Глава 12. Экранирование побочных излучений и наводок

12.1. Экранирование электромагнитных полей

Для предотвращения утечки информации по радиоэлектрон­ным техническим каналам утечки информации, вызванных ПЭМИН и радиозакладными устройствами, на опасных направле­ниях применяют электромагнитные экраны. Физические процессы при экранировании отличаются в зависимости от вида поля и час­тоты его изменения.

Различают электрические экраны для экранирования элект­рического поля, магнитные для экранирования магнитного поля и электромагнитные — для экранирования электромагнитного поля. Способность экрана ослаблять энергию полей оценивает­ся эффективностью экранирования (коэффициентом ослабле­ния). Если напряженность поля до экрана равна Е₀ и Н₀, а за экра­ном — Е_э и Н_э, то S_e = Е₀ / Е_э и S_H = Н₀ / Н_э. На практике эффектив­ность экранирования измеряется в децибелах (дБ) и неперах (Нп): S_e(H) = 201g[E₀(H₀) / Е(Н)] [дБ] или S _(н) = 1п[Е₀(Н₀) / Е (Н )] [Нп].

Аналитические зависимости эффективности экранирования определены для идеализированных (гипотетических) моделей эк­ранов в виде бесконечно плоской однородной токопроводящей по­верхности, однородной сферической токопроводящей поверхности и однородной бесконечно протяженной цилиндрической токопро­водящей поверхности. Для других вариантов эффективность экра­нирования определяется с погрешностью, зависящей от степени их подобия гипотетическим.

1. При экранировании электрического поля электроны экрана под действием внешнего электрического поля перераспределяют­ся таким образом, что на поверхности экрана, обращенной к источ­нику поля, сосредоточиваются заряды, противоположные по знаку зарядам источника, а на внешней (другой) поверхности экрана кон­центрируются одинаковые с зарядами источника поля (рис. 12.1).

Положительные заряды на рис. 12.1 создают вторичное элек­трическое поле, близкое по напряженности к первичному. С це­лью исключения вторичного поля, создаваемого зарядами на вне­шней поверхности экрана, экран заземляется и его заряды компен­

сируются зарядами земли. Экран приобретает потенциал, близкий потенциалу земли, а электрическое поле за экраном существенно уменьшается. Полностью устранить поле за экраном не удается из- за неполной компенсации зарядов на его внешней стороне вследс­твие ненулевых значений сопротивления в экране и цепях заземле­ния, а также из-за распространения силовых линий вне границ эк­рана.

Рис. 12.1. Экранирование электрического поля

© + Внешняя сторона © ⁺ поверхности экрана

в

Эффективность экранирования зависит от электропроводнос­ти экрана и сопротивления заземления. Чем выше проводимость экрана и цепей заземления, тем выше эффективность электричес­кого экранирования. Толщина экрана и его магнитные свойства на эффективность экранирования практически не влияют.

2. Экранирование магнитного поля достигается в результате действия двух физических явлений:

• «втягивания» (шунтирования) магнитных силовых линий поля в экран из ферромагнитных материалов (с ц » 1), обусловлен­ного существенно меньшим магнитным сопротивлением мате­риала экрана, чем окружающего воздуха;

• возникновением под действием переменного экранируемо­го поля в токопроводящей среде экрана индукционных вихре­вых токов, создающих вторичное магнитное поле, силовые ли­нии которого противоположны магнитным силовым первично­го поля.

Магнитное сопротивление пропорционально длине магнитных силовых линий и обратно пропорционально площади поперечного сечения рассматриваемого участка и величине магнитной прони­

цаемости среды (материала), в которой распространяются магнит­ные силовые линии. При втягивании магнитных силовых линий в экран уменьшается их напряженность за экраном. В результате этого повышается коэффициент экранирования.

При воздействии на экран переменного магнитного поля в ма­териале экрана возникают также ЭДС, создающие в материале эк­рана вихревые токи в виде множества замкнутых колец. Кольцевые вихревые токи создают вторичные магнитные поля, которые вы­тесняют основное и препятствует его проникновению вглубь ме­талла экрана. Экранирующий эффект вихревых токов тем выше, чем выше частота поля и больше сила вихревых токов.

Коэффициент экранирования магнитной составляющей поля представляет собой сумму коэффициентов экранирования, обус­ловленного рассмотренными физическими явлениями. Но доля слагаемых зависит от частоты колебаний поля. При f = 0 экрани­рование обеспечивается только за счет шунтирования магнитно­го поля средой экрана. Но с повышением частоты поля все сильнее проявляется влияние на эффективность экранирования вторично­го поля, обусловленного вихревыми токами в поверхности экрана. Чем выше частота, тем больше влияние на эффективность экрани­рования вихревых токов.

В силу разного влияния рассмотренных физических явлений магнитного экранирования отличаются требования к экранам на низких и высоких частотах. На низких частотах (приблизительно до единиц кГц), когда преобладает влияние первого явления, эф­фективность экранирования зависит в основном от магнитной про­ницаемости материала экрана и его толщины. Чем больше значе­ния этих характеристик, тем выше эффективность магнитного эк­ранирования. Для экрана, например, в виде куба эффективность магнитного экрана можно оценить по формуле:

S_h ~ 1 - [id/D,

где d — толщина стенок экрана; D — размер стороны экрана куби­ческой формы.

Эффективность экранирования за счет вихревых токов зави­сит от их силы, на величину которой влияет электрическая про- видимость экрана. В свою очередь это сопротивление прямо про­порционально электрическому сопротивлению материала экрана и обратно пропорционально его толщине. Однако по мере повыше­ния частоты поля толщина материала экрана, в которой протека­ют вихревые токи уменьшаются из-за так называемого поверхнос­тного или скин-эффекта. Сущность его обусловлена тем, что вне­шнее (первичное) магнитное поле ослабевает по мере углубления в материал экрана, так как ему противостоит возрастающее вторич­ное магнитное поле вихревых токов. Напряженность переменно- I о магнитного поля уменьшается по мере проникновения его в ме- I алл экрана на глубину х от его поверхности по экспоненциально­му закону:

Н_х = Н₀ ехр ( х / ст),

Где ст — эквивалентная глубина проникновения, соответствующая ослаблению напряженности магнитного поля в 2,72 раза и вычис­ляемая по формуле:

I де р — удельное электрическое сопротивление материала экрана в ()м • мм²/м; f — частота магнитного поля в Гц; р — относительная магнитная проницаемость материала экрана.

Уменьшение эквивалентной глубины проникновения при уве- ннчении р обусловлено тем, что ферромагнитные материалы «втя- I пвают» силовые магнитные линии первичного поля, в результа- и- чего повышаются концентрация магнитных силовых линий и, ( педовательно, напряженность магнитного поля внутри материа­ла экрана. В результате этого повышаются уровни индуцируемых И нем зарядов, следствием чего является увеличение значений вих­ревых токов и напряженности вторичного магнитного поля. Таким образом, глубина проникновения тем меньше, чем выше частота поля, удельная магнитная проницаемость и электрическая прово­димость металла экрана.

На высоких частотах эффективность магнитного экранирова­ния в дБ экраном толщиной d в мм можно определить, подставив в

Однако это выражение может использоваться для приближен ной оценки эффективности экранирования при условии, что значе ние d соизмеримо с ст. Если d » ст, то из-за поверхностного эффект увеличение d слабо влияет на эффективность экранирования, та] как вторичное магнитное поле создают вихревые токи в поверх ностном слое экрана.

Следовательно, для обеспечения эффективного магнитноп экранирования на высоких частотах следует для экранов исполь зовать материалы с наибольшим отношением ц / р, учитывая npi этом, что с повышением f сопротивление из-за поверхностного эф фекта возрастает в экспоненциальной зависимости. На высоки: частотах глубина проникновения может быть столь малой, а со противление столь велико, что применение материалов с высоко! магнитной проницательностью, например пермаллоя, становит ся нецелесообразным. Для f > 10 МГц значительный экранирую щий эффект обеспечивает медный экран толщиной всего 0,1 мм Для экранирования магнитных полей высокочастотных контуро! усилителей промежуточной частоты бытовых радио- и телевизи онных приемников широко применяют алюминиевые экраны, ко торые незначительно уступают меди по удельному электрическом] сопротивлению, но существенно их легче. Для высоких частот тол щина экрана определяется в основном требованиями к прочносп конструкции.

Кроме того, на эффективность магнитных экранов влияет кон струкция самого экрана. Она не должна содержать участков с от верстиями, прорезями, швов на пути магнитных силовых линий i вихревых токов, создающих им дополнительное сопротивление.

Так как магнитное экранирование обеспечивается за счет то ков, а не зарядов, магнитные экраны не нуждаются в заземлении.

S_H= 20 lg (H_x / H₀)выражение для H_x. В результате такой подстано] ки и преобразования легко получить, что

3. Физические процессы при электромагнитном экранирова нии рассматриваются на модели, представленной на рис. 12.2.

Электромагнитное экранирование обеспечивается за счет от­ражения части от экрана и поглощения части, проникшей в экран электромагнитного поля. Следовательно, эффективность экрани-

= ^ S_{3 отр}. — эффективность

рования S = S + S , где S

^г э э, отр э, погл' э, отр

экранирования за счет отражения электромагнитной волны от по­верхности экрана; S_{3 погл} = ^ S_{3 погл}. —эффективность экраниро-

Vi

вания за счет поглощения электромагнитной волны в экране.

э, отр

Эффективность экранирования в дБ за счет отражения элект­ромагнитного поля рассчитывается по формуле:

151 - lOlgfpp.

Величина эффективности экранирования в дБ за счет поглоще­ния в экране толщиной d мм оценивается по формуле:

S ~ 0,0173d.

Падающая электромагнитная

волна

Отраженная электромаг­нитная волна

Прошедшая

электромагнитная

волна

Поглощенная

электромагнитная

волна

Рис. 12.2. Электромагнитное экранирование

| Е {—¹ Электромагнитный

экран

Э, ПОГЛ ' VP

369

Последнее выражение совпадает с приблизительной форму­лой, определяющей эффективность магнитного экранирования за счет вторичного поля. Это подтверждает утверждение, что погло­щение электромагнитного поля обусловлено, прежде всего, поте­рями энергии вихревых токов в материале экрана.

25 Зак. 174

Как следует из приведенных формул, в зависимости от часто ты, показателей магнитных и электрических свойств материала эк рана влияние отражения и поглощения на разных частотах сущест венно отличается. На низких частотах наибольший вклад в эффек тивность экранирования вносит отражение от экрана электромаг нитной волны, на высоких — ее поглощение в экране. Доля эти) составляющих в суммарной величине эффективности электромаг нитного экранирования одинаковая для немагнитных (ц ~ 1) экра нов на частотах в сотни кГц (для меди — 500 кГц), для магнитны? (ц » 1) — на частотах в доли и единицы кГц, например для пер маллоя — 200 Гц. Магнитные материалы обеспечивают лучше* экранирование электромагнитной волны за счет поглощения, а не магнитные, но с малым значением удельного сопротивления — з; счет отражения.

Кроме того, учитывая, что электромагнитная волна содер жит электрическую и магнитную составляющие, то при электро магнитном экранировании проявляются явления, характерные дл? электрического и магнитного экранирования.

Следовательно, на низких частотах материал для экрана дол­жен быть толстым, иметь высокие значения магнитной проница­емости и электропроводности. На высоких частотах экран долже! иметь малые значения электрического сопротивления, а требова­ния к его толщине и магнитной проницаемости материала сущест­венно снижаются. Для обеспечения экранирования электрическо* составляющей электромагнитный экран надо заземлять.