Реферат

Стёпин А.О. Модель электродинамических характеристик эластичного радиопоглощающего покрытия на основе метаматериала в целях защиты информации: ДП.БГАРФ.090105.65.ИБ5.13ПЗ; ВКР; БГАРФ, каф. ИБ; рук. Смирнов Н.Н. - Калининград, 2013. - ПЗ 74 с., 34 рис., 9 табл., 32 источника.

ЗАЩИТА ИНФОРМАЦИИ, РАДИОПОГЛОЩАЮЩИЙ МАТЕРИАЛ, МЕТАМАТЕРИАЛ, ЭЛАСТИЧНЫЕ ПРОВОДНИКИ, ЭКРАНИРОВАНИЕ, КОЛЬЦЕВОЙ ЩЕЛЕВОЙ РЕЗОНАТОР.

Предмет исследования – поглощение радиочастот СВЧ диапазона.

Объект исследования – радиопоглощающий материал на основе метаматериала.

Цель: получить прототип радиопоглощающей поверхности и оценить перспективность её использования в сфере информационной безопасности.

Задачи данного исследования:

1. разработать компьютерную модель радиопоглощающей поверхности на основе метаматериала;

2. изготовить экспериментальный образец;

3. рассмотреть возможность применения эластичных материалов;

4. рассмотреть использование радиопоглощающей поверхности для обеспечения информационной безопасности.

Пояснительная записка разбита на следующие главы:

• введение;

• анализ видов радиопоглощающих материалов;

• моделирование радиопоглощающей поверхности с фиксированными размерами в EMCoS Antenna VirtualLab;

• изучение электродинамических характеристик эластичных проводников;

• оптимизация модели под радиопоглощающий материал с динамичными размерами;

• разработка рекомендаций по применению РПМ.

Оглавление

Введение 5

1. Анализ видов радиопоглощающих материалов 7

1.1 Актуальность 7

1.2 Виды РПМ 12

1.3 РПМ на основе метаматериала. 16

2. Моделирование радиопоглощающей поверхности с фиксироваными размерами в EMCoS Antenna VirtualLab 21

2.1 Обзор программы 21

2.2 Моделирование РПМ 25

2.3 Изготовление РПМ методом фотолитографии 34

3. Изучение электрических характеристик эластичных проводников 38

3.1 Углеродные нанотрубки 38

3.2 Жидкие провода 46

4. Оптимизация модели под радиопоглощающий материал с динамическими размерами 48

5. Разработка рекомендаций по применению РПМ 52

5.1 Применение РПМ в ИБ 52

5.2 Побочные электромагнитные излучения и наводки 54

5.3 Подслушивающие GSM устройства 59

5.4 Скрытые Wi-Fi устройства видеонаблюдения. 64

5.5 Рекомендации по применению РПМ 67

Заключение 70

Список используемой литературы используемых источников 71

Введение

Актуальность исследования. Информационная эра — концептуальная идея о том, что современный век будет характеризоваться широкими возможностями для отдельных лиц свободно передавать / принимать информацию, а также мгновенным доступом, как к освоенным знаниям, так и к любой информации о планах поставленных человечеством, что было бы трудно или невозможно в предыдущие эпохи развития человечества.

Идея связана с концепцией цифрового века или цифровой революции и включает в себя последствия перехода от традиционной промышленности. Промышленная революция пришла через индустриализацию к экономике, основанной на манипуляции информацией [1].

С развитием технологий человечество стало использовать беспроводные сети передачи информации, обладающие рядом преимуществ:

• беспроводная сеть позволяет сократить расходы на прокладку кабеля от сети провайдера до здания;

• экономия финансовых ресурсов на организацию крупной развернутой локальной сети внутри самого здания;

• является оптимальным решением в случае невозможности проведения кабельных работ в здании из-за особенностей конструкции или по другим техническим причинам;

• отказ от кабельных работ позволяет сократить время по построению беспроводной сети в несколько раз;

• возможность связать между собой сети совершенно разной конфигурации и на разном оборудовании;

• организация беспроводной сети является оптимальным решением в случае потребности собрать резервный или временный канал связи;

• все радиооборудование обладает мобильностью и может быть полностью перевезено на новое место, тогда как проведенные кабельные сети и оптоволокно придется оставить в здании.

В связи с распространением беспроводных коммуникаций, стали выявляться определённые проблемы при эксплуатации. Такие, как проблема безопасности передачи данных, проблемы здравоохранения, электромагнитной совместимости. Одним из решений данной проблемы является применение радиопоглощающих материалов.

1. Анализ видов радиопоглощающих материалов

1. Актуальность

Радиопоглощающие материалы (РПМ) – это материалы, состав и структура которых обеспечивает эффективное поглощение (при незначительном отражении) электромагнитной энергии (ЭМИ) в определённом диапазоне длин радиоволн.

Поглощение ЭМИ происходит тогда, когда вектор Пойтинга (S) имеет отрицательное значение(1).

, (1)

где E и H векторы напряжённости электрического и магнитного полей соотвественно.

Уровень поглощения находится по формуле 2

_{, (2)}

где – коэффициент отражения; - коэффициент прохождения электромагнитной волны через радиопоглощающий материал [3].

Проанализировав эту формулу, можно выделить разделение радиопоглощающих материалов на два фундаментальных типа радиопоглощающих материалов по способу экранирования:

• R_n>>A_n экранирование электромагнитной энергии в таком материале происходит за счёт отражения электромагнитных волн от поверхности.

• R_n<<A_n экранирование электромагнитной энергии в таком материале происходит за счёт поглощения электромагнитных волн.

Второй способ позволяет снизить радиолокационную заметность цели, однако поглощение энергии приводит к нагреву материала, что может вызвать пожароопасную ситуацию при интенсивном облучении.

Для нормального падения коэффициенты отражения Rn и поглощения Tn равны(3) [4].

, (3)

при

,

где µ₁, µ₂ — магнитная проницаемость воздуха и вещества; ε₁, ε₂ — диэлектрическая проницаемость воздуха и вещества соответственно.

Поскольку R_n и T_n зависят от одних и тех же величин µ и ε, то чем больше значения этих величин для среды, тем больше и поглощение, и отражение. Для снижения отражения ЭМИ необходимо, чтобы W₁=W₂ [5].

Если в веществе отсутствуют токи проводимости (j=0), то потери энергии определяются процессами поляризации и намагничивания. Согласно формуле 4,в случае продольнооднородных структур погонные потери Pn в объеме ∆V, заключенном между двумя поперечными сечениями Z и Z+∆Z, определяются как [6]:

, (4)

где ε0, µ0 — электрическая и магнитная постоянные, зависящие только от выбора единиц измерения; ω — круговая частота; ε″, µ″ — мнимые части комплексных значений диэлектрической и магнитной проницаемостей; — максимальные значения комплексных амплитуд электрического и магнитного векторов; , — комплексное сопряжение векторов , соответственно (зависимость от площади РПМ).

При взаимодействии электромагнитного поля с РПМ проявляются эффекты поглощения, рассеяния и интерференции радиоволн. Интерференция волн – взаимное увеличение или уменьшение результирующей амплитуды двух или нескольких когерентных волн, одновременно распространяющихся в пространстве. Сопровождается чередованием максимумов и минимумов интенсивности в пространстве. Результат интерференции зависит от разности фаз, накладывающихся волн. Если электромагнитные волны синфазны, то амплитуда суммарной волны увеличивается, если разность фаз равна 180 градусов, то электромагнитные волны компенсируют друг друга, как видно на рисунке 1. Где чёрным цветом отображены максимумы, а белым минимумы при наложении волн.

Рисунок 1 - Пример интерференции ЭМВ.

Спектр применения радиопоглощающих материалов довольно широк. РПМ используют для:

• уменьшения эффективной отражающей поверхности наземных, морских, летательных и других объектов с целью их противолокационной маскировки;

• для оборудования испытательных камер в области антенной техники, в радиотехнической аппаратуре, в антенно-фидерных трактах, в защитных конструкциях и устройствах, препятствующих проникновению электромагнитного поля;

• для решения проблем электромагнитной совместимости радиоэлектронных устройств;

• защиты компьютерных систем обработки информации от несанкционированного доступа;

• защиты биологических объектов от электромагнитного излучения. (биологическая безопасность, снижение РПМ – главное уравнение радиолокации).

Из приведённого списка основным применением радиопоглощающего материала является в уменьшении эффективной площади рассеяния (ЭПР) объектов для повышения скрытности. Под понятием ЭПР в радиолокации понимают площадь некоторой фиктивной плоской поверхности, расположенной нормально к направлению падающей плоской волны и являющейся идеальным и изотропным переизлучателем, которая, будучи помещена в точку расположения цели, создаёт у антенны радиолокационной станции ту же плотность потока мощности, что и реальная цель [7].

ЭПР входит в основные уравнения радиолокации приёмной мощности (5) и дальности действия радиолокатора (6) [8]:

, (5)

где:

P_r – мощность сигнала на клеммах приёмной антенны;

P_{t –} мощность радиопередатчика;

G_{t –} коэффициент усиления передающей антенны;

A_{t –} апертура приёмной антенны;

𝜎 – ЭПР цели в данном ракурсе;

F – коэффициент потерь при распространении сигнала;

R_t – расстояние от передатчика до цели;

R_r – расстояние от цели до приёмника.

_, (6)

где

P_r – мощность передатчика;

G_{t –} коэффициент направленного действия антенны;

A_{r –} апертура приёмной антенны;

𝜎 – ЭПР цели в данном ракурсе;

P_r.min – минимальная чувствительность приёмника.

Исходя из вышеперечисленных формул, можно сделать вывод, что приёмная мощность и дальность действия радиолокатора зависят в первую очередь от собственных характеристик радиолокатора. Единственным параметром цели, влияющим на приёмную мощность и дальность действия радиолокатора, как раз и является ЭПР. Причём зависимость является пропорциональной – чем меньше ЭПР, тем больше шанс объекту остаться незамеченным на экране радиолокатора противника.

Не менее важное значение радиопоглощающие материалы имеют в области здравоохранения. Важно знать, как электромагнитное излучение влияет на биологические процессы, протекающие в живых организмах. Наука, занимающаяся данной тематикой, называется радиобиологией. А сама проблема – электромагнитной безопасностью.

Степень биологического воздействия зависит от частоты колебаний, напряжённости поля, режима его генерации (импульсное, непрерывное), длительности воздействия. Высокочастотные излучения могут ионизировать атомы или молекулы в клетках, что может привести к нарушению внутриклеточных процессов. А электромагнитные колебания длинноволнового спектра достаточно сильно нагревают органику, приводя молекулы в тепловое движение. Наиболее чувствительными к действию электромагнитных полей являются центральная нервная система, нейроэндокринная система и глаза.

Основным руководящим документом в России, определяющим параметры воздействия электромагнитного излучения радиочастоты и сверхвысокой частоты, является «Санитарные правила и нормы СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96» [9].

Способность материала поглощать высокочастотное излучение зависит от его состава и структуры. РПМ не обеспечивают поглощения излучения любой частоты, напротив, материал определенного состава характеризуется лучшей поглощающей способностью при определенных частотах. Не существует универсального поглощающего материала, приспособленного для поглощения излучения радиолокационной станции во всем частотном диапазоне. В связи с отсутствием идеального РПМ, ведутся множественные разработки с целью поиска наиболее подходящего материала для определённой ситуации.

При наличии программного обеспечения, используя знания электрофизических свойств, размеров и форм частиц поглощающего наполнителя и связующей матрицы, а также особенностей и параметров технологических процессов изготовления радиопоглощающих материалов, возможно решение проблемы прогнозирования радиотехнических характеристик готовой продукции и создание перспективных РПМ нового поколения.