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 = E_Q / е_э и s_h = Н₀ / Н_э. На практике эффектив­ность экранирования измеряется в децибелах (дБ) и неперах (Нп): s_c(h) = 201g[E₀(H₀) / Е_з(Н$ [дБ] или S_e(H) = ln[E₀(H₀) / Е_э(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 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.

Рис. 12.1. Экранирование электрического поля

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 jj,» 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:

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:

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

где р — удельное электрическое сопротивление материала экрана в Ом • мм²/м; f— частота магнитного поля в Гц; ц — относительная магнитная проницаемость материала экрана.

Уменьшение эквивалентной глубины проникновения при уве­личении ц 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_n= 20 Ig (H_x / H₀)выражение для Н_х. В результате такой подстанов­ки и преобразования легко получить, что

Однако это выражение может использоваться для приближен­ной оценки эффективности экранирования при условии, что значе­ние d соизмеримо с а. Если d» а, то из_тза 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 ц / р, 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. 12.2.

Рис. 12.2. Электромагнитное экранирование

Электромагнитное экранирование обеспечивается за счет от­ражения части от экрана и поглощения части, проникшей в экран электромагнитного поля. Следовательно, эффективность экрани­рования 8_э = 8_%отр + 8_эпогл, где 8_эотр= Ј S — эффективность

Vi

экранирования за счет отражения электромагнитной волны от по­верхности экрана; 8_{э погл} = ^ 8_{э погл}. —эффективность экраниро-

Vi

вания за счет поглощения электромагнитной волны в экране.

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

Величина эффеншнншли 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, в 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 (ц, ~ 1) экра­нов на частотах в сотни кГц (для меди — 500 кГц), для магнитных (ц» 1) — на частотах в доли и единицы кГц, например для пер­маллоя — 200 Гц. Магнитные материалы обеспечивают лучшее экранирование электромагнитной волны за счет 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 для экрана дол­жен быть толстым, иметь высокие значения магнитной проница­емости и электропроводности. На высоких частотах экран должен иметь малые значения электрического сопротивления, а требова­ния к его толщине и магнитной проницаемости материала сущест­венно снижаются. Для обеспечения экранирования электрической составляющей электромагнитный экран.надо заземлять.