Защита устройств радиосвязи от побочных элетромагнитных

  излучений.

 

В качестве технических средств защиты от несанкционированного доступа к передаваемой по системам радиосвязи и телерадиовещания информации используются методы экранирования радиопередающих устройств и их элементов, заземление аппаратуры и фильтрация спектральных составляющих сигналов.

Сигналы передаваемой средствами радиосвязи информации могут быть доступны несанкционированным абонентам за счет побочных электромагнитных излучений. Эти излучения могут попадать из одного блока или элемента аппаратуры в другой или проникать наружу.

Для снижения наводок необходимо устранять или ослаблять до допустимо значений паразитные связи путем уменьшения паразитных емкостей, взаимной индуктивности и паразитной проводимости. Способы уменьшения паразитных связей заключаются в:

-  максимально возможном увеличении расстояния между вероятными источниками и приемниками наводок;

-  уменьшении габаритов токонесущих элементов;

- сведении к минимуму проводимостей между разными элементами; 

- изъятии посторонних проводов, проходящих через несколько разных узлов и блоков;

- экранировании и использовании развязывающих фильтров.

Одним из радикальных способов ограничения побочных излучений аппаратуры радиосвязи является экранирование. 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 приемни-

ка.

Введение экранов требует существенного изменения компоновки, конструкции или габаритов изделия, при этом необходимо совмещать элементы экранов с элементами несущей конструкции. Экранирование электромагнитных волн является основой экологической безопасности и одним из самых действенных средств защиты объекта от утечки информации по техническим каналам телекоммуникаций. Применение качественных экранов позволяет решать многие задачи, среди которых:

- защита информации в помещениях и технических каналах;

-  электромагнитная совместимость оборудования и приборов при их совместном использовании;

- защиты персонала от повышенного уровня электромагнитных полей;

- обеспечение благоприятной 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. Эффективность экранирования – это степень ослабления составляющих поля (электрической или магнитной), определяемая как отношение действующих значений напряженности полей в данной точке пространства при отсутствии и наличии экрана.  Коэффициенты ослабления напряженности полей принято выражать в логарифмическом масштабе:

где К_Е – коэффициент ослабления (экранирования) по электрической со-

          ставляющей;

  К_Н – коэффициент ослабления (экранирования) по магнитной со

          ставляющей;

  Е₀, Н₀ – напряженности электрического и магнитного полей соотве-

                 тственно в отсутствии экрана;

  Е₁, Н₀ – напряженности электрического и магнитного полей соотве-

                 тственно при наличии экрана в той же точке пространства.

В зависимости от типа решаемой задачи экранирование различают на электрическое, магнитостатическое и электромагнитное. Поскольку радиоволны представляют собой совокупность переменных электрических и магнитных полей, то в  данном случае актуально последнее.

Теоретические и экспериментальные исследования [9] показали, что форма экрана незначительно влияют на его эффективность. Главным фактором, определяющим качество экрана, являются радиофизические свойства материала и конструкционные особенности. Поэтому, при расчете эффективности экрана в реальных условиях пользуются наиболее простым его представлением: сфера, цилиндр, плоскопараллельный лист и т.д. При этом причиной, ограничивающей достижение высоких значений эффективности экранирования, является наличие в экране технологических отверстий, а в экранированных помещениях – дверей и окон.

 C целью подавления емкостных паразитных связей между электрическими цепями вводится токопроводящий экран, соединенный с общим проводом и замыкающий на общий провод большую часть электрических силовых линий поля электромагнитных полей. Емкостная паразитная связь между электрическими цепями возникает через ближнее электрическое поле.

Введением металлического экрана, имеющего сопротивление близкое к нулю относительно общего провода, теоретически наводку можно снизить почти до нуля. Практически же всегда из-за наличия проводников с конечным сопротивлением и технологических отверстий, а также возникновения краевых эффектов, имеется остаточное ближнее электрическое поле и, следовательно, остаточная емкость.

При экранировании электрического поля важно создать низкое сопротивление экрана относительно корпуса (общего провода). Появление любого сопротивления, особенно индуктивного, в цепи соединения экрана с общим проводом создает эффект паразитной связи через посторонний провод, поэтому все металлические элементы конструкции всегда должны тщательно соединяться между собой и с общим проводом. Причем, чем выше частота радиосигнала, тем больше индуктивное сопротивление проводников, и  проблема емкостной паразитной связи усугубляется.  

Подавление индуктивных паразитных связей производится с помощью магнитостатического экранирования или экранирования шунтированием магнитного поля, основанным на применении экранов из ферромагнитных материалов с большой магнитной проницаемостью. Паразитная магнитная связь возникает между двумя электрическими цепями через ближнее магнитное поле. При экранировании линии магнитного поля как бы втягиваются в материал с более высокой магнитной проницаемостью, в результате внутри экрана поле ослабляется. Эффективность магнитостатического экранирования определяется магнитным сопротивлением экрана:

где μ – относительная магнитная проницаемость материала экрана;

D =1,2b – диаметр эквивалентного сферического экрана;

b – размер стороны куба для экрана в форме куба.

Магнитостатическое экранирование имеет невысокую эффективность (Э ≈ 2…5) и используется в основном на н.ч, на которых мала эффективность

динамического экранирования.

Сущность динамического экранирования заключается в том, что переменное магнитное поле ослабляется по мере проникновения вглубь металла, т.к. внутренние слои экранируются вихревыми поверхностными токами. Причем, чем выше частота радиосигнала – тем сильнее эффект поверхностных токов. Распределение вихревых токов по толщине экрана подчиняется следующей закономерности:

где I_x, I_п – плотность тока на глубине х и на поверхности соответственно;

ρ – удельное сопротивление материала экрана, Ом·м;

μ – относительная магнитная проницаемость материала экрана;

 μ₀ – абсолютная магнитная проницаемость вакуума;

ω – круговая частота сигнала.

На частотах, на которых толщина стенок экрана h > δ, действуют оба фактора, и эффективность экранирования вычисляется с помощью выражения:

где D – ширина прямоугольного экрана или диаметр цилиндрического;

  К_Ф – коэффициент формы экрана, равный для прямоугольной фор-

          мы – 1, для цилиндрической – 2, для сферической – 3.

На очень высоких частотах, где h» δ, величина в скобках всегда больше 0,5, что позволяет упростить расчетное выражение:

откуда минимальная толщина стенок экрана, обеспечивающая эффективность экранирования не ниже заданной, определяется как:

На низких частотах или при малой толщине стенок экрана (h < δ) влияние поверхностного эффекта ниже, и эффективность экранирования должна определяться согласно выражения:

При экранировании реальных элементов радиоаппаратуры, таких как трансформаторы, катушки индуктивности, провод и т.д., обычно требуется одновременное экранирование от электрических и магнитных полей. В качестве электрических и магнитных экранов используются одни и те же элементы конструкции, но при этом следует учитывать, что действуют они по-разному. На эффективность магнитного экрана влияют проводимость, магнитная проницаемость и частота колебаний магнитного поля, и не влияют наличие контакта с общим проводом. В то же время, эффективность электрического экрана однозначно определяется наличием хорошего электрического соединения с общим проводом. Для эффективного экранирования электрического и магнитного полей необходимо выполнить обе группы требований.

Экранирование катушек индуктивности влияет на величину индуктивности катушек и их добротность – чем ближе расположен экран к катушке, тем больше вносимые потери, снижающие добротность, и сильнее изменяется ее индуктивность. Вносимые экраном потери возрастают с увеличением удельного сопротивления материала экрана, поэтому в качестве материала экрана применяются материалы с малым сопротивлением (медь, латунь, алюминий). Размеры экрана необходимо выбирать из условий:

где l _кат, d_кат – длина и диаметр катушки;

  l _эк, d_эк – высота и диаметр экрана.

При выполнении этих условий индуктивность катушки снижается на 15 ÷ 18%. Если размеры катушки укладываются в соотношение 3d_кат > l _кат > d_кат, то возникают дополнительные потери, вносимые экраном:

где f₀ = 1 МГц;

  f – рабочая частота;

  ρ_м – удельное сопротивление меди;

  ρ_эк – удельное сопротивление материала экрана.

Эффективность экранирования уменьшается за счет паразитных связей, возникающих через провода, выходящие из экранируемого пространства, и за счет отверстий в экранах. Чтобы уменьшить влияние отверстий на эффективность экранов, они должны располагаться таким образом, чтобы не мешать вихревым токам – отверстия и вырезы в экране должны быть вытянуты вдоль направления вихревых токов, как показано на рисунке 4.1.

Чтобы уменьшит уровень побочных электромагнитных излучений (ПЭМИ), необходимо тщательно выполнять соединение оболочки провода (экрана) с корпусом аппаратуры. Вместе с тем, соединение оболочки провода с корпусом в одной точке не ослабляет в окружающем пространстве магнитное поле, создаваемое протекающим по проводу током.     

 Для экранирования магнитного поля необходимо создать поле такой же величины и обратного направления. С этой целью весь обратный ток должен быть направлен через экранирующую оплетку провода, то есть чтобы экранирующая оболочка была единственным путем для протекания отраженного

тока. На рисунке 4.2 приведены различные варианты экранирования соединительных проводов.

 

 

Рисунок 4.1. Допустимое и недопустимое размещение вырезов и щелей в экране; 1 – направление силовых линий магнитного поля; 2 – направление вихревых токов в экране; 3, 4 – недопустимое и допустимое размещение отверстий в экране соответственно.

 

Для полного экранирования проводов от электрических и магнитных полей  необходимо  выводы  генератора и нагрузки подключить к проводу и эк-

Рисунок 4.2. Способы экранирования соединительных проводов.

рану непосредственно без промежуточных проводников, а соединение с корпусом производить в одной точке, лучше со стороны приемника сигнала (рисунок 4.2,а).

При подключении общего провода генератора к корпусу, а не к экрану получается экранирование только от электрических полей (рисунок 4.2,б). При отсутствии соединения экрана с общим проводом никакого экранирующего эффекта не получается.

При замыкании экрана на корпус нарушается магнитное экранирование части провода, расположенного между точкой замыкания экрана на корпус и нагрузкой (рисунок 4.2,в).

Во избежание эффекта насыщения экраны делают многослойными, при этом каждый последующий слой должен иметь большее начальное значение магнитной проницаемости, чем предыдущий, так как эквивалентная глубина проникновения электромагнитного поля в толщу материала δ обратно пропорциональна произведению его магнитной проницаемости и проводимости. Толщина экрана d, необходимая для обеспечения заданного значения его эффективности, определяется выражением:

Эффективность экранирования вследствие отражения определяется как:

Больший эффект экранирования достигается с помощью многослойных экранов. Это объясняется наличием в многослойных экранах нескольких границ раздела поверхностей, на каждой из которых происходит отражение электромагнитной волны вследствие разницы волновых сопротивлений слоев. Эффективность многослойного экрана зависит не только от числа слоев, но и порядка их чередования. Наиболее эффективны экраны их комбинаций магнитных и немагнитных слоев, причем наружный по отношению к источнику излучения поля слой предпочтительнее выполнять из материала, обладающего магнитными свойствами.

Расчет эффективности экранирования двухслойными экранами из различных материалов показывает, что наиболее целесообразным в диапазоне частот 10 кГц…100 МГц является сочетание медного и стального слоев. При этом толщина магнитного слоя должна быть больше, чем немагнитного (сталь – 82% общей толщины, медь – 18%).

На низких частотах более целесообразно применять магнитные материалы с высокими значениями начальной магнитной проницаемости. Для одно-

слойного цилиндра, длина которого существенно превосходит его диаметр D₀, эффективность экранирования составляющей напряженности магнитного поля перпендикулярной оси цилиндра оценивается следующей формулой:

Как и в электромагнитном случае, многослойные оболочки оказываются эффективнее однослойного экрана, причем их эффективность растет практически пропорционально числу слоев.

Особое место в ряду материалов, применяемых для экранирования статических и квазистатических магнитных полей, занимают аморфные ферромагнетики. Магнитные экраны изготавливают из сплавов типа пермаллоя с содержанием 20% железа и 80% никеля. Высокие магнитные свойства достигаются после сложной и дорогой термической обработки. Для борьбы с индустриальными помехами в радиочастотном диапазоне созданы экраны из аморфных сплавов с коэффициентами экранирования до 60 дБ.

Экранирование радиотехнических средств передачи информации и соединительных линий эффективно только при правильном их заземлении. В настоящее время существуют различные типы заземлений. Наиболее часто используются одноточечные, многоточечные и комбинированные (гибридные) схемы.

На рисунке 4.3 приведена наиболее простая последовательная одноточечная схема заземления, применяемая на низких частотах. недостатком этой схемы является протекание обратных токов различных цепей по общему участку заземляющей цепи. Вследствие этого возможно появление наводок от посторонних сигналов.

 

Рисунок 4.3. Одноточечная последовательная схема заземления.

 

В одноточечной параллельной схеме на рисунке 4.4 этого недостатка нет, однако схема требует большого числа протяженных заземляющих проводников с ощутимым сопротивлением участков заземления. Эта схема также применяется на низких частотах. Многоточечная схема заземления, приведенная на рисунке 4.5, свободна от выше указанных недостатков,  но тре-

бует принятия мер для исключения замкнутых контуров. Схема применяется на высоких частотах.

Комбинированные схемы представляют собой сочетание названных выше схем:

- система заземления должна включать общий заземлитель, заземляющий кабель, шины и провода, соединяющие заземлитель с объектом;

- сопротивление заземляющих проводников, а также земляных шин должно быть минимальным;

- каждый заземленный элемент должен быть присоединен к заземлителю при помощи отдельного ответвителя;

- в системе заземления должны отсутствовать замкнутые контуры;

   - следует избегать использования общих проводников в системе экрани рующих заземлений, защитных заземлений и сигнальных цепей;

    Рисунок 4.4. Одноточечная параллельная схема заземления.

 

- минимальное сопротивление контактов (лучше пайка или сварка);

-контактные соединения должны исключать возможность образования

 оксидных пленок, вызывающих нелинейные явления, и гальванических

   пар, вызывающих коррозию;

 

Рисунок 4.5. Многоточечная схема заземления.

 

- запрещается использовать в качестве заземлителей нулевые фазы, металлические оболочки подземных кабелей, металлические трубы водо- и теплоснабжения.

Сопротивление заземления определяется качеством грунта. Поэтому необходимо применять орошение почвы вокруг заземления 5%-ным соляным раствором, которое снижает сопротивление грунта в 5 ÷ 10 раз.