Выбор широкополосных измерительных антенн в целях контроля эффективности защиты информации

Рис.3.1. Антенна измерительная дипольная активная широкополосная (9 кГц – 2 ГГц)

Из теории антенных систем известно, что эффективность любой антенны находится в прямой зависимости от ее геометрических размеров. Любую антенну можно представить в виде эквивалентной площадки площадью, пропорциональной частотному диапазону, стоящей на пути распространения радиоволн. Коэффициент усиления G антенны по отношению к ненаправленному (изотропному излучателю) определяется по формуле:

Уравнение 1

где:
S – эквивалентная площадь антенны, м2;
l – длина волны, м;
в свою очередь:
l=с/f, где с – скорость распространения радиоволн (3*108 м/с),
f – частота, Гц.

Из формулы (1) видно, что чем больше геометрическая площадь антенны, тем больше коэффициент ее усиления. В случае дипольной антенны размер площадки пропорционален размеру диполя. Из выражения (1) и энергетики следует, что неважно, какую форму будет иметь эквивалентная площадка: будет ли она круглая, квадратная или иметь форму вытянутого прямоугольника. В любом случае при равной площади для одной длины волны (частоты) она будет иметь равный коэффициент усиления, изменяющийся в зависимости от изменения частоты радиосигнала. В то же время форма эквивалентной площадки оказывает самое непосредственное влияние на диаграмму направленности антенны (ДНА). Так, ширина главного лепестка диаграммы направленности связана с линейными размерами площадки следующим приближенным выражением:

Уравнение 2

где:
DQ – ширина главного лепестка ДНА по уровню –3дБ, град;
l – линейный размер эквивалентной площадки в плоскости измерения ДНА, м.

Формула (2), приведенная к другому виду, позволяет по известной диаграмме направленности антенны оценить размеры эквивалентной площадки:

Уравнение 3

Для дипольной антенны ширина ДНА по уровню –3дБ в горизонтальной плоскости составляет около 120o, (см. Рис.3.1). Легко определить, что эквивалентная площадка будет иметь размер по горизонтали 1,25 м для частоты 100 МГц, а для  частоты 100 кГц – уже 1,25 км. То есть геометрические размеры антенны обратно пропорциональны росту частоты измеряемого сигнала и определяются частотой исследуемого сигнала.

Следует отметить еще один фактор, от которого зависит эффективность антенны. В общем случае коэффициент усиления антенны является произведением коэффициента направленного действия антенны (КНД) и ее коэффициента полезного действия (КПД):

Уравнение 4

где:
К – коэффициент направленного действия антенны;
m – коэффициент полезного действия антенны.

Выражение (4) означает, что недостаточно сделать антенну большой площади, надо еще всю энергию, падающую на данную площадь, с минимальными потерями доставить к потребителю данной энергии, то есть ко входу средства измерения, к которому подключена антенна. Причем необходимо помнить, что поскольку КПД антенны m не включает в себя потери фидерного тракта между антенной и измерительным приемником, то при расчетах необходимо учитывать ослабление сигнала, вызванное потерями в фидере. Прием электромагнитной энергии из эфира связан с протеканием тока по элементам антенны, поэтому потери в самой антенне определяются омическими потерями в металлических элементах (в случае пассивной антенны). Большое влияние на КПД антенно-фидерного тракта оказывают потери в разъемах и кабельных линиях, которые обязательно надо учитывать при проведении измерений.

Рис.3.2. Частотная зависимость для антенны

С ростом частоты потери в кабельных линиях сильно возрастают. Например, 5-метровый отрезок кабеля типа РК-50-1-11 ослабляет проходящий по нему сигнал на частоте 100 МГц в 1,585 раз (2 дБ), на частоте 1 ГГц – в 6,31 раз (8 дБ), а на частоте 3 ГГц – в 14,1 раз (11,5 дБ). Характеристики затухания cигнала в кабелях с различным типом изоляции приведены в Табл. 3.1.

Табл. 3.1. Характеристики затухания сигнала для кабелей с различным типом изоляции

То есть в высокочастотном диапазоне потери возрастают до недопустимых значений. К тому же пример приведен для идеального случая, когда отсутствуют отражения на концах линии, то есть для случая, когда входное сопротивление антенны и средства измерения равно волновому сопротивлению кабеля. Если входные сопротивления отличаются от волнового сопротивления кабеля, то возникают дополнительные потери.

Анализ характеристик антенн и методика оценочного расчета

Тестирование потерь антенны и ее фидерного тракта, изображенных на Рис.3.1, проводилось на векторном анализаторе цепей ZVB 4 производства фирмы «Rohde&Sсhwarz» (Германия) и представлено ниже. На Рис.3.2 – Рис.3.4 приведены диаграммы частотной зависимости потерь, волнового сопротивления и коэффициента отражения (коэффициента стоячей волны SWR – standing-wave Ratio на упомянутых рисунках) антенны, фидеров и антенны с фидерами в сборе.

Потери и рассогласование оказывают существенное влияние на потенциальные возможно­сти измерительного комплекса, состоящего из измерительной антенны, антенно-фидерного тракта и измерительного приемника (анализатора спектра). В результате могут быть сведены на нет все усилия, затраченные на изготовление сложной антенны. И если теоретически в режиме передачи еще можно компенсировать потери в фидере за счет увеличения мощности, то в режиме приема потери носят необратимый характер. Разрешить данную проблему помогают антенные усилители, расположенные в непосредственной близости от антенны. Вопрос о применении такого усилителя надо решать в каждом конкретном случае, сравнивая внешние шумы антенны и внут­ренние шумы средства измерения. Для того чтобы решить вопрос о необходимости применения антенного усилителя для обеспечения нормальной работы входного тракта средства измерения, вместо антенны надо для сравнения подключить согласованную нагрузку, номинал которой равен волновому сопротивлению фидера (50 Ом). Если даже в экранированной камере (в ночные часы при ее отсутствии) шумы антенны в два и более раз превышают шумы нагрузки, применение антенного усилителя нецелесообразно. Более того, лишний каскад усиления сделает средство измерения более уязвимым по отношению к помехам от близко расположенных источников радиоизлучения.

Рис.3.3. Частотная зависимость для фидеров

Это обстоятельство проявляется особенно сильно при объектовом контроле эффективности защищенности объектов информатизации.

В этом случае исследованию подлежит сигнал побочного электромагнитного излучения (далее – ПЭМИ) технического средства, уровень которого для современных средств вычислительной техники зачастую сравним или даже ниже уровня фонового шума эфира в городах, особенно в областных центрах. Поэтому на установленном расстоянии от источника излучения средство измерения зачастую не фиксирует наличие опасного сигнала, не говоря уж об измерении его уровня. Зато фиксируются и измеряются многочисленные удаленные источники излучения (и их гармоники) с уровнем мощности, превышающим интересующий нас уровень ПЭМИ, но не имеющие никакого отношения к исследуемым техническим средствам. Для устранения влияния шумов при проведении специальных исследований (с целью «повышения чувствительности») многие, в нарушение требований нормативно-методической документации ФСТЭК, почти вплотную приближают антенну к контролируемому техническому средству, изменяя установленную величину расстояния для проведения измерений. Рассмотрим более подробно особенности проведения измерений уровня ПЭМИ вблизи источника излучения (в ближней зоне). Как правило, измерения проводятся в волновой зоне распространения электромагнитной энергии, то есть там, где в пространстве уже сформирована диаграмма направленности излучателя, и поле носит волновой характер. Кроме того, размеры приемной антенны должны соответствовать частотному диапазону принимаемого сигнала. В нашем случае все перечисленные условия нарушены в преобладающем секторе исследуемого частотного диапазона, например для сектора частот 10 кГц – 800 МГц.

Рис.3.4. Частотная зависимость для антенны в сборе с фидерами

В ближней зоне излучения электромагнитное поле имеет сложный характер и для его расчета необходимо решение системы векторных уравнений Гельмгольца. Строгое решение указанных уравнений является задачей электродинамики и относится к теории антенн. В силу того, что с точки зрения безопасности нас интересуют значения напряженностей поля именно в ближней зоне, напомним их основные качественные свойства. В общем случае векторы напряженностей в ближней зоне имеют все три компоненты ЕХ, EY, EZ и HХ, HY, HZ. Зависимость амплитуд напряженностей от расстояния носит нерегулярный характер, а вектор Умова-Пойнтинга является комплексным и по направлению может не совпадать с радиус-вектором R. В ближней зоне сосредоточено определенное количество электромагнитной энергии, которая не излучается в пространство, а лишь ухудшает согласование источника энергии с нагрузкой. С точки зрения измерений, наиболее существенным является то обстоятельство, что в ближнем поле отсутствует однозначная связь между напряженностями электрического и магнитного полей через характеристическое волновое сопротивление свободного пространства (Е/Н=Z0). По этой причине требуется отдельно измерять напряженности электрического и магнитного полей, причем желательно делать это в одной и той же области пространства без дополнительного перемещения оборудования и прокладки фидеров. Кроме того, при измерениях подобного рода требуется специальное оборудование, имеющее широкий динамический диапазон (не менее 50 дБ) и защищенное от перегрузок, а также от взаимного влияния полей.

При измерении электромагнитного поля вблизи технических средств, например при проведении специальных исследований, необходимо учитывать то обстоятельство, что измерительная антенна находится в ближней или промежуточной зоне излучателя, т.е. электрическое поле имеет потенциальный характер [2]. Поэтому наличие потенциала электрического поля, отличного от нуля (чего нет при измерениях в волновой зоне), накладывает определённые требования на затухание асимметричной составляющей сигнала согласующего устройства диполя, из-за недостаточности которого возможна значительная ошибка при измерении поля в ближней зоне излучения посредством антенны, изображенной на Рис.3.1. Упомянутая антенна представляет собой конструктивно объединенные устройства: приемный симметричный вибратор и дифференциальный усилитель с большим входным сопротивлением и несимметричным низкоомным выходом. В основу работы положен принцип преобразования наведенного в приемном вибраторе «частотно независимого (!? авт.) электрического тока в соответствующее ему напряжение на выходе антенны в рабочем диапазоне частот. Дифференциальный усилитель служит для передачи симметричного относительно «земли» тока, наводимого в приемном вибраторе в несимметричную линию передачи с волновым сопротивлением 50 Ом, подключаемую к измерительному прибору. Для обеспечения сверхширокой полосы рабочих частот применены в качестве входных К-МОП транзисторы с изолированным затвором» [3]. При этом необходимо заметить, что антенна типа «диполь» (волновой, полуволновой, четвертьволновой и т.д.), называемая также симметричным вибратором, по определению является частотно зависимым преобразователем электромагнитной энергии [4]. Это следует из самого названия антенны, связанного с длинной волны, то есть частотой (см. формулу (1)).

Обычно конструктивное решение, приведенное в паспорте [3], применяется в индикаторах наличия электромагнитного поля или зондах. Рассмотрим более подробно принцип действия подобного устройства. Входной сигнал (как правило, синусоидальный или близкий к нему), принятый дипольной антенной, поступает на устройство, осуществляющее перемножение входного сигнала «сам на себя». Так, если Uвх,=Usin(wt), то на выходе устройства будет сигнал Uвых=KU2sin2(wt), где U – амплитуда входного сигнала, w – его круговая частота, К – коэффициент передачи устройства.

Это выражение можно преобразовать:

Уравнение 5

Таким образом, в выходном сигнале устройства присутствует постоянная составляющая и переменная составляющая удвоенной частоты. Постоянная составляющая пропорциональна квадрату входного напряжения, поэтому показания индикатора (микроамперметра), подключенного к выходу устройства, будут пропорциональны мощности измеряемого сигнала. Переменную составляющую легко подавить конденсатором достаточной емкости. То есть формально устройство не зависит от частоты, но даже при этом требования к элементной базе подобных устройств остаются актуальными, так как параметры применяемой элементной базы в любом случае зависят от рабочего частотного диапазона. На Рис.3.5 приведена фотография частотно независимого устройства, размещенного в неэкранированной пластиковой трубе, составляющей несущую конструкцию рассматриваемой измерительной антенны.

Рис.3.5. Фото частотно независимого устройства, вид сверху и снизу

В соответствии с п.2.4 второго раздела паспорта [3] «пороговая чувствительность антенны, ограниченная уровнем ее собственных шумов», приведена в Табл.3.2:

Табл. 3.2. Пороговая чувствительность антенны

К сожалению, фирмой-производителем антенны не указаны условия и параметры, при которых была измерена приведенная в Табл.3.2 пороговая чувствительность антенны. Кроме того, в паспорте [3] не указан ГОСТ, требованиям которого должна соответствовать изготовленная антенна. В соответствии с требованиями ГОСТ Р 51319-99 измерители должны градуироваться в дБ относительно 1 мкВ среднего квадратического значения синусоидального напряжения. Измерители совместно с измерительными устройствами должны обеспечивать измерение в дБ  относительно 1 мкВ, 1 мкВ/м, 1 пВт или 1 мкА соответственно. То есть ГОСТ не допускает измерения некой пороговой чувствительности, указанной в Табл.3.2 с размерностью [дБ мкВ/(м*)]. Кроме этого, ГОСТ предусматривает измерение характеристик избирательности на уровне 6 дБ при различных значениях ширины полос пропускания в зависимости от частотного диапазона. Расчет измеренной напряженности электрического поля по паспортным данным представляется невозможным, так как в паспорте [2] отсутствует свидетельство об аттестации антенны, из которого берется коэффициент калибровки антенны на частоте измерения опасного сигнала «частотно независимым преобразователем электрического тока в напряжение на выходе антенны». При этом в соответствии с паспортом [2] основная погрешность калибровки вычисляется по формуле:

Уравнение 6

Наличие подобных упущенных позиций значительно затрудняет анализ характеристик антенны и их соответствия заявленному назначению антенны, приводит к возможности некорректного применения антенны в узкоспециализированных областях.

Как правило, антенны подобного типа должны соответствовать требованиям ГОСТ Р 51319-99 или международному стандарту СИСПР 16-1 со всеми вытекающими отсюда последствиями. В соответствии с требованиями ГОСТ Р 52447-2005 (определяющим номенклатуру показателей качества (и их размерность) средств контроля эффективности защиты информации от утечки по техническим каналам) и уже упомянутым в начале статьи действующим стандартом ANCI C63.2-1980 [1] определим реальную чувствительность антенны в целях проведения специальных исследований с использованием рассматриваемой активной измерительной дипольной антенны.

После чего сравним полученные результаты с требованиями, установленными ГОСТом в нормативной документации ФСТЭК России.

В статье [2] объясняется, почему паспортные данные по пороговой чувствительности реально снижаются на порядок при отсутствии работы в экранированной камере и использовании предварительной преселекции (применении анализатора спектра вместо измерительного приемника). Пример пересчета реальной чувствительности активных антенн для проведения специальных исследований в данной статье приводятся для следующих условий:

1. Расстояние пробного замера ПЭМИ от технического средства вычислительной техники d=1 м.
2. Высота расположения технического средства вычислительной техники и антенны h=1 м.
3. Интенсивность ПЭМИ технических средств определяет радиус минимальной контролируемой зоны (R2=10 м) для сигналов видео-теста.
4. Отношение сигнал/шум при измерениях должно быть не хуже, чем 3, т.е. (UС/UШ)>3, где: UС и UШ напряжения сигнала и шума соответственно.

Метод расчета требуемой реальной чувствительности измерителя поля производится, исходя из заданного значения R2 (R2=10 м) и параметров тест-сигнала. По номограммам находятся уровни ПЭМИ, которые соответствуют этой зоне и определяют требования к реальной чувствительности измерителя поля. Метод изложен в [2].

Пересчет паспортной чувствительности антенны в полосе пропускания измерителя поля выполним на основе подхода, изложенного в [2]. Выражение для расчета пороговой чувствительности ЕША [мкВ/(м*)] имеет вид:

Уравнение 7

где:
ЕСИ – измеренное значение компонента опасного сигнала;
KПФ – пикфактор белого шума при квазипиковом детекторе, KПФ = 6 дБ;
FПР – шумовая полоса средства измерения, равная установленным требованиями ФСТЭК (ANCI C63.2-1980) величинам в зависимости от частоты, Гц;
UС и UШ – напряжения сигнала и шума соответ­ственно, UС/UШ=3.

Подставляя в формулу (5) в качестве ЕША пороговую чувствительность из Табл. 1 (переведенную из [дБ мкВ/(м*)] в размерность [мкВ/(м*)]), выразим реальную чувствительность ЕСИ измерителя поля как минимально возможное измеренное значение компонента опасного сигнала:

Уравнение 8

Расчеты по формуле (6) приведены в Табл.3.3.

Для промежуточных частотных точек (отсутствующих в паспорте, но установленных требованиями ANCI C63.2-1980) в Табл.3.3 взяты соседние паспортные значения из Табл.3.2 (снизу и сверху).

Табл. 3.3. Расчеты реальной чувствительности измерителя поля

Частота , МГц	FПР, Гц	Пороговая чувствительность дБ мкВ/(м*), не более	Загрубление уровня реальной чувствительности измерителя поля по сравнению с требуемой чувствительностью, установленной нормативными документами, дБ
0,01	200	10	19,03
0.15	200	1	10,03
0,15	9000	1	16,11
0,15	200	1	10,03
0,15	9000	1	16,11
1	9000	-10	5,11
1	9000	-10	15,56
10	9000	-15	10,56
30	9000	-15	10,56
30	120000	-15	17,38
30	9000	-25	0,56
30	120000	-25	7,38
100	120000	-25	7,38
100	120000	-25	15,33
1000	120000	-25	15,33
2000	120000	-27	15,33

Анализ последнего столбца Табл.3.3 показывает, что использование исследуемой антенны в комплекте с анализатором спектра при проведении специальных исследований и контроле эффективности защиты информации от утечки по техническим каналам нецелесообразно, так как во всех частотных полосах (при возможных комбинациях установленных  FПР) антенна обладает недостаточной чувствительностью по сравнению с установленной нормативными документами. Из Табл.3.3 следует, что при использовании исследуемой антенны наиболее вероятен пропуск опасного сигнала в диапазоне низких частот до 500 кГц и в диапазоне высоких частот от 100 МГц до 2 ГГц. При этом не учитывались интермодуляционные помехи и шумы, свойственные широкополосным активным антеннам, которые могут снизить примерно на 10 – 20 дБ предельную чувствительность, приблизив ее к реальной чувствительности измерителя.

Полученные результаты пересчета загрубления уровня реальной чувствительности в Табл.3.3 и параметры тестирования из Рис.2 – Рис.4 заставляют задуматься и глубже исследовать применимость исследуемой антенны в области технической защиты информации. К подобной антенне в комплекте документации прилагается «Сертификат о калибровке средств измерений», содержащий метрологические характеристики с учетом поправок. Сертификат выдан органом Государственной метрологической службы в процессе добровольной сертификации изделия его изготовителем. Обязательная процедура получения сертификата о калибровке этой же антенны в независимом органе Государственной метрологической службы (далее – ГМС) в соответствии с требованиями ГОСТ Р 51319-99 [5] привела к результатам, значительно отличающимся от параметров сертификата производителя как по диапазону частот, так и по значению коэффициента калибровки. Для сравнения результаты приведены в Табл.3.4.

Табл. 3.4. Сравнение результатов калибровкиантенны от фирмыпроизводителя и отнезависимого органа ГМС.

В качестве вывода хотелось бы привести цитату из [6]: «Мы надеемся, что этой публикацией нам удалось убедить вас в непригодности грубых инструментов для такого тонкого дела, как исследование ПЭМИ. Если же вы дочитали эту статью до конца, но вас продолжает тревожить вопрос: «Нельзя ли все-таки проводить измерения чем-нибудь попроще?», – мы ответим: «Конечно, можно!.. Особенно, если вас не волнует конечный результат »».

Список литературы

1. Karl-Otto Muller. Procedures for Granting Licenses for the Operation of RF Devices, Radio and TV Receivers in Western Germany. 1987 by Rohde & Schwarz, Muhldorfstrabe 15, D-8000 Munchen 80.
2. Данилов Н.С., Калинин С.В., Суворов П.А. «Требования к нестандартным малогабаритным измерительным антеннам для контроля побочных электромагнитных излучений».
3. Антенна измерительная дипольная 0,009…2000 МГц. Паспорт и инструкция по эксплуатации ПИ 2.729.021-03ПС.
4. Д.Дэвис, Дж.Карр. Карманный справочник радиоинженера. Пер. с английского Сенниковой Т.И., М. Изд. дом «Додека-ХХI», 2006.
5. ГОСТ Р 51319-99 Приборы для измерения индустриальных радиопомех. Технические требования и методы испытаний.
6. Михалев Л.А., Новичков И.С., Сергеев А.А., Сталенков С.Е. Исследования побочных электромагнитных излучений технических средств. М. «Гротек», «Системы безопасности связи и телекоммуникаций», №39, 2001 г.