Экранирование электрических проводов. Компенсация полей
Для предотвращения утечки информации за счет паразитных связей (по радиоэлектронным техническим каналам) применяют, в первую очередь, электромагнитные экраны. Физические процессы при экранировании отличаются в зависимости от вида экранируемого поля и частоты его изменения.
При экранировании электрического поля электроны экрана под действием поля перераспределяются таким образом, что на поверхности экрана со стороны экранируемого источника сосредотачиваются заряды, противоположные по знаку заряду источника, а на внешней стороне экрана – заряды, одинаковые с зарядом источника (рис.7.1).
Заряды внешней стороны экрана создают вторичное электрическое поле, близкое по напряженности к первичному полю. Для компенсации вторичного поля экран заземляется (приобретает потенциал земли), и вторичное электрическое поле существенно уменьшается. Полностью устранить вторичное поле не удается из-за наличия сопротивления потерь экрана и цепей заземления.
Следует заметить, что толщина экрана и его магнитные свойства на эффективность экранирования электрического поля практически не влияют.
Экранирование магнитного поля достигается в результате действия двух физических явлений:
«втягивания» (шунтирования) магнитных силовых линий поля в экран из ферромагнитного материала с магнитной проницаемостью μ >> 1, при этом экран имеет существенно меньшее магнитное сопротивление, чем окружающая среда;
возникновении под действием переменного ЭМП на поверхности экрана индукционных вихревых (кольцевых, поверхностных) токов, создающих вторичное магнитное поле, силовые линии которого противоположны силовым линиям первичного поля.
На низких частотах (до единиц кГц) эффективность магнитного экранирования зависит в основном от магнитной проницаемости экрана и толщины его стенок. Экран выполняется из ферромагнетика и играет роль магнитного шунта. При этом количество магнитных силовых линий за экраном уменьшается, чем и достигается эффект экранирования.
На высоких частотах эффект экранирования достигается за счет индукционных вихревых поверхностных токов. Чем выше частота, тем тоньше может быть магнитный экран. В радиоаппаратуре для экранирования высокочастотных контуров (резонансных систем) на частотах более 10 МГц применяются, как правило, алюминиевые (реже медные) экраны. Такие экраны не должны содержать участков с отверстиями, прорезями, швами на пути магнитных силовых линий и вихревых токов. Магнитные экраны не требуют заземления.
При электромагнитном экранировании используются явления отражения части электромагнитного поля от экрана и поглощения части электромагнитного поля, проникшей в экран.
На низких частотах преобладает эффект отражения от экрана электромагнитной волны, на высоких частотах, напротив, преобладает эффект поглощения ЭМВ в материале экрана.
Поскольку ЭМВ содержит электрическую и магнитную составляющие, то при электромагнитном экранировании проявляются явления, характерные как для магнитного, так и электрического экранирования.
На низких частотах материал экрана должен быть толстым, иметь достаточно большой коэффициент магнитной проницаемости и электропроводности.
На высоких частотах экран должен иметь малые значения электрического сопротивления, а требования по его толщине значительно снижаются. Электромагнитные экраны требуют заземления.
Экранирование провода (несимметричного кабеля) производится путем размещения его в экране – заземленной металлической (железной, медной, цинковой, свинцовой) трубе и металлической сетчатой оплетке. Экран из–за конечного значения омического сопротивления, является вторичным излучателем. Лучшим является многоточечное заземление экрана, обеспечивающее значительно меньшую величину напряженности вторичного электрического поля, создаваемого не скомпенсированными зарядами на внешней поверхности экрана за счет не равного нулю сопротивления материала. На практике заземляются только концы экрана в разъемах подключения к РЭС, поэтому напряженность вторичного поля возрастает к середине между точками заземления. Иначе говоря, чем протяженнее несимметричный кабель с торцевым заземлением, тем меньше эффективность мер экранирования.
Наибольший экранирующий эффект достигается при применении металлических водогазовых труб, большая толщина которых обеспечивает существенное ослабление магнитного поля на низких частотах. Кабели в свинцовых оболочках более удобны при прокладке, так как допускают изгиб в любом месте трассы, обеспечивают устойчивость к действиям агрессивной среды и эффективное электрическое экранирование. Кабели с экраном в виде металлической сетки еще более эластичны (допускают многократные перегибы), но наличие отверстий в экране ухудшает магнитное экранирование (по сравнению со сплошным экраном) на 5 – 30 дБ.
Источником побочных излучений магнитного поля служат две магнитные рамки: первая образована цепью провод и экран, и по ней протекает ток IЭ, вторая состоит из того же провода и токопроводящей поверхности земли, и по ней протекает ток IЗ, причем IЭ > IЗ (рис.7. 2).
Очевидно, что сумма токов экрана и земли равна прямому току, протекающему по проводу кабеля , IПР = IЭ + IЗ.
Мощность излучения рамок зависит от их площади и протекающих токов. Так как обычно расстояние провод – экран значительно меньше расстояния провод - земля, то побочные излучения рамки «провод – земля» оказываются недопустимо большими. Для уменьшения этого излучения надо уменьшить ток земли IЗ , например, отключить заземление экрана у нагрузки. Однако в этом случае возрастет вторичное электрическое поле, создаваемое экраном.
На практике вариант заземления выбирают исходя из минимизации суммарного побочного излучения электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля. Например, если прямой ток содержит постоянную составляющую, то целесообразно заземление экрана у нагрузки производить через ФНЧ или индуктивность (имеют малое сопротивление на НЧ и большое на ВЧ), при этом обеспечивается эффективное электрическое экранирование на НЧ и магнитное экранирование на ВЧ.
Провода симметричных кабелей могут экранироваться таким же образом, однако есть значительно более дешевые способы снижения побочных излучений.
Побочные излучения симметричных проводов вызваны разной удаленностью проводов до точки, в которой измеряется уровень излучения, а также разными значениями емкости между проводами и токопроводящими поверхностями за счет расположения проводов в пространстве, конструктивных различий проводов и диэлектрика.
Компенсация полей проводов симметричного кабеля при прокладке параллельно другим кабелям или при размещении жил в многожильном кабеле улучшается путем дополнительного симметрирования проводов относительно земли с помощью специально подключаемой емкости (рис. 7.3).
Такие емкости подключаются в разрывах цепи в специальных муфтах. С помощью симметрирующей (рис.7.3, а) или дифференциальной емкостей (рис.7.3, б) добиваются равенства емкостей между рассматриваемыми проводами.
В многожильном кабеле при производстве предусматривается размещения жил одной группы параллельно жилам другой группы. Это обстоятельство должно учитываться и при монтаже кабеля.
Для компенсации полей, вызванных разной удаленностью проводов от точки пространства, где производится измерение, проводят скручивание проводов кабеля. Витая пара (бифиляр) обеспечивает существенную компенсацию полей в точке наблюдения, так как поле является суперпозицией полей каждого шага скрутки, при котором удаленный провод становится более близким, а близкий – удаленным. Уровень компенсации зависит от шага скрутки. Например, при уменьшении шага скрутки с 55 до 18 мм ослабление возрастает на 30 дБ, а при минимальном шаге скрутки 2 мм абсолютное значение ослабления составляет 80 дБ.
В настоящее время применяются кабели с витыми парами из медной проволоки неэкранированные (UTP) и экранированные (STP). Экранированная витая пара эффективна на частотах до 100 кГц, а на частотах выше 1 МГц в ней резко возрастают потери. В качестве экранированной витой пары часто применяют трифиляр (скрутку из трех проводов), один из которых заземляется. Эффективность ослабления внешнего излучения трифиляра может достигать 100 дБ.