УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ СРЕДСТВ ЭЛЕКТРОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ ОТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ
PROTECTION DEVICE FOR COMPUTER TECHNOLOGY FACILITIES AGAINST ELECTROMAGNETIC INTERFERENCE

Изобретение относится к области защиты от электромагнитных излучений (ЭМИ) и может быть использовано для защиты средств электронно-вычислительной техники (СЭВТ) объектов инфокоммуникационных систем от воздействий внешних и побочных электромагнитных излучений (ПЭМИ) СЭВТ.
Известен «Многослойный электромагнитный экран» (патент RU 85267 U1, Опубликовано: 27.07.2009), представляющий собой многослойный электромагнитный экран, содержащий два размещенных снаружи плоских экранирующих слоя, каждый из которых выполнен из листовой магнитомягкой изотропной стали, и размещенный между ними, по меньшей мере, один объемный экранирующий слой в виде стальной прямоугольной решетки, выполненной с возможностью функционирования ее ячеек в качестве запредельных волноводов по отношению к основной гармонике частоты экранируемого поля, что позволяет осуществлять защиту от низкочастотных ЭМИ.
Недостатком данного экрана является относительно низкий коэффициент экранирования.
Наиболее близким по технической сущности и выполняемым функциям является «Устройство для защиты от электромагнитного излучения» (патент RU 100338 U1, Опубликовано: 10.12.2010), содержащее три последовательно расположенных экранирующих слоя, каждый из которых содержит ячейки, представляющие собой запредельные волноводы, причем соответствующие ячейки каждого слоя являются продолжением ячеек предыдущего слоя, а сами слои, соответственно, выполнены как «полимер-металл-полимер», при этом запредельные волноводы выполнены с сечением прямоугольной формы и объединены в сотовые решетки. Это устройство принято за прототип.
Недостатком этого прототипа является относительно низкий коэффициент экранирования электромагнитного экрана, что обусловлено формой и взаимным влиянием запредельных волноводов.
Задачей изобретения является создание устройства защиты средств электронно-вычислительной техники от электромагнитных излучений, позволяющее получить повышение коэффициента экранирования.
Эта задача решается тем, что устройство защиты средств электронно-вычислительной техники от электромагнитных излучений, содержащее три последовательно расположенных экранирующих слоя, каждый из которых содержит ячейки, представляющие собой запредельные волноводы, причем соответствующие ячейки каждого слоя являются продолжением ячеек предыдущего слоя, а сами слои, соответственно, выполнены как «полимер-металл-полимер», запредельные волноводы выполнены в виде полых прямых призм с сечением в форме правильных шестиугольников, при этом в каждом слое указанные волноводы расположены в шахматном порядке и параллельно друг другу.
Перечисленная новая совокупность существенных признаков обеспечивает возможность повышения коэффициента экранирования электромагнитного экрана за счет изменения формы ячеек и их расположения в шахматном порядке в многослойной экранирующей конструкции.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного устройства условию патентоспособности «новизна».
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявляемое устройство соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
«Промышленная применимость» устройства обусловлена наличием элементной базы, на основе которой могут быть выполнены устройства, с достижением указанного в изобретении назначения.
Заявленное устройство защиты от электромагнитного излучения поясняется чертежами, на которых показано:
1
2
3
1
2
3
4
1
2
3
4
5
отр1
отр2
отр3
отр4
1
2
3
4
5
12
23
34
45
1
2
3
4
5
12
23
34
45
фиг.1 - процесс отражения и преломления электромагнитной волны, проходящей через устройство, где 1, 2, 3 - соответственно первый, второй и третий слои устройства; 4 - запредельные волноводы; δ, δ, δ - толщина соответствующего слоя устройства; I, I, I, I - соответственно точки на границах раздела сред «воздух-полимер, полимер-металл, металл-полимер, полимер-воздух»; P - падающая плоская волна; Р, Р, Р, P - волны, соответственно претерпевающие преломление в средах «полимер, металл, полимер, воздух»; Р, Р, Р, Р - волны, соответственно отраженные в средах «воздух, полимер, метал, полимер»; E, E, Е, Е, Е - электрические напряженности электромагнитного поля соответствующие различным средам: «воздух-полимер-металл-полимер-воздух»; E, Е, Е, E - электрические напряженности электромагнитного поля отраженных волн в соответствующих средах: «воздух-полимер-металл-полимер-воздух»; H, H, Н, Н, Н - магнитные напряженности электромагнитного поля соответствующие различным средам: «воздух-полимер-металл-полимер-воздух»; H, Н, Н, Н - магнитные напряженности электромагнитного поля отраженных волн в соответствующих средах: «воздух-полимер-металл-полимер-воздух»;
экр
фиг.2 - фрагмент стенки устройства, где 1, 2, 3 - соответственно первый, второй и третий слои устройства; 4 - запредельные волноводы; q - диаметр окружности, описанной около сечения запредельного волновода в форме правильного шестиугольника; δ - толщина устройства;
фиг.3 - сечение устройства плоскостью по направлению А-А, где 1, 2, 3 - соответственно первый, второй и третий слои устройства, выполненные из материалов «полимер-металл-полимер»; 4, 5, 6 - запредельные волноводы в виде полых прямых призм с сечением в форме правильных шестиугольников, и расположенные в каждом слое в шахматном порядке и параллельно друг другу, причем ячейки каждого слоя являются продолжением ячеек предыдущего слоя; 7 - стыки при напылении с внешней и внутренней стороны металлического слоя для связи между слоями.
Устройство защиты от электромагнитного излучения работает следующим образом.
В процессе падения плоской электромагнитной волны на слой 1 устройства со стороны свободного пространства (фиг.1) экранирование в многослойной конструкции происходит благодаря затуханию за счет отражения, поглощения и многократных переотражений электромагнитной волны от поверхностей слоев 1, 2 и 3 устройства, при этом общий коэффициент экранирования определяется формулой (I):
<mrow><msub><mi>η</mi><mi>Σ</mi></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>д</mi><mi>Б</mi></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>η</mi><mrow><mi>о</mi><mi>т</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>η</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>η</mi><mrow><mi>м</mi><mi>о</mi><mi>т</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
отр
погл
мотр
1
1
1
1
1
отр1
2
2
1
1
<mrow><msup><mi>e</mi><mrow><msub><mi>δ</mi><mn>1</mn></msub><mo>/</mo><mi>δ</mi></mrow></msup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow></msubsup></mrow>
где η - коэффициент затухания за счет отражения; η - коэффициент затухания за счет поглощения; η - коэффициент затухания за счет многократных переотражений (Богуш В.Ф, Лыньков Л.М. Электромагнитные излучения. Методы и средства защиты. - Мн.: Бестпринт, 2003. - стр.119; Князев А.Д. Конструирование радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости. - М.: Радио и связь, 1989. - стр.45). Между запредельными волноводами 4, 5, 6 (фиг.2, 3) в экранирующей конструкции существует взаимное влияние, приводящее к увеличению полного сопротивления всего экрана, что влечет увеличение коэффициента экранирования всей конструкции в целом. У падающей плоской волны P векторы электрического E и магнитного H полей параллельны плоскости слоя. В точке I (фиг.1), находящейся на границе сред «воздух-полимер», волна P частично отразится (волна P) и частично преломится (волна Р). Распространяясь в первом слое, преломленная волна Р затухает по экспоненциальному закону и к моменту достижения следующей границы раздела сред типа «полимер-металл» напряженности обоих полей будут в
раз меньше, чем в точке на поверхности конструкции (I) (фиг.1), где δ - эквивалентная глубина проникновения. Волна P, попадая в запредельные волноводы 4 в виде полых прямых призм с сечением в форме правильных шестиугольников, сильно затухает на критических частотах
, лежащих ниже известного предела (Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. - М.: Высшая школа, 1970. - стр.31; Б.Ф.Емелин, Б.М.Машковец. Основы техники СВЧ. - СПб.: ВАС, 1975. - стр.32-35).
2
2
3
отр2
3
отр2
3
3
2
3
3
4
отр3
4
отр3
4
3
4
4
5
отр4
отр4
5
5
5
<mrow><msup><mi>e</mi><mrow><mn>2</mn><msub><mi>δ</mi><mn>1</mn></msub><mo>/</mo><mi>δ</mi></mrow></msup></mrow>
<mrow><msup><mi>e</mi><mrow><msub><mi>δ</mi><mn>2</mn></msub><mo>/</mo><mi>δ</mi></mrow></msup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msup><mi>e</mi><mrow><mn>2</mn><msub><mi>δ</mi><mn>2</mn></msub><mo>/</mo><mi>δ</mi></mrow></msup></mrow>
<mrow><msup><mi>e</mi><mrow><msub><mi>δ</mi><mn>3</mn></msub><mo>/</mo><mi>δ</mi></mrow></msup></mrow>
<mrow><msup><mi>e</mi><mrow><mn>2</mn><msub><mi>δ</mi><mn>3</mn></msub><mo>/</mo><mi>δ</mi></mrow></msup></mrow>
При прохождении волны Р из первого слоя конструкции, точка I, снова произойдет преломление (волна Р) и отражение (волна Р) от границы сред «полимер-металл» (фиг.1). Преломленная волна Р пройдет во второй металлизированный слой устройства, а отраженная Р будет затухать, и в точке на внешней поверхности этого слоя 2 напряженности полей будут в
раз меньше, чем на входе в устройство. Преломленная волна Р (фиг.1), распространяясь во втором металлизированном слое 2, попадая в запредельные волноводы 5 (фиг 2, 3) в виде полых прямых призм с сечением в форме правильных шестиугольников, также затухает по экспоненциальному закону, и к моменту достижения следующей границы раздела сред «металл-полимер» точка I, напряженности обоих полей будут в
раз меньше, чем в точке I, На выходе волны Р из слоя 2, точка I, снова произойдет преломление (волна Р) и отражение (волна Р) от границы сред «металл-полимер» (фиг.1, 3). Преломленная волна P войдет в третий слой 3, попадая в запредельные волноводы 6 в виде полых прямых призм с сечением в форме правильных шестиугольников, затухает на критических частотах
, лежащих ниже известного предела, и в значительно меньшей степени затухает на частотах, лежащих выше данного предела, а отраженная Р будет затухать, и в точке на внешней поверхности этого слоя 3 из полимера напряженности полей будут в
раз меньше, чем на входе в этот слой устройства. Преломленная волна Р также затухает по экспоненциальному закону и к моменту достижения следующей, последней границы раздела сред типа «полимер-воздух», точка 14 (фиг.1), напряженности обоих полей будут в
раз меньше, чем в точке I. На выходе волны Р из третьего слоя экрана, точка I, снова произойдет преломление (волна Р) и отражение (волна Р) от границы сред «полимер-воздух». Отраженная волна Р будет затухать и в точке на внешней поверхности этого последнего слоя напряженности полей будут в
раз меньше, чем на входе в этот слой полимера. Все это время в устройстве будут происходить отражения волн от границ раздела сред до их полного затухания в теле устройства. В экранируемое пространство будут проникать преломленные волны Р. Их суммарное воздействие определяет напряженности полей Е и H в этом пространстве. При этом все перечисленные процессы сопровождаются потерями энергии волны.
С целью получения максимального коэффициента экранирования запредельные волноводы 4, 5, 6 (фиг.2, 3) многослойной экранирующей конструкции выполнены в виде полых прямых призм с сечением в форме правильных шестиугольников, расположенных в шахматном порядке и параллельно друг другу, причем запредельные волноводы каждого слоя являются продолжением запредельных волноводов предыдущего слоя. Это обосновывается тем, что при их определенном расположении, соотношении между размерами запредельных волноводов и их соотношением с размерами экранирующей конструкции и длиной волны λ электромагнитного поля возможность его проникновения внутрь устройства практически исключена. Коэффициент экранирования такой экранирующей конструкции определяется следующим известным выражением (2) (Чернушенко А.М. Конструкции СВЧ устройств и экранов. - М.: Радио и связь, 1983. - стр.145, 156, 170):
<mrow><msub><mi>η</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>E</mi><mrow><mo>(</mo><mi>H</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>д</mi><mi>Б</mi></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>A</mi><mi>M</mi></msub><mo>⋅</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>д</mi><mi>Б</mi></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>+</mo><mn>20</mn><mo>⋅</mo><mi>lg</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mi>в</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>Г</mi><mo>⋅</mo><mi>К</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>N</mi><mi>в</mi></msub></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
M
max
где A - аппроксимирующий множитель, определяется на основе экспериментальных данных, полученных в ходе испытаний, зависит от длины волны и характеристик электромагнитного излучения; S - ослабление, вносимое экранирующей конструкцией с запредельными волноводами в форме призмы, определяется следующим выражением:
<mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>д</mi><mi>Б</mi></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>=</mo><mn>27</mn><mo>⋅</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>q</mi></mfrac><mo>−</mo><mn>20</mn><mi>lg</mi><mi>N</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где N - количество ячеек в экранирующей конструкции.
B
Затухание, вносимое одним запредельным волноводом в форме шестигранника S[дБ], определяется с помощью следующего известного выражения (Григорьев А.Д., Янкевич В.Б. Резонаторы и резонаторные замедляющие системы СВЧ: численные методы расчета и проектирования. - М.: Радио и связь, 1984. - стр.88):
<mrow><msub><mi>S</mi><mi>в</mi></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>д</mi><mi>Б</mi></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>Z</mi><mrow><mi>H</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>E</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow></msubsup><mo>⋅</mo><mi>λ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mi>q</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>4</mn><mi>q</mi><mo>⋅</mo><msubsup><mi>Z</mi><mrow><mi>H</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>E</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow></msubsup><mo>⋅</mo><mi>λ</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Z</mi><mi>H</mi><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Z</mi><mrow><mi>H</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>E</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow></msubsup></mrow>
mn
mn
c
где
(Ом) - характеристическое сопротивление запредельного волновода для волн типа H и E; Г - поправочный коэффициент отражения запредельного волновода в виде полой прямой призмы с сечением в форме правильного шестиугольника, зависящий от изменения характеристического сопротивления заполняющей ее среды Z и характеристического сопротивления для волн различного типа
; λ - длина волны воздействующего электромагнитного поля.
в
Взаимное влияние запредельных волноводов друг на друга учитывается с помощью поправочного коэффициента К (Шабунин С.Н., Соловьянова И.П. Волноводы и объемные резонаторы. - Екатеринбург: Уральский ГТУ, 1998. - стр.220). Поправочный коэффициент числа запредельных волноводов N учитывает многослойность экранирующей конструкции и определяет необходимое количество запредельных волноводов в ней в зависимости от предъявляемых предельных (критериальных) требований к качеству экранирования, геометрических размеров и электрофизических свойств, применяемых для экранирования материалов.
(E(H))
Проведен расчет и эксперимент по определению коэффициента экранирования η заявленного устройства, определяемого выражением (2), с использованием среды инженерных расчетов Mathcad и имитаторов электромагнитных излучений соответственно, учитывая конструктивные особенности при следующих исходных данных:
- частота электромагнитных излучений f=1 ГГц (ГОСТ Р 53115-2008. Защита информации. Испытания технических средств обработки информации на соответствие требованиям защищенности от несанкционированного доступа. Методы и средства);
6
-1
8
-1
- постоянная спада электромагнитного излучения α=4·10 с и постоянная нарастания электромагнитного излучения β=5·10 с(Мырова Л.О., Чепиженко А.З. Обеспечение стойкости аппаратуры связи к ионизирующим и электромагнитным излучениям. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1988. - С.36-38.: ил.);
M
- аппроксимирующий множитель A=1,707 (Шапиро Д.Н. Основы теории электромагнитного экранирования. - Л.: Издательство «Энергия», 1975. - стр.68);
- геометрические размеры устройства защиты средств электронно-вычислительной техники от электромагнитных излучений (фиг.2):
экр
- δ=0,006 м - толщина устройства;
1,2,3
- δ=0,002 м толщина каждого из слоев устройства;
- q=0,006 м - диаметр окружности, описанной около сечения запредельного волновода в форме правильного шестиугольника;
- количество волноводов N=675;
0
0
-7
-12
- магнитная постоянная µ=4π·10 Гн/м и электрическая постоянная ε=8,85418782·10 Ф/м (Вознюк М.А., Киселев А.А., Снежко В.К. Краткий тематический справочник по единицам измерения и обозначения физико-технических величин. - СПб.: ВУС, 2000. С.58);
2
- магнитная проницаемость трехкомпонентного гибридного полимерного композита (ГПК) µ=4 и электропроводность ГПК σ=10(Беспятых Ю.И., Казанцева Н.Е. Электромагнитные свойства полимерных гибридных композитов // Радиотехника и электроника. №2, 2008, том 53, С.162-164);
- диэлектричекая проницаемость ГПК ε≈2,8-3 (Пирумов В.С., Алексеев А.Г., Айзикович Б.В. Новые радиопоглощающие материалы и покрытия // Успехи современной радиоэлектроники, №2, 2000. - С.60-68; Берлин, А.А. Современные полимерные композиционные материалы. МГУ, Соровский образовательный журнал, №1, 1995. - С.57-65; Михайловский Л.К. Радиопоглощающие бестоковые среды, материалы и покрытия (электромагнитные свойства и практическое применение) // Успехи современной радиоэлектроники, №9, 2000. - С.21-27.).
3
- начальная относительная магнитная проницаемость магнитомягкой изотропной стали µ=2×10 (ТУ 14-1-4592-89).
η
(E(H))
Результаты расчетов и эксперимента показали, что коэффициент экранирования экранирующей конструкции с ячейками в виде полых прямых призм с сечением в форме правильных шестиугольников равен =100 дБ.
η
прот.
Эффективность функционирования предлагаемого изобретения по сравнению с устройством-прототипом можно охарактеризовать отношением коэффициента экранирования устройства-прототипа и предлагаемого устройства. Обозначим это отношение буквой Э. Устройство-прототип («Устройство для защиты от электромагнитного излучения», патент RU 100338 U1, Опубликовано: 10.12.2010) обеспечивает коэффициент экранирования до 85 дБ. Обозначим его η Отсюда получаем:
<mrow><msub><mi>Э</mi><mi>η</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>η</mi><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>H</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>E</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>η</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>о</mi><mi>т</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>η</mi><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>E</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>E</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mn>100</mn><mi>%</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>100</mn><mi>д</mi><mi>Б</mi><mo>−</mo><mn>85</mn><mi>д</mi><mi>Б</mi></mrow><mrow><mn>100</mn><mi>д</mi><mi>Б</mi></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mn>100</mn><mi>%</mi><mo>=</mo><mn>15</mn><mi>%</mi></mrow>
(E(H))
Таким образом, увеличение коэффициента экранирования предлагаемой конструкции η на 15 дБ дает увеличение эффективности функционирования предлагаемого изобретения по сравнению с устройством-прототипом на 15%.