Гизатуллин монография 1

работают до частот в несколько сот МГц, так как требуется выполнение условия λmin (минимальная длина волны в спектре ЭМИ) >> S(S1) (максимальный линейный размер отверстий в анализируемом экране).

Для анализа эффективности экранирования стен зданий при наличии, например, оконного проема, можно предложить следующую математическую модель [136]:

где H, W – геометрические размеры оконного проема (высота и ширина); D – толщина стены; λ – длина волны падающего электромагнитного поля. В данной математической модели рассматривается частотный диапазон до 50 МГц, так как требуется выполнение условия λmin >> H. Более высокие частоты ослабевают несущественно.

В качестве исходных данных, для решения задачи анализа эффективности экранирования различных типов стен зданий, используются сведения из [76, 236, 237]: свойства бетона (табл. 2.10); диэлектрические параметры бетона зависят от влажности и частоты; параметры арматуры железобетона: тип сетки (тяжелые) (рис. 2.17, табл. 2.11); диаметр стержней d = 15 мм; материал ар-

матуры – сталь; проводимость стали σ = 2◊106 См/м; магнитная проницаемость стали µ = 1000.

81

Рис. 2.17. Сеточная арматура бетонных изделий

Результаты анализа эффективности экранирования железобетонной стены здания приведены на рис. 2.18 – 2.20.

Рис. 2.18. Эффективность экранирования бетона:

а – содержание влаги 0,2 %; б – содержание влаги 12 %

Для исследования эффективности экранирования стен зданий в дальней зоне разработаны точные имитационные модели, которые позволяют провести анализ электромагнитной остановки внутри зданий с бетонными, каркасными (фасады здания

82

бетон, несущая конструкция железобетон) и железобетонными стенами (рис. 2.21). Внутренние размеры здания: 2,75×5,2×2,8 м.

Толщина стен – 0,3 м. Внутри здания расположены 45 точек

измерения электрического поля. Точки измерения расположены по сетке 0,5×0,5 м. Расстояние от стены 0,5 м. Расстояние от плос-

кости земли – 1 м. Поверхностное сопротивление земли 300 Ом/м.

Рис. 2.19. Эффективность экранироваРис. 2.20. Эффективность экранирования

В качестве основного инструмента имитационного моделирования используется программа расчета электромагнитных полей в трехмерной области – Microwave Studio. Данная программа основана на методе конечных интегралов, работающем во временной и частотной областях, и метода аппроксимации для идеально согласованных граничных условий [238 – 243]. Метод конечных интегралов – достаточно общий подход, который описывает уравнения Максвелла на пространственной сетке, с учетом закона сохранения энергии, а затем по ним формируется систему специфических дифференциальных уравнений, таких как волновое уравнение. Реализованные в данной программе методы, различные технологии разбиения области исследования и реализация самой программы являются наиболее оптимальной и эффективной для решения задач помехоустойчивости на персональных компьютерах. При этом программа моделирования позволяет рассчитать характеристики систем в широком диапазоне частот с высокой разрешающей спо-

83

собностью по частоте, в результате чего исключается возможность потери острых резонансных пиков. Множество примеров решения задач, в том числе и в смежных к ЭМС областях, указывают на высокую вычислительная эффективность и точность данного метода и, в частности, программы Microwave Studio [235].

Рис. 2.21. Графическое представление здания с разными типами стен

Приведем результаты анализа эффективности экранирования стен зданий S при широкополосных электромагнитных воздействиях (ЭМИ разряда молнии, табл. 2.12 – 2.14, рис. 2.22 и 2.23; ЭМИ высотного ЯВ, табл. 2.16; ЭМИ СЭТ, табл. 2.17).

84

Минимальная MinS и максимальная MaxS эффективность экранирования определяется по значениям 45 точек измерения внутри здания [233, 243]. При этом, в случае электромагнитного воздействия разряда молнии в дальней зоне внутри здания наблюдается плоская электромагнитная волна, что позволяет использовать для прогнозирования также аналитические математические модели. Для случаев воздействия ЭМИ высотного ЯВ и СЭТ внутри здания наблюдаются резонансные явления, и электромагнитное поле имеет произвольную форму. Для данных случаев моделирование электромагнитной обстановки внутри здания ведется на основе имитационных моделей.

Распределение показателя эф-

фективности экранирования железобе-

тонных стен по площади здания приве-

дены на рис. 2.22.

Эффективность экранирования железобетонных стен, при наличии окна, по площади здания приведены ни-

85

же (рис. 2.23). При этом, наибольшая напряженность электромагнитного поля наблюдается в области оконного проема и плавно уменьшается по мере удаления от него.

Таблица 2.13

Эффективность экранирования железобетонной стены здания ЭМИ разряда молнии (при отсутствии окон или других неоднородностей в стене здания)

Таблица 2.14

Эффективность экранирования железобетонной стены здания ЭМИ разряда молнии (при наличии окна размерами 1,5 ¥ 1,5 м в центре стены здания)

Далее приведем сводную таблицу сравнения результатов ими-

тационного моделирования (MinS) и аналитических расчетов эф-

фективности экранирования стен зданий при воздействии ЭМИ разряда молнии (табл. 2.15).

86

Рис. 2.23. Распределение показателя эффективности экранирования железобетонных стен по площади здания при наличии окна

Таблица 2.15

Сравнение результатов имитационного моделирования и аналитических расчетов

Как видим, в данном случае, результаты имитационного моделирования и аналитических расчетов совпадают с точностью до 15 %.

Таблица 2.16

Экранирование стен здания ЭМИ высотного ЯВ (ЭМИ на рис. 2.13, тип сетки 2)

87

В рассмотренном примере при воздействии ЭМИ высотного ЯВ внутри здания наблюдаются резонансные явления на частотах около 60 МГц и 120 МГц. Форма ЭМИ высотного ЯВ внутри помещения представляет собой колебательный процесс с резонансной частотой и длительностью до 200 нс. В данном случае наибольшая напряженность электромагнитного поля наблюдается внутри здания в 1,5 – 2,5 м от оконного проема.

Таблица 2.17

Экранирование стен здания ЭМИ СЭТ (ЭМИ на рис. 2.15, тип сетки 2)

В данном примере воздействия ЭМИ СЭТ внутри здания наблюдаются резонансные явления в диапазоне частот около 400 МГц и 800 МГц (резонансные частоты ячеек армирующей сетки). Форма ЭМИ СЭТ внутри здания представляет собой колебательный процесс с резонансной частотой и длительностью до нескольких нс.

Таким образом, по результатам проведенных численных экспериментов по анализу эффективности экранирования стен зданий, можно сделать следующие выводы:

–при отсутствии оконного проема, до частоты 200 МГц основной вклад в эффективность экранирования железобетонной стены здания вводит армирующая сетка;

–при отсутствии оконного проема при частоте более 200 МГц более существенный вклад в эффективность экранирования железобетонной стены здания вводит бетон при условии большого содержания влаги;

–при низком содержании влаги в составе бетона его экранирующие свойства низкие (до 3 дБ). В данном случае при частотах

88

более 200 МГц эффективность экранирования железобетонной стены здания в целом очень низкая;

– при наличии оконного проема в железобетонной стене здания его эффективность экранирования существенно снижается после 50 МГц.

2.4. Электромагнитное экранирование корпуса средств вычислительной техники

Задачей данного раздела монографии является анализ эффективности экранирования корпусов СВТ широкополосных электромагнитных воздействий. В работе под показателем эффективности экранирования принимается соотношение максимальных амплитуд напряженности электрического поля вне и внутри исследуемого корпуса. Теоретические подходы, связанные с исследованием защитных свойств корпусов СВТ, базируются на некотором идеализированном их представлении как сплошных замкнутых экранов, и с этих же позиций рассматривается влияние различных видов неоднородностей на защитные свойства корпусов СВТ [142, 148]. На самом деле защитные свойства корпусов значительно зависят от многих реально существующих факторов и конструктивных особенностей СВТ. С этой точки зрения, в данной работе, сделана попытка учесть четыре основных момента [244 – 247]: точное воспроизведение наличия в стенках корпусов СВТ конструктивных отверстий, например, в работе [6, 248, 249] отмечается, что с точки зрения практики собственная эффективность экранирования материалами экрана представляет намного меньший интерес, чем проникновение электромагнитных полей через отверстия; заполнение корпусов узлами и блоками СВТ, так как создание защитных корпусов является не самоцелью, а служит повышению стойкости отдельных блоков, узлов и СВТ в целом к электромагнитному воздействию; наличие в стенках корпусов СВТ отверстий приводит к возникновению в экранированном объеме зон с повышенным

89