использование генераторов помех.
д. для получения абсолютных значений напряженностей при использовании в расчетах нормируемых помех.
е. для определения реального коэффициента затухания Кр. з.
Для вариантов б,г,е измерения требуются для получения отношения сигнал шум q и определения реального коэффициента затухания Кр. з.
q= EсСП / EпСП = (Ка Uвхсп Кс) / (Ка Uп сп. Кс) = Uвх сп /Uп сп.
Кр. з.=Ес1/Ec кз = (Ка Uвх. с1 Кс) / (Ка Uс кз. Кс) = Uвх. с1 /Uс кз.
Как видно из полученного выражения результаты оценки q не зависят от коэффициента согласования и калибровки при линейности входного измерительного тракта в динамическом диапазоне сигнала.
Для вариантов а,в,д проводится измерения абсолютных величин, их усреднение оценки параметров измерения.
Антенны
В практике измерения ЭМП с целью оценки защиты информации в настоящее время используются антенны различных типов.
Антенны предназначены для измерения напряжённости электрического, магнитного и электромагнитного полей совместно с измерительными приёмными устройствами.
Антенны характеризуются назначением, частотным диапазоном, коэффициентом калибровки, и другими различными параметрами.
Рассмотрим особенности использования различных антенн для целей проверки эффективности защиты ПЭМИ.
1. Антенны бывают пассивными и активными.
О характеристиках пассивных антенн.
Сопоставим мощность принимаемых сигналов с полной мощностью различных шумов на входе приемника разведки.
Шумы антенн характеризуются внешними и внутренними шумами.
Внешние шумы антенн вызваны электромагнитными помехами естественного и техногенного происхождения.
Внутренние шумы антенн вызваны тепловым движением электронов в неидеальных проводниках и диэлектриках антенн и фидерном тракте.
Спектральный состав внешних и внутренних шумов для диапазонных антенн можно принять одинаковыми.
Полная мощность шума на входе приемника равна
Pш полн = Pш а + P ш. пр., где
Pш а = kTa D f, Вт – мощность шумов антенны, подводимая к приемнику.
Pш пр. = kTпр D f, Вт – мощность шумов приемника.
Шумовая температура антенн Та = Та ф.+ Та. S., где
Та ф. – флюктуационные шумы антенны.
Та. S. – температура внешних источников шумов.
Значение Та. ф. находится с использованием формулы Нейквиста для ЭДС и импенданса приемника Zвх.
Та. ф. = T0 (1-h).
Очевидно, что величина Та. ф. не превышает 288К, т.е. вклад пассивной антенны в Uвх. ш. мал.
Значение Та. S. определяется яркостной температурой в окружающем пространстве, атмосферными, индустриальными и космическим помехами радиоизлучением земли и др. Возможно уменьшения значения Та. S. за счет направленности пассивных антенн.
В диапазоне длинных, средних и КВ значения Та. S. значительно больше Та. ф.. (Та. S.>> Та. ф.).
В децеметровом и СВЧ диапазонах за счет направленности антенн значения Та. ф и. Та. S. соизмеримы или Та. S. <Та. ф.
Однако значение Та. S. <Та. ф. не относятся к индустриальным помехам, которые часто нельзя устранить направленными антеннами.
Достоинство пассивных антенн.
Динамический диапазон входного сигнала не ограничивается.
Шум антенны регламентируется внешним шумом.
Нижняя граница Uш а = Рша /ka
Динамический диапазон имеет линейную характеристику.
Недостатки пассивных антенн.
Малый коэффициент калибровки или коэффициент калибровки
Требуется иногда согласование антенны с приемником.
Требуется частотная корректировка коэффициент калибровка и из-за рассогласования
Активные антенны
Недостатки и требования активных антенн
Требуется электропитание на усилительные блоки.
Наличие мощных станций и помех и применение широкополосных усилителей вызывает создание перекрестных помех на входе измерительного приемника. Происходит нелинейное преобразование входных сигналов различных частот и появление помех.
Мгновенный динамический диапазон должен быть достаточно большим (порядка 120 дБ), что трудно реализовать в широком частотном диапазоне.
Мгновенный динамический диапазон должен быть линейным в исследуемом частотном диапазоне.
Преимущество активных антенн
Малые размеры антенны.
Повышена чувствительность измерительной системы.
Характеристики антенн
Коэффициент калибровки и действующая высота антенны.
Рассмотрим заземленный или несимметричный вибратор под которым понимают такой, который подключается к одному зажиму источника э. д. с., а другой зажим источника заземляется (рис.15). Заземленный вибратор в совокупности со своим зеркальным изображением образует симметричный вибратор.
Поэтому диаграмма направленности заземленного вибратора представляет собой верхнюю половину диаграммы направленности соответствующего симметричного вибратора. Отсюда следует также, что максимум излучения вертикального заземленного вибратора при идеальной проводимости Земли находится на ее поверхности.
Для определения сопротивления излучения заземленного вибратора обратимся к рис. 15, на котором начало координат совпадает с вершиной вибратора, ось z направлена по оси вибратора,
1т z – амплитуда тока на расстоянии zот вершину вибратора.
1т п – амплитуда тока в пучности, 1т0 – амплитуда тока в основании; антенны,
h – геометрическая высота вибратора, hд – его действующая высота.
Будем считать эквивалентными вибраторы, которые создают поле одинаковой напряженности в направлении максимального излучения антенны. В этом направлении отсутствует разность хода волн от симметричных элементов вибратора, вследствие чего результирующее поле равно алгебраической сумме полей всех элементарных участков вибратора, каждый из которых эквивалентен элементарному вибратору.
Амплитуда напряженности поля элементарного вибратора пропорциональна моменту тока, измеряемого в микроамперах. Следовательно, вибраторы являются эквивалентными, если равны их моменты токов.
В заземленном вибраторе, где ток распределяется неравномерно по высоте, момент тока равен интегралу
∫oh1т zdz
Если в качестве эквивалентного вибратора выбрать такой, в котором па всей высоте ток одинаков и равен току у основания заземленного вибратора 1т0, то к последнему можно применить формулы, выведенные для элементарного вибратора. Высота эквивалентного вибратора называется действующей высотой истинного вибратора. Очевидно, что действующая высота вибратора hд меньше его геометрической высоты h.
Из условия равенства моментов тока действительной и эквивалентной антенн
Учитывая известные тригонометрические формулы (14.1 – 14.2) найдем (14.3).
Формула для hд устанавливает связь между геометрической и действующей высотой вертикального заземленного вибратора. Если h <<λ, то (14.4). Действующая высота четвертьволнового вибратора (14.5 – 14.6).
Так как в данном случае λ/2π =2h/π, то можно сказать, что увеличение геометрической высоты заземленного вибратора от весьма малой величины до λ/4 сопровождается увеличением его действующей высоты от 0,5 до 2/π=0,64 его геометрической высоты.
Заземленный вертикальный вибратор высотой h в совокупности со своим зеркальным изображением образует симметричныйвибратор длиной l = 2h, а поэтому действующая высота симметричного вибратора в 2 раза больше действующей высоты соответствующего заземленного.
Следовательно, длина симметричного вибратора hд= l/2 при 1 <<λ., а действующаявысота полуволнового вибратора hд= λ/π.
Бесплатный фрагмент закончился.
Начислим
+4
Покупайте книги и получайте бонусы в Литрес, Читай-городе и Буквоеде.
Участвовать в бонусной программе
