 |
Расчет экрана электромагнитного излучения
|
|
|
|
Экранирование – локализация электромагнитной энергии в определенном пространстве с помощью экранирующих или поглощающих материалов.
В зависимости от назначения различают экраны с внутренним возбуждением электромагнитного поля, в которых обычно помещается источник помех, и экраны внешнего электромагнитного поля, во внутренней полости которых помещаются чувствительные к этим полям устройства. В первом случае экран предназначен для локализации поля в некотором объеме, во втором – для защиты от воздействия внешних полей.
Экран, защищая цепи, детали, колебательные контуры от воздействия внешних полей, оказывает существенной влияние на параметры экранируемых элементов. Из-за перераспределения электромагнитного поля внутри экрана происходят изменения их первичных параметров, в результате чего, например, изменяются магнитные связи, уменьшается первичная индуктивность катушек, увеличивается емкость контуров, возрастает активное сопротивление, что ведет к изменению частоты.
Экранирование с использованием вихревых токов обеспечивает одновременное ослабление как магнитных, так и электрических полей. Это дает основание такой способ экранирования называть электромагнитным. Эффективность экранирования такого экрана в ближней зоне (зоне индукции) будет не одинакова для составляющих поля. Поэтому, как правило, для ближней зоны следует вычислять каждый из компонентов поля в отдельности, принимая во внимание при этом, что в дальней зоне (зоне излучения) эффективности экранирования составляющих окажутся одинаковыми.
Физическая сущность электромагнитного экранирования, рассматриваемая с точки зрения теории электромагнитного поля и теории электрических цепей, сводится к тому, что под действием источника электромагнитной энергии на стороне экрана, обращенной к источнику, возникают заряды, а в его стенках – токи, поля которых во внешнем пространстве по интенсивности близки к полю источника, а по направлению противоположны ему и поэтому происходит взаимная компенсация полей. Такое рассмотрение представляется упрощенным, так как природа электромагнитного экранирования гораздо сложнее.
|
|
|
С точки зрения волновых представлений эффект экранирования проявляется из-за многократного отражения электромагнитных волн от поверхности экрана и затухания энергии волн по толщине. Отражение электромагнитной энергии обусловлено несоответствием волновых характеристик диэлектрика, в котором расположен экран и свойств материала экрана. Чем больше это несоответствие, чем больше отличаются волновые сопротивления экрана и диэлектрика, тем интенсивнее частичный эффект экранирования, определяемый отражением электромагнитных волн.
Эффективность электрически замкнутого экрана, т.е. способного ограничивать проникновение силовых линий электрического поля вне и внутри экранируемого пространства, определяется формулой:
 ,
| (1) |
где Эотр – ослабление энергии падающих волн за счет отражения на границе сред,
Эпогл – ослабление вследствие затухания энергии в толще экрана,
Эвн.отр – ослабление из-за внутренних отражений в самом экране.
Обычно, если 
, то 
, поэтому этой составляющей можно пренебречь, и тогда:
 ,
| (2) |
или в децибелах:
 ,
| (3) |
Расчет электромагнитных экранов с достаточной точностью возможен только в некоторых в идеализированных случаях.
К ним относятся:
1. Бесконечно плоский экран на пути распространения плоской волны;
2. Размещение точечного источника в центре герметичного идеального проводящего экрана сферической формы;
|
|
|
3. Бесконечно длинный идеально проводящий цилиндр с излучателем в виде бесконечной нити, расположенной на оси этого цилиндра.
Все эти случаи не отражают реальных условий работы экрана, поскольку не учитывают соотношения между длиной волны и линейными размерами экрана, характера источника, неравномерности распределения поля внутри экрана, неоднородности материала и конструкции самого экрана и главным образом возможности проникновения поля через щели и отверстия, имеющиеся в экране.
Однако выше перечисленные случаи позволяют получить многие общие зависимости, например, при падении плоской волны на плоский бесконечный экран. В этом случае величины потерь на отражение и поглощение определяются одинаково, т.к. в толще материала экрана как падающая, так и отраженная волны рассматриваются как плоские.
В металле электромагнитная волна затухает по экспоненциальному закону. Мерой скорости этого процесса является глубина проникновения волны или толщина поверхностного слоя ä. При прохождении волны через толщину поверхностного слоя ä она ослабевает в e раз. Если же толщина материала будет равной ä, она будет ослабевать в ed/ä раз. Тогда:
 ,
| (4) |
где d – толщина материала экрана, м.
Глубина проникновения представляет собой постоянную величину, характеризующую материал экрана и зависящую от частоты:
 ,
| (5) |
где ñ удельное сопротивление материала экрана, 
,
ë длина волны в воздушном пространстве, м,
f – частота, МГц,
ìr – относительная магнитная проницаемость материала экрана,
ä толщина поверхностного слоя, м.
На частотах 0,1 - 1 кГц экранирование вихревыми токами действует слабо и магнитное поле можно ослабить только шунтированием его ферромагнитным материалом с большим ì. С повышением частоты увеличивается вытеснение магнитного поля из объема ферромагнитного материала вследствие поверхностного эффекта, уменьшается действующая толщина экрана и эффективность экранирования шунтированием поля падает, а с вытеснением поля растет. В диапазоне частот 0,1 - 1,0 кГц экранирование магнитного поля является труднейшей задачей и к нему прибегают крайне редко.
|
|
|
Лабораторное задание
1. Рассчитать эффективность экранирования и глубину проникновения электромагнитного поля в материал экрана ЭМИ с заданными параметрами.
2. Построить частотную зависимость рассчитанных параметров.
3. Сделать вывод об эффективности применяемых мер пассивной защиты.
1. Оформить отчет.
3.4. Контрольные вопросы
1. В чем смысл Soft Tempest технологий?
2. За счет чего происходит утечка информации через порты ПК?
3. Назначение экрана электромагнитного излучения?
4. Физический смысл глубины проникновения электромагнитного поля в материал экрана?
5. Что такое эффективность экранирования?
Приложение
Характеристики некоторых металлов
| Металл | Удельное сопротивление
| ì | |
| Медь | 0,0175 | ||
| Латунь | 0,06 | ||
| Алюминий | 0,03 | ||
| Сталь | 0,1 | ||
| Пермаллой | 0,65 |
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №6
|
|
|
