Защита информации от утечки через ПЭМИН осуществляется с применением пассивных и активных методов и средств.
Пассивные методы защиты информации направлены на:
- ослабление побочных электромагнитных излучений (информационных сигналов) ОТСС на границе контролируемой зоны до величин, обеспечивающих невозможность их выделения средством разведки на фоне естественных шумов;
- ослабление наводок побочных электромагнитных излучений в посторонних проводниках и соединительных линиях, выходящих за пределы контролируемой зоны, до величин, обеспечивающих невозможность их выделения средством разведки на фоне естественных шумов;
- исключение или ослабление просачивания информационных сигналов в цепи электропитания, выходящие за пределы контролируемой зоны, до величин, обеспечивающих невозможность их выделения средством разведки на фоне естественных шумов.
Активные методы защиты информации направлены на:
- создание маскирующих пространственных электромагнитных помех с целью уменьшения отношения сигнал/шум на границе контролируемой зоны до величин, обеспечивающих невозможность выделения средством разведки информационного сигнала;
- создание маскирующих электромагнитных помех в посторонних проводниках и соединительных линиях с целью уменьшения отношения сигнал/шум на границе контролируемой зоны до величин, обеспечивающих невозможность выделения средством разведки информационного сигнала.
Рассмотрим более подробно наиболее распространенные методы пассивной и активной защиты от ПЭМИН.
Экранирование технических средств
Как известно из предыдущих лекций, при функционировании технических средств обработки, приема, хранения и передачи информации (ТСПИ) создаются побочные токи и поля, которые могут быть использованы злоумышленником для съема информации. Подводя итог, можно сделать вывод, что между двумя токопроводящими элементами могут возникнуть следующие виды связи:
- через электрическое поле;
- через магнитное поле;
- через электромагнитное поле;
- через соединительные провода.
Основной характеристикой поля является его напряженность. Для электрического и магнитного полей в свободном пространстве она обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника сигнала. Напряженность электромагнитного поля обратно пропорциональна первой степени расстояния. Напряжение на конце проводной или волновой линии с расстоянием падает медленно. Следовательно, на малом расстоянии от источника сигнала имеют место все четыре вида связи. По мере увеличения расстояния сначала исчезают электрическое и магнитное поля, затем - электромагнитное поле и на очень большом расстоянии влияет только связь по проводам и волноводам.
Одним из наиболее эффективных пассивных методов защиты от ПЭМИ является экранирование . Экранирование - локализация электромагнитной энергии в определенном пространстве за счет ограничения распространения ее всеми возможными способами.
Различают три вида экранирования :
- электростатическое;
- магнитостатическое;
- электромагнитное.
Электростатическое экранирование заключается в замыкании электростатического поля на поверхность металлического экрана и отводе электрических зарядов на землю (на корпус прибора) с помощью контура заземления. Последний должен иметь сопротивление не больше 4 Ом. Применение металлических экранов весьма эффективно и позволяет полностью устранить влияние электростатического поля. При правильном использовании диэлектрических экранов, плотно прилегающих к экранируемому элементу, можно ослабить поле источника сигнала в ε раз, где ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала экрана.
Эффективность применения экрана во многом зависит от качества соединения корпуса ТСПИ с экраном. Здесь особое значение имеет отсутствие соединительных проводов между частями экрана и корпусом ТСПИ.
Основные требования, которые предъявляются к электрическим экранам, можно сформулировать следующим образом :
- конструкция экрана должна выбираться такой, чтобы силовые линии электрического поля замыкались на стенки экрана, не выходя за его пределы;
- в области низких частот (при глубине проникновения (δ) больше толщины (d), т.е. при δ > d) эффективность электростатического экранирования практически определяется качеством электрического контакта металлического экрана с корпусом устройства и мало зависит от материала экрана и его толщины;
- в области высоких частот (при d < δ) эффективность экрана, работающего в электромагнитном режиме, определяется его толщиной, проводимостью и магнитной проницаемостью.
При экранировании магнитных полей различают низкочастотные магнитные поля и высокочастотные. используется для наводок низкой частоты в диапазоне от 0 до 3…10 кГц. Низкочастотные магнитные поля шунтируются экраном за счет направленности силовых линий вдоль стенок экрана.
Рассмотрим более подробно принцип магнитостатического экранирования .
Вокруг элемента (пусть это будет виток) с постоянным током существует магнитное поле напряженностью H 0 , которое необходимо экранировать. Для этого окружим виток замкнутым экраном, магнитная проницаемость µ которого больше единицы. Экран намагнитится, в результате чего создастся вторичное поле, которое ослабит первичное поле вне экрана. То есть силовые линии поля витка, встречая экран, обладающий меньшим магнитным сопротивлением, чем воздух, стремятся пройти по стенкам экрана и в меньшем количестве доходят до пространства вне экрана. Такой экран одинаково пригоден для защиты от воздействия магнитного поля и для защиты внешнего пространства от влияния магнитного поля созданного источником внутри экрана (Рисунок 16.1) .
Рис.
16.1.
Основные требования, предъявляемые к магнитостатическим экранам, можно свести к следующим :
- магнитная проницаемость µ материала экрана должна быть возможно более высокой. Для изготовления экранов желательно применять магнитомягкие материалы с высокой магнитной проницаемостью (например, пермаллой);
- увеличение толщины стенок экрана приводит к повышению эффективности экранирования , однако при этом следует принимать во внимание возможные конструктивные ограничения по массе и габаритам экрана;
- стыки, разрезы и швы в экране должны размещаться параллельно линиям магнитной индукции магнитного поля. Их число должно быть минимальным;
- заземление экрана не влияет на эффективность магнитостатического экранирования .
Эффективность магнитостатического экранирования повышается при применении многослойных экранов.
Электромагнитное экранирование применяется на высоких частотах. Действие такого экрана основано на том, что высокочастотное электромагнитное поле ослабляется им же созданными вихревыми токами обратного напряжения. Этот способ экранирования может ослаблять как магнитные, так и электрические поля, поэтому называется электромагнитным.
Упрощенная физическая сущность электромагнитного экранирования сводится к тому, что под действием источника электромагнитной энергии на стороне экрана, обращенной к источнику, возникают заряды, а в его стенках – токи, поля которых во внешнем пространстве противоположны полям источника и примерно равны ему по интенсивности. Два поля компенсируют друг друга.
С точки зрения волновых представлений эффект экранирования проявляется из-за многократного отражения электромагнитных волн от поверхности экрана и затухания энергии волн в его металлической толще. Отражение электромагнитной энергии обусловлено несоответствием волновых характеристик диэлектрика, в котором расположен экран и материала экрана. Чем больше это несоответствие, чем больше отличаются волновые сопротивления экрана и диэлектрика, тем интенсивнее частичный эффект экранирования определяемый отражением электромагнитных волн .
Выбор материала для экрана зависит от многих условий. Металлические материалы выбирают по следующим критериям и условиям:
- необходимость достижения определенной величины ослабления электромагнитного поля при наличии ограничения размеров экрана и его влияния на объект защиты;
- устойчивость и прочность металла как материала.
Среди наиболее распространенных металлов для изготовления экранов можно назвать сталь, медь, алюминий, латунь. Популярность этих материалов в первую очередь обусловлена достаточно высокой эффективностью экранирования . Сталь популярна также вследствие возможности использования сварки при монтаже экрана.
К недостаткам листовых металлических экранов можно отнести высокую стоимость, большой вес, крупные габариты и сложность монтажа. Этих недостатков лишены металлические сетки . Они легче, проще в изготовлении и размещении, дешевле. Основными параметрами сетки является ее шаг, равный расстоянию между соседними центрами проволоки, радиус проволоки и удельная проводимость материала сетки. К недостаткам металлических сеток относят, прежде всего, высокий износ по сравнению с листовыми экранами.
Для экранирования также применяются фольговые материалы . К ним относятся электрически тонкие материалы толщиной 0,01…0,05 мм. Фольговые материалы в основном производятся из диамагнитных материалов – алюминий, латунь, цинк.
Перспективным направлением в области экранирования является применение токопроводящих красок , так как они дешевые, не требуют работ по монтажу, просты в применении. Токопроводящие краски создаются на основе диэлектрического пленкообразующего материала с добавлением в него проводящих составляющих, пластификатора и отвердителя. В качестве токопроводящих пигментов используют коллоидное серебро, графит, сажу, оксиды металлов, порошковую медь, алюминий.
Токопроводящие краски лишены недостатков листовых экранов и механических решеток, так как достаточно устойчивы в условиях резких климатических изменений и просты в эксплуатации.
Следует отметить, что экранироваться могут не только отдельные ТСПИ, но и помещения в целом. В неэкранированных помещениях функции экрана частично выполняют железобетонные составляющие в стенах. В окнах и дверях их нет, поэтому они более уязвимы.
При экранировании помещений используются: листовая сталь толщиной до 2 мм, стальная (медная, латунная) сетка с ячейкой до 2,5 мм. В защищенных помещениях экранируются двери и окна. Окна экранируются сеткой, металлизированными шторами, металлизацией стекол и оклеиванием их токопроводящими пленками. Двери выполняются из стали или покрываются токопроводящими материалами (стальной лист, металлическая сетка). Особое внимание обращается на наличие электрического контакта токопроводящих слоев двери и стен по всему периметру дверного проема. При экранировании полей недопустимо наличие зазоров, щелей в экране. Размер ячейки сетки должен быть не более 0,1 длины волны излучения.
В защищенной ПЭВМ, например, экранируются блоки управления электронно-лучевой трубкой, корпус выполняется из стали или металлизируется изнутри, экран монитора покрывается токопроводящей заземленной пленкой и (или) защищается металлической сеткой.
Следует отметить, что помимо функции защиты от утечки информации через ПЭМИН, экранирование может снизить вредное воздействие электромагнитного излучения на людей и уровень шумов при работе ТСПИ.
Вероятно, не существует другой такой отрасли, которая так высоко ценила бы надежную работу кабелей, как теле- и радио- вещание. Ведь любые ошибки, возникающие в сигнале, немедленно исказят передаваемую информацию. Индустрия теле- и радио- вещания сталкивается с проблемой помех начиная со студий и заканчивая передающими устройствами. Поэтому не удивительно, что с момента начала вещания первой радиостанции инженеры находятся в постоянном поиске лучшего способа экранирования, способного обеспечить целостность сигнала, отсутствие потерь качества передаваемой информации.
Термин «электромагнитные помехи» начал использоваться с начала 1960-х для обозначения помех, влияющих на весь электромагнитный спектр. До того времени проблемы с помехами возникали в основном при передаче радиосигналов, а, следовательно, назывались радиочастотными помехами. Сегодня все помехи в неионизирующей части электромагнитного спектра относятся к электромагнитным. По этой причине такие различные проблемы, как помехи от контуров заземления, общих путей сопротивления, прямого влияния магнитных/электрический полей, статических зарядов, излучение источников питания или силовых линий - все это попадает под широкий термин электромагнитных помех.
Однако существует другой тип шумов, связанный с движением компонентов кабеля - это трибоэлектрические шумы. Их причиной служат статический или пьезоэлектрический эффекты. С такими шумами сталкиваются при использовании проводов, часто подверженных сгибанию или ударам (гитарные, микрофонные кабели). К счастью, со многими шумами можно побороться при помощи хорошей экранировки. Давайте детально рассмотрим принципы работы экранирования и его различные типы, встречающиеся на рынке.
Экран кабеля располагается между сердечником и внешней оболочкой. В случае, если кабель многожильный, экран может обвивать все жилы одновременно или, в случае, если необходимо избежать влияния сигналов одной жилы на другую, каждую жилу отдельно. Существует множество различных вариантов экранировки, каждый тип имеет свои преимущества и недостатки, которые необходимо учитывать для выбора наиболее подходящего и экономичного варианта. На рынке имеются следующие варианты экранов:
Оплетка . Оплетка сохраняет хорошую гибкость кабеля и имеет большой срок службы. Она отлично препятствует влиянию низкочастотных помех и имеет меньшее сопротивление, чем фольга, для постоянного тока. Данный тип экрана подходит для аудио кабелей и кабелей, передающих информацию в радиочастотном диапазоне. Чем больше процент перекрытия, тем эффективнее экранировка.
Пленка . Пленочные экраны состоят из алюминиевой фольги, покрытой слоем полипропилена или полиэфира. Они полностью покрывают проводник, дешевле, легче и тоньше. Благодаря малой толщине фольгу удобно использовать для экранирования отдельных компонентов кабеля. При помощи клея ее легко соединить с внешней оболочкой или слоем диэлектрика. Пленочный экран лучше борется с помехами на высоких частотах, но при частых изгибах имеет короткий срок службы. Для того, чтобы в конструкции экрана из фольги отсутствовал шов, через который может проходить электромагнитное поле, вызывающее помехи, один из краев фольги складывается, обеспечивая замыкающий слой.
Комбинированный экран из оплетки и пленки. Комбинированный экран, состоящий из нескольких защитных слоев, позволяет эффективно бороться с помехами во всем частотном диапазоне. Сочетание фольги и оплетки позволяет обеспечить стопроцентное покрытие кабеля экраном и высокую гибкость, прочность и низкое сопротивление постоянному току.
Экран типа French Braid. Он состоит из двух встречных многожильных спиралей, жилы которых изготовлены из медной проволоки без покрытия или покрытой оловом, с чередующимся перехлёстом вдоль единственной смещенной оси. Данная конструкция позволила увеличить гибкость и прочность кабеля, в два раза уменьшить уровень трибоэлектрических и микрофонных шумов. Снизилось также и сопротивление постоянному току.
Методы тестирования.
Данные тестов позволят наилучшим образом подобрать оптимальный по конструкции и цене кабель. Для начала необходимо ответить на простые вопросы:
- Влияние какого типа помех будет наиболее значимым?
- Какова полоса частот?
- Для чего необходимо экранирование? Для защиты от воздействия внешних полей на сигнал, передаваемый по кабелю, или для предотвращения выхода электромагнитного поля, порождаемого проходящими по кабелю токами, за пределы кабеля?
- Будет ли подвержен кабель механическому воздействию?
Ниже приведены несколько тестов, а также их цели, методология и значение результатов.
Тест на полное передаточное сопротивление. Этот тест наиболее широко признан и позволяет получить абсолютный показатель эффективности экрана в борьбе с помехами от статических зарядов и излучения на частотах до 1000 МГц. Этот метод рекомендован международной электротехнической комиссией и военными. Значение передаточного сопротивления зависит от конструкции экрана кабеля и чем оно ниже, тем экран эффективнее. Значение полного передаточного сопротивления рассчитывается на основе отношения сигнала в коаксиальном кабеле к сигналу, улавливаемому детектором во внешней среде. Экран разделяет внешнюю среду и среду внутри кабеля.
Поглощающий зажим. Этот компактный прибор эффективно улавливает сигналы, излучаемые кабелем, без разрушения провода. Результаты сравниваются с уровнем излучения аналогичного кабеля той же длины, но без экрана. Затем по разности этих двух значений устанавливается эффективность экранирования.
GTEM ячейка. Этот прибор действует в поперечной составляющей гигагерцовых электромагнитных волн (Gigahertz Transverse Electromagnetic Mode). Кусок кабеля, разъем или электронное устройство помещаются внутрь камеры ячейки, после чего они могут быть либо подвергнуты влиянию поля известной величины, либо ячейка может выступать в качестве детектора, улавливающего излучаемые сигналы. Частотный диапазон данного метода составляет до 1 ГГц.
Flex Test. Эффективность экранирования в процессе эксплуатации также важна. А значит в тех ситуациях, когда кабель подвергается значительным механическим воздействиям, имеет смысл сравнить эффективность экранирования до и после нагрузок, таких как скручивание или изгиб. По этим данным можно дать информацию об остаточном ресурсе экрана кабеля.
Технологии, применяемые при производстве кабелей, становятся все более сложными. Спрос на современную кабельную продукцию и новейшие методы тестирования продолжает расти. Поэтому сейчас так важно разрабатывать системы, позволяющие с самого начала оценивать влияние тех или иных помех на передаваемый сигнал для того, чтобы можно было находить наиболее оптимальные варианты конструкции кабелей.
Под экранированием понимают конструкторские приемы ослабления электромагнитного поля (ЭМП) помех в пределах определенного пространства, позволяющие повысить помехозащищенность и обеспечить электромагнитную совместимость САУ ЛА. Применяют два варианта экранирования. В первом случае экранируемая аппаратуpa размещается внутри экрана, а источник помех – вне его, во втором - экранируется источник помех, а защищаемая от помех аппаратура располагается вне экрана. Первый вариант используют при защите от внешних помех, второй - внутренних. В обоих вариантах в качестве экранов используются металлические оболочки. Поскольку применение экранов приводит к увеличению массы и стоимости САУ ЛА, то экранирование считается вынужденной мерой, которая применяется, после того, как исчерпаны другие возможности (схемотехнические и конструктивные). Одновременно с выполнением основной функции – ослабления поля помех – экран оказывает воздействие на собственные параметры цепей и контуров экранируемого объекта, что связано с перераспределением ЭМП при установке экрана. Функции экранов часто выполняют кожухи, панели и крышки приборов блоков и стоек. В общем случае металлический экран толщиной 0,025...1 мм (например, корпус САУ ЛА) в той или иной степени ослабляет ЭМП помех. Для повышения эффективности экранирования конструкцию экрана (материал, форму, толщину и т.п.) выбирают по результатам соответствующего анализа.
На рис. 3.28 показана электромагнитная волна частотой f (гц) и характеристическим сопротивлением Z w , которая падает на экран толщиной t (м) с магнитной проницаемостью (мкГн/м) и удельным сопротивлением(Ом м). Характеристическое сопротивление экрана на частоте f равно (по модулю)
где = (м) - толщина скин-слоя (толщина слоя в веществе, при прохождении которого электромагнитное поле ослабляется в е раз).
Различие характеристических сопротивлений волны и экрана приводит к тому, что волна частично отражается от границы раздела воздух- экран, а частично проникает сквозь экран, где часть ее энергии превращается в тепло. Достигнув границы раздела экран - воздух, волна частично отряжается обратно, а частично проходит через экран.
Распространяющаяся в материале экрана электромагнитная волна
испытывает многократное отражение и в результате полностью рассеивается или превращается в тепло. Эффективность экранирования S обычно выражается в децибеллах (дБ) и представляется в виде суммы S = R+A+B , где R – затухание за счет отражения электромагнитной энергии от границ раздела воздух-экран и экран-воздух для основной волны; A – затухание за счет поглощения, вызванное тепловыми потерями от возбуждаемых вихревых токов в металле и потерями на перемагничивание (для феромагнитных материалов); B – затухание электромагнитной энергии за счет многократных внутренних переотражений в толще экрана для остальных составляющих волн (так как параметр B обычно меньше двух других слагаемых, то им часто пренебрегают). Таким образом, S R + A . Параметры R и A могут быть определены следующим образом
где Z s и Z v – характеристические сопротивления экрана и воздуха, соответственно.
На рис. 3.29 показана зависимость параметров R, A и S от частоты. Эффективность экранирования в точке C минимальная.
Из уравнений Максвелла, описывающих распространение электромагнитного поля, следует, что в ближней зоне источника помехи (при r, где r – расстояние от источника помехи; - длина волны электромагнитного поля) с увеличением r характеристическое сопротивление воздуха электрическому полю уменьшается, а характеристическое сопротивление воздуха магнитному полю возрастает (рис. 3.30). В дальней зоне (r) электрическое и магнитное поля имеют примерно равные волновые сопротивления, близкие к характеристическому сопротивлению воздуха электромагнитному полю
.
В ближней зоне (r < ) значение Z w может быть больше, равно или меньше Z v . Если Z w > Z v , то преобладает напряженность электрического поля и оно стремится индуцировать разность потенциалов в ближайших проводниках. Если Z w < Z v , то преобладает магнитное поле, которое индуцирует ток в ближайших проводниках.
В ближней зоне (на низких частотах) обычно используется экранирование электрической или магнитной составляющей. Электромагнитные явления здесь рассматриваются как квазистационарные, т.е. протекающие достаточно медленно. В дальней зоне (на высоких частотах) экранируют электромагнитные поля. Соответственно, применяемые экраны условно подразделяют на электростатические, магнитостатические и электромагнитные.
Принцип действия электромагнитного экрана описан выше.
Экранированный кабель используется в случаях, когда необходима качественная защита от электромагнитных полей, которые возникают из-за проходящих по кабелю токов; также экранирование образует симметричное электрическое поле вокруг токопроводящей жилы. Бывает и обратная ситуация, когда экранирование используется для защиты передаваемого сигнала от внешних помех. Чаще всего экранирующая оболочка изготавливается из металлических лент, фольги или электропроводящей кабельной бумаги.
Плюсы экранирования
Целесообразность экранирования кабеля и тип экрана определяется исходя из будущих условий эксплуатации, а также технических характеристик кабеля. Экранирующая оболочка улучшает прочность и надежность изоляции, защищает от негативных воздействий внешней среды, а при использовании в муфте минимизирует вероятность образования электрических разрядов на оболочке кабеля.
Особенности использования экранированных кабелей
Экранирующая оболочка из тонкой металлической ленты (алюминиевой или медной) используется, как правило, для работы с током силой до 50А. Если есть необходимость в силовом экранированном кабеле, то в этом случае экран должен изготавливаться из медной проволоки увеличенного диаметра. Для кабелей, рассчитанных на среднее напряжение, иногда используется комбинированная оболочка из медной проволоки и металлической ленты. Для выравнивания напряженности электрического поля в силовых кабелях класса 6-10 кВ используются электропроводящие экраны.
Виды экранированных кабелей:
1.
Силовые кабели
Экранированный силовой кабель является, пожалуй, одним из наиболее распространенных видов кабелей. Он может использоваться для работы с напряжением 6-10 кВ. Экранирующая оболочка такого кабеля создается с таким расчетом, чтобы защитить внешнюю среду от возникающих внутри кабеля электромагнитных полей. Популярные марки силовых кабелей – ПвП (медная кабельная жила) и АПвП (алюминиевая кабельная жила). В данном случае экранирующей оболочкой служит слой из токопроводящей пероксидносшиваемой пленки, а также оболочка из медной ленты и проволоки. При этом сечение экранирующего слоя определяется исходя из планируемой токовой нагрузки.
2. Комбинированные кабели (кабель управления и силовой кабель в единой оболочке)
Распространенными марками комбинированного кабеля являются КГПЭУ и КГЭУ. Используются в системах промышленной автоматизации, а также для подключения передвижных машин (экскаваторов, самоходных вагонов) к электросети. Экраном служит электропроводящая резина (КГЭУ) или алюмолавсановая лента вместе с оплеткой из медной проволоки (КГПЭУ).
3.
Контрольные кабели
Контрольные экранированные кабели используются для передачи информации о состоянии и работе контролируемых объектов, приборов и установок, доступ к которым ограничен. Марки: КВВГ , КГВЭВ, КВВГЭ, АКВВГЭ и др. Экранирующий слой – обмотка из тонкой медной фольги или проволоки.
4. Кабели сигнально-блокировочные
Кабели этого типа используются в кабельных системах со строгими требованиями к защите сигнала: измерительные приборы, сигнализация, охранные и противопожарные системы и др. Марки сигнально-блокировочных кабелей: СБВГ, СБПБГ, СББбШв. Для экранирования сигнально-блокировочных кабелей применяется алюмополиэтиленовая лента .
5. Кабели связи , LAN и пр.
Что касается кабелей связи, а также кабелей, используемых в компьютерных сетях, то наибольшее распространение получили различные марки кабеля UTP («витая пара»). В зависимости от конкретного типа они бывают экранированы медной оплеткой, фольгой или комбинированное экранирование.
Наиболее существенное ослабление воздействиям ЭМИ на электронные системы и их элементы можно получить, применяя электромагнитные экраны .
Электромагнитными экранами называются конструкции, предназначенные для ослабления электромагнитных полей, создаваемых какими-либо источниками в некоторой области пространства, не содержащей этих источников, и широко используемые в современной электротехники.
В подавляющем большинстве случаев электромагнитные экраны делаются из металла: меди, алюминия, стали.
Принцип действия электромагнитного экрана заключается в следующем. Под действием первичного поля на поверхности экрана индуцируются заряды, а в его толще – токи и магнитная поляризация. Эти заряды, токи и поляризация создают вторичное поле. От сложения вторичного поля с первичным образуется результирующее поле, которое оказывается слабее первичного в защищаемой области пространства.
Электромагнитный экран – система линейная; отсюда следует, что для него справедлив принцип взаимности перемещений. Сказанное, в частности, означает, что эффективность экрана - коробки сохраняется одной и той же независимо от того расположен ли внутри него источник поля или защищенная область пространства. Это положение имеет большое практическое значение, так как при излучении эффективности экранирования позволяет ограничиться случаем расположения источника поля внутри экрана.
Количественную оценку эффективности электромагнитного экрана (эффективность экранирования) можно характеризовать отношением напряженности поля в защищенной области пространства при отсутствии экрана Е 0 , Н 0 и при наличии его (Е , Н ):
Величина Э Е , Н может быть выражена в простых отношениях или в децибелах (дБ).
Эффективность экрана существенно зависит от характера источника поля. Разнообразие возможных источников бесконечно: однако любой реальный источник может быть с необходимой точностью представлен в виде более или менее сложной совокупности электрических диполей и витков (рамок) с током (магнитных диполей).
В основе различия поведения экрана по отношению к разным реальным источникам лежит различие в его поведении по отношению к электрическому и магнитному диполям. Последнее различие является следствием разной структуры полей этих двух источников. В свободном пространстве при
где r – расстояние от источника;
λ – длина волны, различие в структурах полей обоих источников стирается: в любой точке пространства Е и Н практически синфазны, а их отношение оказывается почти такими же, как и в плоской волне, т.е. Е /Н = 120π Ом.
При r << λ/2πотношение Е /H зависит от положения точки наблюдения. В экваториальной плоскости (плоскости, проходящей через диполя перпендикулярно к его оси) оно приближенно и определяется следующими формулами:
Для электрического диполя:
Для магнитного диполя
Таким образом, с уменьшением r или увеличением λ (с уменьшением частоты f ) отношение Е к Н в случае электротехнического поля растет, роль магнитной составляющей убывает, и оказывается возможным рассматривать поле как квазиэлектростатическое.
В общем случае экран не только ослабляет, но и искажает поле источника в защитной области пространства. Поэтому его эффективность различна для электрической и магнитной составляющих поля. Это обстоятельство существенно затрудняет ее количественную оценку.
Только в простейших случаях эффективность экрана определяется однозначно (например, экранирование полупространства от плоской электромагнитной волны бесконечным однородным экраном).
Для последнего случая можно получить формулу, удобную для практических расчетов:
где σ – удельная проводимость материала экрана, см/м;
d – толщина экрана, м;
δ – эквивалентная глубина проникновения,
т.е. расстояние, на котором электромагнитная волна ослабевает в е раз и отстает на π/2 .
где A – коэффициент материала;
μ a – абсолютная магнитная проницаемость;
f – частота электромагнитного излучения, Гц.
Электрофизические параметры, данные об эквивалентной глубине проникновения для материалов экранов, представляющих наибольший интерес, приведены в таблицах 5.8 и 5.9.
Таблица 5.8 Электрические параметры некоторых металлов
Таблица 5.9. Эквивалентная глубина проникновения δ для различных экранирующих материалов, мм
| Частота f , Гц | Медь | Латунь | Алюминий | Сталь | Пермаллой μ r = 12 000 | |
| μ r = 50 | μ r = 100 | |||||
| 10 2 | 6,700 | 12,400 | 8,800 | 2,300 | 1,540 | 0,380 |
| 10 3 | 2,100 | 3,900 | 2,750 | 0,700 | 0,490 | 0,120 |
| 10 4 | 0,670 | 1,240 | 0,880 | 0,230 | 0,154 | 0,038 |
| 10 5 | 0,210 | 0,390 | 0,275 | 0,070 | 0,049 | 0,012 |
На высоких частотах при относительно большой толщине материала d > δ эффективность экрана можно определить по приближенному уравнению
где d – толщина стенок экрана;
δ – эквивалентная глубина проникновения;
D – ширина прямоугольного экрана или диаметр цилиндрического или сферического;
μ r – относительная магнитная проницаемость;
m – коэффициент формы экрана, для прямоугольного m = 1, для цилиндрического m = 2 и для сферического m = 3.
Величину Э пл можно рассматривать как произведение двух сомножителей:
Первый из сомножителей характеризует эффективность отражения первичной падающей волны электрического поля от поверхности экрана.
Можно получить следующие приближенные зависимости для оценки величины первого сомножителя зависимости (5.14):
Из формулы (5.15) видно, что с увеличением толщины экрана величина Э пл.отр возрастает до некоторой величины, после чего не меняется. Это и понятно, так как при d > δ явления на поверхности практически перестают зависеть от d .
С повышением частоты эффективность отражения сначала сохраняется неизменной, а потом начинает уменьшаться и при d > δ оказывается практически обратно пропорциональной . Причина в том, что из-за поверхностного эффекта возрастает поверхностное сопротивление экрана.
Второй сомножитель формулы (5.14) характеризует степень ослабления электрической составляющей при проникновении поля сквозь толщу стенки экрана. Приближенно его можно оценить по зависимости
Формулы (5.12) позволяют сравнивать между собой различные металлы, как материалы для экрана. Действительно, при d/ δ < 0,1 эффективность экрана пропорциональна удельной проводимости δ и не зависит от магнитной проницаемости материала. Следовательно, при равных толщинах медный экран лучше алюминиевого и намного лучше стального. Однако с ростом толщины d или частоты f картина изменяется, так как существенную роль при определении Э начинает играть член е d/ δ . А так как у стали толщина поверхностного слоя много меньше, чем у меди и алюминия, то стальной экран оказывается более эффективным. Граничная частота f гр, при которой эффективность стального и медного экранов одна, зависит от d и определяется формулой
где μ – относительная магнитная проницаемость стали.
При произвольной форме экрана и конечных размерах диполя (источника поля) количественная оценка эффективности экранирования сильно затруднена. Поэтому для получения такой оценки обратимся к простейшему случаю – шаровому экрану.
Эффективность шарового экрана с внутренним радиусом R и толщиной стенок d по отношению к элементарному диполю, расположенному в его центре, при d << R << λ2π определяется формулой
где Э пл находится из (5.12).
Электромагнитная волна элементарного диполя не плоская, а сферическая; однако при d << R можно считать поле в толще стенок экрана плоским и воспользоваться для оценки ослабления его формулой (5.17), а для оценки ослабления поля от экрана следующей приближенной зависимостью:
Нетрудно видеть, что с повышением частоты эффективность ослабления уменьшается.
Расчеты и испытания показывают, что на частотах ниже 100 кГц плоский стальной экран менее эффективен, чем медный и алюминиевый, но на частотах выше 1 МГц его эффективность уже на пять порядков выше эффективности плоского медного экрана. Эти соотношения сохраняются и для шаровых экранов при экранировании диполей обоих типов. Напомним, что большая часть энергии ЭМИ излучается в диапазоне частот 15 ÷ 30 кГц.
Эффективность экранирования замкнутыми экранами источников типа электрического диполя очень велика. Даже при толщине стенок 0,1 мм она на всех частотах при всех практически возможных размерах и для всех трех рассмотренных материалов превышает 106 (120 дБ).
При экранировании источников типа магнитный диполь на частотах порядка 10 кГц и ниже для получения большой эффективности экран должен быть толстостенным. Так на частоте 10 кГц при R = 100 мм эффективность экранов различной толщины принимает значения, приведенные в таблице 5.10.
Таблица 5.10. Эффективность экранов различной толщины
В случае замкнутого экрана поле может проникнуть в экран только через толщу стенок.
Из сказанного ранее следует, что соответствующим выбором материала экрана и толщины стенок принципиально можно получить сколь угодно большую эффективность экранирования. В реальных же экранах неизбежны более или менее значительные отверстия и щели, которые образуют дополнительный канал для проникновения поля. Вследствие этого эффективность экрана уменьшается.
Если стенки очень тонкие, а отверстия и щели незначительны, то поле внутри экрана создается в основном за счет проникновения через стенки. Смена материала и утолщение стенок могут в этом случае повысить эффективность экранирования. Напротив, если стенки относительно толстые, а отверстия и щели значительны, то поле внутри экрана создается в основном за счет проникновения через эти отверстия и щели, так что утолщение стенок малоэффективно.
В большинстве ситуаций свойства экрана часто определяются не толщиной и типом материала, а дефектами – отклонениями от идеальной конструкции. Этими дефектами являются в основном различные отверстия и щели (нарушения однородности экрана).
Анализ проникновения электромагнитного поля через малое отверстие в бесконечно тонком идеально проводящем экране позволяет сделать следующие выводы. Круглое и квадратное отверстие одной и той же площади пропускают электромагнитное поле практически одинаково. Через узкую щель поле проникает слабее, чем через квадратное отверстие той же площади. Особый интерес представляет то обстоятельство, что при данной форме отверстия момент эквивалентности диполя пропорционален площади этого отверстия в степени три вторых. Из этого следует, что замена одного большого отверстия несколькими малыми, общая площадь которых равна площади этого большого отверстия, будет способствовать улучшению эффективности экрана. Расчеты показывают, что замена одного большого отверстия N малыми с той же общей площадью, ведет к ослаблению поля, проникающего в защищаемую область пространства в раз.
Ориентировочно ослабление поля, проникающего через отверстие, вследствие конечности толщины стенок d можно учесть, рассматривая отверстие как запредельный волновод – волноводный фильтр. Обозначив коэффициент ослабления такого поля через Э α , можно соответственно принять
где α зависит от характера поля, формы и величины отверстия. Значение α для круглого и прямоугольного отверстия приведены в таблице 5.11.
Проникновение поля через отверстие может быть существенно ослаблено путем насадки на это отверстие патрубка.
При этом величина Э α может быть найдена по формуле (5.20) с заменой в ней d на длину патрубка l .
Таблица 5.11. Зависимость коэффициента α от формы и величины отверстия в экране
Значительное ослабление проникновения поля через отверстие можно получить, применяя разделение одного большого отверстия на несколько малых с одновременным применением патрубков .
Заключение
В учебном пособии рассматриваются основные проблемы ЭМС различных радиоэлектронных средств.
В первой главе проведен анализ основных источников ЭВМ и рассмотрены предельно доступные уровни электромагнитного поля для потребительской продукции, на рабочих местах и населения.
Во второй главе рассмотрены естественные источники, подробно описывается электромагнитная обстановка, дана теория области близких и волновых зон грозовых разрядов. Проведены основные методы грозозащиты оборудования, локальных сетей, линий передач (коаксиальных).
Подробно рассмотрен пример устройства грозозащиты для бытового применения.
Мощные радиопередающие средства создают МЭМП в первую очередь излучением антенн как над поверхностью земли, так и в подземный район и излучения РЭС.
Приведена инженерная методика расчета стоимости РЭС к воздействию МЭМП.
В пятой главе рассмотрена методика оценки устойчивости РЭС к воздействию электромагнитного импульса ядерного взрыва и рассмотрены практические задачи электромагнитного экранирования, решаемые в курсовом и дипломном проектировании.
Список литературы
1. Иванов В.А. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств / В.А. Иванов, Л.Я. Ильинский, М.И. Фузик. – К.: Техника, 1983. – 120 с.
2. Князев, А.Д. Элементы теории и практики электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств. – М.: Радио и связь, 1984. – 336 с.
3. Радиоэлектронные средства и мощные электромагнитные помехи / под ред. В.И. Кравченко. – М.: Радио и связь, 1984. – 256 с.
4. Крылов, В.А. Защита от электромагнитных излучений / В.А. Крылов, Т.В. Югенков. – М.: Советское радио, 1972. – 216 с.
5. Уайт, Д. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи / Д. Уайт; пер. с англ. – М.: Советское радио, 1977. – Вып. 1. – 348 с.
6. ГОСТ 11001–80. Измерители радиопомех. Общие требования.
7. Михайлов, А.С. Измерение параметров ЭМС РЭС / А.С. Михайлов. – М.: Связь, 1980. – 244 с.
8. Михайлов, А.С. Справочник по расчету электромагнитных экранов / А.С. Михайлов. – М.: Энергоатом изд-во, 1988. – 244 с.
9. ГОСТ Р 51724–2001. Экранированные объекты, помещения, технические средства. Поле гипогеомагнитное.
10. САНПИН 2.2.4.1191–03 Электромагнитные поля в производст-венных условиях. Постановление о введении в действие санитарных правил и нормативов.
| Введение | ||
| Проблема электромагнитной совместимости | ||
| 1.1 | Электромагнитное поле, его виды и классификация | |
| 1.2 | Основные источники электромагнитного поля | |
| Естественные источники | ||
| 2.1 | Влияние грозовых разрядов на радиоэлектронные средства | |
| 2.2 | Электромагнитная обстановка | |
| Грозозащита | ||
| 3.1 | Защита оборудования от грозы | |
| 3.2 | Грозозащита локальных сетей | |
| 3.3 | Защита коаксиальных кабелей | |
| 3.4 | Пример устройства грозозащиты | |
| Мощные радиопередающие средства | ||
| 4.1 | Электромагнитное излучение антенн | |
| 4.2 | Формирование ЭМО и ее характеристики | |
| 4.3 | Расчеты стойкости РЭС к воздействию МЭМП | |
| 4.3.1 | Формирование модели взаимодействия МЭПМ с РЭС | |
| 4.3.2 | Формирование программы | |
| 4.3.3 | Обсуждение результатов расчета | |
| Устойчивость радиоэлектронных средств к воздействию электромагнитного импульса ядерного взрыва | ||
| 5.1 | Оценка устойчивости электромагнитных систем к воздействию ЭМИ | |
| 5.2 | Методы повышения устойчивости электронных систем к воздействию ЭМИ | |
| 5.3 | Электромагнитное экранирование | |
| Заключение | ||
| Список литературы |
Загрузка...
