Эффективность экранирования кабелей связи

Экранирование кабелей связи

Наиболее радикальным средством защиты коаксиальных и симметричных кабельных цепей от помех является их экраниро­вание. По конструкции и принципу действия различают экраны, защищающие от внешних помех и от внутренних (взаимных) по­мех. Для защиты от внешних помех кабель поверх сердечника покрывается металлическими оболочками. Они, как правило, имеют сплошную цилиндрическую конструкцию и выполняются из свинца, алюминия или стали (рисунок 9.16). Известны также конструкции двухслойных экранирующих оболочек типа алюминий—свинец, алюминий—сталь и др. Применяются также экраны лен­точного типа преимущественно из алюминиевых, медных, сталь­ных лент, накладываемых спирально или продольно вдоль кабе­ля, и оплеточные экраны преимущественно из плоских и круглых проволок.

Экраны, защищающие от взаимных помех, являются состав­ным элементом самого кабельного сердечника. В этом случае це­пи с высоким уровнем передачи размещаются в экране и обес­печивается возможность организации высокочастотной связи по однокабельной системе (прокладывается один кабель). При однокабельной связи экраны электрически делят цепи прямого и об­ратного направлений и исключают взаимные помехи.

Рисунок 9.16 – Металлические оболочки-экраны кабелей связи:

а) сплошные; б) ленточные; в) оплеточные

В коаксиальных кабелях для обеспечения требуемых норм по­мехозащищенности при однокабельной связи внешний проводник выполняется биметаллическим (медь—сталь).

В радиочастотных кабелях антенно-фидерного назначения при­меняются экраны гибкой конструкции типа оплетки из медных или стальных проволок.

Электромагнитостатический режим характеризует стационар­ные и статические поля и распространяется на диапазон частот до 4 кГц. В этой частотной области экраны действуют на прин­ципе замыкания соответствующих полей вследствие повышенной электро- и магнитопроводности металлов. В данном случае для расчета экранов могут быть использованы уравнения Максвелла в стационарном режиме rotН=σЕ и rotЕ=0.

Электростатическое и магнитостатическое экранирования име­ют принципиальное различие.

Электростатическое экранирование обеспечивает экранирую­щий эффект, равный бесконечности при постоянном поле (f=0), который с ростом частоты уменьшается. Это обусловлено частот­ной зависимостью волнового сопротивления диэлектрика относи­тельно электрического поля Z_Д Е = l/iωεr_э и природой экраниро­вания статического электрического поля.

Магнитостатическое экранирование основано на замыкании магнитного поля в толще экрана, происходящее вследствие его повышенной магнитопроводимости.

Дата добавления: 2015-05-05 ; просмотров: 2678 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Исследование помехозащищенности кабелей связи

Автор: И. Б. Султанкеримова, С. С. Марьин
Источник: Сборник трудов — Современные техника и технологии. Том 1 Томск, 2011 г. Современные техника и технологии: сборник трудов XVII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. В 3 т. Т. 1 / Томский политехнический университет. — Томск: Изд-во Томского политехнического университета; 2011 г. — 581 с. 540–541 с.

1 Введение

При обеспечении электромагнитной совместимости радиоэлектронной аппаратуры большое значение имеет борьба с внешним электромагнитным влиянием.

Опыт эксплуатации показывает, что среди электронных систем недостаточную помехозащищенность имеют некоторые типы радиоэлектронных средств, вычислительных комплексов и линий электросвязи. Поэтому, с учетом общих тенденций развития электронных систем, заключающихся в миниатюризации, снижении уровня рабочих сигналов и повышении надежности, повышение помехозащищенности данных систем требует применения улучшенной элементной базы. Особо высокие требования при этом должны предъявляться к кабельным изделиям по причине их протяженности, которая обуславливает существенную степень подверженности данных изделий внешним электромагнитным влияниям и делает кабельные изделия основной средой для распространения электромагнитных помех.

Так как основным средством борьбы с внешними влияниями в настоящее время является применение экранированных кабелей и кабелей с помехопоглощающими оболочками, то проблема определения характеристик эффективности экранирования кабельных изделий является на сегодняшний день актуальной проблемой, поскольку недостаточные требования к этим характеристикам приводят к понижению помехозащищенности, а избыточные требования к увеличению материалоемкости кабельных изделий.

2 Теория экранирования

Экранирование как средство борьбы с электромагнитными помехами применяется для таких элементов радиоэлектронных средств, которые могут быть либо источниками, либо рецепторами помех. Экран, образованный металлическим барьером, можно анализировать при помощи, как теории поля, так и теории цепей. В настоящее время наиболее широко используется теория поля.

Магнитное поле на очень низкой частоте можно экранировать, создавая магнитную цепь с низким сопротивлением.

Для экранирования электрических полей следует использовать материалы с высокой электропроводностью. Эффективность такого экрана бесконечно велика на очень низких частотах и падает с их ростом. Экранировать магнитные поля более сложно, поскольку затухание из-за отражения равно нулю для некоторых сочетаний материалов и частот. С уменьшением частоты ослабление магнитного поля из-за отражения и поглощения в немагнитных материалах падает, поэтому трудно создать магнитный экран из немагнитных материалов. На высоких частотах, где экранирование обеспечивается и поглощением и отражением, выбор материала менее критичен.

Магнитные материалы обеспечивают лучшее экранирование от плоских волн за счет поглощения, в то время как электропроводящие материалы — за счет отражения.

Взаимодействие двух проводов в магнитном поле описывается уравнением Максвелла.

Уравнения Максвелла обобщают два основных закона электротехники: закон полного тока и закон электромагнитной индукции.

В интегральной форме первое уравнение Максвелла (закон полного тока) устанавливает количественное соотношение между напряженностью магнитного поля Н и электрическим током i:

Второе уравнение Максвелла является обобщенной формулировкой закона электромагнитной индукции на случай любой среды.

Максвелл доказал, что электродвижущая сила, действующая вдоль какого-либо контура, равна линейному интегралу вектора напряженности электрического поля Е, взятому вдоль этого контура. Отсюда обобщающая формулировка закона электромагнитной индукции:

Скручивание проводов является хорошим способом уменьшения магнитной связи. Однако еще лучшую магнитную развязку обеспечивает коаксиальный кабель, поскольку его оболочка — эквивалентный обратный провод — расположена концентрично относительно внутреннего провода и тем самым эффективный размер пренебрежимо мал. Степень развязки определяется градиентом магнитного поля и характеристиками кабеля.

Эффективность экранирования зависит от правильности заземления экрана. В отличие от электрического экранирования магнитное не требует заземления экрана, если экранируемая цепь не является высокоомной.

Применение этих мер совместно с широким использованием варисторов позволит надежно защитить микропроцессорные устройства релейной защиты. Разумеется, эти меры будут наиболее эффективными, если их принимать на стадии проектирования и строительства новой подстанции, а не при латании дыр на старой.

3 Характеристики экранирования

В области частот до 200 МГц экран характеризуется квазистатическим поведением относительно электромагнитного поля. В этом случае действие экрана учитывается через коэффициент экранирования S, который, в зависимости от характера влияния помехонесущего поля, представляет собой отношение напряженности поля в какой-либо точке пространства при наличии экрана к напряженности поля в той же точке без экрана.

В области частот более 200 МГц векторы электрического и магнитного полей целесообразно рассматривать совместно.

В кабельной технике металлическая оболочка кабеля не просто экран, а часто система, в которую, по крайней мере, входят токопроводящие жилы (ТПЖ) и изоляция ТПЖ, при этом необходимо учитывать режимы работы концов кабеля.

Важной задачей кабельной техники является задача устранения вредного влияния помехонесущих токов. Помехонесущий ток, протекающий в оболочке кабеля, и получающееся при этом падение напряжения наводят в системе проводов, экранированных оболочкой, помехонесущие Э. Д. С., и чем меньше величина указанного падения напряжения, тем лучше будет экранирующее действие экрана. Это падение напряжения, очевидно, пропорционально помехонесущему току; коэффициент пропорциональности с размерностью сопротивления называют сопротивлением связи экрана.

На практике для оценки эффективности экранирования коаксиальных кабелей используется характеристика сопротивления связи.

4 Механизмы формирования помех в кабеле при внешнем влиянии

При расчете и конструировании экранированных кабелей изготовители добиваются требуемой величины экранного затухания, в то же время потребителей интересует, какие наводки кабели будут вводить в систему. Чтобы грамотно увеличить эффективность экранирования кабеля, необходимо понимать механизмы проникновения поля. Для кабеля коаксиальной конструкции можно сформулировать три механизма формирования помех.

Механизм 1. (Обусловлен протеканием, тока в оболочке).

Помехонесущий ток в экране кабеля и соответствующее ему падение напряжения наводят в коаксиальном кабеле напряжение помехи. Падение напряжения в экране связано с помехонесущим током через сопротивление связи экрана.

В связи со сложностью расчета сопротивления связи оплеточных кабельных экранов, его значения оцениваются весьма грубо и на практике их всегда определяют экспериментально.

Механизм 2. (Обусловлен проникновением радиального электрического поля).

В случае, когда экран кабеля имеет отверстия, радиальное электрическое поле с увеличением частоты частично проникает внутрь кабеля. Данный процесс может характеризоваться источником тока.

Для многих коаксиальных кабелей этот механизм на частотах менее нескольких МГц не имеет значения, когда кабельная система работает на нагрузку 50 Ом.

Влияние радиального электрического поля в виде дополнительного эквивалентного генератора наводки определено через проводимость связи.

Полная проводимость связи обуславливает ток короткого замыкания, наведенного во внутреннем проводнике (когда внутренний проводник накоротко соединен с экраном). Полная проводимость связи для не сплошных экранов учитывает емкостную связь между внутренним проводником и землей.

В экранированных коаксиальных кабелях, имеющих эксцентриситет, возникает связь с поперечным магнитным полем. Напряжение наводки таково, как если бы центральный проводник был заземлен линией передачи, состоящей из параллельных проводов, находящихся на расстоянии, равном эксцентриситету.

Для коаксиальных кабелей нельзя достаточно точно определить эксцентриситет. Обычно он зависит от технологии изготовления, условий эксплуатации и т. п.

Таким образом, анализируя все рассмотренные механизмы формирования помехи в коаксиальном радиочастотном кабеле, можно сделать следующие выводы:

1. Помеха за счет влияния поперечного магнитного поля обусловлена в основном технологическими отклонениями при производстве кабеля и процессами старения во время эксплуатации.

2. Помеха за счет влияния радиального электрического поля обусловлена условиями эксплуатации кабеля (зависит от окружающей среды).В то же время обусловлено, что обе эти помехи связаны с некоторыми свойствами и экрана.

3. Помеха за счет влияния тока в оболочке обусловлена в основном конструкцией и свойствами собственно экрана (однако и она тоже зависит, как это будет показано ниже, от свойств других элементов конструкции кабеля).

5 Заключение

В результате проделанной работы была изучена теория экранирования, включающая в себя описание электрического и магнитного полей, процессов происходящих при экранировании, материалов из которых изготавливаются экраны для защиты от магнитных и электрических полей. Также были изучены характеристики экранирования и механизма формирования помех в кабеле при внешнем влиянии.

Источник

Разделы сайта

Хорев Анатолий Анатольевич,
доктор технических наук, профессор
Национальный исследовательский университет «МИЗТ», г.Москва

В статье рассмотрены вопросы, связанные с защитой объектов информатизации от утечки информации по техническим каналам путем использования средств электромагнитного экранирования.

1. Экранирование как способ уменьшения уровня побочных электромагнитных излучений

Одним из наиболее опасных технических каналов утечки информации на объектах информатизации является канал утечки информации, возникающий вследствие побочных электромагнитных излучений (ПЭМИ) технических средств обработки информации (ТСОИ). Такой канал утечки информации часто называют электромагнитным [8].

В области защиты информации под побочным электромагнитным излучением обычно понимается нежелательное радиоизлучение, возникающие в результате нелинейных процессов в электронной аппаратуре.

В зарубежной литературе вместо термина ПЭМИ используются термины compromising emanations» (компрометирующие излучения) или TEMPEST (сокращение от «transient electromagnetic pulse emanation standard» — стандарт на электромагнитные импульсные излучения, вызванные переходными процессами в электронной аппаратуре).

Функционирование любого технического средства обработки информации связано с протеканием по его токоведущим элементам электрических токов и образованием разности потенциалов между различными точками его электрической схемы, которые порождают магнитные и электрические поля [7].

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 много меньше магнитной за счёт свойств излучателя.

Побочные электромагнитные излучения возникают также при «протекании» информативных сигналов по соединительным линиям ТСОИ.

Эффективным методом снижения уровня ПЭМИ является экранирование их источников.

Для оценки эффективности экранирования электрической или магнитной составляющей электромагнитного поля вводят понятие коэффициента экранирования (ослабления)

А_Е — коэффициент экранирования (ослабления) по электрической составляющей электромагнитного поля, дБ,
А_н — коэффициент экранирования (ослабления) по магнитной составляющей электромагнитного поля, дБ,
Е₀ — напряжённость электрической составляющей электромагнитного поля в точке измерения в отсутствии экрана, В/м, Е_А — напряжённость электрической составляющей электромагнитного поля в точке измерения при наличии экрана, В/м, Н₀ — напряжённость магнитной составляющей электромагнитного поля в точке измерения в отсутствии экрана, А/м,
Н_А — напряжённость электрической составляющей электромагнитного поля в точке измерения при наличии экрана, А/м.

Различают следующие способы экранирования: электростатическое, магнитостатическое и электромагнитное [7].

Электростатическое и магнитостатическое экранирование 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 ε раз, где ε — относительная диэлектрическая проницаемость материала экрана [7, 11].

Основной задачей экранирования электрических полей является снижение ёмкости связи между экранируемыми элементами конструкции. Следовательно, эффективность экранирования определяется в основном отношением ёмкостей связи между источником и рецептором наводки до и после установки заземлённого экрана. Поэтому любые действия, приводящие к снижению ёмкости 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 ещё более коротких волнах дециметрового и сантиметрового диапазонов соединительные проводники и шины между экранами недопустимы. Для получения высокой эффективности экранирования электрического поля здесь необходимо применять непосредственное сплошное соединение отдельных частей экрана друг с другом [7, 11].

Узкие щели и отверстия в металлическом экране, размеры которых малы по сравнению с длиной волны, практически не ухудшают экранирование электрического поля.

На частотах свыше 1 ГГц с увеличением частоты эффективность экранирования снижается.

Основные требования, которые предъявляются к электрическим экранам, можно сформулировать следующим образом [7]:

• 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), то есть 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 δ > d 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 [7].

Основные требования, предъявляемые к магнитостатическим экранам, можно свести к следующим [7]:

• магнитная проницаемость μ_α материала 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 называется 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 [7].

Благодаря поверхностному эффекту плотность вихревых токов и напряжённость переменного магнитного поля по мере углубления в металл падают 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, жёсткость, стойкость против коррозии, удобство стыковки отдельных деталей и осуществления между ними переходных контактов с малым сопротивлением, удобство пайки, сварки и пр. [7].

Для частот выше 10 МГц медная и, тем более, серебряная плёнка толщиной более 0,1 мм даёт значительный экранирующий эффект. Поэтому на частотах выше 10 МГц вполне допустимо применение экранов из фольги-рованного гетинакса или другого изоляционного материала с нанесённым на него медным или серебряным покрытием [7].

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.

2. Экранирующие материалы

Выбор материала экрана проводится исходя из обеспечения требуемой эффективности экранирования в заданном диапазоне частот при определённых ограничениях. Эти ограничения связаны с массогабаритными характеристиками экрана, его влиянием на экранируемый объект, с механической прочностью и устойчивостью экрана против коррозии, с технологичностью его конструкции и т.д.

Таблица 1. Коэффициенты экранирования электромагнитного поля некоторых материалов

Диапазон частот, МГц

Коэффициент экранирования, дБ

Листовая сталь СТ-3, ГОСТ 19903-74

Фольга алюминиевая, ГОСТ 618-73

Фольга медная, ГОСТ 5638-75

Сетка стальная тканая, ГОСТ 5336-73

Радиозащитное стекло с одно- или с двухсторонним
полупроводниковым покрытием, ТУ 21-54-41-73

Ткань хлопчатобумажная с наноструктурным
ферромагнитным микропроводом

Ткань трикотажная (полиамид + проволока), ТУ 6-06-С202-90

Ткань металлизированная «Восход»

Толщина напыления 4-6 мкм

Толщина напыления 1-12 мкм

Для изготовления экранов используются: металлические материалы, материалы-диэлектрики, стёкла с токопроводящим покрытием, специальные металлизированные ткани, токопроводящие краски.

Коэффициенты экранирования некоторых материалов представлены в табл.1 [3,6,10].

Металлические материалы (сталь, медь, алюминий, цинк, латунь), применяемые для экранирования, изготавливаются в виде листов, сеток и фольги. Все эти материалы удовлетворяют требованию устойчивости против коррозии при использовании соответствующих защитных покрытий [7].

Для изготовления экрана целесообразно использовать следующие материалы [1]:

• сталь листовая декапированная толщиной от 0,35 до 2,00 мм;
• сталь тонколистовая оцинкованная толщиной от 0,35 до 2,00 мм;
• сетка стальная тканая номер 0,4; 0,5; 0,7; 1,0; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0; 2,5;
• сетка стальная плетёная номер 3; 4; 5; 6;
• сетка из латунной проволоки номер 0,25; 0,5; 1,0; 1,6; 2,0; 2,5; 2,6.

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.

Наиболее технологичными являются конструкции экранов из стали, так как при их изготовлении и монтаже можно широко использовать сварку или пайку. Металлические листы должны быть между собой электрически соединены по всему периметру. Шов электросварки или пайки должен быть непрерывным, с тем чтобы получить цельносварную конструкцию экрана. Толщина стали выбирается исходя из назначения конструкции экрана и условий его сборки, а также из возможности обеспечения сплошных сварных швов при изготовлении [7].

Экраны из стали обеспечивают ослабление электромагнитного излучения более чем на 100 дБ.

Сетчатые экраны проще в изготовлении, удобны для сборки и эксплуатации. Для защиты от коррозии сетки целесообразно покрывать антикоррозийным лаком. К недостаткам сетчатых экранов следует отнести невысокую механическую прочность и меньшую эффективность экранирования по сравнению с листовыми.

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 лужёной низкоуглеродистой стальной сетки с ячейкой 2,5 — 3 мм, даёт 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 [1].

Экраны, изготавливаемые из фольги, имеют толщину 0,01 — 0,05 мм. Монтаж экранов из фольги достаточно прост, крепление фольги к основе экрана проводится чаще всего с помощью клея.

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 [7].

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 плёнок или оклеивание проводящей фольгой.

С помощью вакуумного напыления можно нанести слой меди, никеля или серебра толщиной 4 — 5 мкм.

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 и электронной 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.

Токопроводящие краски создаются на основе диэлектрического пленкообразующего материала с добавлением в него проводящих компонентов, пластификатора и отвердите-ля. В качестве токопроводящих составляющих используются графит, сажа, коллоидное серебро, окиси металлов, порошковая медь, алюминий [7].

Стёкла с токопроводящим покрытием должны обеспечивать требуемую эффективность экранирования при ухудшении их оптических характеристик не ниже заданных граничных значений. Электрические и оптические свойства стёкол с токопроводящим покрытием зависят от природы окислов, составляющих плёнку, условий и методов её нанесения и свойств самого стекла. При условии сохранения прозрачности стёкол с потерями не более 20% и обеспечения достаточной электропроводности толщина плёнки покрытия может колебаться в широких пределах от 0,5 до 3 мкм. Наибольшее распространение получили плёнки на основе оксида олова, оксида индия олова и золота, так как они обеспечивают наибольшую механическую прочность, химически устойчивы и плотно соединяются со стеклянной подложкой [6, 7].

Стёкла с токопроводящим покрытием в основном используются в экранированных камерах при необходимости обеспечения в них освещённости. Выпускаемые промышленностью стёкла с токопроводящим покрытием имеют поверхностное сопротивление не менее 6 Ом при ухудшении прозрачности не более чем на 20%. Эффективность экранирования у таких стёкол в радиодиапазоне составляет около 30 дБ [7].

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.

Например, хлопчатобумажная экранирующая ткань с наноструктурным ферромагнитным микропроводом, выпускаемая ОАО «ЦКБ РМ», имеет коэффициент экранирования электромагнитного поля в диапазоне 30 МГц-1ГГц от 15 до 40 дБ в зависимости от количества использованного на-ноструктурного ферромагнитного микропровода на 1 см 2 . Возможная ширина полотна от 90 см до 1,75 м. Плотность переплетения — от марлевой ткани до полотна [10].

В последние годы в качестве экранирующих материалов стали широко использоваться металлизированные ткани, производимые химико-гальваническим методом нанесения металлического покрытия на ткани, выполненные из полимерных, базальтовых, стеклянных, кремнезёмных, графитовых нитей. При данном методе на поверхности ткани осаждается тонкая плёнка никеля или сплава никеля с железом и другими металлами толщиной в несколько мкм.

После металлизации ткань сохраняет текстильные свойства: гибкость, воздухопроницаемость, что позволяет её сшивать, склеивать, паять.

Металлизированные ткани производятся рулонами до 100 м длиной и шириной 0,9-1,2 м.

В качестве примера таких тканей можно привести металлизированные ткани «Метакрон» и «Восход» [3, 6].

Металлизированная ткань «Метакрон» изготавливается химико-гальваническим методом, обеспечивающим сплошное двухстороннее никелевое или никелево-медное покрытие материала толщиной от 1 до 12 мкм соответственно. Металлизации указанным методом могут подвергаться разные виды тканей, в том числе полиэфирная, полиамидная, арамидная, кевлар, финелон, базальтовая, графитовая, стеклоткань, хлопок [3].

Коэффициент экранирования инфракрасного излучения в диапазоне длин волн 2-14 мкм находится в пределах 0,4-0,65. Электрическое сопротивление ткани (по поверхности) от 0,002 до 0,4 Ом/см 2 . Масса 1 м 2 ткани составляет от 60 до 300 гр, в зависимости от типа ткани.

Ткани предназначены для эксплуатации при температуре окружающей среды от — 40°С до +65°С и относительной влажности до 95%.

Внешний вид тканей типа «Метакрон» приведён на рис. 1, а расшифровка их марок — на рис. 2 [3].

Для экранирования помещений приборов используются экранирующие ткани средней жёсткости марок 1П11Н5, 1,05П14-Н5, 1П12-Н3 (Н5), 1,2П25-Н3 (Н5), 1П22-Н5 и 0,94П17-Н3 (Н5) и экранирующие ткани с высокими показателями экранирования марок 1П11-Н10, 1,05П14-Н10, 1,2П13-Н5, 1,2П13-Н10, 1П3-Н3 и 1П4-Н3.

Ткани «Метакрон» имеют высокую отражательную способность (свыше 99,99%) в диапазоне неионизирующих электромагнитных излучений. Для ткани с Ni-покрытием толщиной 10 мкм ослабление электромагнитного поля в диапазоне частот 1 МГц 10 ГГц составляет от 80 до 100 дБ, с толщиной покрытия 5 мкм — от 50 до 80 дБ. Ослабление магнитного поля в диапазоне частот 0,1 30 МГц составляет от 5 до 60 дБ.

Рис. 1. Внешний вид тканей типа «Метакрон»

Рис. 2. Расшифровка марок тканей «Метакрон»

Металлизированная ткань «Восход» представляет собой тканую основу, покрытую несколькими слоями различных металлов. Общая толщина покрытий составляет 4 — 6 мкм. Вес 1 м 2 ткани составляет до 240 г. Ткань имеет светопроницаемость 43%.

Электрическое сопротивление (по поверхности) ткани составляет по медному покрытию 0,002 Ом/см 2 , по никелевому от 0,1 до 0,6 Ом/см 2 .

Ослабление электрического поля в диапазоне частот 0,1 — 30 МГц составляет от 70 до 100 дБ, а магнитного от 5 до 50 дБ. Ослабление электромагнитного поля в диапазоне 30-12000 МГц составляет от 60 до 80 дБ.

Электропроводный клей создаётся 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 экрана 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 [7].

3. Экранирование технических средств обработки информации и их соединительных линий

С целью уменьшения уровня побочных электромагнитных излучений средства обработки информации ограниченного доступа выпускаются в специальном защищённом исполнении.

В качестве примера, на рис. 3 представлена ПЭВМ, выполненная в специальном экранированном корпусе [5].

Наряду c техническими средствами экранированию подлежат монтажные провода и соединительные линии [1,7,11].

Чтобы уменьшить уровень ПЭМИ, необходимо особенно тщательно выполнять соединение оболочки провода (экрана) с корпусом аппаратуры. Подключение оболочки должно осуществляться путём непосредственного контакта (лучше всего путём пайки или сварки) с корпусом.

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 необходимо весь обратный ток экранируемой цепи направить через экранирующую оплётку провода. Для полного осуществления этого принципа необходимо, чтобы экранирующая оболочка была единственным путём для протекания обратного тока.

Высокая эффективность экранирования обеспечивается при использовании витой пары, защищённой экранирующей оболочкой.

На низких частотах приходится использовать более сложные схемы экранирования — коаксиальные кабели с двойной оплёткой.

На более высоких частотах, когда толщина экрана значительно превышает глубину проникновения поля, необходимость в двойном экранировании отпадает. В этом случае внешняя поверхность играет роль электрического экрана, а по внутренней поверхности протекают обратные токи.

Применение экранирующей оболочки существенно увеличивает ёмкость между проводом и корпусом, что в большинстве случаев нежелательно. Экранированные провода более громоздки и неудобны при монтаже, требуют предохранения от случайных соединений с посторонними элементами и конструкциями.

Длина экранированного монтажного провода должна быть меньше четверти длины самой короткой волны передаваемого по проводу спектра сигнала. При использовании более длинных участков экранированных проводов необходимо иметь в виду, что в этом случае экранированный провод следует рассматривать как длинную линию, которая во избежание искажений формы передаваемого сигнала должна быть нагружена на сопротивление, равное волновому [7].

Для уменьшения взаимного влияния монтажных цепей следует выбирать длину монтажных высокочастотных проводов наименьшей, для чего элементы высокочастотных схем, связанные между собой, следует располагать в непосредственной близости, а неэкранированные провода высокочастотных цепей — при пересечении под прямым углом. При параллельном расположении такие провода должны быть максимально удалены друг от друга или разделены экранами, в качестве которых могут быть использованы несущие конструкции электронной аппаратуры (кожух, панель и т.д.) [1, 11].

Экранированные провода и кабели следует применять в основном для соединения отдельных блоков и узлов друг с другом.

Кабельные экраны выполняются или в форме цилиндра из сплошных оболочек, или в виде спирально намотанной на кабель плоской ленты, или в виде оплётки из тонкой проволоки. Экраны при этом могут быть однослойными, многослойными и комбинированными, изготовленными из свинца, меди, стали, алюминия и их сочетаний (алюминий-свинец, алюминий-сталь, медь-сталь-медь и т.д.).

В кабелях с наружными пластмассовыми оболочками применяют экраны ленточного типа в основном из алюминиевых, медных и стальных лент, накладываемых спирально или продольно вдоль кабеля.

В области низких частот корпуса применяемых многоштырьковых низкочастотных разъёмов являются экранами и должны иметь надёжный электрический контакт с общей шиной или землёй прибора, а зазоры между разъёмом и корпусом должны быть закрыты электромагнитными уплотняющими прокладками. В области высоких частот коаксиальные кабели должны быть согласованы по волновому сопротивлению с используемыми высокочастотными разъёмами. При заделке коаксиального кабеля в высокочастотные разъёмы жила кабеля не должна иметь натяжения в месте соединения с контактом разъёма, а сам кабель должен быть жёстко прикреплён к шасси аппаратуры вблизи разъёма [7].

Наиболее экономичным способом экранирования информационных линий связи между устройствами ТСОИ считается групповое размещение их информационных кабелей в экранирующий распределительный короб. Когда такого короба не имеется, то приходится экранировать отдельные линии связи.

Для защиты линии связи от наводок необходимо разместить её в экранирующую оплётку или фольгу, заземлённую в одном месте, чтобы избежать протекания по экрану токов, вызванных неэквипотенциальностью точек заземления.

Для защиты линии связи от наводок необходимо минимизировать площадь контура, образованного прямым и обратным проводами линии. Если линия представляет собой одиночный провод, а возвратный ток течёт по некоторой заземляющей поверхности, то необходимо максимально приблизить провод к поверхности. Если линия образована двумя проводами, то их необходимо скрутить, образовав бифиляр (витую пару). Линии, выполненные из экранированного провода или коаксиального кабеля, в которых по оплётке протекает возвратный ток, также отвечают требованию минимизации площади контура линии.

Рис. 3. ПЭВМ«ЕС1855.М.02» в специальном
защищенном исполнении

Рис. 4. Сравнение защищённости различных цепей
от влияния внешних магнитных и электрических полей:
а) 0 дБ; б) 2 дБ; в) 5 дБ;
г) 49 дБ, скрученная пара, 18 витков на метр;
д) 57 дБ; е) 64 дБ, схема предпочтительна на высоких частотах;
ж) 64 дБ; з) 71 дБ; и) 79 дБ, скрученная пара (54 витка на метр)

Наилучшую защиту как от электрического, так и от магнитного полей обеспечивают информационные линии связи типа экранированного бифиляра, трифиляра (трёх скрученных вместе проводов, из которых один используется в качестве электрического экрана), триаксильного кабеля (изолированного коаксиального кабеля, помещённого в электрический экран), экранированного плоского кабеля (плоского многопроводного кабеля, покрытого с одной или обеих сторон медной фольгой).

Приведём несколько схем, используемых на частотах порядка 100 кГц [11].

Цепь, показанная на рис. 4 (а), имеет большую площадь петли, образованной «прямым» проводом и «землёй». Эта цепь подвержена прежде всего магнитному влиянию. Экран заземлён на одном конце и не защищает от магнитного влияния. Переходное затухание для этой схемы примем равным 0 дБ для сравнения с затуханием схем на рис. 4 (б — и).

Схема на рис. 4 (б) практически не уменьшает магнитную связь, так как обратный провод заземлён с обоих концов, и в этом смысле она аналогична схеме на рис. 4 (а). Степень улучшения соизмерима с погрешностью расчёта (измерения).

Схема на рис. 4 (в) отличается от схемы на рис. 4 (а) наличием обратного провода -коаксиального экрана, однако экранирование магнитного поля ухудшено, так как цепь заземлена на обоих концах, в результате чего с «землёй» образуется петля большой площади.

Схема на рис. 4 (г) позволяет существенно повысить защищённость цепи благодаря скрутке проводов. В этом случае (по сравнению со схемой на рис. 4 (б)) петли нет, поскольку правый конец цепи не заземлен.

Дальнейшее повышение защищённости цепи достигается применением схемы на рис. 4 (с), коаксиальная цепь которой обеспечивает лучшее магнитное экранирование, чем скрученная пара на рис. 4 (г).

Площадь петли в схеме на рис. 4 (д) не больше, чем в схеме на рис. 4 (г), так как продольная ось экрана коаксиального кабеля совпадает с его центральным проводом.

Таблица 2. Степень экранирующего действия различных типов зданий

Источник