Экранирование технических средств
Функционирование любого технического средства информации связано с протеканием по его токоведущим элементам электрических токов различных частот и образованием разности потенциалов между различными точками его электрической схемы, которые порождают магнитные и электрические поля, называемые
побочными электромагнитными излучениями.
Узлы и элементы электронной аппаратуры, в которых имеют место большие напряжения и протекают малые токи, создают в ближней зоне электромагнитные поля с преобладанием электрической составляющей. Преимущественное влияние электрических полей на элементы электронной аппаратуры наблюдается и в тех случаях, когда эти элементы малочувствительны к магнитной составляющей электромагнитного поля.
Узлы и элементы электронной аппаратуры, в которых протекают большие токи и имеют место малые перепады напряжения, создают в ближней зоне электромагнитные поля с преобладанием магнитной составляющей. Преимущественное влияние магнитных полей на аппаратуру наблюдается также в случае, если рассматриваемое устройство малочувствительно к электрической составляющей или последняя много меньше магнитной за счет свойств излучателя.
Переменные электрическое и магнитное поля создаются также в пространстве, окружающем соединительные линии (провода, кабели) ТСПИ.
Побочные электромагнитные излучения ТСПИ являются причиной возникновения электромагнитных и параметрических каналов утечки информации, а также могут оказаться причиной возникновения наводки информационных сигналов в посторонних токоведущих линиях и конструкциях. Поэтому снижению уровня побочных электромагнитных излучений уделяется большое внимание.
Эффективным методом снижения уровня ПЭМИ является экранирование их источников.
Различают следующие способы экранирования [22, 128]:
- электростатическое;
- магнитостатическое;
- электромагнитное.
Электростатическое и магнитостатическое экранирование основаны на замыкании экраном (обладающим в первом случае высокой электропроводностью, а во втором - магнитопроводностью) соответственно электрического и магнитного полей.
Электростатическое экранирование по существу сводится к замыканию электростатического поля на поверхность металлического экрана и отводу электрических зарядов на землю (на корпус прибора) [22]. Заземление электростатического экрана является необходимым элементом при реализации электростатического экранирования. Применение металлических экранов позволяет полностью устранить влияние электростатического поля. При использовании диэлектрических экранов, плотно прилегающих к экранируемому элементу, можно ослабить поле источника наводки в e раз, где e - относительная диэлектрическая проницаемость материала экрана [128].
Основной задачей экранирования электрических полей является снижение емкости связи между экранируемыми элементами конструкции. Следовательно, эффективность экранирования определяется в основном отношением емкостей связи между источником и рецептором наводки до и после установки заземленного экрана. Поэтому любые действия, приводящие к снижению емкости связи, увеличивают эффективность экранирования.
Экранирующее действие металлического листа существенно зависит от качества соединения экрана с корпусом прибора и частей экрана друг с другом. Особенно важно не иметь соединительных проводов между частями экрана и корпусом.
В диапазонах метровых и более коротких длин волн соединительные проводники длиной в несколько сантиметров могут резко ухудшить эффективность экранирования. На еще более коротких волнах дециметрового и сантиметрового диапазонов соединительные проводники и шины между экранами недопустимы. Для получения высокой эффективности экранирования электрического поля здесь необходимо применять непосредственное сплошное соединение отдельных частей экрана друг с другом [128].
Узкие щели и отверстия в металлическом экране, размеры которых малы по сравнению с длиной волны, практически не ухудшают экранирование электрического поля.
С увеличением частоты эффективность экранирования снижается. Основные требования, которые предъявляются к электрическим экранам, можно сформулировать следующим образом [22, 128]:
- 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 (d) больше толщины (d), т.е. при d>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<d) эффективность экрана, работающего в электромагнитном режиме, определяется его толщиной, проводимостью и магнитной проницаемостью.
Магнитостатическое экранирование используется при необходимости подавить наводки на низких частотах от 0 до 3...10 кГц [128].
Основные требования, предъявляемые к магнитостатическим экранам, можно свести к следующим [128]:
- магнитная проницаемость mа 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.
Экранирование высокочастотного магнитного поля основано на использовании магнитной индукции, создающей в экране переменные индукционные вихревые токи (токи Фуко) [114]. Магнитное поле этих токов внутри экрана будет направлено навстречу возбуждающему полю, а за его пределами - в ту же сторону, что и возбуждающее поле. Результирующее поле оказывается ослабленным внутри экрана и усиленным вне его. Вихревые токи в экране распределяются неравномерно по его сечению (толщине).
Это вызывается явлением поверхностного эффекта, сущность которого заключается в том, что переменное магнитное поле ослабевает по мере проникновения в глубь металла, так как внутренние слои экранируются вихревыми токами, циркулирующими в поверхностных слоях.
Благодаря поверхностному эффекту плотность вихревых токов и напряженность переменного магнитного поля по мере углубления в металл падает по экспоненциальному закону [114].
Эффективность магнитного экранирования зависит от частоты и электрических свойств материала экрана. Чем ниже частота, тем слабее действует экран, тем большей толщины приходится его делать для достижения одного и того же экранирующего эффекта. Для высоких частот, начиная с диапазона средних волн, экран из любого металла толщиной 0,5 ... 1,5 мм действует весьма эффективно. При выборе толщины и материала экрана следует учитывать механическую прочность, жесткость, стойкость против коррозии, удобство стыковки отдельных деталей и осуществления между ними переходных контактов с малым сопротивлением, удобство пайки, сварки и пр. [114].
Для частот выше 10 МГц медная и тем более серебряная пленка толщиной более 0,1 мм дает значительный экранирующий эффект. Поэтому на частотах выше 10 МГц вполне допустимо применение экранов из фольгированного гетинакса или другого изоляционного материала с нанесенным на него медным или серебряным покрытием [114].
При экранировании магнитного поля заземление экрана не изменяет величины возбуждаемых в экране токов и, следовательно, на эффективность магнитного экранирования не влияет.
На высоких частотах применяется исключительно электромагнитное экранирование. Действие электромагнитного экрана основано на том, что высокочастотное электромагнитное поле ослабляется им же созданным (благодаря образующимся в толще экрана вихревым токам) полем обратного направления [22, 114, 128].
Теория и практика показывают, что с точки зрения стоимости материала и простоты изготовления преимущества на стороне экранированного помещения из листовой стали.
Однако при применении сетчатого экрана могут значительно упроститься вопросы вентиляции и освещения помещения. В связи с этим сетчатые экраны также находят широкое применение [22].
Для изготовления экрана целесообразно использовать следующие материалы [22]:
сталь листовая декапированная ГОСТ 1386-47 толщиной (мм)
0,35; 0,50; 0,60; 0,70; 0,80; 1,00; 1,25; 1,50; 1,75; 2,00;
сталь тонколистовая оцинкованная ГОСТ 7118-54 толщиной (мм)
0,35; 0,50; 0,60; 0,70; 0,80; 1,00; 1,25; 1,50; 1,75; 2,00;
сталь тонколистовая оцинкованная ГОСТ 7118-54 толщиной (мм)
0,51; 0,63; 0,76; 0,82; 1,00; 1,25; 1,50;
сетка стальная тканая ГОСТ 3826-47 номер 0,4; 0,5; 0,7; 1,0; 1,4;
1,6; 1,8; 2,0; 2,5;
сетка стальная плетеная ГОСТ 5336-50 номер 3; 4; 5; 6;
сетка из латунной проволоки марки Л-80 ГОСТ 6613-53 0,25; 0,5;
1,0; 1,6; 2,0; 2,5; 2,6.
Металлические листы или полотнища сетки должны быть между собой электрически соединены по всему периметру. Для сплошных экранов это может быть осуществлено электросваркой или пайкой. Шов электросварки или пайки должен быть непрерывным с тем, чтобы получить цельносварную конструкцию экрана [22, 128].
Для сетчатых экранов пригодна любая конструкция шва, обеспечивающая хороший электрический контакт между соседними полотнищами сетки не реже чем через 10 ... 15 мм. Для этой цели может применяться пайка или точечная сварка [22, 114, 128].
Экран, изготовленный из луженой низкоуглеродистой стальной сетки с ячейкой 2,5 ... 3 мм, дает ослабление порядка 55 ... 60 дБ, а из такой же двойной (с расстоянием между наружной и внутренней сетками 100 мм) - около 90 дБ. Экран, изготовленный из одинарной медной сетки с ячейкой 2,5 мм, имеет ослабление порядка 65 ... 70 дБ [22, 114].
Необходимая эффективность экрана в зависимости от его назначения и величины уровня излучения ПЭМИН обычно находится в пределах 60... 120 дБ [22].
Наряду блоками аппаратуры экранированию подлежат и монтажные провода и соединительные линии.
Чтобы уменьшить уровень ПЭМИ, необходимо особенно тщательно выполнять соединение оболочки провода (экрана) с корпусом аппаратуры.
Подключение оболочки должно осуществляться путем непосредственного контакта (лучше всего путем пайки или сварки) с корпусом [128].
Вместе с тем соединение оболочки провода с корпусом в одной точке не ослабляет в окружающем пространстве магнитное поле, создаваемое протекающим по проводу током. Для экранирования магнитного поля необходимо создать поле такой же величины и обратного направления. С этой целью необходимо весь обратный ток экранируемой цепи направить через экранирующую оплетку провода. Для полного осуществления этого принципа необходимо, чтобы экранирующая оболочка была единственным путем для протекания обратного тока.
Высокая эффективность экранирования обеспечивается при использовании витой пары, защищенной экранирующей оболочкой [128].
На низких частотах приходится использовать более сложные схемы экранирования - коаксиальные кабели с двойной оплеткой (триаксиальные кабели) [128].
На более высоких частотах, когда толщина экрана значительно превышает глубину проникновения поля, необходимость в двойном экранировании отпадает. В этом случае внешняя поверхность играет роль электрического экрана, а по внутренней поверхности протекают обратные токи.
Применение экранирующей оболочки существенно увеличивает емкость между проводом и корпусом, что в большинстве случаев нежелательно. Экранированные провода более громоздки и неудобны при монтаже, требуют предохранения от случайных соединений с посторонними элементами и конструкциями.
Длина экранированного монтажного провода должна быть меньше четверти длины самой короткой волны передаваемого по проводу спектра сигнала. При использовании более длинных участков экранированных проводов необходимо иметь в виду, что в этом случае экранированный провод следует рассматривать как длинную линию, которая во избежании искажений формы передаваемого сигнала должна быть нагружена на сопротивление, равное волновому [128].
Для уменьшения взаимного влияния монтажных цепей следует выбирать длину монтажных высокочастотных проводов наименьшей, для чего элементы высокочастотных схем, связанные между собой, следует располагать в непосредственной близости, а неэкранированные провода высокочастотных цепей - при пересечении под прямым углом [128].
При параллельном расположении такие провода должны быть максимально удалены друг от друга или разделены экранами, в качестве которых могут быть использованы несущие конструкции электронной аппаратуры (кожух, панель и т.д.).
Экранированные провода и кабели следует применять в основном для соединения отдельных блоков и узлов друг с другом.
Кабельные экраны выполняются в форме цилиндра из сплошных оболочек, в виде спирально намотанной на кабель плоской ленты или в виде оплетки из тонкой проволоки. Экраны при этом могут быть одно-. елейными и многослойными комбинированными, изготовленными из свинца, меди, стали, алюминия и их сочетаний (алюминий-свинец, алюминий-сталь, медь-сталь-медь и т.д.).
В кабелях с наружными пластмассовыми оболочками применяют экраны ленточного типа в основном из алюминиевых, медных и стальных лент, накладываемых спирально или продольно вдоль кабеля [128].
В области низких частот корпуса применяемых многоштырьковых низкочастотных разъемов являются экранами и должны иметь надежный электрический контакт с общей шиной или землей прибора, а зазоры между разъемом и корпусом должны быть закрыты электромагнитными уплотняющими прокладками [128].
В области высоких частот коаксиальные кабели должны быть согласованы по волновому сопротивлению с используемыми высокочастотными разъемами. При заделке коаксиального кабеля в высокочастотные разъемы жила кабеля не должна иметь натяжения в месте соединения с контактом разъема, а сам кабель должен быть жестко прикреплен к шасси аппаратуры вблизи разъема [128].
Для эффективного экранирования низкочастотных полей применяются экраны, изготовленные из ферромагнитных материалов с большой относительной магнитной проницаемостью. При наличии такого экрана линии магнитной индукции проходят в основном по его стенкам, которые обладают малым сопротивлением по сравнению с воздушным пространством внутри экрана [128].
Качество экранирования таких полей зависит от магнитной проницаемости экрана и сопротивления магнитопровода, которое будет тем меньше, чем толще экран и меньше в нем стыков и швов, идущих поперек направления линий магнитной индукции.
Наиболее экономичным способом экранирования информационных линий связи между устройствами ТСПИ считается групповое размещение их информационных кабелей в экранирующий распределительный короб. Когда такого короба не имеется, то приходится экранировать отдельные линии связи [128].
Для защиты линий связи от наводок необходимо разместить линию в экранирующую оплетку или фольгу, заземленную в одном месте, чтобы избежать протекания по экрану токов, вызванных неэквипотенциальностью точек заземления [128].
Для защиты линии связи от наводок необходимо минимизировать площадь контура, образованного прямым и обратным проводами линии. Если линия представляет собой одиночный провод, а возвратный ток течет по некоторой заземляющей поверхности, то необходимо максимально приблизить провод к поверхности. Если линия образована двумя проводами, то их необходимо скрутить, образовав бифиляр (витую пару). Линии, выполненные из экранированного провода или коаксиального кабеля, в которых по оплетке протекает возвратный ток, также отвечают требованию минимизации площади контура линии.
Наилучшую защиту как от электрического, так и от магнитного полей обеспечивают информационные линии связи типа экранированного бифиляра, трифиляра (трех скрученных вместе проводов, из которых один используется в качестве электрического экрана), триаксильного кабеля (изолированного коаксильального кабеля, помещенного в электрический экран), экранированного плоского кабеля (плоского многопроводного кабеля, покрытого с одной или обеих сторон медной фольгой) [128].
Приведем несколько схем [128], используемых на частотах порядка 100 кГц. Цепь, показанная на рис. 2.1, а, имеет большую площадь петли, образованной «прямым» проводом и «землей». Эта цепь подвержена прежде всего магнитному влиянию. Экран заземлен на одном конце и не защищает от магнитного влияния. Переходное затухание для этой схемы примем равным О дБ для сравнения с затуханием схем на рис. 2.1,6 - и.
Схема на рис. 2.1, б практически не уменьшает магнитную связь, так как обратный провод заземлен с обоих концов, и этом смысле она аналогична схеме на рис. 2.1, а.
Степень улучшения соизмерима с погрешностью расчета (измерения).
Схема на рис. 2.1, в отличается от схемы на рис. 2.1, а наличием обратного провода- коаксиального экрана, однако экранирование магнитного поля ухудшено, так как цепь заземлена на обоих концах, в результате чего с «землей» образуется петля большой площади.
Схема на рис. 2.1, г позволяет существенно повысить защищенность цепи (- 49 дБ) благодаря скрутке проводов. В этом случае (по сравнению со схемой на рис. 2.1, б) петли нет, поскольку правый конец цепи не заземлен.
Дальнейшее повышение защищенности цепи достигается применением схемы на рис. 2.1, с, коаксиальная цепь которой обеспечивает лучшее магнитное экранирование, чем скрученная пара на рис. 2.1, г.
Площадь петли в схеме на рис. 3.1, д) не больше, чем в схеме на рис. 2.1, г), так как продольная ось экрана коаксиального кабеля совпадает с его центральным проводом.
Схема на рис. 2.1, е) позволяет повысить защищенность цепи благодаря тому, что скрученная пара заземлена лишь на одном конце. Кроме того, в этой схеме используется независимый экран.
Схема на рис. 2.1, ж имеет ту же защищенность, что и схема на рис. 2.1, е): эффект тот же, что и при заземлении на обоих концах, поскольку длина цепи и экрана существенно меньше рабочей длины волны.
Причины улучшения защищенности схемы на рис. 2.1, з) по сравнению с рис. 2.1, ж объяснить трудно. Возможной причиной может быть уменьшение площади эквивалентной петли.
Более плотная скрутка проводов (схема рис. 2.1, и) позволяет дополнительно уменьшить магнитную связь. Кроме того, при этом уменьшается и электрическая связь (в обоих проводах токи наводятся одинаково).
Для уменьшения магнитной и электрической связи между проводами необходимо уменьшить площадь петли, максимально разнести цепи и максимально уменьшить длину параллельного пробега линий ТСПИ и посторонними проводниками [128].
При нулевых уровнях сигналов (0 dB) в соединительных линиях ТСПИ между ними и посторонними проводниками должно обеспечиваться переходное затухание не менее 114 dB (13 Нп) [22].
Данное переходное затухание обеспечивается, как правило, при прокладке кабелей ТСПИ на расстоянии не менее 0,1 м от посторонних проводников. При этом допускается прокладка кабелей ТСПИ вплотную с посторонними проводниками при суммарной длине их совместного пробега не более
70 м [22].
Экранироваться могут не только отдельные блоки (узлы) аппаратуры и их соединительные линии, но и помещения в целом.
В обычных (неэкранированных) помещениях основной экранирующий эффект обеспечивают железобетонные стены домов. Экранирующие свойства дверей и окон хуже. Для повышения экранирующих свойств стен применяются дополнительные средства, в том числе [114]:
- токопроводящие лакокрасочные покрытия или токопроводящие обои;
- шторы из металлизированной ткани;
- металлизированные стекла (например, из двуокиси олова), устанавливаемые в металлические или металлизированные рамы.
В помещении экранируются стены, двери и окна.
При закрытии двери должен обеспечиваться надежный электрический контакт со стенками помещения (с дверной рамой) по всему периметру не реже чем через 10 ... 15 мм. Для этого может быть применена пружинная гребенка из фосфористой бронзы, которую укрепляют по всему внутреннему периметру дверной рамы [114].
Окна должны быть затянуты одним или двумя слоями медной сетки с ячейкой не более 2х2 мм, причем расстояние между слоями сетки должно быть не менее 50
мм. Оба слоя сетки должны иметь хороший электрический контакт со стенками помещения (с рамой)по всему периметру. Сетки удобнее делать съемными и металлическое обрамление съемной части также должно иметь пружинящие контакты в виде гребенки из фосфористой бронзы [114].
При проведении работ по тщательному экранированию подобных помещений необходимо одновременно обеспечить нормальные условия для работающего в нем человека, прежде всего вентиляцию воздуха и освещение [114].
Конструкция экрана для вентиляционных отверстий зависит от диапазона частот. Для частот менее 1000 МГц применяются сотовые конструкции, закрывающие вентиляционное отверстие, с прямоугольными, круглыми, шестигранными ячейками.
Для достижения эффективного экранирования размеры ячеек должны быть менее одной десятой от длины волны. При повышении частоты необходимые размеры ячеек могут быть столь малыми, что ухудшается вентиляция [114].
Величины затуханий экранированных помещений в зависимости от конструкции приведены в табл. 2.1 [49].
Экранировку электромагнитных волн более 100 дБ можно обеспечить только в специальных экранированных камерах (см. табл. 2.2.), в которых электромагнитный экран выполнен в виде электрогерметичного стального корпуса, а для ввода электрических коммуникаций используются специальные фильтры [49].
Размеры экранированного помещения выбирают исходя из его назначения и стоимости. Обычно экранированные помещения строят площадью 6 ... 8 м2
при высоте 2,5 ... 3 м [114].
Рис. 2.1. Сравнение защищенности различных цепей от влияния внешних магнитных и электрических полей:
а) - 0 дБ; б) - 2 дБ; в) - 5 дБ; г) - 49 дБ, скрученная пара, 18 витков на метр; д) -57 дБ; е) - 64 дБ, схема предпочтительна на высоких частотах; ж) - 64 дБ; з) - 71 дБ; и) - 79 дБ, скрученная пара (54 витка на метр)
Таблица 2.1
Степень экранирующего действия различных типов зданий
|
Тип здания |
Степень экранирования, дБ |
||
|
100 МГц |
500 МГц |
1000 МГц |
|
|
Оконный проем 30 % от площади стены |
|||
|
Деревянное здание с толщиной стен 20 см |
5...7 |
7...9 |
9...11 |
|
Кирпичное здание с толщиной стен 1,5 кирпича |
13 ... 15 |
15... 17 |
16 ...19 |
|
Железобетонное здание с ячейкой арматуры 15х15 см и толщиной стен 160 см |
20... 25 |
18... 19 |
15 ...17 |
|
Оконный проем 30 % от площади стены, закрытый металлической решеткой с ячейкой 5х5 см. |
|||
|
Деревянное здание с толщиной стен 20 см |
6...8 |
10 ... 12 |
12 ...14 |
|
Кирпичное здание с толщиной стен 1,5 кирпича |
17 ...19 |
20 ...22, |
22... 25 |
|
Железобетонное здание с ячейкой арматуры 15х15 см и толщиной стен 160 см |
28... 32 |
23 ... 27 |
20 ...25 |
Таблица 2.2.
Предельно достижимые величины затухания электромагнитных волн для различных типов экранирующих помещений
|
Тип конструкции экранированного помещения |
Степень экранирования, Дб |
|
Одиночный экран из сетки с одиночной дверью, оборудованной зажимными устройствами |
40 |
|
Двойной экран из сетки с двойной дверью-тамбуром и зажимными устройствами |
80 |
|
Сплошной стальной экран с двойной дверью-тамбуром и зажимными устройствами |
100 |
