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. Электромагнитные экраны могут выполняться в виде сплошных листовых или сетчатых. В экранах должен обеспечиваться электрический контакт по всему периметру – для листовых, не реже 10 – 15 мм – для сетчатых.

Для обеспечения электрических контактов применяется пайка, поэтому наряду с блоками аппаратуры экранированию подлежат монтажные провода и соединительные линии. Чтобы уменьшить уровень ПЭМИ необходимо особенно тщательно выполнять соединение оболочки провода (экрана) с корпусом аппаратуры. Подключение оболочки должно осуществляться путем непосредственного контакта (лучше всего путем пайки) с корпусом. Это соединение должно выполняться пайкой или сваркой.

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 оплетку провода. Для полного осуществления этого принципа необходимо, чтобы экранирующая оболочка была единственным путем для протекания обратного тока.

Высокая эффективность экранирования обеспечивается при использовании витой пары, защищенной экранирующей оболочкой. На низких частотах приходится использовать более сложные схемы экранирования – коаксиальные кабели с двойной оплеткой (триаксиальные кабели). 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.

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 избежании искажений формы передаваемого сигнала должна быть нагружена на сопротивление равное волновому.

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.

Экранированные провода и кабели следует применять в основном для соединения отдельных блоков и узлов друг с другом. Кабельные экраны выполняются в форме цилиндра из сплошных оболочек, в виде спирально намотанной на кабель плоской ленты или в виде оплетки из тонкой проволоки. Экраны при этом могут быть однослойными и многослойными комбинированными, изготовленными из свинца, меди, стали, алюминия и их сочетаний (алюминий-свинец, алюминий-сталь, медь-сталь-медь и т.д.).

В области низких частот корпуса применяемых многоштырьковых низкочастотных разъемов являются экранами и должны иметь надежный электрический контакт с общей шиной или землей прибора, а зазоры между разъемом и корпусом должны быть закрыты электромагнитными уплотняющими прокладками.

В области высоких частот коаксиальные кабели должны быть согласованы по волновому сопротивлению с используемыми высокочастотными разъемами. При заделке коаксиального кабеля в высокочастотные разъемы жила кабеля не должна иметь натяжения в месте соединения с контактом разъема, а сам кабель должен быть жестко прикреплен к шасси аппаратуры вблизи разъема.

Для эффективного экранирования низкочастотных полей применяются экраны, изготовленные из ферромагнитных материалов с большой относительной магнитной проницаемостью. 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 линий связи от наводок необходимо разместить линию в экранирующую оплетку или фольгу, заземленную в одном месте, чтобы избежать протекания по экрану токов, вызванных неэквипотенциальностью точек заземления. Структурная схема защиты линии связи от наводок представлена на рис. 2.1.

 

U1 U2

 

Рис 2.1. Структурная схема защиты линии связи от наводок

Напряжения U1 и U2 обуславливают протекание тока в точках 1 и 2. В реальных случаях U1 не равно U2. Если U1 больше U2, то ток протекает от точки 1 к точке 2, если U1 меньше U2, то в обратном направлении. Следовательно, появляется переменный ток и ПЭМИ.

Для защиты линий связи от наводок необходимо минимизировать площадь контура, образованного прямым и обратным проводами линии. Если линия представляет собой одиночный провод, а возвратный ток течет 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 оплетке протекает возвратный ток, также отвечают требованию минимизации площади контура линии / /.

Наилучшую защиту как от электрических, так и от магнитных полей обеспечивают информационные линии связи типа экранированного бифиляра, трифиляра (скручивание 3-х проводов, из которых один используется как электрический экран), триаксиального кабеля (изолированного коаксиального кабеля, помещённого в электрический экран), экранированного плоского кабеля (плоского кабеля, покрытого с одной или обеих сторон медной фольгой).

Рассмотрим несколько схем, используемых на частотах порядка 100 кГц. На рис. 2.2. представлена структурная схема линии связи с одним заземленным концом.

Схема имеет большую площадь петли, образованной «прямым» проводом и «землей». Эта цепь подвержена, прежде всего, магнитному влиянию.

 

Рис. 2.2. Структура линии связи

с одним заземленным концом

Экран заземлен на одном конце и не защищает от магнитного влияния. Переходное затухание для этой схемы примем равным 0 дБ.

На рис. 2.3. изображена структура линии связи с двумя заземленными концами. Данная схема практически не уменьшает магнитную связь, т.к. обратный провод заземлен с

Рис.2.3. Структура линии связи с обоих концов, в этом смыс-

с двумя заземленными концами ле она аналогична структуре

с одним заземленным концом. Степень улучшения защиты от магнитного влияния соизмерима с погрешностью расчета (измерения).

Схема (рис. 2.4.) отличается от предыдущих наличием обратного провода коаксиального экрана, однако экранирование магнитного поля ухудшено, т.к. цепь заземлена на обоих концах, в

Рис 2.4. Структура линии связи результате чего с"землей"

с обратным проводом коаксиального экрана образуется петля большой

площади.

Схема структуры линии связи, представленная на рис.2.5. позволяет существенно повысить защищенность цепи (-49 дБ; 18 витков/м) благодаря скрутке

Рис. 2.5. Структура линии связи с одним проводов.

заземленным концом со скруткой

проводов

В этом случае, (по сравнению со схемой с двумя заземленными концами, нет петли, поскольку правый конец не заземлен.

Для улучшения защиты линий связи от наводок применяются схемы, коаксиальная цепь которых обеспечивает лучшее магнитное экранирование, чем скрученная пара проводов. Такая схема представлена на рис. 2.6. Площадь петли в данном случае не больше, чем в схеме представленной на рис. 2.5., т.к. продольная ось экрана коаксиального кабеля совпадает с центральным проводом.

Структурная схема линии связи, представленная на рис.2.7., позволяет повысить защищенность цепи благодаря тому, что скрученная пара заземлена лишь на одном конце. Корме того, в этой схеме используется независимый экран.

 

Рис. 2.6. Структура линии связи Рис. 2.7. Структура линии связи

с коаксиальной цепью, с двумя заземленными концами

обеспечивающей магнитное экранирование витой пары

На рис. 2.8. изображена

структура линии связи с независимым экраном с одним заземленным концом. Схема имеет ту же защищенность, что и предыдущая (рис. 2.7.), т.е. обладает тем же эффектом, что и при заземлении на

Рис. 2.8. Структура линии связи обоих концах. Это достигается

с одним заземленным концом витой пары за счет того, что длина цепи

и экрана существенно меньше рабочей длины волны.

Причиной улучшения защищенности схемы линии связи по сравнению со схемой с независимым экраноми одним заземленным концом, пред-

Рис 2.9. структура линии связи ставленной на рис. 2.9,

с малой площадью эквивалентной петли является уменьшение площади эквивалентной петли.

Более плотная скрутка проводов позволяет уменьшить магнитную связь. Структурная схема представлена на рис. 2.10. Кроме того, при этом уменьшается и электрическая связь (в

Рис 2.10. Структура линии связи обоих проводах токи наво-

с малой магнитной и электрической дятся одинаково).

связью

Для уменьшения электромагнитной связи между проводами необходимо уменьшить площади петли, максимально разнести цепи и максимально уменьшить длину параллельного пробега линий ТСОИ с посторонними проводниками. При нулевых уровнях сигнала (0 дБ) в соединительных линиях ТСОИ между ними и посторонними проводниками должно обеспечиваться переходное затухание порядка 114 дБ. Данное переходное затухание обеспечивается, как правило, при прокладке кабелей ТСОИ на расстоянии не менее 10 см от посторонних проводников. При этом допускается прокладка кабелей ТСОИ вплотную с посторонними проводниками при суммарной длине их совместного пробега не более 70 м. Экранироваться могут не только блоки аппаратуры и их соединительные линии, но и помещения в целом.

В обычных неэкранируемых помещениях основной экранирующий эффект обеспечивают железобетонные стены домов. Экранирующие свойства дверей и окон хуже. Для увеличения экранирующих свойств стен и окон используются дополнительные средства:

- токопроводящие обои и лакокрасочные покрытия;

- шторы из металлизированной ткани;

- металлизированные стекла из двуокиси олова, которые устанавливаются в металлические или металлизированные рамы.

В помещении экранируются стены, двери, окна. При закрытии дверей должен обеспечиваться надежный электрический контакт со стенками помещения 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 коробки. Окна должны быть затянуты одним или двумя слоями медной сетки с ячейкой не более 2 ´ 2 мм. Причем расстояние между слоями - не менее 50 мм. Оба слоя сетки должны иметь хороший электрический контакт со стенками помещения 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 в помещении. Конструкция экрана для вентиляционных отверстий зависит от диапазона частот. Для частот меньше 1 ГГц применяются сотовые конструкции, закрывающие вентиляционные отверстия с прямоугольными, круглыми и шестигранными ячейками. Для достижения эффективного экранирования размеры отверстий должны быть меньше 1/10 длины волны. При увеличении частоты необходимые размеры ячеек могут быть столь малы, что ухудшается вентиляция.

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 выбираются исходя из его назначения и стоимости.

Обычно экранированное помещение строят площадью 6-8 м² при высоте 2-3 метра.

 

2.2. Заземление технических средств

Необходимо помнить, что экранирование ТСОИ и соединительных линий эффективно только при правильном их заземлении. Поэтому одним из важнейших условий по защите ТСОИ является правильное заземление этих устройств.

Существуют различные типы заземления. Наиболее часто используются одноточечные, многоточечные и комбинированные (гибридные) схемы. На рис. 2.11 представлена одноточечная последовательная схема заземления. Эта схема наиболее проста. Однако ей присущ недостаток, связанный с протеканием обратных токов различных цепей по общему участку заземляющей цепи. Вследствие этого возможно появление опасного сигнала в посторонних цепях.

В одноточечной параллельной схеме заземления (рис.2.12) такого недостатка нет. Однако такая схема требует большого

Рис. 2.11. Одноточечная Рис. 2.12. Одноточечная

последовательная схема заземления параллельная схема заземления

числа протяженных заземляющих проводников, из-за чего может возникнуть проблема с обеспечением малого сопротивления
заземления участков цепи. Кроме того, между заземляющими проводниками могут возникать нежелательные связи, которые создают несколько путей заземления для каждого устройства. В результате в системе заземления могут возникнуть уравнительные токи и появиться разность потенциалов между различными устройствами.

Многоточечная схема заземления (рис.2.13) практически свободна от недостатков, присущих одноточечным схемам. В этом случае отдельные устройства и участки корпуса ин-

Рис. 2.13. Многоточечная схема заземления дивидуально зазем-

лены. При проектировании и реализации многоточечной системы заземления необходимо принимать специальные меры для исключения замкнутых контуров. Как правило, одноточечное заземление применяется на низких частотах при небольших размерах заземляемых устройств и расстояниях между ними менее 0,5 ´ l. На высоких частотах при больших размерах заземляемых устройств и значительных расстояниях между ними используется многоточечная система заземления. В промежуточных случаях эффективна комбинированная система заземления.

Однако все представленные системы заземления должны отвечать основным требованиям, предъявляемым к данным системам, таким как:

- система заземления должна включать общий заземлитель, заземляющий кабель, шины и провода, соединяющие заземлитель с объектом;

- сопротивления заземляющих проводников, а также земляных шин должны быть минимальными;

- каждый заземляемый элемент должен быть присоединен к заземлителю или к заземляющей магистрали при помощи отдельного ответвления. Последовательное включение в заземляющий проводник нескольких заземляемых элементов запрещается;

- в системе заземления должны отсутствовать замкнутые контуры, образованные соединениями или нежелательными связями между сигнальными цепями и корпусами устройств и землей;

- следует избегать использования общих проводников в системах экранирующих заземлений, защитных заземлений и сигнальных цепей;

- качество электрических соединений в системе заземления должно обеспечивать минимальное сопротивление контакта, надежность и механическую прочность контакта в условиях климатических воздействий и вибрации;

- контактные соединения должны исключать возможность образования оксидных пленок на контактирующих поверхностях и связанных с этими пленками нелинейных явлений;

- контактные соединения должны исключать возможность образования гальванических пар для предотвращения коррозии в цепях заземления;

- запрещается использовать в качестве заземляющего устройства нулевые фазы электросетей, металлоконструкции зданий, имеющие соединение с землей, металлические оболочки подземных кабелей, металлические трубы систем отопления, водоснабжения, канализации и т.д.

Сопротивление заземления определяется главным образом сопротивлением растекания тока в земле. Величину этого сопротивления можно значительно понизить за счет уменьшения переходного сопротивления между заземлителем и почвой путем тщательной очистки перед укладкой поверхности заземлителя и утрамбованной вокруг него почвы, а также подсыпкой поваренной соли.

Сопротивление заземлителя определяется свойствами грунта и свойствами заземлителя. Если заземлитель состоит из металлической пластины радиуса r, расположенной непосредственно у поверхности земли, то сопротивление заземления R_З можно рассчитать по формуле /5/:

R_З=r/(4 ´ r_п), Ом,

где r - удельное сопротивление грунта, Ом/см³;

r_п – радиус пластины, см.

Сопротивление заземления из металлической трубы определяется формулой / /:

R_З=[r/(2 ´ p ´ l)] ´ [ln(4 ´ 1/r_т)-1], Ом,

где l – длина трубы, см; r_т – радиус трубы, см.

Сопротивление заземления зависит в большей степени от радиуса пластины, от длины трубы, в меньшей степени - от радиуса трубы. Поэтому при устройстве заземления целесообразно применять пластины со значительным диаметром, а также тонкие длинные трубы. На практике часто в качестве заземлителей применяют:

- стержни из металла, обладающие высокой электропроводностью, погруженные в землю и соединенные с наземными металлоконструкциями средств ТСОИ;

- сеточные заземлители, изготовленные из элементов с высокой электропроводностью и погруженные в землю;

- комбинированные заземлители (из элементов описанных заземлителей).

 

2.3.Фильтрация информативных сигналов

 

Одним из методов локализации опасных сигналов, циркулирующих в ТСОИ, является фильтрация. В источниках электромагнитных полей и наводок фильтрация осуществляется с целью предотвращения распространения нежелательных электромагнитных колебаний за пределы устройства – источника опасного сигнала. Фильтрация в устройствах – рецепторах электромагнитных полей и наводок должна исключать их воздействие на рецептор.

Для фильтрации сигналов в цепях питания ТСОИ используются разделительные трансформаторы и помехоподавляющие фильтры /23/. Разделительные трансформаторы обеспечивают развязку первичной и вторичной цепей по сигналам наводки (во вторичную цепь трансформатора не должны проникать наводки, появляющиеся в первичной обмотке). Для уменьшения связи обмоток по сигналам наводок часто применяется внутренний экран, выполняемый в виде заземленной прокладки или фольги, укладываемой между первичной и вторичной обмотками.

Разделительные трансформаторы используются с целью решения ряда задач, таких как:

- разделения по цепям питания источников и рецепторов наводки, если они подключаются к одним и тем же шинам переменного тока;

- устранения асимметричных наводок;

- ослабления симметричных наводок в цепи вторичной обмотки, обусловленных наличием асимметричных наводок в цепи первичной обмотки.

В настоящие время существует большое количество различных типов фильтров, обеспечивающих ослабление нежелательных сигналов в разных участках частотного диапазона. Это фильтры нижних и верхних частот, полосовые и заграждительные фильтры и т.д. Основное назначение фильтров – пропускать без значительного ослабления сигналы с частотами, лежащими в рабочей полосе, и подавлять сигналы с частотами, лежащими за пределами этой полосы.

Для исключения просачивания информативных сигналов в цепи электропитания используются фильтры нижних частот. Количественно величина ослабления (фильтрация) нежелательных сигналов защитным фильтром оценивается в соответствии с выражением /5/:

, дБ,

где U₁(P₁) – напряжение (мощность) опасного сигнала на выходе фильтра;

U₂(P₂) – напряжение (мощность) опасного сигнала на входе фильтра при включении нагрузки Z_н.

К защитным фильтрам предъявляются следующие требования:

- величина рабочего напряжения и тока фильтра должны соответствовать напряжению и току фильтруемой цепи;

- величина ослабления нежелательных сигналов в диапазоне рабочих частот должна быть не менее требуемой;

- ослабление полезного сигнала в полосе прозрачности фильтра должно быть незначительным;

- габариты и масса фильтров должны быть минимальными;

- сетевые фильтры должны работать с учетом предельно допустимых токов (предельно допустимой мощности потребления) и высоких уровнях значений задерживаемых электромагнитных колебаний.

Конструктивно фильтры подразделяются на:

- фильтры на элементах с сосредоточенными параметрами (рабочая частота до 300 МГц);

- фильтры с распределенными параметрами (рабочая частота свыше 1 ГГц);

- комбинированные (рабочая частота 300 МГц – 1 ГГц).

В настоящее время выпускаются: фильтры помехоподавляющие типа ФП, ФБ, ФПС (на ёмкостно – индукционных элементах). Они обеспечивают затухание от 60 до 100 дБ ( от типа тока), рассчитанных на напряжение от 60 до 500В и ток – 2,5-70А.

 

2.4. Пространственное и линейное зашумление

 

Реализация пассивных методов защиты, основанных на применении экранирования и фильтрации, приводит к ослаблению уровней побочных электромагнитных излучений и наводок (опасных сигналов) ТСОИ и тем самым к уменьшению отношения опасный сигнал/шум. Однако в ряде случаев, несмотря на применение пассивных методов защиты, на границе контролируемой зоны отношение сигнал/шум превышает допустимое значение. В этом случае применяются активные методы, основанные на создании помех средствам разведки, что также приводит к уменьшению отношения сигнал/шум.

К системе пространственного зашумления, применяемой для создания маскирующих электромагнитных помех, применяются следующие требования:

- система должна создавать электромагнитные помехи в диапазоне частот возможных побочных электромагнитных излучений ТСОИ;

- создаваемые помехи не должны иметь регулярной структуры;

- уровень создаваемых помех (как по электрической, так и по магнитной составляющей поля) должен обеспечивать уровень сигнал/шум на границе контролируемой зоны меньше допустимого значения во всем диапазоне частот возможных побочных электромагнитных излучений ТСОИ;

- система должна создавать помехи как с горизонтальной, так и с вертикальной поляризацией;

- на границе контролируемой зоны уровень помех, создаваемых системой пространственного зашумления, не должен превышать требуемых норм по ЭМС.

Системы линейного зашумления применяются для маскировки наведенных опасных сигналов в посторонних проводниках и соединительных линиях ВТСС, выходящих за пределы контролируемой зоны. Схематичное размещение технических средств с учётом значений радиусов зон показано на рис. 2.14., где - радиус зоны 2; - расстояние от ТСОИ до элементов с сосредоточенными параметрами (расстояние до ВТСС); - расстояние до элементов с рассредоточенными параметрами. Данные системы используются в том случае, если не обеспечивается требуемый разнос этих проводников и ТСОИ, то есть не выполняется требование по величине зоны № 1 (рис. 2.10), однако при этом обеспечивается требование по величине зоны № 2, то есть расстояние от ТСОИ до границы контролируемой зоны больше, чем значение радиуса зоны № 2.

Рис. 2.14. Размещение технических средств