Электромагнитное экранирование
Электромагнитное экранирование – способ снижения интенсивности электромагнитных волн до заданного уровня с помощью специального материалов, оборудования и технологических решений. Снижение интенсивности поля необходимо для защиты людей или техники от влияния электромагнитного излучения либо для предотвращения нежелательной утечки информации, которая может переноситься электромагнитным излучением.
Экранирование обеспечивается созданием специальных экранов, от которых излучение может отражаться, в которых оно может поглощаться или рассеиваться, либо комбинацией этих способов. Экраны образуют замкнутые объемы, которые охватывают или объект защиты от излучения, либо объект, излучение от которого должно быть подавлено. Кроме того, необходимы специальные решения для ввода в электромагнитный экран или вывода наружу различных линий инженерных или информационных коммуникаций.
Экранирование от ЭМИ – защита людей, техники, информации
Во всех странах законодательно задается допустимый уровень излучения, которому может подвергаться человек без опасения за его здоровье. Применение экранов позволяет снизить потенциально опасные для здоровья уровни излучения до безопасных.
Под воздействием интенсивных полей наблюдаются сбои в работе электроники. Помехи, создаваемые мощными полями, могут вывести из строя интегральные микросхемы и полупроводниковые элементы.
Становится возможным несанкционированный доступ к конфиденциальной информации. Интенсивное излучение позволяет задействовать специальные дистанционные устройства, считывающие данные в процессе работы компьютера. Непроизвольным передатчиком секретной информации может стать любой электронный гаджет, например, смартфон.
Преграду электромагнитному полю создает экран с высокой магнитной или электрической проводимостью, оборудованный вокруг защищаемого пространства или полости. В требуемых случаях экранируют источник излучения, чтобы предотвратить его распространение.
Правильно оборудованный защитный экран позволяет:
Прежде чем использовать тот или иной метод защиты экранированием, необходимо обследование объекта специалистами для создания проекта.
В ряде случаев необходимо исследовать объект с помощью специального оборудования.
В процессе исследования анализируются частотные параметры ЭМИ, измеряется его уровень в разных точках. Поручив эту процедуру специалистам «НТЦ Фарадей», заказчик получает инструментально точные результаты и квалифицированные рекомендации по организации эффективного экранирования.
От чего зависит эффективность экранирования
Уровень экранирования определяется показателем коэффициента экранирования. Коэффициент экранирования – отношение величин интенсивности электромагнитного поля до экрана и за экраном.
На эффективность действия экрана в совокупности влияют несколько факторов:
нирования для каждого конкретного объекта.
Зависимость экранирования от частотного диапазона
Экранирование полей высокочастотного диапазона основано на отражении и поглощении электромагнитной волны при переходе из одной среды в другую. Электромагнитная волна, взаимодействуя с экраном, частично отражается его поверхностью, частично поглощается материалом экрана. Эти процессы приводят к потере энергии, ослаблению и затуханию волны.
При экранировании низкочастотных полей (так называемые магнитные поля) используют свойства так называемых магнитомягких материалов.
Для экранирования высокочастотных полей основное требование – высокая электропроводность материала экрана и отсутствие отверстий, щелей, плохого контакта элементов экрана. Даже небольшое отверстие при короткой длине волны превращается в так называемую щелевую антенну, в итоге пропускающую излучение через экран.
Элементы и сырье для экранирования
В производстве защитных экранов используются разнообразные материалы. Средством экранирования могут служить листовая медь, алюминий, сталь или фольга, а также современные специализированные ткани и сетки. Чем выше удельная проводимость материала экрана, тем эффективнее экранирование. Конкретное значение защитных способностей экрана зависит от конфигурации и объема помещения, площади оконных и дверных проемов, материала стен.
Для электромагнитного экранирования входящих/выходящих коммуникационных линий от помех извне и паразитных токов в систему интегрируются специальные фильтры.
Сырьем для изготовления экранирующих конструкций и приспособлений служат:
Надежное и качественное экранирование помещений и оборудования невозможно обеспечить без тщательного уплотнения оконных и дверных проемов, строительных стыков, всевозможных щелей и отверстий. В этих целях используются специальные материалы, которые в достаточной степени обладают такими качествами, как:
Данным требованиям соответствуют уплотнители, выполненные на основе силиконового каучука. Используются в экранах виде трубок, пластинок, кольцевидных шнуров.
Электромагнитная безопасность от «НТЦ Фарадей»
Создание условий для электромагнитной безопасности помещений, особенно в отношении защиты информации необходимо предусматривать на стадии проектных разработок. Технологии и материалы, используемые компанией «НТЦ Фарадей», позволяют выполнять качественное электромагнитное экранирование, как на стадии возведения объекта, так и уже существующих помещений, которые изначально не предназначались под специальное использование.
Специалисты компании разработают и реализуют уникальный проект экранов любой сложности по заказу и техзаданию заказчика:
Выполняется тестирование и постоянная техническая поддержка в процессе эксплуатации защитных систем электромагнитного экранирования.
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 — Еэ и Нэ, то Se = EQ / еэ и sh = Н0 / Нэ. На практике эффективность экранирования измеряется в децибелах (дБ) и неперах (Нп): sc(h) = 201g[E0(H0) / Ез(Н$ [дБ] или Se(H) = ln[E0(H0) / Еэ(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 • мм 2 /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 Sn= 20 Ig (Hx / H0)выражение для Нх. 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 изтза 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 8э = 8%отр + 8эпогл, где 8эотр= Ј S — эффективность
экранирования за счет отражения электромагнитной волны от поверхности экрана; 8э погл = ^ 8э погл. —эффективность экраниро-
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.
Экранирование радиоэлектронной аппаратуры как метод обеспечения электромагнитной совместимости
Финансовые и временные затраты на экранирование РЭА возрастают экспоненциально с увеличением размеров устройства и приближением момента сдачи изделия. При этом цена просчета, совершенного в начале проектирования, на этапе сдачи изделия может сравняться с его стоимостью. В качестве практического примера возьмем изделие, представляющее собой набор оборудования, установленного в морской контейнер. В целом к изделию предъявляются жесткие военные требования по излучаемым помехам в широком частотном диапазоне. Однако данные требования не были учтены в ходе проектирования контейнера. В результате в конструкции не создан надежный контакт по периметру дверей, не установлены фильтры ввода питания, оценочный коэффициент экранирования вентиляционной решетки недостаточен для обеспечения заданного в ГОСТе коэффициента экранирования. По предварительной оценке, переделка контейнера, с учетом сроков сдачи изделия в эксплуатацию, превышает стоимость самого контейнера. Именно поэтому необходимо тщательно планировать помеховую обстановку изделия, применяя экраны, фильтры и поглощающие материалы.
Рассмотрим взаимодействие электромагнитной волны с экраном (рис. 1) и определение коэффициента экранирования. В общем случае коэффициент экранирования Кэ — это отношение интенсивности электромагнитного поля, измеренной до установки непрерывного бесконечного экрана и после его установки. Формулы для расчета взаимодействия при измерении напряженности поля в различных величинах:
где Е1 — падающая волна; Е2 — прошедшая волна; Е3 — поглощенная волна; Е4 — переотраженная волна; Е5 — отраженная волна.
Рис. 1. Взаимодействие электромагнитной волны с экраном
От каждой границы раздела сред совершается отражение электромагнитной волны, а в толще материала происходит поглощение. На высоких частотах коэффициент экранирования определяется в основном коэффициентом отражения Е5, который для электромагнитного поля близок к 100% и растет с повышением частоты и проводимости материала. Коэффициент отражения связан с генерацией в тонком приповерхностном слое токов той же частоты, что и воздействующее поле и, следовательно, с генерацией поля противоположной направленности. Поглощение Е3 связано со скин-эффектом — протеканием токов высокой частоты в тонком приповерхностном слое проводника. Толщина скин-слоя убывает с ростом частоты и проводимости и увеличивается с повышением магнитной проницаемости. Например, для 50 Гц — 1 см; для 5 кГц — 0,1 см; для 0,5 МГц — 10 мкм; для 2,4 ГГц — 1,67 мкм. Таким образом, для эффективного экранирования высокочастотных полей достаточно иметь тонкий экран из материала с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью.
Напротив, для экранирования постоянных магнитных полей и низкочастотных электромагнитных полей, где преобладает магнитная составляющая, необходимы материалы с высокой магнитной проницаемостью. Чем выше магнитная проницаемость материала, тем выше коэффициент экранирования.
Рис. 2. Расчетные значения потерь на отражение и поглощение
Распространённые источники электромагнитного излучения
Источники ЭМИ в стандартной квартире
