29 Экранирование побочных излучений и наводок

 Глава 12. Экранирование побочных излучений и наводок

12.1. Экранирование электромагнитных полей

Для предотвращения утечки информации по радиоэлектрон­ным техническим каналам утечки информации, вызванных ПЭМИН и радиозакладными устройствами, на опасных направле­ниях применяют электромагнитные экраны. Физические процессы при экранировании отличаются в зависимости от вида поля и час­тоты его изменения.

Различают электрические экраны для экранирования элект­рического поля, магнитные для экранирования магнитного поля и электромагнитные — для экранирования электромагнитного поля. Способность экрана ослаблять энергию полей оценивает­ся эффективностью экранирования (коэффициентом ослабле­ния). Если напряженность поля до экрана равна Е₀ и Н₀, а за экра­ном — Е_э и Н_э, то S_e = Е₀ / Е_э и S_н = Н₀ / Н_э. На практике эффектив­ность экранирования измеряется в децибелах (дБ) и неперах (Нп): S_e(H) = 201g[E₀(H₀) / Е_э(Н_э)] [дБ] или S_e(H) = ln[E₀(H₀) / Е_э(Н_э)] [Нп].

Рис. 12.1. Экранирование электрического поля

Эффективность экранирования зависит от электропроводнос­ти экрана и сопротивления заземления. Чем выше проводимость экрана и цепей заземления, тем выше эффективность электричес­кого экранирования. Толщина экрана и его магнитные свойства на эффективность экранирования практически не влияют.

Коэффициент экранирования магнитной составляющей поля представляет собой сумму коэффициентов экранирования, обус­ловленного рассмотренными физическими явлениями. Но доля слагаемых зависит от частоты колебаний поля. При f = 0 экрани­рование обеспечивается только за счет шунтирования магнитно­го поля средой экрана. Но с повышением частоты поля все сильнее проявляется влияние на эффективность экранирования вторично­го поля, обусловленного вихревыми токами в поверхности экрана. Чем выше частота, тем больше влияние на эффективность экрани­рования вихревых токов.

В силу разного влияния рассмотренных физических явлений магнитного экранирования отличаются требования к экранам на низких и высоких частотах. На низких частотах (приблизительно до единиц кГц), когда преобладает влияние первого явления, эф­фективность экранирования зависит в основном от магнитной про­ницаемости материала экрана и его толщины. Чем больше значе­ния этих характеристик, тем выше эффективность магнитного эк­ранирования. Для экрана, например, в виде куба эффективность магнитного экрана можно оценить по формуле:

где d — толщина стенок экрана; D — размер стороны экрана куби­ческой формы.

Эффективность экранирования за счет вихревых токов зави­сит от их силы, на величину которой влияет электрическая проводимость экрана. В свою очередь это сопротивление прямо про­порционально электрическому сопротивлению материала экрана и обратно пропорционально его толщине. Однако по мере повыше­ния частоты поля толщина материала экрана, в которой протека­ют вихревые токи уменьшаются из-за так называемого поверхнос­тного или скин-эффекта. Сущность его обусловлена тем, что вне­шнее (первичное) магнитное поле ослабевает по мере углубления в материал экрана, так как ему противостоит возрастающее вторич­ное магнитное поле вихревых токов. Напряженность переменно­го магнитного поля уменьшается по мере проникновения его в ме­талл экрана на глубину х от его поверхности по экспоненциально­му закону:

,

где — эквивалентная глубина проникновения, соответствующая ослаблению напряженности магнитного поля в 2,72 раза и вычис­ляемая по формуле:

,

где  — удельное электрическое сопротивление материала экрана в Ом·мм²/м; f— частота магнитного поля в Гц;  — относительная магнитная проницаемость материала экрана.

Для обеспечения эффективного магнитного экранирования на высоких частотах следует для экранов исполь­зовать материалы с наибольшим отношением , учитывая при этом, что с повышением f сопротивление из-за поверхностного эф­фекта возрастает в экспоненциальной зависимости. На высоких частотах глубина проникновения может быть столь малой, а со­противление столь велико, что применение материалов с высокой магнитной проницательностью, например пермаллоя, становит­ся нецелесообразным. Для f > 10 МГц значительный экранирую­щий эффект обеспечивает медный экран толщиной всего 0,1 мм. Для экранирования магнитных полей высокочастотных контуров усилителей промежуточной частоты бытовых радио- и телевизи­онных приемников широко применяют алюминиевые экраны, ко­торые незначительно уступают меди по удельному электрическому сопротивлению, но существенно их легче. Для высоких частот тол­щина экрана определяется в основном требованиями к прочности конструкции.

Кроме того, на эффективность магнитных экранов влияет кон­струкция самого экрана. Она не должна содержать участков с от­верстиями, прорезями, швов на пути магнитных силовых линий и вихревых токов, создающих им дополнительное сопротивление.

Так как магнитное экранирование обеспечивается за счет то­ков, а не зарядов, магнитные экраны не нуждаются в заземлении.

В зависимости от часто­ты, показателей магнитных и электрических свойств материала эк­рана влияние отражения и поглощения на разных частотах сущест­венно отличается. На низких частотах наибольший вклад в эффек­тивность экранирования вносит отражение от экрана электромаг­нитной волны, на высоких — ее поглощение в экране. Доля этих составляющих в суммарной величине эффективности электромаг­нитного экранирования одинаковая для немагнитных () экра­нов на частотах в сотни кГц (для меди — 500 кГц), для магнитных () — на частотах в доли и единицы кГц, например для пер­маллоя — 200 Гц. Магнитные материалы обеспечивают лучшее экранирование электромагнитной волны за счет поглощения, а не­магнитные, но с малым значением удельного сопротивления — за счет отражения.

Кроме того, учитывая, что электромагнитная волна содер­жит электрическую и магнитную составляющие, то при электро­магнитном экранировании проявляются явления, характерные для электрического и магнитного экранирования.

Следовательно, на низких частотах материал для экрана дол­жен быть толстым, иметь высокие значения магнитной проница­емости и электропроводности. На высоких частотах экран должен иметь малые значения электрического сопротивления, а требова­ния к его толщине и магнитной проницаемости материала сущест­венно снижаются. Для обеспечения экранирования электрической составляющей электромагнитный экран надо заземлять.

12.2. Экранирование электрических проводов

Экранированием проводов решаются 2 задачи:

·    уменьшение наводок на выходящие за пределы контролируе­мой зоны провода от электромагнитных излучений основных и вспомогательных технических средств и систем;

•    снижение уровня электромагнитных излучений проводов ин­формационных линий основных и вспомогательных техничес­ких средств и систем.

Физические основы экранирования с целью снижения пара­зитных наводок на провода рассмотрены в предыдущем параграфе. В данном подразделе рассматриваются физические основы эк­ранирования проводов кабелей.

Экранирование провода несимметричного кабеля производит­ся путем размещения его в экране— металлической (железной, медной, цинковой, свинцовой) трубе и металлической сетчатой оп­летке (плетенке). Для экранирования электрической составляю­щей экран заземляется (рис. 12.3).

Рис. 12.3. Электрическое экранирование несимметричного кабеля

На практике вариант заземления выбирают исходя из ми­нимизации суммарного побочного излучения электрической и маг­нитной составляющих электромагнитного поля. Экранирование проводов симметричных кабелей с целью сни­жения излучений, вызванных несимметричностью проводов отно­сительно иной токопроводящей поверхности или земли, произво­дится аналогично рассмотренным способам.

Наибольший экранирующий эффект достигается при приме­нении металлических водогазовых труб, достаточно большая тол­щина стенок которых обеспечивает большое ослабление магнитно­го поля на низких частотах. Более удобно прокладывать кабели в свинцовой оболочке, так как они обеспечивают возможность изги­ба кабеля в любом месте трассы. Эти кабели обеспечивают высо­кую устойчивость против агрессивной среды и эффективное элек­трическое экранирование, Так как свинец относится к диамагнетикам (с  < 1), то магнитное экранирование достигается на высо­ких частотах, на которых наибольший экранирующий эффект до­стигается за счет вихревых токов. Еще большей эластичностью об­ладают экраны в виде оплетки из сетки, допускающей многократ­ные перегибы. Оплетка перекрывает 60-90% поверхности изоли­рованного провода. Но наличие отверстий в оплетке ухудшает маг­нитное экранирование по сравнению со сплошным экраном на 5-30 дБ.

Если экранирование проводов несимметричных кабелей пред­ставляет собой наиболее эффективный способ существенного сни­жения их побочных электромагнитных излучений, то для симмет­ричных кабелей существуют иные и более дешевые способы. Они предусматривают меры, обеспечивающие более полную компенса­цию полей, создаваемых токами противоположного направления в проводах (жилах) симметричного кабеля.

12.3. Компенсация полей

Низкочастотные и высокочастотные поля, создаваемые тока­ми в симметричных кабелях, имеют почти равные напряженнос­ти и почти противоположные фазы. Побочные излучения проводов симметричных кабелей обусловлены разной удаленностью прово­дов от точки в пространстве, в которой производится измерение уровня излучения, и разными значения емкостей между проводами и рассматриваемыми токопроводящими поверхностями, в том числе и землей. Эта разница вызывается разным расположением проводов в пространстве, конструктивными отличиями и неодно­родностью материала проводов и их изоляции.

Компенсация полей проводов симметричного кабеля при его прокладке параллельно другим кабелям улучшается путем сим­метрирования проводов с помощью дополнительных емкостей или размещением жил в многожильном кабеле или жгуте таким обра­зом, чтобы уменьшить их влияние друг на друга. Для этого измеря­ют емкости между проводами и установкой дополнительных кон­денсаторов С_с добиваются равенства емкостей между рассматрива­емыми проводами (рис. 12.5а)).

Рис. 12.5. Симметрирование проводов кабелей

Более удобные для симметрирования кабелей так называе­мые дифференциальные конденсаторы переменной емкости С_дс. (рис. 12.5). Путем вращения регулировочного винта такого кон­денсатора добиваются минимального уровня индикатора напря­женности поля измерительного прибора, установленного в конт­ролируемом месте. Подключение симметрирующих конденсаторов производится в специальных симметрирующих муфтах, которые включаются в разрыв кабеля (для длинных кабелей) или в соеди­нительные разъемы.

При промышленном изготовлении многожильных кабелей предусматривается расположение жил одной группы на одинако­вом расстоянии от жил другой группы. Это обстоятельство важ­но учитывать при монтаже кабеля. Для каждой цепи выбирают­ся жилы, расположенные на равном расстоянии от жил других це­пей.

Для компенсации полей, вызванных разной удаленностью про­водов от точки пространства, производят скручивание проводов кабеля. Кабель, состоящий из двух скрученных проводов, называ­ется витой парой или бифиляром. Повышение компенсации по­лей разных проводов пары достигается тем, что поле в рассмат­риваемой точке пространства представляет собой суперпозию по­лей не двух параллельных проводов с разным расстоянием от точ­ки измерения, а полей от участков проводов длиной, соответству­ющей шагу скрутки. Так как после каждой скрутки расположение участков проводов по отношению к точке измерения меняется на противоположное (более близкий участок провода становится бо­лее удаленным), то происходит существенно более полная компен­сация полей от проводов с противоположным направлением тока. Полной компенсации полей добиться не удается, но при достаточ­но малом шаге скрутки ослабление излучения достигает приемле­мых для практики значений, заметно не уступающих более доро­гому экранированию. Например, при уменьшении шага скрутки в 3 раза (с 55 до 18 мм) излучающая способность снижается при­мерно на 30 дБ. Абсолютное значение ослабления излучения витой пары с шагом около 2 мм достигает 80 дБ. Малая излучающая спо­собность, меньшая стоимость и большая гибкость витой пары спо­собствуют ее широкому использованию в качестве кабеля локаль­ных сетей ЭВМ, размещаемых внутри одного здания.

Для увеличения ослабления излучения витую пару помеща­ют в экран. Экранированная витая пара эффективна на частотах до 100 кГц, но на частотах более 1 МГц в ней существенно возрастают потери. В качестве экранированной витой пары используют также скрутку из трех проводов (трифиляр), по двум из которых переда­ются сигналы, а третий заземляется. Эффективность экранирован­ного кабеля может быть более 100 дБ.

12.4. Предотвращение утечки информации по цепям электропитания и заземления

Меры по предотвращению утечки защищаемой информации по цепям электропитания должны:

•    устранить проникновение сигналов с защищаемой информации через блоки электропитания основных технических средств и систем в цепи электропитания;

•    снизить до допустимого уровня наводки НЧ и ВЧ излучений с защищаемой информацией на провода цепей электропитания;

•    подавить электрические сигналы в цепях электропитания до выхода их из контролируемой зоны.

Гальваническая связь блока питания с информационными бло­ками РЭС обеспечивается через фильтр низкой частоты, который уменьшает до приемлемых значений уровень переменной состав­ляющей напряжения с выхода блока питания РЭС. Чем меньше ве­личина переменной составляющей (пульсаций), тем выше качество блока питания. Однако снижение коэффициента пульсации связа­но с резким ростом затрат и увеличением масса-габаритных харак­теристик блока питания. Для допустимых значений пульсации на­пряжения типовых блоков питания полоса его пропускания ΔF со­ставляет около 30 Гц. При таком значении возможно пропускание огибающей речевого сигнала в цепи электропитания. Уменьшение ΔF достигается с помощью:

•    дополнительных стабилизаторов в блоке питания;

•    мотор-генератора;

•    автономных источников питания (аккумуляторов, дизель-гене­раторов).

Мотор-генератор представляет собой генератор электричес­кого тока, вращение ротора которого обеспечивается электричес­ким двигателем, питаемым от первичного источника переменного тока. Полоса пропускания мотор-генераторов составляет доли Гц, что исключает проникновение информации от потребителя элект­ропитания к первичному источнику. Мощность мотор-генераторов составляет 8-75 кВА.

Для устранения проникновения опасных сигналов в цепи элек­тропитания через емкостные и индуктивные связи блока питания применяют способы, направленные на снижение значений этих паразитных связей. С этой целью изменяют компоновку (взаимное расположение) деталей блока питания таким образом, чтобы ми­нимизировать длину токопроводящих параллельных элементов и увеличить между ними расстояние, а также экранируют излучаю­щие поля детали. Наибольшие паразитные связи возникают меж­ду первичной и вторичной обмотками силового трансформатора, преобразующего напряжения первичного источника питания в на­пряжения питания элементов схемы радиоэлектронного средства. С целью снижения их до допустимых значений применяют следу­ющие способы:

•    первичную и вторичную обмотку располагают на разных час­тях магнитопровода сердечника трансформатора;

•    между первичной и вторичной обмотками, размещаемыми на одной катушке, устанавливается заземленный экран из медной фольги толщиной не менее 0,2 мм;

•    первичная обмотка размещается в заземленном экране;

•    обмотки трансформатора размещаются в индивидуальные за­земленные экраны, между которыми также устанавливается за­земленный экран.

В первом варианте снижается кпд трансформатора из-за допол­нительного рассеяния магнитного поля первичной обмотки в воз­духе. Экран преобразует паразитную емкость между проводами обмоток в паразитные емкости между этими проводами и зазем­ленным экраном. Чтобы исключить образование вокруг магнито­провода короткозамкнутого витка из экрана, в котором в результа­те магнитной индукции поля первичной обмотки возникнут боль­шие вихревые токи, между концами экрана оставляют воздушный зазор с очень высоким сопротивлением.

В целях активного подавления опасных сигналов, проникаю­щих через блоки питания и наводимые в проводах силовых кабе­лей, цепи электропитания зашумляют. Для этого подается в прово­да силовых кабелей речеподобный шумовой сигнал, который фор­мируется из белового шума с помощью соответствующих филь­тров.

Для исключения распространения высокочастотных опасных сигналов по цепям электропитания при их выводе из выделенных помещений устанавливаются фильтры питания, линейные и развя­зывающие сетевые фильтры. Фильтры питания обеспечивают затухание опасных сигналов в полосе 20 кГц - 1 ГГц не менее 60 дБ. Они выпускаются на рабочее напряжение 127-500 В и рабочий ток 1-70 А. Так как в фильтрах, пропускающих большой ток, применя­ются индуктивности (катушки) из толстого провода, то вес их мо­жет достигать десятки кг.

Кроме указанных технических мер для предотвращения утеч­ки информации по цепям электропитания необходимо обеспечить следующие требования и рекомендации к системе электропитания организации:

•    электрические установки и кабели должны быть установлены в пределах контролируемой зоны;

•    на объектах 1-й категории электропитание осуществляется от устройств, обеспечивающих электромагнитную развязку сети электропитания от промышленной электросети, в том числе сертифицированные агрегаты бесперебойного питания, 4-про-водные сетевые помехоподавляющие фильтры, системы двига­тель-генератор;

•    на объектах 2-й категории электропитание производится через сертифицированные сетевые помехоподавляющие фильтры и (или) проводится активное зашумление цепей электропитания;

•    на объектах 3-й категории электропитание может осущест­вляться от подстанции в контролируемой зоне без дополнитель­ных мер;

•    на объектах 2-й и 3-й категорий допускается электропитание от трансформаторной подстанции, размещенной за пределами кон­тролируемой зоны, но при использовании сертифицированных 4-проводных помехоподавляющих фильтров или систем актив­ного зашумления;

•    подача электроэнергии от трансформаторной подстанции до си­ловых щитов производится экранированным силовым кабелем, а распределительные устройства и силовые щиты закрываются на замок и опечатываются.

Меры по предотвращению утечки информации по цепям за­земления направлены на снижение величины паразитной гальва­нической связи между заземляемыми радиоэлектронными средст­вами и уменьшением площади магнитных рамок, образуемых це­пями заземления. При этом эти используемые меры не должны уве­личивать сопротивление цепей заземления.

При выборе схемы заземления следует учитывать, что наибо­лее часто используемое последовательное заземление (рис. 12.6 а)) имеет наибольший коэффициент гальванической паразитной свя­зи. Низкочастотные средства, размещенные на небольшом рас­стоянии друг от друга, рекомендуется заземлять в одной точке (рис. 12.6 б)), в остальных случаях целесообразно применять мно­готочечное заземление (рис. 12.6 в)).

Рис. 12.6. Типы заземления радиоэлектронных средств

С целью исключения снятия информации с токов, растекаю­щихся в земле, заземлители размещаются внутри контролируемой зоны на удалении не менее 2-3 м от ее границы (забора).