7. Защита электронных устройств и объектов от побочных электромагнитных излучений

7.1. Экранирование электромагнитных волн

7.1.1. Электромагнитное экранирование и развязывающие цепи

Для снижения наводок необходимо устранять или ос­лаблять до допустимых значений паразитные связи. В пер­вую очередь ослабление паразитных связей должно произ­водиться прямым уменьшением паразитной емкости, взаимной индуктивности и паразитного сопротивления. Спо­собы уменьшения паразитных связей в принципе несложны: размещение вероятных источников и приемников наводок на максимально возможном расстоянии друг от друга; уменьшение габаритов токонесущих элементов, обеспечи­вающих минимум паразитной связи (для получения мини­мальной взаимоиндуктивности катушек индуктивности их оси должны быть взаимно перпендикулярны); сведение к минимуму общих сопротивлений; изъятие посторонних проводов, проходящих через несколько узлов или блоков, которые могут связать элементы, расположенные достаточ­но далеко друг от друга; при невозможности исключения посторонних проводов, создающих паразитную связь, необ­ходимо позаботиться о том, чтобы при емкостной паразит­ной связи сопротивление постороннего провода относитель­но корпуса было минимальным, при индуктивной паразитной связи необходимо увеличивать внутреннее сопротивле­ние посторонней линии связи, в последнюю очередь – экра­нирование и развязывающие фильтры.

Экранирование – это локализация электромагнитной энергии в пределах определенного пространства путем пре­граждения ее распространения.

Развязывающий фильтр – это устройство, ограничива­ющее распространение помехи по проводам, являющимся общими для источника и приемника наводки.

Введение экранов часто требует существенного изме­нения компоновки, конструкции, а иногда и габаритов из­делия, поэтому конструктор должен ясно понимать физи­ческое действие каждой детали экрана, влияние любого

элемента конструкции на значения паразитных связей. Же­лательно совмещать элементы экранов с элементами несу­щей конструкции. Общая рекомендация сводится к тому, что на начальном этапе конструирования необходимо при­нимать все возможные меры для снижения паразитных связей, а уж потом в ходе экспериментальной доводки из­делия убрать те элементы, которые оказались лишними. Исключить какой-либо элемент из готового изделия почти всегда проще, чем добавить.

Экранирование электромагнитных волн является основой экологической безопасности и одним из самых действенных средств защиты объекта от утечки информации по техническим каналам.

В связи с бурно развивающейся техникой все острее становится проблема формирования электромагнитной обстановки, обеспечивающей нормальное функционирование электронных устройств и экологическую безопасность. Электромагнитная обстановка представляет собой совокупность электромагнитных полей в заданной области пространства, которая может влиять на функционирование конкретного радиоэлектронного устройства или биологического объекта.

Для создания благоприятной электромагнитной обстановки и для обеспечения требований по электромагнитной безопасности объекта, которая включает в себя и противодействие несанкционированному доступу к информации с использованием специальных технических средств, производится экранирование электромагнитных волн.

Применение качественных экранов позволяет решать многие задачи, среди которых защита информации в помещениях и технических каналах, задачи электромагнитной совместимости оборудования и приборов при их совместном использовании, задачи защиты персонала от повышенного уровня электромагнитных полей и обеспечение благоприятной экологической обстановки вокруг работающих электроустановок и СВЧ-устройств.

Под экранированием в общем случае понимается как защита приборов от воздействия внешних полей, так и локализация излучения каких-либо средств, препятствующая проявлению этих излучений в окружающей среде. В любом случае эффективность экранирования – этo степень ослабления составляющих поля (электрической или магнитной), определяемая как отношение действующих значений напряженности полей в данной точке пространства при отсутствии и наличии экрана, Так как отношение этих величин достигает больших значений, то удобнее пользоваться логарифмическим представлением эффективности экранирования:

(7.1)

где – коэффициент ослабления (экранирования) по электрической составляющей, – коэффициент ослабления (экранирования) по магнитной составляющей, – напряженность электрической (магнитной) составляющей поля в отсутствии экрана, – напряженность электрической (магнитной) составляющей поля при наличии экрана в той же точке пространства.

Теоретическое решение задачи экранирования, определение значений напряженности полей в общем случае чрезвычайно затруднительно, поэтому в зависимости от типа решаемой задачи представляется удобным рассматривать отдельные виды экранирования: электрическое, магнитостатическое и электромагнитное. Последнее является наиболее общим и часто применяемым, так как в большинстве случаев экранирования приходится иметь дело либо с переменными, либо с флуктуирующими и реже – действительно со статическими полями.

Теоретические и экспериментальные исследования ряда авторов показали, что форма экрана незначительно влияет на его эффективность. Главным фактором, определяющим качество экрана, являются радиофизические свойства материала и конструкционные особенности. Это позволяет при расчете эффективности экрана в реальных условиях пользоваться наиболее простым его представлением: сфера, цилиндр, плоскопараллельный лист и т. п. Такая замена реальной конструкции не приводит к сколько-нибудь значительным отклонениям реальной эффективности от расчетной, так как основной причиной ограничивающей достижение высоких значений эффективности экранирования является наличие в экране технологических отверстий (устройства ввода-вывода, вентиляции), а в экранированных помещениях – устройств жизнеобеспечения, связывающих помещение с внешней средой.

Плоскопараллельный экран в электромагнитном случае можно характеризовать нормальным импедансом материала экрана, который определяется как отношение тангенциальных составляющих электрического и магнитного полей. Коэффициент прохождения через слой представляет собой эффективность экранирования, так как равен отношению амплитуд прошедшей и падающей на экран волны. Если средой по обе стороны экрана является вакуум, то коэффициент прохождения D можно представить в виде [3]

(7.2)

причем – длина волны в свободном пространстве, а и – относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости материала экрана.

В общем случае при комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостях материала теоретический анализ приведенного выражения крайне затруднителен, поэтому большинство исследователей прибегают к раздельному рассмотрению эффективности экранирования – по поглощению и отражению падающей волны экраном.

Поскольку аналитическая оценка эффективности экранирования из общей формулы коэффициента прохождения для плоскопараллельного бесконечного экрана в общем случае затруднительна, может быть использован более простой, приближенный анализ, основанный на представлении эффективности экрана как суммы отдельных составляющих:

K=Kпогл+Kотр+Kн.отр, (7.3)

где Кпогл – эффективность экранирования вследствие поглощения экраном электрической энергии, Котр – эффективность экранирования за счет отражения электромагнитной волны экраном, Кн.отр – поправочный коэффициент, учитывающий многократные внутренние переотражения волны от поверхностей экрана.

Если потеря энергии волны в экране, то есть ее поглощение, превосходит 10 дБ, то последним коэффициентом в приведенном выражении можно пренебречь. Эффективность экранирования вследствие поглощения энергии в толще экрана можно рассчитать из простого соотношения , полученного на основе представления электрической и магнитной составляющей поля в материале, на поверхности которого выполняются граничные условия Леонтовича.