Общие сведения об экранировании

Наиболее эффективным способом защиты от ПЭМИН является экранирование, при котором элементы компьютерной системы (КС), создающие ЭМ излучения, размещаются в пространственно замкнутых конструкциях, препятствующих такому излучению во внешнюю среду.

Экранирование — в электротехнике и радиотехнике, способ снижения (подавления или значительного ослабления) влияния внешних паразитных электромагнитных полей, помех и наводок, мешающих работе электрои радиотехнических установок, аппаратуры передачи и обработки данных и т. п.

Способы экранирования зависят от характеристик ЭМ полей, создаваемых КС при протекании в них электрических сигналов. Экранирование может происходить как на уровне отдельных элементов схем, так и на уровне блоков, устройств, кабельных линий связи, а также на уровне помещений, где находится КС.

Элементы схем с высоким уровнем побочных излучений могут помещаться в металлические или металлизированные напылением заземленные корпуса. Начиная с уровня блоков, экранирование осуществляется с помощью конструкций из листовой стали, металлических сеток и напыления. Экранирование кабелей производится с помощью металлической оплетки, стальных коробов и труб. Существенно более дорогим является экранирование помещений. Двери таких помещений делаются из стали или покрываются токопроводящими материалами. Окна так же экранируются сеткой, металлизированными шторами или оклеиваются токопроводящими пленками.

Экранирование позволяет защитить их от нежелательных воздействий акустических и электромагнитных сигналов и излучений собственных электромагнитных полей, а также ослабить или исключить паразитное влияние внешних излучений. Помимо выполнения своей прямой функции, экранирование снижает вредное воздействие ЭМ излучений на организм человека. Характерным в этом отношении является, например, покрытие экрана монитора токопроводящей заземленной пленкой или металлической сеткой.

Качество экранирования характеризуется степенью ослабления ЭМП, называемой эффективностью экранирования. Она выражается отношением значений величин E, H, S в данной точке при отсутствии экрана к значениям Eэ, Hэ, Sэ в той же точке при наличии экрана. На практике обычно ослабление излучения оценивают в децибелах и определяют по одной из следующих формул:

L = 20lg (E/Eэ) — для электрического поля;

L = 20lg (H/Нэ) — для магнитного поля;

L = 10lg (P/Pэ) — для электромагнитного поля.

Экраны делятся на поглощающие и отражающие. Защитное действие отражающих экранов обусловлено тем, что воздействующее поле наводит в толще экрана вихревые токи, магнитное поле которых направлено противоположно первичному полю. Результирующее поле быстро убывает в экране, проникая в него на незначительную величину. Глубину проникновения д для любого заранее заданного ослабления поля L можно вычислить по формуле:

д = ln L / vщм (г/2),.

где м и г — соответственно магнитная проницаемость (Гн/м) и удельная электрическая проводимость (См/м) материала. Для избежания эффекта насыщения экран делают многослойным, при этом желательно, чтобы каждый последующий (по отношению к экранируемому излучению) слой имел большее начальное значение магнитной проницаемости, чем предыдущий, так как эквивалентная глубина проникновения электромагнитного поля в толщу материала обратно пропорциональна произведению его магнитной проницаемости и проводимости. Толщина экрана, необходимая для обеспечения заданного значения его эффективности, легко определяется из. Зависимости глубины проникновения от частоты для различных материалов, часто используемых при изготовлении экранов, приведены на рисунке:

Эффективность экранирования вследствие отражения можно просто определить как.

.

где Z для металлических материалов можно представить в виде: Значительно большего эффекта экранирования можно достичь, используя не однородные, а многослойные экраны той же суммарной толщины. 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 из 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%).

Зависимость эффективности экранирования двухслойного медно-стального цилиндрического экрана: 1—результирующая, 2 — за счет поглощения, 3 — за счет отражения.

Этот рисунок иллюстрирует расчетную зависимость эффективности экранирования электромагнитного поля на частоте 55 кГц двухслойным медно-стальным цилиндрическим экраном (радиус 17,5 мм, общая толщина слоев 0,4 мм) от изменения толщины каждого слоя.

На расстоянии, равном длине волны, ЭМП в проводящей среде полностью затухает, поэтому для эффективного экранирования толщина стенки экрана должна быть примерно равна длине волны в металле. Глубина проникновения ЭМП высоких и сверхвысоких частот очень мала, например для меди она составляет десятые и сотые доли миллиметра, поэтому толщину экрана выбирают по конструктивным соображениям.

В ряде случаев для экранирования применяют металлические сетки, позволяющие производить осмотр и наблюдение экранированных установок, вентиляцию и освещение экранированного пространства. Сетчатые экраны обладают худшими экранирующими свойствами по сравнению со сплошными. Их применяют в тех случаях, когда требуется ослабить плотность потока мощности на 20 — 30 дБ (в 100 — 1000 раз).

Все экраны должны заземляться. Швы между отдельными листами экрана или сетки должны обеспечивать надежный электрический контакт между соединяемыми элементами. Экранирование бывает электростатическое, магнитостатическое и электромагнитное.

Электростатическое экранирование заключается в замыкании силовых линий электростатического поля источника на поверхность экрана и отводе наведенных зарядов на массу и землю. Такое экранирование эффективно для устранения емкостных паразитных связей. Экранирующий эффект максимален на постоянном токе и с повышением частоты снижается.

С повышением частоты сигнала применяется исключительно электромагнитное экранирование. Действие ЭМ экрана основано на том, что высокочастотное ЭМП ослабляется им же созданным (благодаря образующимся в толще экрана вихревым токам) полем обратного направления.

Если расстояние между экранирующими цепями, проводами, приборами составляет 10% от четверти длины волны, то можно считать, что ЭМ связи этих цепей осуществляются за счет обычных электрических и магнитных полей, а не в результате переноса энергии в пространтсве с помощью ЭМВ. Это дает возможность отдельно рассматривать экранирование электрических и магнитных полей, что очень важно, так как на практике преобладает какое-либо одно из полей и подавлять другое нет необходимости.