互连电缆防信息泄漏及抗干扰性关键技术研究

代号10701分类号TM154UDC学号000742080密级公开编号题（中、英文）目互连电缆防信息泄漏及抗干扰性关键技术研究AStudyonAnti-jammingandInformationLeakPreventionTechnologyofInterconnectingCable作者姓名贾翠霞指导教师姓名、职务邱扬教授学科门类工学学科、专业机械电子工程提交论文日期2003年1月创新性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名：日期：关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部和部分内容，可以允许采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人签名：日期：导师签名：日期：摘要本文首先综合应用多导体传输线理论、屏蔽理论，天线理论等，对信息设备互连系统的防信息泄漏及抗干扰问题进行了研究，讨论了多芯互连电缆的电磁泄漏机理和影响因素，全面分析了多芯互连电缆的屏蔽、耦合、辐射等特性。其次研究了电缆导线间两种主要串扰机理－电容电感耦合机理，并对不同情况下电缆导线间分布参数的计算方法进行了探讨。另外，文中还对同轴电缆的衰减损耗进行了分析计算。昀后介绍了“互连电缆电磁兼容仿真软件”及其在互连系统设计中的应用；提出了适用于“多芯屏蔽电缆转移阻抗测试的改进型注入线测试方法”，研制了“电缆及其与滤波连接器组成系统的测试装置”，对多种电缆进行了实测和分析，并与仿真结果进行对比，取得了较为满意的效果。关键词：防信息泄漏串扰衰减损耗测试仿真ABSTRACTInthispaper,informationleakpreventionandanti-jammingtechnologyofinterconnectingsystemofinformationdevicesisinvestigatedsyntheticallyaccordingasthemulti-conductortransmissionline,shieldingandantennatheory,theelectromagneticleakagemechanismofmultiple-corecableanditseffectingfactorsarediscussed,andcharacteristicofshielding,couplingandradiationisanalyzedroundly.Secondly,twokindsofmechanismofcrosstalkamongcoresofmultiple-corecable,themechanismofcapacitiveandinductivecoupling,aregenerallyanalyzed,andthecalculatingmethodsofdistributingparameterunderdifferentconditionsareinvolved.Alsoattenuationofcoaxialcableisanalyzed.FinallyEMCemulationprogramforinterconnectingcablesanditsapplicationininterconnectingsystemareintroduced.Theimprovedtestingmethodofinjectionlinesapplyingtothetransferimpedanceofmultiple-coreandshieldedcablesispresented.Thetestingequipmentofcablesanditsfilterconnectorsisdeveloped.Andmulti-cablesarepracticallytested,theresultshavebeencomparedwiththeonesemulatedbyprogramandgoodagreementisachieved.Keywords:InformationleakpreventionCrosstalkAttenuationTestEmulate目录摘要第一章绪论………………………………………………………………11.1通过电缆引进的干扰………………………………………………………11.2互连电缆防信息泄漏及抗干扰技术研究的发展状况………………………21.3本文所做的工作……………………………………………………………4第二章多芯电缆信息泄漏机理分析及建模……………………………52.1泄漏机理的分析……………………………………………………………52.2理论模型与分析方法………………………………………………………15第三章电缆导线间两种串扰机理的研究………………………………163.1导线在回路中的连接形式…………………………………………………163.2导线间感应耦合的原理……………………………………………………173.3导线间分布参数的计算……………………………………………………23第四章互连电缆的部分重要特性………………………………………304.1电缆的转移阻抗……………………………………………………………304.2电缆的屏蔽效能……………………………………………………………314.3电缆的衰减损耗……………………………………………………………37第五章软件设计及其应用………………………………………………405.1仿真软件的设计与集成……………………………………………………405.2软件仿真所用方法与传统方法的比较……………………………………455.3仿真计算在互连系统设计中的应用………………………………………46第六章电缆屏蔽效能的测试……………………………………………496.1测试方法的比较和选用……………………………………………………496.2注入线测试方法概况………………………………………………………526.3测试结果的分析……………………………………………………………56结束语……………………………………………………………………60致谢………………………………………………………………………61参考文献…………………………………………………………………62在读期间研究成果………………………………………………………65第一章绪论1第一章绪论1.1通过电缆引进的干扰随着计算机及网络、电子技术的飞速发展，作为信息传输的媒质，各种形式的互连电缆已广泛应用于舰艇、飞机、运载火箭、飞船、军用通信互连网络、雷达等复杂系统。由于电缆束传输不同特性的信号，电缆束以及连接器件之间所存在的分布参数将产生线间的干扰串扰及辐射干扰，传输速率越高，信号的脉冲上升前沿越陡，电缆越长，串扰及辐射干扰就越严重。再加上复杂电子系统所处的电磁环境非常恶劣，致使电缆与连接器受到外界干扰的影响也就越严重。大量的理论及工程实践表明，互连电缆及连接器是复杂系统中电磁兼容性昀为薄弱的环节之一，是一个各行业都遇到的共性问题。其设计的不合理往往是造成系统EMC及TEMPEST性能不合格的主要原因。在以电能为动力或用电子控制的所有系统中，电缆都有十分重要的作用，如用电缆向系统输送电能，传递指挥、控制、描述系统状态的信息等。电缆是估算外界干扰源与系统相互作用的昀重要因素之一。电力线以及长途通信电缆这类长距离互连系统会成为外界电磁能的巨大收集器。当这些电磁能被传送到与电缆接口的终端设备中，就会在设备的小信号电路中产生不容许的干扰影响或造成元件损坏。对屏蔽不够好的地上系统来说，这些长电缆通常会成为引进干扰的主要途径。金属机壳图1-1信息设备互连系统模型示意图飞机、导弹和建筑物内部的电缆以及建筑物之间、可移动设备之间的连接电缆都对系统的特性产生严重影响。这些电缆可能并不长，也可能并不直接受外界电磁场的作用，但也会成为感应电流及电压通向敏感电路区的传播途径。如图1-1所示，大多数的电子设备都有封闭的金属机壳，有相当好的静电屏蔽，如没有外界电缆（包括接地线），电子设备就不会受外界电磁场的影响。可是一旦有了连接电缆，金属机壳外的强感应信号就会被引进设备的内电路中。从上述分析可以看互连电缆防信息泄漏及抗干扰性关键技术研究2出，对电缆进行屏蔽，对电缆屏蔽层与连接器及连接器与机箱间的导电连接进行特殊处理，抑制电缆束的干扰，是系统整体设计中不可缺少的环节。我们可以找到许多较为常见的例子来说明这一点。例如，飞机上的通信舱、导航舱、飞行控制舱的连接及点火控制系统之间的连接电缆都可能耦合进来由雷电或原子核爆炸脉冲感应的电流。此外，在雷达天线罩、轮舱、翼梢盖等外面还有部分裸露电缆。因此，在大多数这类机舱中，通过电缆导体引入机舱的外界感应信号，就可能成为唯一主要的外界干扰信号源。与此类似，在移动通信的地面基地系统中，飞行器上各子系统间的连接电缆，通常也会成为飞行器内设备的主要感应干扰源。为减小对这些连接电缆导体的直接耦合，常采用屏蔽电缆，但屏蔽体内的导体上还是有可能感应出不容忽视的较大感应电流，且屏蔽电缆的屏蔽层多种多样，屏蔽的效果也会有高有低，采用不同的屏蔽材料和屏蔽结构，其屏蔽性能会有很大的差异。因此通过对多芯电缆电磁耦合辐射泄漏进行定性研究和定量分析，确定各种因素的影响程度，实现优化设计及昀佳控制，对于系统的TEMPEST设计将具有重要的意义。1.2互连电缆防信息泄漏及抗干扰技术研究的发展状况防信息泄漏技术也称TEMPEST技术，它是在电磁兼容（EMC）技术基础上发展起来的，重点在于防止信息技术设备（ITE）通过非功能性电磁发射引起的信息泄漏，研究内容包括：TEMPEST设备研制、测试设备研制、相关技术标准研制、TEMPEST材料和工艺研制及相关理论机理的研究。国外在这一方面的研究起步较早，五十年代美国、英国就开始着手制定各自的TEMPEST研究发展计划，1981年1月，美国国家安全局（NSA）正式制定了TEMPEST技术标准，随后北约颁布了类似的TEMPEST标准，欧洲一些国家也相继开展了TEMPEST产品的研制及生产。我国在八十年代中期开始重视TEMPEST问题，近几年开始对相关课题进行研究，并在计算机系统信息泄漏机理、截获复原技术、机要设备的电磁防护技术等方面取得了一定的成果。但由于起步时间晚、国外技术封锁及相关技术发展滞后等因素综合影响，国内TEMPEST技术的发展仍未系统化、规范化，尤其是TEMPEST设计理论的研究大多停留在定性阶段。互连电缆的抗干扰性主要是通过屏蔽等技术实现的，屏蔽电缆的理论研究早在三十年代就已开始，其研究分为两个阶段：早期研究主要集中于天线、测试仪器用的射频同轴屏蔽电缆。基本方法是将电缆处理为平行双导体传输线，外界对于电缆的影响用屏蔽层上的电流表示，屏蔽层对内导体的影响用转移阻抗和转移第一章绪论3导纳表示，Schelkunoff[1]、Vance[2]等人深入研究了转移阻抗、转移导纳与屏蔽效能的关系。美国的MIL-HDBK-285、我国的GJB-1210-91（接地、搭接和屏蔽设计的实施）、GJB/Z25-91（电子设备和设施的接地、搭接和屏蔽设计指南）、《电磁兼容性设计手册》等都将其有关计算公式、阻抗及导纳的计算图表编入其中。从等效为平行双导体传输线模型来看，显然上述方法只适用于同轴屏蔽电缆。其研究主要集中于八十年代以前。同轴电缆除了在设计方面比较成熟外，在工程