Особенности моделирования режимов возбуждения многоканальных случайных антенн

Анализ предметной области, проводимый при исследовании СА и РСА разных типов в рамках метода СИМ, требует определения исходных данных, обусловленных особенностями их возбуждения [1-3]. В настоящее время известны сведения такого рода, относящиеся к относительно немногим типовым СА, – представленные, например, в [1; 4]. Для проектирования систем защиты КИ этого недостаточно, поэтому дальнейшее изучение и моделирование режимов возбуждения СА и РСА, с учетом их конструктивных особенностей, представляется актуальным и важным – как для развития статистической теории антенн (СТА) [3], так и в практическом плане [2].

Опыт исследования СА и РСА показывает, что экспериментальное определение статистических характеристик, относящихся к режиму их возбуждения, является одним из наиболее «неблагодарных»: трудоемких и малоэффективных по результату этапов проведения СИМ. В [2-3] для облегчения ситуации было предложено использовать возможности современной теории вероятностей – в частности, связанные с построением универсальных и максимально общих финитных моделей на основе семейства одномерных устойчивых законов. Это решает проблему в принципе, но не позволяет, к сожалению, определить значения числовых параметров, относящиеся к конкретным моделям – в том числе обусловленные особенностями возбуждения СА и РСА. Поэтому и с данной точки зрения исследование характеристик сигналов, возбуждающих типовые СА и РСА, представляется объективной необходимостью.

Цель статьи – обсуждение экспериментальных результатов, полученных в настоящее время применительно к разным типам СА и РСА, а также демонстрация их практического применения в интересах предотвращения несанкционированного доступа (НСД) к КИ коммерческого назначения.

Возбуждение сосредоточенных СА

В таблице 1 представлены фрагменты описания предметной области СИМ для типовых сосредоточенных СА по данным [5], существенные для моделирования режима их возбуждения. Абсолютные уровни КИ-сигналов в телефонных аппаратах составляют 1 мкВ…1 мВ; в устройствах вызова, громкоговорителях и других устройствах (см. таблицу 1) они могут достигать 10…100 мВ, чего вполне достаточно для эффективного возбуждения СА и РСА непосредственным образом. В [4] представлены данные, относящиеся к возбуждению СА в виде портативной ЭВМ. Аналогичным образом [6-8] содержат информацию об уровнях сигналов, возникающих при формировании интермодуляционных (ИМ) каналов утечки КИ в малогабаритных радиоэлектронных средс- твах (РЭС) под воздействием узкополосных ква-зигармонических и широкополосных шумовых помех. В дополнение к этому рассмотрим здесь результаты, относящиеся к ИМ-каналам утечки КИ в мобильных сотовых терминалах (МСТ) стандарта третьего поколения UMTS (3G) и портативных радиостанциях (РСТ) Midland GXT 650.

Таблица 1. Фрагменты описания предметной области для типовых сосредоточенных С А [5]

Сосредоточенные СА	Акустоэлектрические преобразователи КИ-сигнала	Среда распространения КИ-сигнала	Наиболее опасные режимы для НСД к КИ
Телефонные аппараты	Вызывные устройства; пьезопреобразователи; капсюли магнитоэлектрические; громкоговорители; усилители;трансформаторы	Проводная сеть; зоны индукции от катушек и проводников; зоны излучения в эфир	Ожидание вызова; самовозбуждение усилителей
Сотовые телефонные аппараты	Гетеродины; микрофоны и телефоны; кварцевые резонаторы; громкоговорители; усилители	Радиоэфир	Режим связи с базовой станцией; самовозбуждение усилителей; программный НСД
Офисные АТС	Блоки электропитания; усилители; преобразователи АЦП и ЦАП; кварцевые резонаторы	Проводная сеть; сеть силового питания; зоны индукции; зоны излучения в эфир	Рабочий режим; самовозбуждение усилителей; работа преобразователей АЦП и ЦАП
Системы конференц-связи	Микрофоны; громкоговорители; усилители	Линии связи	Рабочий режим; самовозбуждение усилителей
Переговорные устройства	Микрофоны; громкоговорители; усилители	Линии связи; зоны излучения в эфир	Ожидание вызова; самовозбуждение усилителей
Диктофоны	Генераторы подмагничивания; усилители	Зоны излучения в эфир	Режим записи-воспроизведения; самовозбуждение усилителей
ЭВМ стационарные	Блоки электропитания	Силовая электросеть	Рабочий режим
ЭВМ портативные	Кварцевые резонаторы	Зоны излучения в эфир	Работа в сети Internet
Системы оповещения	Громкоговорители; усилители	Кабели сети оповещения	Режим ожидания оповещения; самовозбуждение усилителей
Системы видеонаблюдения	Автогенераторы	Зоны излучения в эфир	Рабочий режим
Системы охранной и пожарной сигнализации	Датчики	Линии связи с пультом	Рабочий режим
Брелки автосигнализации	Автогенераторы; кварцевые резонаторы	Зоны излучения в эфир	Режим ожидания сигнала от автомобиля
Радиоприемники; телевизоры	Гетеродины; кварцевые резонаторы	Зоны излучения в эфир	Рабочий режим
Холодильники; кондиционеры; сплит-системы; увлажнители воздуха; вентиляторы	Электромоторы	Силовая электросеть	Включение в электросеть
Аудио-и видеоплееры	Усилители	Зоны излучения в эфир	Рабочий режим; самовозбуждение усилителей

При использовании в качестве ИА пассивной логопериодической антенны ЛПА элемент НЭ на схеме рис. 1 отсутствует, при использовании активной антенны АИ5-0 – присутствует. Методика проведения измерений аналогична использованной при исследовании РЭС Bluetooth и МСТ 2G (GSM-телефоны Sony-Ericsson K610i и Motorola C550) [6-7].

Рис. 1. Установка для определения параметров ИМ каналов излучения в малогабаритных РЭС на базе универсального стенда для исследования СА

UMTS (3G) Sony-Ericsson K610i на частотах f _с = 1,95…1,995 ГГц для расстояния r _и = 0,3 м между МСТ и ИА при использовании пассивной ЛПА; на рис. 3 – для сигнала ИМ составляющей II порядка на расстоянии r _в = 0,5 м между МСТ и ЭА при использовании ЛПА; на рис. 4 – для сигнала ИМ составляющей III порядка при АИ5-0.

Графики на рис. 5-6 соответствуют зависимости от расстояния r _и уровней ППЭ _ИМ-II для ЛПА (кривая 1 ) и АИ5-0 (кр. 3 ); ППЭ _ИМ-III для ЛПА (кр. 2 ) и АИ5-0 (кр. 4 ); ППЭ _ИМ-IV для АИ5-0 (кр. 5 ) при r _в = 0,5 м. На рис. 5 обращают на себя внимание уровни ППЭИМ-III (см. кривые 2 и 4 ), превышающие уровни ППЭ _ИМ-II (см. кривые 1 и 3), чего не наблюдалось при исследовании других РЭС [6-7]. По-видимому, это объясняется повышенным ослаблением выходными фильтрами МСТ UMTS (3G) частот ИМ-составляющих II порядка (1,06...1,065 ГГц) по сравнению с частотами ИМ-составляющих III порядка (170...175 МГц).

По данным рис. 5, средние значения коэффициентов ИМ преобразования II порядка равны χ _ИМ-II = 1,15^10^-8 при ЛПА и 4,1^10^-8 при АИ5-0; III порядка χ _ИМ-III = 5,6^10^-8 при ЛПА и 1,2^10-7 при АИ5-0; IV порядка χ _ИМ-IV = 2,25^10-9 при АИ5-0. При замене пассивной ЛПА на активную АИ5-0 для МСТ UMTS (3G) имеет место рост средних значений χ _ИМ-II в 3,6 раза (увеличение на 5,5 дБ) и χ _ИМ-III в 2,1 раза (увеличение на 3,3 дБ).

Графики на рис. 6 иллюстрируют зависимость уровней ППЭ _ИМ-II ИМ-составляющих II порядка при ЛПА (кривая 1 ) и АИ5-0 (кр. 3 ), а также уровней ИМ-составляющей III порядка ППЭ _ИМ-III при АИ5-0 (кр. 4 ) от расстояния r _в , полученные при r _и = 0,5 м и АИ5-0 (кр. 3). По данным рис. 6, средние значения коэффициентов ИМ-преобра-зований равны χ _ИМ-II = 3,85^10^-9 при ЛПА и χ _ИМ-II = 5,6^10-9 при АИ5-0; χ _ИМ-III = 1,3^10^-8 при АИ5-0, достаточно хорошо соответствует данным рис. 5. При замене пассивной ЛПА на активную АИ5-0 здесь имеет место рост среднего значения χ _ИМ-II в 1,45 раза (на 1,6 дБ).

Рис. 2. Спектрограмма для сигнала МСТ UMTS (3G) при ЛПА « -1,95... 1,955 ГГц; г„ = 0,3 м)

Рис. 3. Спектрограмма для сигнала ИМ-составляющей II порядка МСТ UMTS (3G) при ЛПА и г_в - 0,5 м

Рис. 4. Спектрограмма для сигнала ИМ-составляющей III порядка МСТ UMTS (3G) при АИ5-0 и г₆ - 0,5 м

Рис. 5. Графики зависимости ППЭим-п (кривые 1 и Зу, ППЭим-щ (кр. 2 и 4) и ППЭ_11М._1У (5) при ЛПА (кр. 1 и 2) и АИ5-0 (кр. 3; 4 и 5) от расстояния г„ для МСТ UMTS (3G)

Рис. 6. Графики зависимости ППЭим-п (кривые 7 и 3) и ППЭцм-ш (кр. 4) при пассивной ЛПА (кр. 7) и активной АИ5-0 (кр. 3 и 4} от расстояния г₆ для МСТ UMTS (3G)

Схема установки для определения параметров ИМ каналов излучения портативных РСТ Midland GXT 650 отличается от схемы на рис. 1 только тем, что вместо МСТ содержит РСТ. Спектрограммы ИП-1 Rode & Schwarz для РСТ Midland GXT 650 (уровень мощности излучения «M») при АИ5-0; r _и = 1 м; r _в = 0,4 м; поляризация вертикальная; IV уровень мощности излучения ГВВ, представлены на рис. 7 (сигнал РСТ на частоте f _с = 434 МГц и сигнал ИМ-составля-ющей II порядка на частоте f _ИМ-II = 456 МГц); на рис. 8 – сигнал ИМ-составляющей III порядка на частоте f _ИМ-III = 22 МГц; на рис. 9 – сигнал ИМ-составляющей IV порядка на частоте f _ИМ-IV = 412 МГц); на рис. 10 – сигнал ИМ-составля-ющей V порядка на частоте f _ИМ-V = 478 МГц; на рис. 11 – сигнал ИМ-составляющей VI порядка на частоте f _ИМ-VI = 1280 МГц; на рис. 12 – сигнала ИМ-составляющей VII порядка на частоте f ИМ-VII = 1714 МГц.

Соответствующие данным рис. 7-12 средние значения коэффициентов ИМ-преобразования для РСТ Midland GXT 650 в диапазоне ППЭ _в = 0,2 … 32 мкВт/см² при активной АИ5-0 равны:

• -    II порядка χ _ИМ-II = 5,2·10^-3 на частоте 456 МГц и 3,7·10^-3 на частоте 1324 МГц;

• -    III порядка χ _ИМ-III = 7,6·10^-3 на частоте 22 МГц; 9,1·10^-4 на частоте 1346 МГц и 1,56·10^-2 на частоте 1758 МГц;

• -    IV порядка χ _ИМ-IV = 5,2·10^-4 на частоте 412 МГц и 2,6·10^-5 на частоте 912 МГц;

• -    V порядка χ _ИМ-V = 6,1·10^-5 на частоте 478 МГц; 5,75·10^-5 на частоте 846 МГц и 3,8·10^-5 на частоте 1802 МГц;

• -    VI порядка χ _ИМ-VI = 3·10^-5 на частоте 44 МГц; 1,6·10^-4 на частоте 1280 МГц и 1,2·10^-5 на частоте 13682 МГц;

• -    VII порядка χ _ИМ-VII = 7,6·10^-6 на частоте 390 МГц; 2,8·10^-6 на частоте 934 МГц и 2,5·10^-4 на частоте 1714 МГц.

  

  Рис. 7. Спектрограмма для сигнала PCT Midland GXT 650 на частоте 434 МГц и сигнала ИМ-составляющей II порядка на частоте /им-п = 456 МГц

  
  
  

  Рис. 8. Спектрограмма для сигнала ИМ-составляющей III порядка РСТ Midland GXT 650 на частоте /им-п^^ МГц при АИ5-0

  
  
  

  Рис. 9. Спектрограмма для сигнала ИМ-составляющей IV порядка РСТ Midland GXT 650 на частоте fnM-iv= 412 МГц при АИ5-0

  
  
  

  Рис. 10. Спектрограмма для сигнала ИМ-составляющей V порядка РСТ Midland GXT 650 на частоте fuM-v = 478 МГц при АИ5-0

  
  
  

  Рис. 11. Спектрограмма для сигнала ИМ-составляющей VI порядка РСТ Midland GXT 650 на частоте /им- п^ 1280 МГц при АИ5-0

  
  
  

  Рис. 12. Спектрограмма для сигнала ИМ-составляющей VII порядка РСТ Midland GXT 650 на частоте/_им. _уи = 1714 МГц при АИ5-0

  
  

  На рис. 13-16 приведены графики зависимости уровней ИМ-составляющих ППЭ _ИМ для РСТ Midland GXT 650 от уровня воздействия ППЭ _в при r _и = 1 м. В отличие от МСТ, коэффициенты ИМ-преобразования для РСТ можно четко разделить на две группы: для режима L и для режимов M и H. Излучаемая РСТ мощность в режиме L (low, низкая) соответствует уровню воздействия ППЭв = 20 мкВт/см²; в режиме M (middle, средняя) – 1850 мкВт/см²; в режиме H (high, высокая) – 3520 мкВт/см², которые измерены с помощью ИП-2 типа П3-31 на расстоянии r _и = 1…2 см от корпуса РСТ. Графики на рис. 13 соответствуют ППЭ _ИМ-II (кривая 1 – на частоте 456 МГц; кр. 2 – на 1324 МГц); ППЭ _ИМ-III (кр. 3 – на 22 МГц; кр. 4 – на 1346 МГц; кр. 5 – на 1758 МГц) и ППЭ _ИМ-IV (кр. 6 – на 412 МГц;

кр. 7 – на 912 МГц) от уровня воздействия ППЭ _в для РСТ Midland GXT 650 в режиме L; на рис. 14 – в режиме М.

На рис. 15-16 графикам ИМ-составляющей II порядка ППЭ _ИМ-II соответствуют кривые 1 – на частоте 456 МГц и кр. 2 – на 1324 МГц; ИМ-составляющей III порядка ППЭ _ИМ-III – кр. 3 – на 22 МГц; кр. 4 – на 1346 МГц и кр. 5 – на 1758 МГц; ИМ-составляющей IV порядка ППЭ _ИМ-IV – кр. 6 – на 412 МГц и кр. 7 – на 912 МГц; ИМ-составляющей VI порядка ППЭ _ИМ-VI – кр. 8 1368 МГц; ИМ-составляющей VII порядка ППЭ _ИМ-VII – кр. 9 – на 390 МГц; кр. 10 – на 934 МГц и кр. 11 – на 1714 МГц.

Для указанных двух групп (режим L и режимы M и H, соответственно) средние значения коэффициентов ИМ-преобразования в РСТ Midland GXT 650 равняются:

Рис. 13. Графики зависимости ППЭпм-п (кривая / - на частоте 456 МГц; кр. 2 - на 1324 МГц); ППЭ_Им-ш (кр. 3 - на 22 МГц; кр. 4 -на 1346 МГц; кр. 5-на 1758 МГц) и ППЭим-iv (кр. 6 - на 412 МГц; кр. 7 - на 912 МТц) от уровня ППЭ_в для РСТ Midland GXT 650, режим L

Рис. 14. Графики зависимости ППЭцм-п (кривая / - на частоте 456 МГц; кр. 2 - на 1324 МГц); ППЭ_ИМ._Ш (кр. 3 - на 22 МГц; кр. 4 -на 1346 МГц; кр. 5 - на 1758 МГц) и ППЭим-tv (кр. 6 - на 412 МГц; кр. 7 - на 912 МГц) от уровня ППЭ_в для РСТ Midland GXT 650, режим М

Рис. 15. Графики зависимости ППЭ_ИМ-и (кривая 7 — на частоте 456 МГц; кр. 2 - на 1324 МГц); ППЭцм.щ (кр. 3 - на 22 МГц; кр. 4 - на 1346 МГц; кр. 5 - на 1758 МГц) и

ППЭцм-iv (кр. 6 - на 412 МГц; кр. 7-на 912 МГц) от уровня ППЭ_е для PCT Midland GXT 650, режим Н

• -    II порядка χ _ИМ-II на частоте 456 МГц: 7,9·10^-5 и 7,7·10^-3; на частоте 1324 МГц: 1,19·10^-4 и 6,1·10^-3;

• -    III порядка χ _ИМ-III на частоте 22 МГц: 5,5·10^-6 и 1,1·10^-2; на частоте 1346 МГц: 1,1·10^-4 и 1,3·10^-3; на частоте 1758 МГц: 6,1·10^-6 и 2,5·10^-2;

• -    IV порядка χ _ИМ-IV на частоте 412 МГц: 7,4·10^-6 и 7,8·10^-4; на частоте 912 МГц: 2,3·10^-7 и 3,9·10^-5;

• -    V порядка χ _ИМ-V на частоте 478 МГц: 2,4·10^-8 и 9,2·10^-5; на частоте 1802 МГц: 2,2·10^-7 и 5,8·10^-5.

Эксперименты на стенде показали также, что, помимо ИМ каналов излучения, в СА на базе портативных РСТ важную роль играют каналы излучения на гармониках основной частоты f _c РСТ [19]. На рис. 17 представлены графики зависимости мощности излучения P _Г на гармониках n f _c для РСТ Midland GXT 650 (слева направо – номера гармоник I-V, совпадающие с номерами n = 1-5 вертикальных столбцов) от уровня излучаемой мощности РСТ в режимах L; M и H.

Режим излучения РСТ

Рис. 17. Графики зависимости мощности излучения на гармониках nf _c от фиксированного уровня мощности РСТ Midland GXT 650

Рис. 16. Графики зависимости ППЭим-vi (кривая 8 — на частоте 1368 МГц); ППЭим-vu (кр. 9 - на 390 МГц; кр. 10 - на 934 МГц; кр. 11 — на 1714 МГц) от уровня воздействия

ППЭ_в для PCT Midland GXT 650, режим Н

Формируемый специалистами Лаборатории электромагнитной экспертизы (ЛЭЭ) Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики (ПГУТИ) банк аналогичных данных включает также результаты, относящиеся к таким типам РЭС, выступающим в роли многоканальных сосредоточенных СА, как гарнитура НВН-610а Bluetooth; модуль Bluetooth GSM-телефона; GSM-телефоны Sony-Ericsson K610i и Motorola C550; РЭС Wi-Fi и др.

В заключение отметим, что использование кривых на рис. 5-6; рис. 13-16, а также графиков, представленных в банке данных ЛЭЭ ПГУТИ, на первый взгляд, не представляет труда: оценив уровни ЭМИ ППЭ _в ; мкВт/см² в предполагаемом месте размещения типовых РЭС, легко спрогнозировать уровни ИМ-составляющих как

ППЭпм ⁼ Хим ППЭ_в,               (1)

где точность прогноза зависит от соответствия реальной обстановки по ЭМИ условиям исследования РЭС в лаборатории. Отсюда следует, однако, что используемый банк данных должен быть достаточно обширным, достоверным и оперативно обновляемым – что представляет собой самостоятельную и непростую задачу.

Локальное возбуждение РСА

Возможны два режима возбуждения РСА: на локальном участке, по аналогии с возбуждением сосредоточенной СА (см. предыдущий раздел и [9]), и РСА в целом. Пер- вый способ проиллюстрируем на примере, связанном с проектированием системы активной защиты (САЗ) КИ в разветвленной РСА, которая в условном виде представлена на рис. 18. На схеме САЗ показаны четыре этажа РСА (узловые точки B; C; D и E). Источник КИ-сигнала (блок ИКИ) с уровнем на выходе UКИ подключен к РСА в точке А через переходное устройство, обозначенное штриховой линией (на практике оно может отсутствовать, если КИ-сигнал возбуждает РСА «по эфиру» – см. далее). Приемник КИ-сигнала (блок ПР КИ) с уровнем на входе UПР размещен в точке F. Через правую ветвь к точке С РСА через переходное устройство (блок G1) подключен генератор помехи (блок ГП1) с уровнем на выходе UГП.Схема на рис. 17 является результатом структурирования САЗ КИ, далее для формализации решаемой задачи необходимо ввести в нее описания укрупненных элементов системы – например, в виде значений комплексных сопротивлений, подключенных к узловым точкам РСА. Эти сопротивления должны быть как минимум двух видов: включенными последовательно между узловыми точками (с двумя нижними индексами) и подключенными к узловым точкам параллельно (с одним нижним индексом) – в общем случае каждое такое сопротивление может быть аналогичным образом разделено на более мелкие части. Результатом декомпозиции САЗ КИ является ее эквивалентная схема, представленная на рис. 19.

Вводя для удобства обозначения U_КИ = U_А ; U_ПР = U_F , можно определить затухание КИ-сигнала между точками A и F на рис. 18-19 как

UA _ UA UB uc UD UE

UF UB uc UD UE UF ’ и д        + Z p  Un    z RC +z

U в        в      Uc

UС = ^ СР + ^ Р •  Up = ^ РЕ +^

U D     ZD     и ЕZ

Е = ПР F т EF ПР т EF F U             7  7‘

U F                 ПР F

Очевидно, что (2) предполагает возможность определения значений всех комплексных сопротивлений – расчетным или экспериментальным путем. Однако чтобы использовать метод определения затухания КИ-сигнала в РСА [10], общее затухание (2)

достаточно представить как сумму затуханий вида

Naf - N^d/_B + N^d_B^B_c + N^dB_D + N^dB_E +       (3)

где^=201ё|^; ^=201g|^;

F                  В

N^d_B^B_c =20 N^^b_d =201g-^;

<£=201g^;<*=201g^.

Поскольку значения слагаемых в (3) определяются с учетом всех сопротивлений, реально подключенных к РСА в узловых точках, пересчет уровня КИ-сигнала U_КИ от точки А к точке F согласно рис. 18-19 представляется корректным решением поставленной задачи. Аналогичным образом уровень помехи U_ГП может быть пересчитан из точки G1 при последовательном подключении или из точки D при параллельном подключении к РСА (см. рис. 19) в любую ее часть, представляющую интерес для проектировщика САЗ КИ.

Помимо затухания уровней КИ-сигнала и помех, проектировщику САЗ необходимо учитывать, по меньшей мере, еще два важных эффекта: возможность наличия нелинейных элементов (НЭ) и «третьих цепей», по которым КИ-сигнал сможет уходить за пределы РСА. Покажем, как предлагаемый расчетно-экспериментальный методический аппарат и модели (2)-(3) позволяют учитывать эти явления. С точки зрения и энергетики САЗ КИ, и эргономики (безопасности для персонала по фактору ЭМИ) генераторы помех ГП1 и ГП2 желательно размещать как можно ближе к точке предполагаемого расположения ПР КИ злоумышленника F на рис. 18-19. Однако за счет наличия НЭ и возможного нелинейного суммарно-разностного, в том числе ИМ-преобразо-вания, область частот, занимаемая сигналом ИКИ на входе НЭ A(y_et , может существенно расширяться – таким образом, что спектр КИ-сигнала на выходе НЭ A К^д_с^БИ расположен в точке С, необходимо уточнить (3) с учетом преобразования КИ-сигнала:

^AF^_eblx) = ^(a^j + N^d_B^B(^j +

+ КдвИ ^NdBD^0)eb^ + NdDBE(^eblx) +

+ <(A4„)-                (4)

Если в точке D сигнал ИКИ ответвляется в «третью цепь» с коэффициентом передачи К^дзпИ так, что точки E₃ и F₃ теперь располага-

Рис. 18. Структурная схема САЗ КИ в разветвленной РСА

Рис. 19. Эквивалентная схема САЗ КИ в разветвленной РСА

ются в ней, то (без учета наличия НЭ в РСА) будет иметь место

= ^(A4J + ^(A^J +

+ N^kco^ + К®^ + NdBE^(oex) +

+ ^(АЧх).               (5)

Таким образом, из анализа обоих рассмотренных случаев следует одна и та же рекомендация: располагать ГП1 и ГП2 как можно ближе к точке А расположения ИКИ с том, чтобы и нелинейные преобразования в РСА, и переход КИ-сигнала в третью цепь происходили в присутствии помех и не вели к потере величины информационного ущерба, наносимого САЗ КИ предполагаемому злоумышленнику.

Возбуждение РСА в целом

Второй способ возбуждения РСА является наименее исследованным как в теоретическом, так и в практическом плане. Связанные с ним неопределенности пока так велики, что даже возможности метода СИМ [2-3] сами по себе не позволяют получить необходимые для приложений конкретные и достоверные конечные результаты. Поэтому здесь представлена лишь первая попытка снять часть имеющихся неопределенностей путем проведения экспериментальных измерений. Объектом исследования является РСА в виде системы труб (металлических и металлопластиковых), предназначенных для центрального отопления многоэтажного здания учебно-лабораторного корпуса вуза, размещенного в центре мегаполиса, в непосредственной близости от башни телецентра – буквально перегруженной работающими на полную мощность антенно-фидерными устройствами.

В схематичном виде ситуацию иллюстрирует рис. 20, на котором показан источник ЭМИ в виде башни телецентра, где на высоте H _n расположена эталонная антенна (см. рис. 1) n -го РЭС ЭА _n , где n [1; N ]; N >> 1 – общее число РЭС, размещенных на башне. Поскольку k -ый элемент РСА с координатами R _k и h _k , где k [1; K ]; K >> 1 возбуждается по эфиру – независимо от наличия или отсутствия прямого прохождения ЭМИ от ЭА _n до него ввиду экранирования элементами конструкции здания

(крыша, стены и др.), способ возбуждения РСА в целом следует считать неравномерным (неоднородным) в рассматриваемой пространственно-частотно-временной (ПЧВ) области.

Многоэтажная РСА в здании учебно-лабораторного корпуса показана на рис. 20 утолщенными линиями – она также является неоднородной по составу и структуре, причем не только ввиду наличия узловых утолщений и разветвлений, но и поскольку на нижних этажах состоит из металлических (стальных) труб, а на верхних этажах – из металлопластиковых труб. Кроме того, ее окружают системы других проводов и труб, тоже выступающие в роли РСА (провода сетей электропитания, заземления, сигнализации и связи, трубы систем водопровода и канализации – металлические, металлопластиковые, пластмассовые), а также стальные фрагменты конструкции многоэтажного здания. Влияние НЭ (ввиду подключения к сетям сигнализации и связи многочисленных РЭС и другого работающего оборудования) и «третьих цепей» (из-за наличия многочисленных реактивных связей) существенно усложняет соотношения (2)-(5), соответствующие рис. 18-19.

Поэтому первой задачей в рамках построения СИМ-модели РСА следует считать оценку исходного (первичного) воздействия совокупности ЭА _n , размещенных на башне телецентра, на здание учебно-лабораторного корпуса «по радиоэфиру» – без учета вторичных эффектов, обусловленных затенением, переотражением, экранированием и т.п. исходного ЭМИ.

Вторая задача связана с определением уровней сигналов, циркулирующих в РСА для заданной ПЧВ-области: то есть для разных k -ых элементов РСА и на выбранных частотах излучения ЭА_n , что требует разумного ограничения объема измерений, соответствующего выборке из множества возможных значений N × K .

Третьей задачей является либо определение принципов динамического моделирования РСА в заданной ПЧВ-области, либо обоснование возможности перехода от динамической СИМ-модели к совокупности более простых статических моделей, соответствующих типовым состояниям РСА – поскольку все это, как принято говорить, лишь только начало, то есть предварительный этап проведения СИМ…

В настоящей статье ограничимся результатами предварительных измерений, относящимися к первым двум задачам. Методика исследования уровней ЭМИ в учебно-лабораторном корпусе предусматривала определение точек проведения измерений в местах расположения k -ых элементов (участков) РСА на разных этажах с последующим измерением в этих точках трех уровней напряжения электрических сигналов:

• -    U₀ , регистрируемого с помощью стандартного измерителя ИП-2 на рис. 1, который позволяет определить уровень напряженности поля Е₀ исходного (первичного) ЭМИ, воздействующего на k -ый участок РСА;

• -    U_А , регистрируемого в месте расположения k -го участка РСА с помощью измерителя ИП-1 и антенны ИА в составе ИК на рис. 1, который позволяет откалибровать ИА (определить ее действующую длину l_A ), используемую для последующей оценки уровня сигнала, возбуждающего разные участки РСА;

• -    U_РК , регистрируемого с помощью ИА и ИП-1 в k -ом элементе РСА, который позволяет оценить значение действующей длины l_PК для k -го участка РСА.

Определение действующей длины для k -го участка РСА l_РК при возбуждении РСА в целом по аналогии с [9] может производиться следующим способом. Пусть ЭДС, возбуждающая k -ый элемент разветвленной РСА, есть Э_РК = l_РК Е₀ , тогда соответствующее ей напряжение

Uрк — ЭРК Кс — 1рк Ео^ + рн + 1рн cos

Соответствующий (6) ток в РСА равен I_РК = U_РК /_ZB = Э_РК K_C / Z_B , создаваемая этим током напряженность поля в месте расположения ИА

^2 ⁼^рк ^рк 2_С/ Л f_m2,              (Т)

где Z_B и Z_С – волновые сопротивления, соответственно, линии, моделирующей РСА, и пространства, окружающего РСА; λ – длина волны; r_m2 – среднее (аналог эффективного значения) расстояние между РСА и ИА. Поскольку напряжение на выходе согласованной ИА (для которой K_C = 1) есть U_PK = l_A Е₂., то, подставляя сюда (6)(7) и выражения для I_РК, получаем

Upk ⁼^рк Uа К_с Z_c/ Z_B Л г_т2,     (8)

где Uа = 1а Е_й, откуда в итоге

• ^ РК⁼ V ^РК   а) ^В ^Гт2 / ^С ^С^ • (^)

Отсюда видно, что помимо двух измеренных уровней напряжения: U_PK и U_А на выходе ИА, размещенной, соответственно, вблизи РСА (на расстоянии r_m2) и на значительном удалении от нее, значение l_РК зависит от детерминированных значений λ; Z_С и неизвестных для разветвленной РСА случайных значений K_C ; Z_B , которые трудно доопределить, но в отношении которых можно использовать возможности метода СИМ.

В качестве примера рассмотрим частный случай реализации (9): при K_C = 3/2; Z_C = 2 Z_B /3; r_m2 = λ/4 для участка РСА длиной λ при симметричном расположении ИА посередине него. Непосредственно из (9) получаем значения действующей длины ^РК и ЭДС Э(λ):

^и„Ш_д ',3W = ^Мк'и_л .(10)

и в более общем случае, для ЭДС, возбуждающей участок РСА с длиной l ≠ λ:

э(/) = э(Я)7771.               (и)

При этом на схемах рис. 18-19 генераторы с ЭДС Э(l) должны располагаться в РСА на расстоянии порядка l друг от друга.

Результаты экспериментальных измерений

В таблице 2 представлена часть результатов экспериментального определения величины Пх.,2=^1рк/^дв=^идрБк-идлБ) для схемы возбуждения РСА в целом, показанной на рис. 20. Нижний индекс «1» здесь соответствует точке проведения измерений в фойе первого этажа; индекс «2» – точке на пятом этаже 13-этажного здания. В первой строке сверху указаны радиостанции и телеканалы, излучатели которых размещены на башне телецентра г. Самары, во второй строке – их рабочие частоты. Ограничение по верхней частоте порядка 110 МГц связано с тем, что используемая кольцевая ферритовая ИА [9] на более высоких частотах заметно теряет чувствительность и не обеспечивает надежную идентификацию исследуемых сигналов на уровне общего фона по ЭМИ в центре мегаполиса.

Ограниченный объем статистического материала в таблице 2 не позволяет сделать достоверные выводы о свойствах l_РК , однако обращают на себя внимание, во-первых, близкие друг другу частотные зависимости Т?!^ дБ на разных этажах; во-вторых, разброс их значений на близких частотах.

Это говорит о том, что результаты экспериментальных измерений, аналогичные представленным в таблице 2, недостаточны сами по себе, но могут быть использованы как исходные данные при исследовании разветвленной РСА методом СИМ.

Заключение

Многоканальные СА и РСА являются системами, сложность моделирования которых сопоставима с трудностями, возникающими при исследовании методом СИМ производственноэкономических объектов. В то же время изучение условий их возбуждения, без которого невозможно проведение дальнейших исследований, является вполне реальной задачей. Разработка расчетно-экспериментальных методов анализа разных вариантов реализации СА и РСА имеет важное значение для проектирования комплексных систем защиты КИ и других практических приложений СТА.