Электромагнитное экранирование

 

Под экранированием понимается локализация электрического, электромагнитного полей в определенной части пространства и более или менее полное освобождение от него остальной среды. Экранирование позволяет защитить как радиоэлектронные приборы от воздействия внешних полей, так и локализовать их собственные излучения, препятствуя их появлению в окружающем пространстве.

В результате становится практически невозможным несанкционированный съем информации по техническим каналам (к которым относится канал побочных электромагнитных излучений и наводок, электроакустический канал, радиоканал и т.д.).

Таким образом оно позволяет снизить эффективность использования злоумышленником микрофонов с передачей информации по радиоканалу, высокочастотного «навязывания» и др. средств съема информации.

Эффективность действия электромагнитного экрана характеризуется коэффициентом экранирования[4]:

 

,	(3.1)
,	(3.2)

 

где  - коэффициент экранирования электрической составляющей;

 - коэффициент экранирования магнитной составляющей;

 - напряженность электрического поля в какой-либо точке при наличии экрана;

 - напряженность электрического поля при отсутствии экрана;

 - напряженность магнитного поля в какой-либо точке при наличии экрана;

 - напряженность магнитного поля при отсутствии экрана.

 

На практике действие экрана принято оценивать эффективностью экранирования, дБ,

 

	(3.3)
	(3.4)

 

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. На нем я и остановлюсь.

В общем случае эффективность экранирования можно представить в виде[4]:

 

,

(3.5)

 

где  - эффективность экранирования за счет поглощения энергии в толще материала;

   - эффективность экранирования за счет отражения энергии от границ раздела внешняя среда – металл и металл – внешняя среда;

   - эффективность отражения за счет многократных внутренних отражений для последующих составляющих волн.

Значения этих эффективностей можно вычислить по формулам[5]:

 

,

(3.6)

 

где  - толщина экрана;

   - глубина проникновения – расстояние вдоль направления распространения волны, на котором амплитуда падающей волны уменьшается в e=2.71 раз.

 

,

(3.7)

 

где  - значения характеристических сопротивлений диэлектрика и металла.

Отражение электромагнитной энергии обусловлено несоответствием волновых характеристик диэлектрика, в пределах которого расположен экран, и материала экрана. Чем больше это несоответствие, чем больше от­чаются волновые сопротивления экрана и диэлектрика, тем интенсивнее частичный эффект экранирования, определяемый отражением электромагнитных волн.

 

(3.8)

 

Электромагнитное экранирование основано на возникновении вихревых токов, которые ослабляют электромагнитное поле. Эффективность экранирования такого экрана в ближней зоне (зоне индукции) будет неодинакова для составляю­щих поля. Поэтому, как правило, для ближней зоны следует вычислять эффективность экранирования каж­дой из компонент поля в отдельности, принимая при этом, что в дальней зоне (зона излучения) эффективно­сти экранирования составляющих окажутся одинаковыми.

Физическая сущность электромагнитного экранирова­ния, рассматриваемая с точки зрения теории электро­магнитного поля и теории электрических цепей, сводит­ся к тому, что под действием источника электромагнит­ной энергии на стороне экрана, обращенной к источнику, возникают заряды, а в его стенках - токи, поля кото­рых во внешнем пространстве по интенсивности близки к полю источника, а по направлению противоположны ему, и поэтому происходит взаимная компенсация полей.

Ниже приведены материалы, используемые при экранировании:

-  металлические материалы (в том числе сеточные материалы и фольговые материалы);

-  металлизация поверхностей;

-  стекла с токопроводящим покрытием;

-  специальные ткани;

-  радиопоглощающие материалы;

-  токопроводящие краски;

-  электропроводный клей;

В таблице 3.1 приведены значения эффективности экранирования для реальных замкнутых экранов.

 

Таблица 3.1 - Значения ЭЭ для реальных замкнутых экранов, дБ

Материал экрана	Диапазон частот, МГц
	0,15-3	3-30	30-300	300-3000	3000-10000
Сталь листовая:
- сварка сплошным швом	>100	>100	>100	>100	>100
- сварка точечным швом, шаг 50 мм	70	50	-	-	-
- болтовое соединение, шаг 50 мм	75	60	-	-	-
Жесть (фальцем):
- пайка непрерывная	100	100	100	100	100
- точечная пайка, шаг 50 мм	100	80	60	50	40
- без пайки	100	100	60	50	40
Сетка металлическая, ячейка 1 мм	80	60	50	40	25
Фольга, склейка внахлест	100	80	80	70	60
Токопроводящая краска, Rs=6 Ом	70	40	30	40	40
Металлизация, расход металла 0,3 кг/м^2	100	80	60	50	40
Экранирование смотровых и оконных проемов:
- штора или створка из металлической сетки с ячейкой 1-1,5 мм	70	60	60	40	40
- металлическая сетка с ячейкой до 2 мм	70	60	40	20	-
- стекло с токопроводящей поверхностью	70	30	-	30	30

 

При рассмотрении процесса экранирования автомобиля необходимо учитывать влияние корпуса автомобиля, выполняющего уже роль электромагнитного экрана.

Для инженерных расчетов используют упрощенные выражения, полученные при анализе многих конструкций экранов различного назначения. Рассчитаем эффективность экранирования автомобиля без использования дополнительных средств.

Расчет эффективности экранирования для электрически толстых () металлических экранов производится по формуле:

 

(3.9)

где  - удельное сопротивление материала;

   - длина волны;

   - волновое сопротивление электрического (магнитного) поля;

   - эквивалентный радиус экрана;

   - наибольший размер отверстия (щели).

Волновое сопротивление электрического и магнитного полей начисляют по формулам:

 

	(3.10)
	(3.11)

где  - характеристическое сопротивление воздуха электромагнитной волне, равное .

Эквивалентный радиус экрана в свою очередь высчитывается по формуле:

 

(3.12)

 

При расчете эффективности экранирования автомобиля будем исходить из того, что корпус автомобиля выполнен из стали. Это соответствует действительности для некоторых моделей.

Рассчитаем эквивалентный радиус. Будем считать, что длина салона автомобиля равна 2,6 метрам, высота 1,2 метру, а ширина 1.5 метра.

Тогда:

 

Толщину корпуса примем равной 5 мм. Для повышения эффективности экранирования необходимо уменьшить размеры возможных щелей в корпусе автомобиля. Я принял ее равной 2 мм.

Глубина проникновения рассчитывается по формуле:

(3.13)

где  - относительная магнитная проницаемость материала экрана.

Для стали относительная магнитная проницаемость равна 180. На основе этих данных можно вычислить эффективность замкнутого экрана сделанного из такого же материала, что и автомобиль.

Расчеты будут проводится по формулам (3.9)-(3.13). Зависимость эффективности экранирования от частоты приведена на рисунке 3.1

По рисунку определяем, что на частоте 1 ГГц эффективность экранирования данного экрана составляет 123 дБ, а на частоте 2 ГГц – 115 дБ.

 

Рисунок 3.1 – Зависимость эффективности экранирования стального экрана от частоты, дБ.

Для получения реальной эффективности необходимо учитывать наличие в автомобиле окон, которые нельзя заменить эквивалентным стальным экраном. Поэтому необходимо рассчитать эффективность экранирования эквивалентного стеклянного экрана.

При расчете экранирования окон необходимо учитывать снижение светопропускания. В качестве решения данной проблемы можно предложить следующие методы:

1. вкрапление в стекло металлической сетки;

2. стекла с токопроводящим покрытием.

И эти методы находятся в бурном развитии. Например, для нанесения токопроводящего покрытия используют вакуумные установки многослойного магнетронного напыления. Принцип работы этих установок основан на методе «бомбардировки» поверхности материала-подложки атомами или молекулами осаждаемого вещества, создающими на поверхности тонкий (от нескольких нанометров), ровный и чрезвычайно прочный слой покрытия. Используемые установки позволяют наносить одно- и многослойные покрытия из Ti, Ni, Al, In, Si, Zr, Cu, Co, Fe и др. материалов (до трех видов за один цикл) на стекло, керамику, металл и ряд пластмасс, и делать это со производительностью (для пятислойных покрытий) 200 дм²/час.

В качестве примера можно привести систему «Forster shielding» обладающей эффективностью 60 дБ в полосе частот от 1кГц до 1ГГц. При этом экраны обладают отличной проницаемостью света.

Рассмотрим экранирование стекол с помощью металлической сетки. Расчет будем проводить для сетки изготовленной из медной проволоки диаметром 0.05 мм с размером ячейки 2 мм. Оптическая проницаемость такой сетки составляет 85%[10].

Расчет эффективности сеточного экрана проводится по формуле:

 

(3.14)

где  - эквивалентная толщина сетки, м;

   - диаметр провода сетки, мм;

   - шаг сетки, мм.

 

Результаты вычисления представлены на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 – Зависимость эффективности экранирования медной сетки от частоты, дБ.

 

Из рисунка видно, что на частоте 2 ГГц эффективность экранирования равна 51 дБ.

Таким образом эффективность наиболее слабого звена электромагнитного экрана автомобиля обеспечивает эффективность экранирования 51 дБ в полосе частот от 1МГц до 2 ГГц.

Для повышения эффективности экранирования салона возможно покрытие внутренней стороны корпуса автомобиля тонким слоем алюминия. При этом мы получаем многослойный экран эффективность экранирования которого вычисляется по формуле:

(3.15)

Где  и  - эффективности экранирования первого и второго экранов;

    и  - коэффициенты отражения слоев.

Используя формулу 3.7 можно вычислить коэффициент отражения для каждого слоя. Коэффициент отражения равен:

 

(3.16)

где  - эффективность экранирования за счет отражения электромагнитной волны от границы раздела сред.

Рассчитаем коэффициенты отражения для каждого слоя. Для этого сначала рассчитаем значения характеристических сопротивлений диэлектрика и металла.

Характеристическое сопротивление воздуха[4]:

 

Ом

 

Характеристическое сопротивление металла[4]:

(3.17)

где  - удельная проводимость.

Для алюминия характеристическое сопротивление равно:

 Ом

Тогда зависимость отражения от границы воздух-алюминий от частоты будет иметь вид, показанный на рисунке 3.4. Теперь необходимо рассчитать зависимость коэффициента отражение от границы алюминий-сталь. Характеристическое сопротивление стали равно:

 Ом

 

Теперь по формуле 3.15 вычислим итоговую эффективность экранирования для двухслойного экрана. Результаты вычислений представлены на рисунке 3.3

Как видно из рисунка можно добиться высокой эффективности экранирования салона автомобиля. Также следует отметить, хорошие экранирующие свойства бронированных автомобилей. Это объясняется тем, что в основном для бронирования автомобилей используют стальные листы толщиной от 3 до 10 мм.

К недостаткам электромагнитного экранирования можно отнести громоздкость и соответственно высокую стоимость работ. Также, как видно из рисунков, эффективность экранирования экспоненциально уменьшается с увеличением частоты, и учитывая развитие радиоэлектроники необходимо отметить опасность выхода за границ безопасных частот.

 

 

 

Рисунок 3.3 – Зависимость эффективности экранирования двухслойного экрана от частоты, дБ.

Для избежания этого существуют два решения: увеличение толщины экрана и разработка и применение новых материалов. Но увеличение толщины экрана ограничено техническими показателями автомобиля. В качестве новых материалов для экранирования можно привести "METALTEX 450"- гибкий, воздухопроницаемый материал с высоким уровнем защиты против электрических, электромагнитных волн и полей. Эффективная защита от утечки информации по электромагнитным полям, ослабление (демпфирование) сигналов свыше 80 дБ в широкой полосе частот (0,01 - 10 000 МГц).

Активные методы защиты