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 Е_о и Н_о, а за экраном — Е_э и Н_э, то S_e = Е_о / Е_э и S_н = Н_о / Н_э.

На практике эффективность экранирования измеряется в децибелах (дБ) или неперах (Нп):

 

S_e(н) = 20·1g [E_о(H_о) / Е_э(Н_э)] [дБ] или S_e(н) = ln [E_о(H_о) / Е_э(Н_э)] [Нп].

 

Аналитические зависимости эффективности экранирования определены для идеализированных (гипотетических) моделей экранов в виде бесконечно плоской однородной токопроводящей поверхности, однородной сферической окопроводящей 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.1).

 

Рис. 1. Экранирование электрического поля.

 

Положительные заряды 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 компенсируются 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.

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.

Для стекания зарядов с экрана, наводимых электрическим полем, необходимо обеспечить заземление экрана с малым (менее 4 Ом) сопротивлением. В качестве заземлителей чаще всего применяются стальные трубы длиною 2 – 3 м диаметром 35 – 50 мм и стальные полосы сечением 50 – 100 мм. Более удобными являются трубы, позволяющие достигнуть достаточно глубоких влажных слоев земли, обладающих достаточно высокой проводимостью и не подвергающихся высыханию или промерзанию.

Заземлители следует соединять с шинами, проложенными до мест размещения радиоэлектронных средств, с помощью сварки. Сечение шин и магистралей заземления по условиям механической прочности и получения достаточной проводимости рекомендуется брать не менее 24 х 4 мм.

Магистрали заземления вне здания прокладываются на глубине около 1,5 м, внутри здания – по стене или специальным каналам таким образом, чтобы их можно было внешне осматривать. Соединяют магистрали с заземлителем с помощью сварки. К экрану или заземляемому устройству магистраль подключают с помощью болтового соединения в одной точке.

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

- «втягивания» (шунтирования) магнитных силовых линий поля в экран из ферромагнитных материалов (с μ>>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 проницаемости 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≈ l – μd/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 проводимость 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 переменного магнитного поля уменьшается по мере проникновения его в металл экрана на глубину х от его поверхности по экспоненциальному закону:

 

Н_х = Н_о·ехр (-х/σ),

 

где а – эквивалентная глубина проникновения, соответствующая ослаблению напряженности магнитного поля в 2,72 раза и вычисляемая по формуле:

 

σ = 503 √ρ/f·μ

 

где ρ – удельное электрическое сопротивление материала экрана в Ом·мм²/м; f – частота магнитного поля в Гц; μ – относительная магнитная проницаемость материала экрана.

Уменьшение эквивалентной глубины проникновения при увеличении μ обусловлено тем, что ферромагнитные материалы «втягивают» силовые магнитные линии первичного поля, в результате чего повышаются концентрация магнитных силовых линий и, следовательно, напряженность магнитного поля внутри материала экрана. В результате этого повышаются уровни индуцируемых в 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 S_H= 20 lg (H_x / H_o) выражение для Н_х.

В результате такой подстанов­ки и преобразования легко получить, что

S_h ≈ 0,0173 d √ μ·f/ρ

 

Однако это выражение может использоваться для приближенной оценки эффективности экранирования при условии, что значение d соизмеримо с σ. Если d >>σ, то из-за поверхностного эффекта увеличение d слабо влияет на эффективность экранирования, так как вторичное магнитное поле создают вихревые токи в поверхностном слое экрана.

Следовательно, для обеспечения эффективного магнитного экранирования на высоких частотах следует для экранов использовать материалы с наибольшим отношением μ/ρ, учитывая при этом, что с повышением f сопротивление из-за поверхностного эффекта возрастает в экспоненциальной зависимости. На высоких частотах глубина проникновения может быть столь малой, а сопротивление столь велико, что применение материалов с высокой магнитной проницательностью, например пермаллоя, становится нецелесообразным. Для f > 10 МГц значительный экранирующий эффект обеспечивает медный экран толщиной всего 0,1 мм. Для экранирования магнитных полей высокочастотных контуров усилителей промежуточной частоты бытовых радио- и телевизионных приемников широко применяют алюминиевые экраны, которые незначительно уступают меди по удельному электрическому сопротивлению, но существенно их легче. Для высоких частот толщина экрана определяется в основном требованиями к прочности конструкции.

Кроме того, на эффективность магнитных экранов влияет конструкция самого экрана. Она не должна содержать участков с отверстиями, прорезями, швов на пути магнитных силовых линий и вихревых токов, создающих им дополнительное сопротивление. Так как магнитное экранирование обеспечивается за счет токов, а не зарядов, магнитные экраны не нуждаются в заземлении.

3. Физические процессы при электромагнитном экранировании рассматриваются на модели, представленной на рис. 2.

Электромагнитное экранирование обеспечивается за счет отражения части от экрана и поглощения части, проникшей в экран электромагнитного поля. Следовательно, эффективность экранирования S_э = S_э,отр + S_{э, погл}, где S_э,отр=ΣS_{э,отр i} – эффективность экранирования за счет отражения электромагнитной волны от поверхности экрана; S_{э, погл}=ΣS_{э, погл i} – эффективность экранирования за счет поглощения электромагнитной волны в экране.

 

Рис. 2. Электромагнитное экранирование

 

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

 

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

 

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.

Как следует из приведенных формул, и зависимости от частоты, показателей магнитных и электрических свойств материала экрана влияние отражения и поглощения на разных частотах существенно отличается. На низких частотах наибольший вклад в эффективность экранирования вносит отражение от экрана электромагнитной волны, на высоких – ее поглощение в экране. Доля этих составляющих в суммарной величине эффективности электромагнитного экранирования одинаковая для немагнитных (μ ≈ 1экранов на частотах в сотни кГц (для меди – 500 кГц), для магнитных (μ >> 1) на частотах в доли и единицы Гц например для пермаллоя – 200 Гц. Магнитные материалы обеспечивают лучшее экранирование электромагнитной волны за счёт поглощения, а немагнитные, но с малым значением удельного сопротивления за счет отражения.

Кроме того, учитывая, что электромагнитная волна содержит электрическую и магнитную составляющие, то при электромагнитном экранировании проявляются явления характерные для электрического и магнитного экранирования.

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