Бердин С А, Загвоздкін Б В, Магда І І, Чупіков П Т Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» вул Академічна, 1, м Харків, 61108, Україна e-mail: imagda@onlinekharkivcom, тел: +38-057-751-2669

Анотація – Наводяться методики і результати тестів функціональних збоїв і виходу з ладу персонального компютера (ПК) в умовах дії імпульсного електромагнітного випромінювання надкоротких тривалості (ІЕМІ СКД) Обговорюються особливості реакції ПК і компонентів при дії ІМЕІ з вузькосмуговим (УП), і надширокосмугові (Сніп), спектрами

I                                       Введення

Тести на електромагнітну сумісність і стійкість (ЕМСС) радіоелектронної апаратури (РЕА) і цифрової електронної техніки (ЦЕМ) в умовах дії ІЕМІ нано-і субнаносекундной тривалості є складними як з точки зору вимірювання параметрів випромінювання СКД, так і реєстрації стану обєкта тестів (ОТ) У багатьох випадках, зважаючи високого ступеня інтеграції та складності ВІД, визначення характеру відмови, а також спостереження процесу збою в реальному масштабі часу виявляється скрутним і обмежується фіксацією його кінцевого стану [1] Нижче наводяться результати експериментального дослідження та порівняльного аналізу реакції ПК і його компонентів при дії ІЕМІ з УП {fo = 3 ГГц, Af = 005 ГГц) і Сніп, (fmax / fm / n = 02/10 ГГц) спектром

II                        Стенди ЕМСС тестів

Для проведення систематичних ЕМСС випробувань РЕА та ЦЕМ в ННЦ «ХФТІ» створені стенди ІЕМІ СКД на діапазон напруженості поля 01-100 кВ / м [2,3] УП і Сніп ІЕМІ стенди мають, відповідно, тривалість імпульсу 7и 15-45 не й для 3-5 ні, а також тривалість фронту Тф 5-7 не й для 02-03 ні УП СВЧ стенд використовує в якості робочої зони напіввідчинені безлунна камеру (V> 2 м ®), а Сніп стенд – ТИМ осередок – Полосковим лінію (V-1 м ®) Стенди обладнані датчиками £-поля, а також оптичними та електричними каналами збору інформації (з Af – 07 і 35 ГГц, відповідно) для реєстрації реакції опромінюється ВІД

III Результати ЕМСС тестів ПК

Умови тестів Тести ПК проводилися в режимах: одиночних (УП ІЕМІ), одиночних і періодично повторюваних імпульсів з частотою до 50 Гц (Сніп ІЕМІ) В якості ВІД використані кілька комплектів ПК на основі процесора Р-1 з різною схемотехнікою системної плати, локальних шин ISA і PCI, модулями оперативної памяті SIMM і DIMM У ПК використовувався DOS з оболонкою VC 49 Дії ІЕМІ піддавалися як повний комплект ПК і ПК з макетом мережевого кабелю, так і компоненти: маніпулятор-миша, кпавіатура, монітор, системний блок, блок живлення

Для дослідження дії ІЕМІ з різною напруженістю £-поля компоненти ПК розміщувалися у відповідних областях робочої зони стендів, а інші компоненти ПК – в екранованому боксі, обладнаному автономним живленням Сполучні кабелі ВІД ретельно екранувати з допомогу декількох шарів провідної вуглецевої тканини

Вимірювані параметри До початку проведення та по завершенні тестів реєструвалося час виконання завантажувальної програми ПК Протягом тестів спостерігалася реакція ПК і компонентів на дію ІЕМІ за сигналами на різних шинах системної плати (харчування 5 В і 12 В, портів СОМ1 і COM2, синхросигналу слотів ISA і PCI)

Ефекти, що спостерігаються в ВІД протягом тестів на дію ІЕМІ СКД, сильно залежали від великого числа параметрів ІЕМІ та їх поєднань:

• амплітуди Е-поля,

• форми (структури спектру) впливаючого імпульсу,

• частоти повторення імпульсів впливу,

• поляризації

Обшій характер реакції ВІД

а) Відзначено високу чутливість ВІД до дії УП та Сніп ІЕМІ, що проявлялося (у міру збільшення £) як обурення сигналів шин, функціональні збої, частковий або повний вихід з ладу найбільш вразливих компонентів ВІД Найбільш чутливі ВІД: клавіатура, маніпулятор-миша, системний блок

б) Функціональні збої ПК За всіх умов ЕМСС тестів ВІД, починаючи з деякого граничного значення для кожного ВІД £ ПФ = 1-3 кВ / м, спостерігалося формування інтенсивного откпіка шин системного блоку Дія ІЕМІ СКД на будь-який з елементів або весь комплект ПК призводило до збурення сигналів на шинах PCI / ISA, Сом1, COM2, а також шині живлення Табл 1 Результатом кожного з збоїв була самостійна перезавантаження ПК В окремих випадках відбувалося «зависання» ПК, що вимагає примусового перезавантаження

Тривалість реакції будь-який з досліджуваної ланцюга істотно перевищувала тривалість ІЕМІ Водночас, обурення сильно залежали від виду тестованого компонента, конфігурації ПК, положення підвідних кабелів в робочій області та їх екранировки Характер і амплітуда реакції корелювали з інтенсивністю ІЕМІ СКД

В результаті ряду тестів відзначено зміна часу виконання завантажувальної програми

в) Деградація компонентів ВІД відповідала вищим пороговим значенням £-поля (£ пд> 30 кВ / м для режиму одноразових тестів) Водночас, вона не мала прямої кореляції тільки з перевищенням критичного значення £ – поля Про це свідчать виходи з ладу ВІД в режимі повторюваних тестів навіть при £ = 1-10 кВ / м

IV Аналіз результатів реакції ПК на дію ІЕМІ СКД

Збурення на шинах ПК

Реакція ПК на дію ІМЕІ СКД проявляється в УП І Сніп тестах уже при Е> 1 кВ / м Характер реакції на різних шинах різний При малих рівнях Е-поля (до 5 кВ / м) відзначаються поодинокі викиди, регулярні або хаотичні затухаючі коливання Тривалість реакції для УП ІЕМІ Гр = 02-1 мкс (-5-25 Гі), а для Сніп ІЕМІ Гр = 005 мкс (> 10 Гі)

Таблиця 1 Реакція шин ПК на різні рівні ІЕМІ СКД з УП спектром (ліворуч) і Сніп спектром (праворуч)

Table 1 Response of PC buses to various levels of USPEMR with NB (left) and UWB (right) spectra

Функціональні збої

Характер реакції – майже завжди хаотичні (або регулярні, що переходять у хаотичні) коливання досить низької частоти (-5-15 МГц) Тривалість реакція збільшується: для Сніп ІЕМІ при Е> 10 кВ / м Гр = 06 мкс (> 100 Гі), а для УП при Е> 5-7 кВ / м Гр = 15-2 мкс (-50 Гі) При збільшенні жорсткості фактора (Е> 10 кВ / м для Сніп ІЕМІ і Е> 7 кВ / м ДЛЯ УП ІЕМІ) – додаються НЧ релаксації (з частотою менше 3-5 МГц) Така динаміка відгуку типова ДЛЯ складних електричних ланцюгів при порушенні нелінійних явищ, повязаному з надмірною (в порівнянні з штатним) рівнем зовнішнього сигналу У разі, якщо релаксації охоплюють кілька циклів синхросигналу неминуче виникають збої і зависання ПК

Найбільш чутливими компонентами ПК до збоїв є: клавіатура, миша і системний блок Порогові рівні функціональних збоїв наведені в Табл2

Вихід з ЛАДУ

У всіх випадках тестів вихід з ладу відбувається найбільш часто для тих же ОТ (клавіатура, миша, системний блок ПК), які є найбільш чутливими до зовнішніх полях СКД

У режимі одиночних імпульсів деградації ВІД відбуваються з найбільшою ймовірністю при Е = 150 – 200 кВ / м ДЛЯ УП ІЕМІ і Е> 100 кВ / м для Сніп ІЕМІ У режимі повторюваних імпульсів відмови відповідають рівню Е-поля на порядок нижче, Еп д -30 кВ / м ДЛЯ Сніп ІЕМІ СКД Умови виходу з ладу ВІД при частотному режимі тестів УП ІЕМІ в даному циклі робіт не досліджувався

Відмінності в реакції ВІД на дію ІЕМІ СКД

При дії Сніп ІЕМІ відзначена велика ніж ДЛЯ УП ІЕМІ чутливість ВІД відносно функціональних збоїв і відмов Спектр випромінювання є важливим фактором впливу випромінювання Сніп сигнал з більшою ймовірністю збуджує ланцюга ВІД, завдяки розмірним резонансам з різним просторовим масштабом ПЛ / 4 – від одиниць до декількох десятків сантиметрів У силу цього більш уразливими обєктами є пристрої зі складною структурою і кабелями (клавіатура, миша, системний блок) Перевірка «антенного» ефекту за допомогою екранування кабелів, а також зміни їх місця і висоти над металевою поверхнею показала відмінності в сигналах реакції ланцюгів ПК до декількох десятків разів Водночас, велика спектральна щільність поля УП сигналу (/ \ о = 01 м) виявлялася не завжди реалізованої, можливо, через того, що його спектр знаходиться поза резонансних зон здебільшого відкритих компонентів ВІД

Як наслідок вищесказаного, умови екранування сильно впливають на збої ВІД Тому обєкти, що мають складну конструкцію, без суцільного екрану або з щілинами в екрані (наприклад, корпус системного блоку ПК), потенційно важче захистити від впливу Сніп сигналу

Другим істотним фактором ІЕМІ, який проявляється при взаємодії зі складноструктурному обєктами, є поляризація Для оптимально поляризованого ІЕМІ створюються кращі умови для створення наведених струмів всередині екранів з регулярними щілинами або в кабелях, благо

даруючи чому виникає висока чутливість до орієнтації обєкта в цілому

Ще одним важливим параметром ІЕМІ є повна енергія НВЧ сигналу У нашому випадку, для УП сигналу вона більше, тому що повязана з більшою тривалістю імпульсу (40 ні) на відміну від Сніп імпульсу (4-5 ні) При однаковому значенні £-поля вона майже в 10 разів більше енергії Сніп імпульсу Як видно, для УП ІЕМІ існує можливість більш ефективного впливу на стан ВІД, завдяки локальним тепловим ефектам і повязаних з ними незворотної деградації в мікроструктурах елементної бази Іноді для ураження обєкта досить одноразової експозиції

Таблиця 2 Рівні збоїв і деградації ПК і компонентів в умовах дії різних типів ІЕМІ СКД Тable 2 Failure and degradation levels of PCs and computer components affected by various types of USPEMR

Обєкт тестів Units under test

Компонент

Рівень збоїв, Еп ф, кВ / м

Рівень деградації, Еп д, кВ / м

УП

ІЕМІ

Сніп ІЕМІ

Сніп ІЕМІ

Частотний режим

УП

ІЕМІ

Сніп ІЕМІ

Сніп ІЕМІ

Частотний

режим

Одноразовий режим

Одноразовий режим

Units under test

Component

Failure level El f ,kV/m

Degradation level, ELD,kV/m

NB

PEMR

UWB PEMR

UWB PEMR Repetitive mode

NB

PEMR

UWB PEMR

UWB PEMR

Repetitive

mode

Single-pulse mode

Single-pulse mode

Елементи ПК (ПК стандартна конфігурація)

PC components (standard configuration)

Клавіатура

Keyboard

2-7

1-3

1-3

> 100- 160

30

1-3

Миша

Mouse

2-7

3-10

1-10

> 180- 200

30-40

1

Системний блок

System unit

> 10

3-5

3

> 100

> 100

3

Монітор

Monitor

10

10

> 100- 160

<100

10

ПК з макетом мережі

PC with network

cable

(3 m)

Макет мережі

Simulated

network

> 5-6

> 10

(Залежно від близькості до екрану)

(depending on distance to metal shield)

1-10

1*

ПК (стандартна конфігурація)

PC

(standard configuration)

Повний

Комплект

Complete

set

Н / Д

n/a

10

(Кабелі на металевому столі)

(cables on metal table) 1-3

(Кабелі на висоті 10 см від метал, столу)

(cables at 10 cm above metal table)

Н / Д

n/a

Н / Д

n/a

Н / Д

n/a

Джерело живлення ПК

PC power supply unit

Джерело живлення Power supply unit

Н / Д

n/a

30

30

> 120- 160

> 100

Однак можна припустити, що більша ефективність збоїв і деградації компонентів ПК, зазначена для випадку Сніп ІЕМІ, зобовязана не тільки «антенного» ефекту Як показують дані тестів елементної бази [4], в умовах дії сигналу СКД (з 7и <1 ні) реалізується адіабатичний або т.зв. «Нетепловий» режим впливу ІЕМІ. При цьому в мікроструктурах компонентів може відбуватися накопичення незворотних змін в перебігу великого числа експозицій. У нашому випадку це підтверджується частим виходом з ладу ПК в результаті 10-25 експозицій навіть при £ «£ п.д. У зв’язку з цим можна зробити висновок, що впливу імпульсних Сніп ІЕМІ СКД з великою частотою повторення є найбільш небезпечними для складноструктурному електронного обладнання.

Представлені методики і результати тестів ПК і компонентів в умовах дії ІЕМІ СКД з вузькосмуговим і надширокосмугові спектрами Наведені значення критичних рівнів £-поля, що призводять до збою ПК і виходу з ладу компонентів Найбільш уразливими ВІД є маніпуля-тор-миша, кпавіатура і системний блок Відсутність екранування корпусів і сполучних кабелів, а також повторюється режим експозицій збільшує вразливість обєктів

VI                              Список літератури

[1] J LoVetri, атм Wilbers, АРМ Zwamborn Microwave interaction with a personal computer: Experiment and modeling, Proc of 13 ‘ Int Zurich Symposium on EMC Zurich, Switzerland, 1999, p203-206

[2] SP Bludov, NP Gadetski, et al Generation of high-power ultra-short microwave pulses and their effect on electronic devices Plasma Phys Rep 1994, 20, p643-648

[3] Вердін CH, Гадецкий ΗП, та ін Випробувальний стенд для тестів на електромагнітну сумісність до імпульсних полях надкоротких тривалості В кн: 14-я Міжнар Кримська конф «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології »(КриМіКо2004) Матеріали конф [Севастополь, Сент 2004 р] – Севастополь: Вебер, 2004, с586-589

[4] Магда ІІ, Блудов СБ, та ін Дослідження фізичних механізмів деградації виробів електронної техніки в потужних електромагнітних полях, У кн: 3-тя Кримська конф «СВЧ-техніка і супутниковий прийом» Матеріали конф [Севастополь, Сент 1993] – Севастополь: Вебер, 1993, 5, с523-536

FUNCTIONAL FAILURES OF PERSONAL COMPUTERS CAUSED BY SUBNANOSECOND PULSE EMR

Berdin S A, Zagvozdkin B V,

Magda I I, Chupikov P T

National Scientific Center Institute of Physics and Technology’

1 Academicheskaya Str, Kharkiv, 61108, Ukraine e-mail: imagda@online kharkiv com

Abstract – Techniques and results of testing functional failures and breakdowns of personal computers affected by ultrashort pulse electromagnetic radiation (USPEMR) are presented Specific responses of PCs and their components to EMR with narrowband (NB) and ultra-wideband (UWB) spectra are discussed

I                                       Introduction

Testing EM compatibility and resistivity (EMCR) of electronics with high levels of integration and complexity, establishing failure causes, as well as monitoring failure process in real time is usually complicated and restricted to registering the final state of units under test [1] Results of experimental research into the response of PCs and their components to NB {fo =3GHz, Af=005GHz) and UWB (WU=02/10 GHz) USPEMR are discussed below

II                                EMCR Test Setup

To conduct EMCR testing of radio and digital electronics on a systematic basis, the Kharkiv Institute of Physics and Technology designed USPEMR benches for the 01-100 kV/m range of E-field intensity [2, 3] NB and UWB PEMR benches provide pulse duration Гр of 15-45 ns and 3-5 ns, as well as pulse rise times Tr of 5-7 ns and 02-03 ns accordingly For operating area, the microwave NB bench used a semi-open anechoic chamber (V> 2 m ^), while the UWB bench – a ТИМ cell (V ~ 1 M ^) To register responses of irradiated UUTs, the benches were equipped with E-field sensors, as well as optical and electric data acquisition links {Af of 07GHz and 35GHz accordingly)

III                               EMCR Test Results

Test conditions PC testing was conducted in the following modes: single-pulse for NB PEMR single and repetitive pulse at frequencies of up to 50Hz for UWB PEMR Several Pentium- based PCs with different motherboard circuitry, local buses (ISA and PCI), and RAM modules (SIMM and DIMM) were used for testing

Measured parameters Responses of PCs and their components affected by USPEMR were monitored in several motherboard buses, including the 5V/12V power supply bus, C0M1/C0M2 ports, and ISA or PCI slot clock

Effects observed in UUTs were greatly dependent on a number of USPEMR parameters and their combinations, including: •E-field amplitude,

•signal form (spectrum),

•frequency of pulse repetition,

•polarization

General features of response

a)         High sensitivity of UUTs to NB and UWB PEMR as E increased was manifested in the following way: bus signal interference, functional failures, selective or complete breakdown of the most vulnerable PC components The most sensitive UUTs included keyboard, mouse, and system unit

b)         Functional PC failures For all conditions of EMCR tests, intense responses of all system unit buses were registered beginning at certain threshold levels Elf=1-3 kV/m set for each UUT Exposure of any PC component or the whole PC system to USPEMR resulted in signal interference in PCI/ISA buses, C0M1/2 interfaces, and power supply bus Every functional failure resulted in self-reboot of PCs Sometimes the machines hung up requiring warm boot

For any investigated circuit, the duration of PC response significantly exceeded the duration of USPEMR At the same time, disturbances greatly depended on PC configuration, type of tested component, position of connecting cables in operating area and their shielding The pattern and amplitude of responses correlated with the intensity of USPEMR Several tests have shown variations in startup program execution time

c)         Degradation of PC components corresponded to higher threshold E-field values (Eld>30 kV/m for a single-pulse mode) At the same time, it had no direct correlation to exceeded critical values of Eld only Failures in UUTs occurred during repeated tests even at E=1-10 kV/m

IV            Analysis of PC Response to USPEMR Interference

Interference in bus signals During NB and UWB PEMR interference testing, PCs responded even at E>1 kV/m The pattern of responses was not the same in different buses At low E levels (<5 kV/m), regular or chaotic damped oscillations were mostly observed Duration of responses was 7r = 02-1 μs (~ 5 – 25 Гр) for NB, and Tr = 005 μs (> 10 Гр) for UWB PEMR

Functional failure The pattern of responses was mostly chaotic (or transforming from regular into chaotic) with low oscillation frequencies of ~5-15MHz (Table 1) The response duration increased: at E>5-7 kV / m Tr = 15-2 μs (-50 Гр) for NB PEMR, and at E> 10 kV / m Гк = 06 μs (> 100 Гр) for UWB PEMR The increased intensity of E-field (E> 7 kV / m for NB PEMR and E> 10 kV / m for UWB PEMR) provided LF relaxations of F~3- 5MHz Whenever relaxations covered several cycles of the clock, they caused PC failures and hang-ups The PC components most sensitive to functional failures included keyboard, mouse, and system unit Threshold levels for functional failures are given in Table 2

Breakdowns In all instances of testing, breakdowns occurred most frequently in those UUTs (keyboard, mouse, system unit) that were most sensitive to functional failures For UWB PEMR, the levels of E-field corresponding to the repetitive pulse mode were one order of magnitude lower (Eld ~1-3 kV/m) than those in the single-pulse mode For NB interference, comparison between single-pulse and repetitive modes was not investigated

Differences in UUT response As opposed to NB, the UWB interference showed UUTs to be much sensitive to functional failures and breakdowns This may be explained by the following:

•      possible excitement of dimensional resonances on different spatial scales in UUT circuits,

•      difficulties in providing adequate shielding for electronic components and cables,

•      effects of optimally polarized PEMR

Particular attention should be paid to the problem of total absorbed energy of USPEMR signals At equal values of E-field, the energy of NB signals is 10 times higher than that of UWB signals due to higher Гр However, tests of circuitry resistance to EM [4] have demonstrated that in the USPEMR environment (Гр <1 ns) an adiabatic or the so-called ‘non-thermal’ mode of PEMR interference may emerge. As this takes place, accumulation of nonreversible changes in microstructure of components may occur during repeated exposures. It has been confirmed during the above testing by frequent PC breakdowns following 10-25 exposures, even at E«El.d.

V                                      Conclusions

Techniques and results of testing PCs and their components for vulnerability against the NB and UWB USPEMR interference are presented Critical E-field levels at which failures of PC and breakdown of PC components occur have been obtained The most vulnerable units included mouse, keyboard and system unit Vulnerability of UUTs increased with unshielded cabinets and connecting cables, as well as following repeated exposures

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р