Use of a Waveguide Simulator of Electromagnetic Wave Propagation to Assess Signal Attenuation inside Buildings

В современном мире проблема распространения электромагнитных волн в условиях городской среды крайне актуальна. Рекомендации МСЭ-Р описывают ослабление радиосигналов в свободном пространстве, атмосфере, дожде и растительности

Особенностями распространения электромагнитных волн в таких условиях являются:

- наличие большого количества физических препятствий на пути распространения сигнала;

- наличие переотражения сигнала на пути распространении электромагнитных волн.

Для решения этой проблемы может быть использована волноводная модель беспроводных каналов внутри зданий. Такая модель подойдет и для проведения оценки пассивных средств защиты информации и естественного затухания сигналов, в том числе тех, которые формируют каналы утечки. К подобным сигналам можно отнести побочное электромагнитное излучение, присутствующее в автоматизированных информационных системах, при помощи которого возможен перехват и восстановление сигнала злоумышленниками

При таком подходе для расчета характеристик распространения электромагнитных волн необходимо решать задачу о возбуждении электромагнитных колебаний в объемных резонаторах с потерями прямоугольной формы, которую имеют подавляющее количество помещений и зданий.

В данной статье будет проведена оценка возможности применения волноводной модели для оценки не уровня распространенного сигнала, а его затухания. Для верификации модели произведен расчёт значений по методике, описанной в соответствующей статье

Проводимые исследования включают следующие этапы:

- расчет уровня излучения при помощи волноводной модели;

- прямые измерения уровня излучения в разных точках помещения;

- сравнение результатов расчета с экспериментальными данными.

Практические эксперименты проводились в одном из корпусов НИУ МИЭТ. На рисунке 1 представлен план лаборатории, в которой проводились измерения.

Рисунок 1 - План исследуемых помещений

DOI:10.23670/IRJ.2023.137.31.1

Основные характеристики здания:

- высота потолка во всех помещениях составляет 2,975 метра;

- толщина всех стен равняется 15 см, за исключением помещения №8218, толщина стен в котором равняется ~29 см;

- толщина межэтажного перекрытия составляет 45 см.

- размер дверных проемов составляет 210х90 см для всех дверей;

- толщина дверей равна ~7 см.

Измерения проводились при помощи лазерного дальномера.

При использовании волноводной модели необходимо рассчитать коэффициенты затухания в физических средах и знать значение сигнала в опорной точке

- генератор сигналов SMB 100A;

- анализатор спектра FSV13;

- антенна измерительная дипольная НБА-02;

- антенна АШП-12;

- антенна АШН-2.

Место установки генератора при измерении значения уровня сигнала в опорной точке показано на рисунке 1. Измерительная антенна была установлена на расстоянии 1 метр от излучающей антенны (рис. 2). Для имитации излучения источника электромагнитных сигналов использовался генератор сигналов SMB 100A вместе с антенной АШП-12. Данная антенна имеет тороидальную (близкую к круговой) диаграмму направленности в горизонтальной плоскости при вертикальной установке, что позволяет имитировать распространение побочного электромагнитного излучения. Генератор сигналов имеет максимальную выходное напряжение в 131.9 дБ относительно мкВ. Измерения проводились на частоте 400 МГц. Для получения максимального уровня сигнала использовался поворотный стол, с его помощью излучающая антенна делала полный оборот вокруг оси стола, что позволяет уменьшать возможную неравномерность диаграммы направленности. Измеренный уровень напряжения составил 103 дБмкВ. Измерительная антенна НБА-02, согласно паспорту, на частоте 400 МГц имеет коэффициент калибровки в 23.1 дБмкВ. Следовательно, напряженность в опорной точке равняется 126.1 дБмкВ.

Рисунок 2 - Стенд для измерения значения уровня сигнала в опорной точке

DOI:10.23670/IRJ.2023.137.31.2

Значения параметров анализатора спектра, указанные во втором столбце таблицы 1, использовались для измерений затуханий в физических средах и значений уровня сигнала в исследуемых помещениях. Значения из третьего столбца использовались для измерения значения уровня сигнала генератора в опорной точке.

Рисунок 3 - Измерение затуханий в дверях (излучатель)

DOI:10.23670/IRJ.2023.137.31.4

Расчёт затуханий проводился на основе экспериментальных данных: генератор сигналов с излучающей направленной антенной АШН-2 ставился напротив анализатора спектра с измерительной антенной НБА-02 на расстоянии 1 метр, после чего проводился замер уровня напряжения. Второе измерение проводилось следующим образом: генератор сигналов и излучающая антенна АШН-2 ставились с одной стороны исследуемой физической преграды на расстоянии 1 метр, а анализатор спектра и измерительная антенна с другой стороны на том же самом расстоянии (рис. 3). Разница в измерениях является затуханием. Для упрощения расчётов затухание в гипсокартонных стенах одинаково для всех подобных межкомнатных перекрытий.

Рисунок 4 - Измерение затуханий в дверях (приёмник)

DOI:10.23670/IRJ.2023.137.31.5

Для упрощения расчёта рассмотрена модель здания, учитывающая только один этаж и коридор этажом выше и ниже. Для каждого помещения рассматривается входящий поток также из тех помещений, с которыми есть минимум одна общая стена. Отражения с улицы не учитываются.

Вычисления проводились согласно упрощённой методике расчёта волноводной модели, описанной в статье [12]. Основные положения этой модели используют для расчета следующие соотношения:

(1)

(2)

(3)

Где Pr – мощность излучающего генератора, Sk – площадь k-й грани прямоугольника (k = 1-6), V – объем резонансной структуры, dст – толщина стены, Lсm– затухание в рассматриваемой dсm стене.

Если k-ая грань (стена, пол или потолок) была неоднородна, проводилась нормализация значения . К примеру, если на одной поверхности помещения присутствует окно, то для площади окна берется одно значение , а для стены другое, с соответствующим весовым коэффициентом. Геометрическое расположение окна не учитывается. Таким образом, данная модель учитывает неоднородность физических материалов, что повышает достоверность данной модели. При расчёте значения потока на входе в помещение необходимо учитывать также, что смежные помещения также представляют резонирующий волновод и должны учитываться при расчёте входного потока мощности. Следовательно, базовые вычисления должны быть проведены и для смежных помещений.

Параметры измерения на анализаторе спектра представлены в третьем столбце таблицы 1. Выбор способа отрисовки кривых «Max Hold» был выбран для того, что измеренный уровень сигнала был максимально возможным для исследуемого помещения. Вследствие того, что пространство в помещениях однородно, измерения в смежных помещениях проводились в трех случайных точках при помощи анализатора спектра и направленной измерительной антенны. Уровень сигнала в помещении высчитывался, как среднее арифметическое от измеренных значений.

Для сравнения расчётных значений с экспериментальными данными, необходимо учитывать погрешность измерений. Для анализатора спектра FSV13 при частоте 400 МГц погрешность составляет ±0.5 дБ, измерительная антенна НБА-02 имеет погрешность в ±2.5 дБмкВ.

Все измерения, кроме измерения опорного уровня сигнала, проводились при усреднении значений на анализаторе спектра. Измерение опорного уровня сигнала происходило в режиме фиксации максимального значения амплитуды. Это необходимо для рассмотрения максимально допустимого уровня сигнала, как наиболее опасного. Поскольку в данном случае учитывалось единственное измерение хоть и с максимальным уровнем сигнала, для данного случая необходимо также учитывать максимально возможную погрешность.

В статье, описывающей волноводную модель распространения сигналов, указано допустимое значение разницы между экспериментальными измерениями и волноводной моделью в 3 дБ. Поскольку дБмкВ + 120 = дБ, увеличение уровня сигнала на 1 дБмкВ равно увеличению на 1 дБ.

Таким образом, волноводная модель может быть признана достоверной при разнице в затухании между экспериментом и результатом моделирования меньше, чем 5,5 дБмкВ.

Затухания, полученные при помощи волноводной модели, согласуются с данными, полученными экспериментально. Исключениями являются расчеты, выполненные для сигнала, проходящего через стеклянную дверь. Для стеклянной двери значения, полученные моделью, значительно ниже, чем экспериментальные. Это связано с тем, что стеклянная дверь имеет затухание ниже, чем теоретическая погрешность измерений, следовательно, в этом случае нужно рассматривать коридор и его продолжение за стеклянной дверью как один волновод. В остальных случаях экспериментально измеренные значения согласуются с теми, которые получились при расчёте с помощью волноводной модели.

Ограничением использования подобной модели является увеличение количества необходимых измерений за счет того, что для корректного моделирования необходимо уточнять затухание в физических преградах. Для получения более точных оценок необходимо учитывать и наличие мебели внутри помещения, поскольку она также может вносить существенный вклад в затухание и влияет на конфигурацию волноводов внутри помещений.