Экранирование технических средств

 

Функционирование любого технического средства обра­ботки информации связано с протеканием по его токове- дущим элементам электрических токов различных частот и образованием разности потенциалов между различны­ми точками его электрической схемы,- которые порожда­ют магнитные и электрические поля. Узлы и элементы электронной аппаратуры, в которых имеют место большие напряжения и протекают малые то­ки, создают в ближней зоне электромагнитные поля с преобладанием электрической составляющей. Преиму­щественное влияние электрических полей на элементы электронной аппаратуры наблюдается и в тех случаях, когда эти элементы малочувствительны к магнитной со­ставляющей электромагнитного поля. Узлы и элементы электронной аппаратуры, в которых протекают большие токи и имеют место малые перепады напряжения, создают в ближней зоне электромагнитные поля с преобладанием магнитной составляющей. Преиму­щественное влияние магнитных полей на аппаратуру на­блюдается также в случае, если рассматриваемое уст­ройство малочувствительно к электрической составляю­щей поля или последняя намного меньше магнитной за счет свойств излучателя.

Переменные электрическое и магнитное поля создаются также в пространстве, окружающем соединительные ли­нии (провода, кабели) ТСПИ.

Побочные электромагнитные излучения ТСПИ являются причиной возникновения электромагнитных и параметри­ческих каналов утечки информации, а также могут ока­заться причиной возникновения наводки информацион­ных сигналов в посторонних токоведущих линиях и конст­рукциях. Поэтому снижению уровня побочных электро­магнитных излучений уделяется большое внимание.

Эффективным методом снижения уровня ПЭМИ является экранирование их источников.

Различают следующие способы экранирования : элект­ростатическое, магнитостатическое и электромагнитное. Электростатическое и магнитостатическое экранирова­ния основаны на замыкании экраном (обладающим в пер­вом случае высокой электропроводностью, а во вто­ром - магнитопроводностью) соответственно электричес­кого и магнитного полей.

Электростатическое экранирование, по существу, сво­дится к замыканию электростатического поля на по­верхность металлического экрана и отводу электриче­ских зарядов на землю (на корпус прибора). Заземле­ние электростатического экрана является необходи­мым элементом при реализации электростатического экранирования. Применение металлических экранов позволяет полностью устранить влияние электростати­ческого поля. При использовании диэлектрических эк­ранов, плотно прилегающих к экранируемому элемен­ту, можно ослабить поле источника наводки в е раз, где е - относительная диэлектрическая проницаемость материала экрана.

Основной задачей экранирования электрических по­лей является снижение емкости связи между экрани­руемыми элементами конструкции. Следовательно, эффективность экранирования определяется в основ­ном отношением емкостей связи между источником и рецептором наводки до и после установки заземлен­ного экрана. Поэтому любые действия, приводящие к снижению емкости связи, увеличивают эффективность экранирования.

Экранирующее действие металлического листа сущест­венно зависит от качества соединения экрана с корпусом прибора и частей экрана друг с другом. Особенно важно не иметь соединительных проводов между частями экра­на и корпусом.

В диапазонах метровых и более коротких длин волн со­единительные проводники длиной в несколько сантиме­тров могут резко ухудшить эффективность экранирова­ния. На еще более коротких волнах дециметрового и сантиметрового диапазонов соединительные проводни­ки и шины между экранами недопустимы. Для получе­ния высокой эффективности экранирования электриче- j ского поля здесь необходимо применять непосредствен­ное сплошное соединение отдельных частей экрана друг с другом .

Узкие щели и отверстия в металлическом экране, разме­ры которых малы по сравнению с длиной волны, практи­чески не ухудшают экранирования электрического поля. С увеличением частоты эффективность экраниро­вания снижается.

Основные требования, которые предъявляются к электрическим экранам, можно сформулировать следующим образом:
• конструкция экрана должна выбираться такой, чтобы силовые линии электрического поля замыкались на стенки экрана, не выходя за его пределы;
• в области низких частот (при глубине проникновения (δ) больше толщины (d), т.е. при δd) эффективность электростатического экранирования практически определяется качеством электрического контакта металлического экрана с корпусом устройства и мало зависит от материала экрана и его толщины;
• в области высоких частот (при d<δ) эффективность экрана, работающего в электромагнитном режиме, определяется его толщиной, проводимостью и магнитной проницаемостью.
Магнитостатическое экранирование используется при необходимости подавить наводки на низких частотах от 0 до 3 ... 10 кГц .
Основные требования, предъявляемые к магнитостатическим экранам, можно свести к следующим :
• магнитная проницаемость μ_aматериала экрана должна быть возможно более высокой. Для изготовления экранов желательно применять магнитомягкие материалы с высокой магнитной проницаемостью (например, пермаллой);
• увеличение толщины стенок экрана приводит к повышению эффективности экранирования, однако при этом следует принимать во внимание возможные конструктивные ограничения по массе и габаритам экрана;
• стыки, разрезы и швы в экране должны размещаться параллельно линиям магнитной индукции магнитного поля. Их число должно быть минимальным;
• заземление экрана не влияет на эффективность магнитостатического экранирования.
Эффективность магнитостатического экранирования повышается при применении многослойных экранов.
Экранирование высокочастотного магнитного поля основано на использовании магнитной индукции, создающей в экране переменные индукционные вихревые токи (токи Фуко). Магнитное поле этих токов внутри экрана будет направлено навстречу возбуждающему полю, а за его пределами - в ту же сторону, что и возбуждающее поле. Результирующее поле оказывается ослабленным внутри экрана и усиленным вне его. Вихревые токи в экране распределяются неравномерно по его сечению (толщине). Это вызывается явлением поверхностного эффекта, сущность которого заключается в том, что переменное магнитное поле ослабевает по мере проникновения в глубь металла, так как внутренние слои экранируются вихревыми токами, циркулирующими в поверхностных слоях.
Благодаря поверхностному эффекту плотность вихревых токов и напряженность переменного магнитного поля по мере углубления в металл падает по экспоненциальному закону.
Эффективность магнитного экранирования зависит от частоты и электрических свойств материала экрана. Чем ниже частота, тем слабее действует экран, тем большей толщины приходится его делать для достижения одного и того же экранирующего эффекта. Для высоких частот, начиная с диапазона средних волн, экран из любого металла толщиной 0,5 ... 1,5 мм действует весьма эффективно. При выборе толщины и материала экрана следует учитывать механическую прочность, жесткость, стойкость против коррозии, удобство стыковки отдельных деталей и осуществления между ними переходных контактов с малым сопротивлением, удобство пайки, сварки и пр..
Для частот выше 10 МГц медная и тем более серебряная пленка толщиной более 0,1 мм дает значительный экранирующий эффект. Поэтому на частотах выше 10 МГц вполне допустимо применение экранов из фольгированного гетинакса или другого изоляционного материала с нанесенным на него медным или серебряным покрытием.
При экранировании магнитного поля заземление экрана не изменяет величины возбуждаемых в экране токов и, следовательно, на эффективность магнитного экранирования не влияет.
На высоких частотах применяется исключительно электромагнитное экранирование. Действие электромагнитного экрана основано на том, что высокочастотное электромагнитное поле ослабляется им же созданным (благодаря образующимся в толще экрана вихревым токам) полем обратного направления.
Теория и практика показывают, что с точки зрения стоимости материала и простоты изготовления преимущества на стороне экранированного помещения из листовой стали. Однако при применении сетчатого экрана могут значительно упроститься вопросы вентиляции и освещения помещения. В связи с этим сетчатые экраны также находят широкое применение.
Для изготовления экрана целесообразно использовать следующие материалы:
сталь листовая декапированная ГОСТ 1386-47 толщиной (мм)
0,35; 0,50; 0,60; 0,70; 0,80; 1,00; 1,25; 1,50; 1,75; 2,00;
сталь тонколистовая оцинкованная ГОСТ 7118-54 толщиной (мм)
0,35; 0,50; 0,60; 0,70; 0,80; 1,00; 1,25; 1,50; 1,75; 2,00;
сталь тонколистовая оцинкованная ГОСТ 7118-54 толщиной (мм)
0,51; 0,63; 0,76; 0,82; 1,00; 1,25; 1,50;
сетка стальная тканая ГОСТ 3826-47 номер 0,4; 0,5; 0,7; 1,0; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0; 2,5;
сетка стальная плетеная ГОСТ 5336-50 номер 3; 4; 5; 6;
сетка из латунной проволоки марки Л-80 ГОСТ 6613-53 0,25; 0,5; 1,0; 1,6; 2,0; 2,5; 2,6.
Металлические листы или полотнища сетки должны быть между собой электрически соединены по всему периметру. Для сплошных экранов это может быть осуществлено электросваркой или пайкой. Шов электросварки или пайки должен быть непрерывным с тем, чтобы получить цельносварную конструкцию экрана.
Для сетчатых экранов пригодна любая конструкция шва, обеспечивающая хороший электрический контакт между соседними полотнищами сетки не реже чем через 10 ... 15 мм. Для этой цели может применяться пайка или точечная сварка.
Экран, изготовленный из луженой низкоуглеродистой стальной сетки с ячейкой 2,5 ... 3 мм, дает ослабление порядка 55 ... 60 дБ, а из такой же двойной (с расстоянием между наружной и внутренней сетками 100 мм) - около 90 дБ. Экран, изготовленный из одинарной медной сетки с ячейкой 2,5 мм, имеет ослабление порядка 65 ... 70 дБ [22, 114].
Необходимая эффективность экрана в зависимости от его назначения и величины уровня излучения ПЭМИН обычно находится в пределах 60 ... 120 дБ.

Материалы-диэлектрики также используются в качест­ве основы для создания экранов. Сами по себе диэлект­рики не могут экранировать электромагнитные поля. По­этому они чаще всего встречаются в сочетании либо с проводящими включениями, либо с дополнительными ме­таллическими элементами и конструкциями. На практике для улучшения экранирующих свойств ди­электрических экранов без существенного изменения их массы и конструкционных характеристик применяют про­водящее покрытие экранов напылением металлов в виде тонких пленок или оклеивание проводящей фольгой. С помощью вакуумного напыления можно нанести слой алюминия толщиной 4-5 мкм . Нанесение медных, никелевых или серебряных покрытий с толщиной слоя от 50 до 75 мкм обеспечивает эффектив­ность экранирования 30 - 60 дБ . С помощью химического осаждения на медь можно нано­сить никель; такое покрытие обеспечивает эффектив­ность экранирования 55 - 110 дБ . В общем случае при прочих равных условиях эффектив­ность экранирования металлизированным слоем ниже, чем сплошным металлическим листом. Металлизация поверхности может применяться для экра­нирования отдельных отсеков радиоэлектронной аппара­туры при наличии неметаллических несущих конструк­ций, пластмассовых корпусов аппаратуры и т.д. К метал­лизированным поверхностям могут быть припаяны кон­такты для заземления и подключения других цепей. Стёкла с токопроводящим покрытием должны обеспе­чивать требуемую эффективность экранирования при ухудшении их оптических характеристик не ниже задан­ных граничных значений. Электрические и оптические свойства стекол с токопроводящим покрытием зависят от природы окислов, составляющих пленку, условий и ме­тодов ее нанесения и свойств самого стекла. При условии сохранения прозрачности стекол с потерями не более 20% и обеспечения достаточной электропроводности тол­щина пленки покрытия может колебаться в широких пре делах от 0,5*10-⁸ до 3*10 ⁶ м . Наибольшее распростра­нение получили пленки на основе оксида олова; оксида, индия-олова и золота, так как они обеспечивают наиболь­шую механическую прочность, химически устойчивы и плотно соединяются со стеклянной подложкой. Стекла с токопроводящим покрытием в основном используются в экранированных камерах при необходимости обеспечения в них освещенности. Выпускаемые промышленностью стекла с токопроводящим покрытием имеют поверхностное сопротивлениё^:нё менее 6 Ом при ухудше­нии прозрачности не более чем на 20%. Эффективность» экранирования у таких стекол в радиодиапазоне состав­ляет около 30 дБ .

Специальные металлизированные ткани содержат в своей структуре металлические нити или специальные токопроводящие покрытия, наличие; которых приводит к от­ражению электромагнитных волн. Такие ткани предназна­чены для защиты от электромагнитного поля в диапазоне сверхвысоких частот.

Например, ткань типа РТ изготавливается из капроновых нитей, скрученных с посеребренной медной проволокой диметром 30 - 50 мкм. В ткани артикула 4381 нитка сви­та с эмалированным проводом П§Л-0,06. Чйслометалли- ческих ниток может составлять 30x30, 20x20, 10x10 и 6x6 на 1 см2 .

В качестве другого примера можно привести металлизи- рованную ткань «Метакрон», которая изготавливается хи­мико-гальваническим методом¹, обеспечивающим сплош­ное двухстороннее никелевое или никелево-меднбе по- крытие материала толщиной от 1 до 12 мкм соответствен­но. Металлизации указанным методом могут подвергать­ся разные виды тканей, в той числе полиэфирная, поли­амидная, арамидная, кевлар, финелон, базальтовая, гра­фитовая, стеклоткань, хлопок; Масса металла в ткани со­ставляет от 30 до 100 г/м² в зависимости от типа ткани. Ткань «Метакрон» имеет высокую отражательную спо­собность (свыше 99,99%) в диапазоне неиониЗирующих электромагнитных излучений, что позволяет обеспе­чить ослабление электрического поля в диапазоне час­тот 0,1 - 30 МГц от 70 до 90 дБ, магнитного поЯя в диа­пазоне частот 0,1 - 30 МГц от 5 до 60 дБ, электромаг­нитного поля в диапазоне частот 300 - 12 000 МГц от 50 до 80 дБ.

Металлизированные ткани производятся рулонами до 100 м длиной и шириной 0,9 - 1,2 м. Токопроводящие краски Создаются на основе диэлект­рического пленкообразующего материала с добавлением в него проводящих компонентов, пластификатора и от- вердителя. В качестве токопроводящих составляющих ис- пользуются графит, сажа, коллоидное серебро, окиси ме­таллов, порошковая медь, алюминий .

Электропроводный клей создается на основе эпоксид­ной смолы, заполняемой металлическими порошками (железо, кобальт, никель и др.). Электропроводный клей применяется наряду с пайкой, сваркой и болтовым соеди­нением, а также в целях электромагнитного экранирова­ния. Заполнение щелей и малых отверстий, установка эк- рана на несущей конструкции, крепление различных эле­ментов экранов - эти и другие операции могут быть ус­пешно выполнены с помощью электропроводного клея. Эффективность экранирования, обеспечиваемая с при­менением эпоксидного клея, составляет 50 - 65 дБ . Радиопоглощающие материалы могут применяться в качестве покрытий различных поверхностей в целях уменьшения отражения от этих поверхностей электро­магнитных волн. Принцип действия таких материалов заключается в том, что падающая на них электромагнит­ная волна преобразуется внутри их структуры в другие виды энергии. В зависимости от свойств радиопоглоща­ющие материалы покрытия могут быть широкодиапа­зонными и узкодиапазонными.

Структуру широкодиапазонных радиопоглощающих ма­териалов образуют частицы ферромагнетика, введенные в слой изоляционного материала из немагнитного диэле­ктрика (пенополистирола, каучука, кремнийорганической пены и т.п.). Узкодиапазонные покрытия изготавливают из различных пластмасс и каучука. Чтобы такие покрытия обладали поглощающими свойствами, в их состав вводят ферромагнетики с примесями сажи или порошка графита в качестве поглотителя.

Радиопоглощающие материалы, используемые в качест­ве покрытий, могут быть однослойными, многослойными с переменными от слоя к слою параметрами, а также структурно-неоднородными, т.е. с включением в состав материала различного рода структур, например дифрак­ционных решеток.

Эффективность таких материалов достаточно высока. Коэффициент отражения большинства современных радиопоглощающих покрытий не превышает единиц процентов.

Радиопоглощающие материалы находят применение для создания безэховых камер. Такие камеры создаются пу­тем оклейки стен помещений, в которых должны прово­диться радиоизмерения, радиопоглощающими материа­лами (покрытиями). В результате создаются условия для проведения испытаний, приближающиеся к условиям свободного пространства.

Необходимая эффективность экрана в зависимости от его назначения и величины уровня излучения ПЭМИ обычно находится в пределах 60 - 120 дБ . Экранируются как отдельные блоки аппаратуры, так и технические средства в целом.

Экранироваться могут не только отдельные блоки (узлы) аппаратуры и их соединительные линии, но и помещения в целом.

В обычных (неэкранированных) помещениях основной эк­ранирующий эффект обеспечивают железобетонные стены домов.

 

Таблица 15.2 - Степень экранирующего действия различных типов зданий

Тип здания	Степень экранирования, дБ
Оконный проем 30% от площади стены	100 МГц	500 МГц	1000 МГц
Деревянное здание с толщиной стен 20 см	5 ... 7	7 ... 9	9 ... 11
Кирпичное здание с толщиной стен 1,5 кирпича	13 ... 15	15 ... 17	16 ... 19
Железобетонное здание с ячейкой арматуры 15х15 см и толщиной стен 160 см	20 ... 25	18 ... 19	15 ... 17
Деревянное здание с толщиной стен 20 см	6 ... 8	10 ... 12	12 ... 14
Кирпичное здание с толщиной стен 1,5 кирпича	17 ... 19	20 ... 22	22 ... 25
Железобетонное здание с ячейкой арматуры 15х15 см и толщиной стен 160 см	28 ... 32	23 ... 27	20 ... 25

Экранирующие свойства дверей и окон хуже. Для повы­шения экранирующих свойств стен применяются допол­нительные средства, в том числе:

✓ токопроводящие лакокрасочные покрытия или токопро- водящие обои;

✓ шторы из металлизированной ткани;

✓ металлизированные стекла (например, из двуокиси олова), устанавливаемые в металлические или метал­лизированные рамы.

В помещении экранируются стены, двери и окна. При закрытии двери должен обеспечиваться надежный электрический контакт со стенками помещения (с двер­ной рамой) по всему периметру не реже, чем через 10 - 15 мм. Для этого может быть применена пружинная гребенка из фосфористой бронзы, которую укрепляют по всему внутреннему периметру дверной рамы . Окна должны быть затянуты одним или двумя слоями мед­ной сетки с ячейкой не более 2x2 мм, причем расстояние между- слоями сетки должно быть не менее 50 мм.

Таблица 15.3 - Предельно достижимые величины затухания электромагнитных волн для различных типов экранирующих помещений

Тип конструкции экранированного помещения	Степень экранирования, дБ
Одиночный экран из сетки с одиночной дверью, оборудованной зажимными устройствами
Двойной экран из сетки с двойной дверью-тамбуром и зажимными устройствами
Сплошной стальной экран с двойной дверью-тамбуром и зажимными устройствами

Оба слоя сетки должны иметь хороший электрический контакт со стенками помещения (с-рамой) по всему пери­метру. Сетки удобнее делать- Съемными, и металлическое обрамление съемной части также должно иметь пружиня­щие контакты в виде гребенки из фосфористой бронзы . При проведении работ по тщательному экранированию подобных помещений необходимо одновременно обеспе­чить нормальные условия для работающего в нем челове­ка, прежде всего вентиляцию воздуха и освещение. Конструкция экрана для вентиляционных отверстий зави­сит от диапазона частот. Для частот менее 1000 МРц при­меняются сотовые конструкции;- закрывающие вентиля­ционное отверстие, с прямоугольными, круглыми, шести­гранными ячейками Для достижения эффективного экра­нирования размеры ячеек должны быть менее одной¹ де­сятой от длины волны. При повышении частоты необходи­мые размеры ячеек могут быть столь малыми, что ухуд­шается вентиляция.

Величины затуханий экранированных помещений в зави­симости от конструкции приведены в таблице. Экранировку электромагнитных волн более 100 дБ мож­но обеспечить только в специальных экранированных камерах, в которых электромагнитный экран выполнен в виде электрогерметичного стального корпуса, а для ввода электрических коммуникаций используются спе­циальные фильтры.

Размеры экранированного помещения выбирают исходя ] из его назначения и стоимости. Обычно экранированные помещения строят площадью 6 - 8 м² при высоте 2,5 - 3 м. Коэффициенты экранирования в таких помещениях составляет от 30 до 140 дБ.