Функциональные сбои персонального компьютера при воздействии электромагнитных импульсов сверхкороткой длительности

К.ф-м.н. Н.П. Гадецкий, к.ф-м.н. К.А. Кравцов, д.ф-м.н. И.И. Магда

Институт Плазменной Электроники и Новых Методов Ускорения, ННЦ "ХФТИ"

Обсуждаются результаты цикла сравнительного экспериментального исследования условий функционирования персонального компьютера в условиях воздействия электромагнитных импульсов ультракороткой длительности (УКД) с различными спектральными характеристиками. Для многих практических применений в области электромагнитной совместимости и стойкости (ЭМС/С) электронной техники в качестве основного критерия внешнего воздействующего фактора УКД предлагается использование спектральной плотности напряженности поля или мощности излучения.I. Введение

Являясь одними из новых типов внешнего воздействующего фактора (ВВФ) современной электромагнитной обстановки, мощные электромагнитные излучения и электромагнитные импульсы УКД представляют серьезную опасность для функционирования радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Действие полей УКД даже при уровнях существенно меньших уровней деградации элементной базы аппаратуры проявляется в блокирующем действии помехи и нарушениям различной степени сложности в производимых технологических операциях. В аналоговых устройствах оно связано с возникновением в чувствительных цепях специфического нелинейного отклика - состояний динамического "хаоса". Поскольку в активном режиме работы хаотическое состояние формируется самим устройством, то длительность блокирующего действия ВВФ, т.е. время потери работоспособности, соответствует времени релаксации аппаратуры. В наших исследованиях реакции ВЧ и СВЧ приемных модулей различного назначения [1,2] показано, что состояние хаоса и, соответственно, длительность блокирования аналоговой аппаратуры может в сотни - тысячи раз превышать длительность сигнала воздействия.

Известно, что максимальные уровни помехозащищенности РЭА достигаются с помощью цифровых методов формирования, передачи и обработки сигналов. При этом максимальной электромагнитной стойкостью обладают автономные устройства цифровой и вычислительной техники (УЦВТ) или локальные цепи на их основе, обладающие принципиально высоким отношением сигнал/помеха в спектральном диапазоне действия ВВФ. В то же время, как показывают эксперименты с компьютерами без специальной защиты, даже однократное достижение уровня блокирующего действия УЦВТ приводит к сбою рабочего цикла и остановке процесса функционирования на время, необходимое для повторного запуска аппаратуры и загрузки программного обеспечения.К сожалению, несмотря на имеющийся опыт в определении и количественной оценке параметров ЭМС/С при действии импульсных излучений УКД для аналоговой аппаратуры, существуют только отдельные данные об аналогичных показателях для цифровых устройств. Такая ситуация обусловлена трудностями выбора критериев блокирующего действия ВВФ, которые в условиях воздействия сверхширокополосного (СШП) сигнала УКД с связаны с большим числом размерных резонансов, возникающих у различных типов УЦВТ при попадании сигнала помехи вовнутрь объекта, в обход устройств внутриблочной и сетевой защиты (т.н. "back-door" действии ВВФ).

В этом отношении показательными являются результаты исследования сбоев компьютеров при воздействии на их внутренние модули узкополосных (УП) СВЧ сигналов с [3]. Установлено, что различие уровней сбоев может достигать десятков дБ при изменении частоты УП сигнала ВВФ на 0.1 %. Таким образом, становится очевидным, что в условиях "back-door" воздействий УКД сигналов на УЦВТ для оценки критических уровней и параметров ЭМС/С нельзя пользоваться общепринятыми критериями - уровнями плотности мощности или напряженности поля, характерными для УП сигналов. Ниже приводятся данные, показывающие, что таким критериальным параметром в условиях воздействия электромагнитных сигналов УКД с различными спектральными характеристиками является величина спектральной плотности мощности или напряженности поля ВВФ в диапазоне характерных частот чувствительности объекта.II. Методика эксперимента

Целью исследований является сопоставление интегральной оценки функционального сбоя сложного УЦВТ с амплитудными и временными характеристиками ВВФ УКД, а также выработка новых критериальных параметров ЭМС/С, которые наиболее удобны в условиях действия источников излучений с различными спектральными характеристиками.

В экспериментах был использован ряд разработанных и имеющихся в ННЦ "ХФТИ" источников излучений УКД, особенности которых приведены в таблице 1. Генераторы излучений (ГИ) УКД имели одинаковую функциональную схему: высоковольтное зарядное устройство, генератор импульсного напряжения (ГИН) УКД, сверхширокополосная (СШП) антенна.Объектом исследования являлась ПЭМВ на основе процессора 286 (8-12 МГц), в состав которой входили: системный блок, выполненный в металлическом корпусе, клавиатура и монитор. Тестируемая ПЭВМ располагалась в рабочей зоне на расстояниях 0.2-2 м от антенны ГИ УКД (напряженность поля излучения УКД 0.1-20 кВ/м). Облучение ПЭВМ проводилось сериями из одиночных или 5-50 импульсов излучения УКД, следующих с частотой 0.5-20 Гц.В проведенных экспериментах проведена адаптация используемых ранее методик измерения параметров микроволновых и импульсных излучений УКД [2]. В качестве приемных СШП антенн использовались диполь Герца длиной 4 см и стандартный пирамидальный рупор П6-23А (полоса частот 1-8 ГГц). Регистрация откликов приемных антенн осуществлялась осциллографом С7-19 с полосой частот 0-5 ГГц. Амплитудные и спектральные параметры ВВФ вычислялись на основе данных осциллографирования и калибровочных характеристик антенн.

Таблица 1. Параметры генераторов излучений УКД и их компонентов.