Военные конфликты, как обычно, практически постоянно происходят по всему миру. И если раньше всё решало грубое железо – теперь слово за нежной электроникой, на которую довольно легко можно воздействовать излучением, что и пытаются сегодня делать все военные инженеры.
К естественным источникам электромагнитного излучения относятся космос, Солнце и Земля, а также различные явления атмосферных и электростатических разрядов. Электромагнитные импульсы, создаваемые во время разряда, известны EMP и ESD – электростатический разряд, соответственно. Также за последние годы заметно увеличилось количество искусственных источников электромагнитного излучения. К ним относятся электрическое оборудование, относящееся к энергетике, радио и теле станции, мобильное телекоммуникационное оборудование.
Чрезвычайно сильный электромагнитный импульс, известный как импульс ЭМИ, производится во время ядерного либо нейтронного взрыва. Когда такой взрыв осуществляется на значительной высоте в атмосфере, создаваемый электромагнитный импульс обозначается как HEMP – высотный электромагнитный импульс.
Для военных применений важна возможность генерировать электромагнитное излучение, передающее концентрированную энергию выбранной цели чтобы ее можно было повредить — временно (частично) или постоянно (полностью). Исследования и испытания уже привели к разработке определенных типов оружия, известных как оружие направленной энергии (DEW).
Оно предназначено для немедленного нарушения работы различных стационарных, возимых и переносных радиоэлектронных устройств и схем, для обездвиживания легковых автомобилей с электросетью и борткомпьютерами, для нарушения работы дронов и для защиты от ракет.
Спектр частот, используемый в этих устройствах, охватывает радиоволны в диапазоне от 3 кГц до 300 ГГц, наиболее распространенными из которых являются микроволны от 300 МГц до 300 ГГц. Отсюда и название – СВЧ-оружие, а применяемые воздействия в виде импульсов с очень высоким значением пиковой мощности известны как СВЧ высокой мощности.
Обычно импульсы занимают небольшой частотный диапазон и в таком случае рассматриваются как узкополосные (NB). Когда частотный диапазон, занимаемый сигналами содержащимися в импульсе, относительно широк, например от 0,3 до нескольких ГГц, такое воздействие называется широкополосным, сокращенно WB (Wide Band) или UWB (Ultra Wide Band).
С помощью этих импульсов можно создать на выбранной цели напряженность электрического поля до 100 кВ/м. Как при воздействии микроволн с узким, так и с широким диапазоном частот, импульсы имеют высокие скорости нарастания, порядка наносекунд, а их длительность может составлять от 10 до более 100 нс.
Лазеры
Лазеры, являющиеся генераторами света, использующие явление вынужденного излучения в некоторых материалах в видимом диапазоне света и в ультрафиолетовом диапазоне. Отдельного упоминания заслуживают УФ и инфракрасный ИК.
Благодаря специфическим свойствам когерентного, узкополосного лазерного излучения с малой расходимостью луча, его применяют в технологии получения различных материалов, в геодезии, медицине и биологии, в электронной технике, в оптотелекоммуникациях и конечно военной технике.
В последнем случае лазеры используются в для измерения расстояний, управления бомбами и ракетами, с целью распознавания и подсветки объектов, а также временного ослепления противника.
ЭМ излучатели
Далее генерация направленных ЭМ энергетических потоков и их эффективная дальность. Уже во время Великой Отечественной войны был предпринят ряд действий, которые можно охарактеризовать как средства радиоэлектронной борьбы. Эти мероприятия в первую очередь были связаны с постановкой радиосигналов, глушение средств связи и радиолокации, различные системы связи и определения местоположения.
Преднамеренно генерируемые электромагнитные помехи для нарушения работы или повреждения электронных схем известны как IEMI (преднамеренные электромагнитные помехи). В последние десятилетия были предприняты значительные усилия по созданию радиоэлектронного наступательного оружия, которое позволило бы на короткое время или навсегда ликвидировать радиоэлектронные устройства и схемы противника, либо ограничить их работу.
Обычно используются направленные потоки электромагнитной энергии, которые представляют собой исключительно разрушительную форму излучения. Источником импульса может быть ядерный взрыв, а также ряд устройств, позволяющих получать и генерировать сильные электрические и магнитные поля.
Достигнув электронного оборудования на пути своего распространения, эти поля могут генерировать большие импульсы напряжения и тока, опасные для электросхем. Энергетические требования для индукции повреждения электронного оборудования указаны в уровнях напряженности поля для конкретного места в В / м, уровнях мощности в дБм или Вт или энергии в джоулях.
Общий принцип генерации мощных импульсов ЭМ излучения заключается в преобразовании какого-либо вида энергии, чаще всего – в первой фазе преобразования, химической энергии или запасенной электрической энергии, в энергию электромагнитного поля.
Генератор FCG
Среди известных способов генерирования импульсов и используемых устройств можно назвать генератор со сжатием магнитного потока, известный как генератор FCG (Flux Compression Generator), возбуждаемый (накачиваемый) взрывом подходящего материала.
Взрыв вещества в металлическом баллоне позволяет сжать созданное ранее внешнее магнитное поле. Энергия взрыва в значительной степени передается магнитному полю и в виде электромагнитного импульса достигает направленной антенны, которая фокусирует ее на выбранную цель.
Мощность в импульсе может достигать десятков МДж при длительности импульса 100 мкс. Наведенные токи могут быть в 1000 раз больше, чем при ударе молнии. При многих достоинствах генераторов этого типа их недостатком является ограничение частотного диапазона генерируемых сигналов примерно до 1 МГц.
Генератор магнитогидродинамический МГД
В основе работы МГД-генератора лежит явление образования электрического тока в проводнике, движущемся в магнитном поле. В практических решениях проводником служит ионизированный газ или плазма (с добавками щелочных металлов с низким потенциалом ионизации), а магнитное поле создается электромагнитами (перспективно использование сверхпроводимости).
Ток, протекающий поперек направления поля и направления движения проводника, собирается электродами контактирующими с плазменным соплом, что в конечном итоге приводит к генерации импульсов мощности за счет соответствующей коммутации электрических цепей.
Источники СВЧ-излучения большой мощности
Мощные микроволновые источники электромагнитного излучения неразрывно связаны с развитием радиолокационной техники. Первоначально для генерации радиолокационных сигналов использовались традиционные электронные лампы, например триоды в стеклянных или металлокерамических корпусах.
В более поздний период был разработан ряд специализированных СВЧ-ламп, таких как магнетроны (применяемые в микроволновках), лампы бегущей волны LFB, клистроны (включая релятивистские эффекты), карцинотроны (лампы обратной волны), лампы волновые, отражательные триоды и виркаторы (Vircator – Virtual Cathode Oscillator).
Для производства радиоэлектронного оружия с направленным потоком ЭМ энергии особенно полезны виркаторы из-за возможности получения больших мощностей, например от 200 кВт до 40 ГВт, и относительно широкой полосы частот в диапазоне дециметровых и сантиметровых волн.
Строение виркаторов чем-то похоже на анализирующие трубки Видикона, но анод выполнен из фольги или сетки, и проходящие через него электроны попадают в резонатор, расширяющийся наподобие конусной антенны на передней части прибора. Катод должен быть высокоэффективным и поэтому изготавливается из углеродного волокна, пропитанного йодидом цезия.
В практических решениях возможны различные комбинации рассмотренных выше генераторов, так как это позволяет получить лучшие функциональные параметры оконечных устройств, генерирующих пучки ЭМ излучения. Также следует помнить что конструкция направленных антенн, используемых для излучения ЭМ, имеет большое значение.
Что касается дальности, понимаемой как расстояние от источника, на который следует направить определенное количество энергии излучения, то она зависит в первую очередь от выходной мощности передатчика и размера передающей антенны. Мощность может достигать 500 МВт, например, для российской системы «Ранец-Э» с дальностью действия около 13 км, предназначенной для защиты от атак с воздуха (уничтожения электроники боевых самолетов и дронов противника).
Такая система большая и тяжелая, и для ее транспортировки требуется мощное шасси. Более распространенными следует считать системы Mobile Active Denial System (ADS), перевозимые на легких транспортных средствах, таких как американский многоцелевой колесный автомобиль, известный как Хаммер.
Дальность действия этих систем обычно составляет от нескольких сотен метров (как у V-MADS) до 2 километров, как у Raytheon Vigilant Eagle для защиты воздушного пространства вокруг аэропорта. Следует упомянуть и более мелкие системы – “чемоданы” с дальностью действия в несколько десятков или 100 м. Их назначение – обезвреживание электроники как в различных электронных устройствах, например чтоб остановить транспортное средство.
Увеличение дальности излучения микроволновых лучей за счет увеличения выходной мощности передатчика является логичной мерой, но она ограничена образованием плазмы вблизи передающей антенны, которая блокирует излучение и затем приводит к явлению, известному как атмосферный прорыв. Попытки противодействия этому включают использование более одного передатчика.
Также стоит отметить малое время нарастания СВЧ-импульсов от 50 пс до 0,5 нс для UWB. А частота следования импульсов от единичного импульса до 1 кГц (HPM) и нескольких десятков кГц (UWB).
Чувствительные к ЭМ излучению объекты
ЭМИ ядерного взрыва и СВЧ-излучения большой мощности могут быть опасны для большой группы электронных и электрических устройств и микросхем. Уже упоминалось, что высокая напряженность электрического поля, возникающая при облучении пучком электромагнитной энергии, индуцирует в электрических цепях высокие напряжения и токи.
Это могут быть импульсы напряжения величиной от нескольких десятков до сотен вольт и импульсы тока до несколько кА. Электронные элементы используемые в устройствах не способны выдерживать такие напряжения и токи. Это относится к МОП- и КМОП-транзисторам и интегральным микросхемам с тонкими диэлектрическими слоями, подверженными пробою напряжением.
Также следует учитывать возможность локального повышения температуры атакуемого оборудования. Подобные температурные эффекты могут проявляться при обращении с СВЧ оборудованием (ожоги кожи). То, как взаимодействует ЭМ излучение, зависит в первую очередь от энергии этого излучения и частоты волновых форм.
Энергия электромагнитного излучения обычно попадает в атакуемые устройства двумя путями:
- спереди, через элементы и узлы, предназначенные для контакта с окружающей средой в рамках проектной функции данного устройства – такие как антенны, датчики, разъемы. Хуже всего ситуация, когда частота излучения совпадает с полезной полосой частот устройства.
- сзади, через открытые части устройства, вентиляционные отверстия и присоединенные провода и кабели.
Опасность от направленной электромагнитной энергии включает в себя электронные устройства и системы, такие как:
- энергетическая сеть, в частности электрические станции и подстанции, а также объекты с устройствами распределения и регулирования потока энергии,
- радио- и телестанции, устройства беспроводной связи,
- передатчики и ретрансляционные станции для связи,
- радиолокационные станции,
- электрогенераторы.
Легко можно найти информацию о создании устройств, генерирующих высокоэнергетическое электромагнитное поле. Многие из них вполне возможно собрать дома из доступных компонентов.
Примером самодельного устройства является мощный СВЧ-прибор на базе типовой микроволновой печи. Их способность разрушать электронику на расстоянии бесспорна.
Средства защиты от ЭМ направленной энергии
Защита от направленной электромагнитной энергии должна быть комплексной, включая в процесс проектирования и конструирования устройств такие операции и технические мероприятия, как: экранирование отдельных помещений и радиоэлектронного оборудования, поглощение излучения, фильтрацию электрических сигналов, использование ограничителей импульсов (лимитеры), специализированные системные и программные решения, подбор комплектующих с повышенной электрической устойчивостью.
Стены зданий, предназначенных для установки компьютеров и других IT-устройств, должны быть экранами от электромагнитных полей, а при наличии окон в помещениях их следует дополнить тонкой металлической сеткой или металлизированными стеклами.
Отдельные помещения, отвечающие таким требованиям, могут быть необходимы, помимо военного применения, в так называемых интеллектуальных зданиях с рядом взаимодействующих электронных подсистем, связанных с безопасностью, кондиционированием, вентиляцией, отоплением и освещением, а также системами энергоснабжения.
Экранированные помещения также используются для электромагнитной изоляции некоторых медицинских устройств, в том числе систем МРТ-диагностики.
Поэтому экранирование следует рассматривать как основную меру защиты от воздействия электромагнитных полей. Что касается самих устройств, то это требует наличия цельнометаллических корпусов для различных функциональных модулей и их тщательного соединения экранированными проводами или кабелями.
Экранированные провода и кабели располагают вдоль или поверх токопроводящих (металлических) поверхностей, обеспечивая их соединение с экранированными разъемами. Чтобы разрядить электрические заряды нужно заземлить экраны. Наличие металлических соединительных кабелей, подающих питание или сигналы к зданию, помещениям или самим устройствам, повышает восприимчивость к импульсным электромагнитным помехам.
Не следует забывать о необходимости использования соответствующих защитных помеховых фильтров на границе зон, разделенных экраном, в местах ввода или вывода сигнальных или силовых цепей.
В некоторых ситуациях сама плата также может использоваться для защиты от электромагнитных полей. Можно еще раз повторить, что решения по защите устройств должны быть комплексными, ведь использование только определенных методов против сильных электромагнитных полей не принесет ожидаемых результатов.
Решением, которое появляется во многих случаях, является использование волоконно-оптической технологии и оптических соединений. В таких случаях следует обратить внимание на выбор и правильное выполнение соединений между различными схемами соединения, чтобы они не облегчали доступ помех к устройству и наведение чрезмерных напряжений в электрических цепях. Стоит отметить, что небольшие портативные электронные устройства без соединительных кабелей относительно более устойчивы и повреждаются только при более высоких уровнях напряженности поля, например порядка 5 кВ/м.
Фильтрация электрических сигналов также является важной мерой защиты от последствий воздействия электромагнитных полей. Фильтры, обычно высокочастотные, устанавливаются на силовых линиях, а также на входах и выходах различных сигнальных линий. Серийно выпускаемые фильтры изготавливаются для различных диапазонов частот и различных значений тока, в том числе в виде проходных элементов.
Компоненты фильтра (элементы RLC) должны быть устойчивы к высоким напряжениям и часто экранироваться отдельно, а все вместе должно иметь прочную механическую конструкцию. Предпочтительно чтобы служебные сигналы в устройстве находились в полосе частот отличной от прогнозируемого спектрального диапазона, в котором могут возникать помехи.
Помимо экранирования компонентов, соединительных кабелей и целых устройств, а также фильтрации электрических сигналов, эффективной мерой будут разные защиты от импульсных электромагнитных полей.
К ним относятся элементы и узлы, ранее использовавшиеся для защиты от воздействия молний и электростатических разрядов: газоразрядные лампы, воздушные промежутки между токопроводящими участками линии (искровые разрядники), полупроводниковые диоды, варисторы, тиристоры и ферритовые элементы (в основном в волноводах), а также компоненты с ограничителями плазмы с ионизированным газом.
Множество различных типов разрядников обусловлено необходимостью защитных мер с различным временем отклика на входящие импульсы напряжения и возможностью поглощения и рассеивания их энергии. По своим электрическим характеристикам варисторы наиболее универсальны.
В зависимости от принципа действия ограничителей их можно отнести к одной из двух групп. Если входящий импульс напряжения после превышения определенного порогового уровня вызывает изменение сопротивления ограничителя и, таким образом, изменение сопротивления между сигнальной линией и массой, то пик импульса будет срезан и напряжение выровнено или стабилизировано. Так работают диодные ограничители и варисторы. Во втором случае действие ограничителей несколько сильнее, радикальнее (отсюда английское название crowbar limiter) и основано на механизме переключения цепи. Когда импульс превышает определенный пороговый уровень, ограничитель начинает проводить, замыкая сигнальную линию на землю и сводя уровень напряжения к нулю.
После прохождения импульса ограничитель через определенное время возвращается в выключенное состояние. В эту группу ограничителей входят газоразрядные лампы, воздушные прерыватели и тиристоры.
Для ограничения мощности излучения можно использовать явление поглощения, заключающееся в поглощении энергии электромагнитных волн материалами поглотителями, подобранными для данной частоты волны. Этот метод обычно используется в радиолокационной технике. Абсорбирующие материалы выпускаются в виде тонких листов или вспененных материалов, лакокрасочных покрытий.
Их устанавливают на пути луча СВЧ-излучения или ими закрывают СВЧ-резонаторы и отражающие излучение поверхности. Чтобы подавить как электрическую, так и магнитную составляющие электромагнитной волны, поглощающий материал должен обладать свойствами диэлектрика с потерями (например полимер с частицами углерода) и магнетика с потерями (с объемными наполнителями, такими как порошки железа или ферриты).
Такие решения можно найти в безэховых камерах для испытаний на электромагнитную совместимость. Оно используется для поглощения энергии волн электромагнитного поля, источником которых является испытуемое устройство.
Тогда приемная антенна реагирует только на электромагнитные помехи, исходящие непосредственно от объекта контроля, а не отраженные, например от стен камеры. Для поглощения микроволнового излучения также планируется использование углеродных нанотрубок и графена.
В связи с поглощением электромагнитных волн следует также упомянуть использование метаматериалов, известных как DNM (Double Negative Materials). Их магнитная проницаемость и электрическая восприимчивость отрицательны. Они не встречаются в природе, а являются результатом работы в области материаловедения.
Их свойства зависят от соответственно модифицированной структуры в масштабе больше, чем их естественная молекулярная структура, и эти размеры должны быть сравнимы с длиной волны, на которую они предназначены.
С помощью метаматериалов можно манипулировать электромагнитными волнами — блокировать их поток, поглощать, усиливать или даже искривлять. В этих случаях решающее значение имеет отрицательный показатель преломления метаматериалов. Это свойство может привести к тому, что покрытия сделают невидимыми объекты на различных частотах.
