КР ФЗО ОЗИ
.pdfМинистерство образования Республики Беларусь Учреждение образования
«Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»
Кафедра защиты информации
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА ПО КУРСУ «ОСНОВЫ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ»: «РАСЧЕТ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКРАНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ЭКРАНА»
для студентов факультета заочного обучения
Минск 2016
1 ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Рассмотрим процесс экранирования электромагнитного поля при падении плоской волны на бесконечно протяженную металлическую пластину с толщиной d, находящуюся в воздухе (рисунок 1).
Рисунок 1 – Экранирование электромагнитного поля металлическим экраном
Вэтом случае на границе раздела двух сред с различными электрофизическими характеристиками (воздух–металл и металл–воздух) волна претерпевает отражение и преломление, а в объеме экрана ввиду его проводящих свойств происходит частичное поглощение энергии электромагнитного поля. Таким образом, электромагнитная волна при взаимодействии с экраном отражается от его поверхности, частично проникает в экран, претерпевает поглощение в материале экрана, многократно отражается от его стенок и, в конечном счете, частично проникает в экранируемую область.
Врезультате общая эффективность экранирования (величина потерь энергии электромагнитной волны) металлической пластиной определяется суммой потерь за счет поглощения (затухания) энергии в толще материала Апогл, отражения энергии от границ раздела внешняя среда–металл и металл– экранируемая область Аотр и многократных внутренних отражений в стенках
экрана Амотр:
A[дБ] Апогл Аотр Амотр . |
(1) |
2
Потери на поглощение связаны с поверхностным эффектом в проводниках, приводящим к экспоненциальному уменьшению амплитуды проникающих в металлический экран электрических и магнитных полей.
Это обусловлено тем, что токи, индуцируемые в металле, вызывают омические потери и, следовательно, нагрев экрана.
Глубина проникновения δ определяется как величина, обратная коэффициенту затухания, и зависит от частоты: чем больше частота, тем меньше глубина проникновения. В СВЧ-диапазоне глубина проникновения δ в металлах имеет малую величину и тем меньше, чем больше проводимость металла и его магнитная проницаемость.
|
1 |
, |
(2) |
f |
где μ – магнитная проницаемость материала экрана; f – частота электромагнитного поля, в МГц;
σ – удельная проводимость материала экрана.
|
1 |
, |
(3) |
|
|
||||
|
|
|
где ρ – удельное сопротивление материала экрана.
Выражение для определения потерь на поглощение экраном толщиной d может быть представлено в следующем виде:
A 8,68 d |
|
8,68 |
d |
, |
(4) |
|
|
||||
погл |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
где ω – циклическая частота электромагнитного поля. |
|
||||
2 f . |
|
|
|
|
(5) |
Таким образом, потери на поглощение увеличиваются пропорционально толщине экрана, магнитной проницаемости и удельной проводимости его материала, а также частоте электромагнитного поля. Потери на отражение на границе раздела двух сред связаны с различными значениями полных характеристических сопротивлений этих сред. При прохождении волны через экран она встречает на своем пути две границы раздела: воздух–металл и металл–воздух.
Хотя электрическое и магнитное поля отражаются от каждой границы по-разному, суммарный эффект после прохождения обеих границ одинаков для обеих составляющих поля. При этом наибольшее отражение при входе
3
волны в экран (на первой границе раздела) испытывает электрическая составляющая поля, а при выходе из экрана (на второй границе раздела) наибольшее отражение испытывает магнитная составляющая поля. Для металлических экранов потери на отражение определяются выражением:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Aотр 20 lg |
94,25 |
|
|
|
. |
(6) |
||
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
Откуда следует, что потери на отражение велики у экрана, изготовленного из материала с высокой проводимостью и малой магнитной проницаемостью.
Потери на многократные отражения в стенках экрана связаны с волновыми процессами в толще экрана и в основном определяются отражением от его границ. Для электрических полей почти вся энергия падающей волны отражается от первой границы (воздух–металл) и только небольшая ее часть проникает в экран. Поэтому многократными отражениями внутри экрана для электрических полей можно пренебречь.
Для магнитных полей большая часть падающей волны проходит в экран, в основном отражаясь только на второй границе (металл–воздух), тем самым, создавая предпосылки к многократным отражениям между стенками экрана.
Корректирующий коэффициент Амотр многократного отражения для магнитных полей в экране с толщиной стенки d при глубине проникновения δ равен:
|
|
|
|
2 d |
|
||
Aмотр |
20 lg 1 |
exp |
|
|
. |
(7) |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
Величина Амотр имеет отрицательное значение, т.е. многократные отражения в толще экрана ухудшают эффективность экранирования. С уменьшением эффективности можно не считаться в случаях, когда на данной частоте выполняется условие d > δ, но им нельзя пренебрегать при применении тонких экранов, когда толщина экрана меньше глубины проникновения.
4
2 ХОД ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1.В соответствии с вариантом задания (таблицы 1, 2) рассчитать эффективность экранирования электромагнитного экрана для любых пяти
значений частот диапазона, указанного в исходных данных для расчета.
2.На основе результатов расчета построить частотную зависимость эффективности экранирования электромагнитного экрана.
3.Описать результаты анализа построенной частотной зависимости.
3 ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ
Таблица 1 – Исходные данные для расчета
Вариант |
Материал экрана |
Толщина экрана, мм |
Диапазон |
|
|
|
частот, ГГц |
|
|
|
|
1 |
Медь |
1 |
0,1…1,1 |
|
|
|
|
2 |
Латунь |
1 |
0,1…1,1 |
|
|
|
|
3 |
Алюминий |
1 |
0,1…1,1 |
|
|
|
|
4 |
Сталь |
1 |
0,1…1,1 |
|
|
|
|
5 |
Пермаллой |
1 |
0,1…1,1 |
|
|
|
|
6 |
Медь |
2 |
0,2…1,2 |
|
|
|
|
7 |
Латунь |
2 |
0,2…1,2 |
|
|
|
|
8 |
Алюминий |
2 |
0,2…1,2 |
|
|
|
|
9 |
Сталь |
2 |
0,2…1,2 |
|
|
|
|
10 |
Пермаллой |
2 |
0,2…1,2 |
|
|
|
|
11 |
Медь |
3 |
0,3…1,3 |
|
|
|
|
12 |
Латунь |
3 |
0,3…1,3 |
|
|
|
|
13 |
Алюминий |
3 |
0,3…1,3 |
|
|
|
|
14 |
Сталь |
3 |
0,3…1,3 |
|
|
|
|
15 |
Пермаллой |
3 |
0,3…1,3 |
|
|
|
|
16 |
Медь |
4 |
0,4…1,4 |
|
|
|
|
17 |
Латунь |
4 |
0,4…1,4 |
18 |
Алюминий |
4 |
0,4…1,4 |
|
|
|
|
19 |
Сталь |
4 |
0,4…1,4 |
|
|
|
|
20 |
Пермаллой |
4 |
0,4…1,4 |
|
|
|
|
21 |
Медь |
5 |
0,5…1,5 |
|
|
|
|
22 |
Латунь |
5 |
0,5…1,5 |
|
|
|
|
23 |
Алюминий |
5 |
0,5…1,5 |
|
|
|
|
24 |
Сталь |
5 |
0,5…1,5 |
5
Окончание таблицы 1
25 |
Пермаллой |
5 |
0,5…1,5 |
|
|
|
|
26 |
Медь |
6 |
0,6…1,6 |
|
|
|
|
27 |
Латунь |
6 |
0,6…1,6 |
|
|
|
|
28 |
Алюминий |
6 |
0,6…1,6 |
|
|
|
|
29 |
Сталь |
6 |
0,6…1,6 |
|
|
|
|
30 |
Пермаллой |
6 |
0,6…1,6 |
|
|
|
|
31 |
Медь |
1 |
0,7…1,7 |
|
|
|
|
32 |
Латунь |
1 |
0,7…1,7 |
|
|
|
|
33 |
Алюминий |
1 |
0,7…1,7 |
|
|
|
|
34 |
Сталь |
1 |
0,7…1,7 |
|
|
|
|
35 |
Пермаллой |
1 |
0,7…1,7 |
|
|
|
|
36 |
Медь |
2 |
0,1…1,1 |
|
|
|
|
37 |
Латунь |
2 |
0,1…1,1 |
|
|
|
|
38 |
Алюминий |
2 |
0,1…1,1 |
|
|
|
|
39 |
Сталь |
2 |
0,1…1,1 |
|
|
|
|
40 |
Пермаллой |
2 |
0,1…1,1 |
|
|
|
|
41 |
Медь |
3 |
0,2…1,2 |
|
|
|
|
42 |
Латунь |
3 |
0,2…1,2 |
|
|
|
|
43 |
Алюминий |
3 |
0,2…1,2 |
|
|
|
|
44 |
Сталь |
3 |
0,2…1,2 |
|
|
|
|
45 |
Пермаллой |
3 |
0,2…1,2 |
|
|
|
|
46 |
Медь |
4 |
0,3…1,3 |
|
|
|
|
47 |
Латунь |
4 |
0,3…1,3 |
|
|
|
|
48 |
Алюминий |
4 |
0,3…1,3 |
|
|
|
|
49 |
Сталь |
4 |
0,3…1,3 |
|
|
|
|
50 |
Пермаллой |
4 |
0,3…1,3 |
Таблица 2 – Характеристики металлов
|
Удельное сопротивление |
|
||
Металл |
|
Ом мм 2 |
|
|
|
|
м |
|
|
|
|
|
|
|
Медь |
0,0175 |
|
1 |
|
Латунь |
0,06 |
|
1 |
|
Алюминий |
0,03 |
|
1 |
|
Сталь |
0,1 |
|
200 |
|
Пермаллой |
0,65 |
|
12000 |
6