ФИЛЬТР ДЛЯ СНИЖЕНИЯ В ОКРУЖАЮЩЕМ ПРОСТРАНСТВЕ ИНТЕНСИВНОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ, ИЗЛУЧАЕМОГО ИНФОРМАЦИОННЫМИ КАБЕЛЯМИ, СОЕДИНЯЮЩИМИ БЛОКИ ИНФОРМАЦИОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Предложенная полезная модель относится к технике СВЧ и может быть использована для подавления электромагнитных полей в широком диапазоне частот, излучаемых информационными кабелями, входящими в состав информационно-вычислительных систем. Указанная задача особенно актуальна с точки зрения защиты передаваемой по кабелю информации от несанкционированного доступа.
Известен сетевой фильтр, раскрытый в описании к патенту РФ RU 2092937 С1, опубликованном 10.10.1997, МПК-7 Н 01 P 1/20, Н 03 Н 7/01. Указанный сетевой фильтр содержит корпус, токопроводы, тонкую сплошную перегородку из диэлектрического материала с двухсторонним покрытием (например, фольгированным с двух сторон стеклотекстолитом). С каждой из сторон перегородки вокруг токопроводов прорезаны щели в металлических покрытиях в виде вытянутых эллипсов, развернутых друг относительно друга на 90°. Вектор электрического поля сигнала помехи отражается от перегородки и вызывает в проводниках токи, обратные токам помехи. Таким образом, фильтр пропускает постоянный ток и ток низкой частоты (НЧ) и задерживает ток СВЧ. Щели в перегородке выполняют роль изолятора в НЧ-диапазоне частот, а развязка по поляризации путем разворота щелей друг относительно друга препятствует проникновению СВЧ-поля путем переизлучения через щели.
Недостатком описанного выше сетевого фильтра является то, что он слабо поглощает электромагнитную энергию на низких частотах излучения.
Наиболее близким по существу к предложенной полезной модели является сетевой поглощающий фильтр, раскрытый в авторском свидетельстве SU 232407 А, опубликованном 11.12.1968. Указанный сетевой поглощающий фильтр выполнен в виде отрезка коаксиальной линии с расположенным между его внутренним и наружным проводниками слоем поглощающего ферромагнитного материала и слоем диэлектрика. При этом внутренний проводник упомянутого отрезка коаксиальной линии выполнен в виде четырех близко расположенных один от другого параллельных изолированных проводов, к трем из которых подключены провода трехфазной сети, а к четвертому нулевой провод. Подобный фильтр служит для передачи энергии постоянного тока либо НЧ энергии переменного тока в экранированные блоки или камеры при одновременном подавлении СВЧ сигналов помех. Элементом, подавляющим СВЧ-сигналы в фильтре, является поглощающий ферромагнитный материал.
В качестве недостатка описанной выше конструкции сетевого поглощающего фильтра следует отметить, что он, хотя и является достаточно эффективным средством защиты окружающего пространства от электромагнитного излучения, в то же время не обеспечивает эффективную защиту передаваемой по информационному кабелю информации от несанкционированного доступа.
Таким образом, техническим результатом от реализации предложенной полезной модели является обеспечение возможности использования фильтра в качестве эффективного средства защиты передаваемой по информационному кабелю информации от несанкционированного доступа, в том числе и информации, передаваемой на низких частотах.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что в фильтре для снижения в окружающем пространстве интенсивности электромагнитного поля, излучаемого информационными кабелями, соединяющими блоки информационно-вычислительных систем, содержащий окружающий поверхность излучающего электромагнитного поля
информационного кабеля цилиндрический экран и заполняющий пространство между цилиндрическим экраном и поверхностью излучающего электромагнитного поля информационного кабеля наполнитель из сыпучего материала с высокими магнитными и диэлектрическими потерями, в отличие от известных технических решений с торцов цилиндрического экрана установлено по меньшей мере по одному ферритовому кольцу, цилиндрический экран выполнен из медной или алюминиевой фольги, а длина фильтра l выбрана из соотношения:
где λ - длина волны подавляемого электромагнитного поля в свободном пространстве,
0
ε - относительная диэлектрическая проницаемость наполнителя,
с возможностью его установки своим центральным поперечным сечением на участке информационного кабеля с максимумом амплитуды квазистоячей волны.
В предпочтительном варианте своего конструктивного исполнения в состав фильтра дополнительно введен охватывающий внешние поверхности экрана и внешних ферритовых колец термоусадочный кембрик.
На фиг. представлен общий вид фильтра для снижения в окружающем пространстве интенсивности электромагнитного поля от информационных кабелей, входящих в состав разнообразных информационно-вычислительных систем.
Указанный фильтр содержит окружающий поверхность излучающего электромагнитное поле информационного кабеля 1 цилиндрический экран 2, выполненный из медной или алюминиевой фольги. По торцам указанного цилиндрического экрана 2 соосно с экранируемым информационным кабелем 1 установлены ферритовые кольца 3. С каждого торца
цилиндрического экрана 2 их установлено не меньше одного. Так в типовом варианте предложенного фильтра с каждого торца цилиндрического экрана 2 их установлено по два. Пространство между цилиндрическим экраном 2 и поверхностью излучающего электромагнитного поля информационного кабеля 1 заполнено наполнителем 4 из сыпучего материала с высокими магнитными и диэлектрическими потерями.
Поскольку с течением времени в пространство между цилиндрическим экраном 2 и поверхностью излучающего электромагнитного поля информационного кабеля 1, где размещен наполнитель 4, за счет наличия в конструкции фильтра технологических зазоров попадает влага, наполнитель 4 отсыревает и как следствие, эффективность работы фильтра существенно снижается. С целью предотвращения указанного явления в состав фильтра дополнительно введен охватывающий внешние поверхности цилиндрического экрана 2 и внешнего ферритового кольца 3 термоусадочный кембрик 5.
0
Для интенсивного подавления широкого спектра частот излучаемого электромагнитного поля от информационных кабелей фильтр выполнен с заранее заданной длиной l, величина которой выбирается из соотношения , где λ - длина волны подавляемого электромагнитного поля в свободном пространстве (т.е. без учета ослабления волны в кабеле), a ε - относительная диэлектрическая проницаемость наполнителя. При этом своим центральным поперечным сечением фильтр установлен на участке кабеля с максимумом амплитуды квазистоячей волны.
Предложенный фильтр для снижения в окружающем пространстве интенсивности электромагнитного поля, излучаемого информационными кабелями, соединяющими блоки информационно-вычислительных систем, работает следующим образом.
Известно, что электромагнитное излучение от объектов, входящих в состав информационно-вычислительных систем (в том числе и информационных кабелей 1), наиболее интенсивно в том случае, когда их максимальные размеры кратны половине или четверти длины волны источника указанного электромагнитного излучения, а именно в частотном диапазоне 30÷1000 МГц (Т.Уильям «ЭМС для разработчиков продукции». М.: Издательский Дом «Технологии», 2003 г.). С целью предотвращения электромагнитного излучения от указанных объектов во вне поверх информационных кабелей 1 установлен предложенный фильтр, в основу работы которого также как и в основу работы его прототипа положен эффект поглощения электромагнитного излучения в слоях сыпучего ферромагнитного и резистивного материалов. При этом эффективность снижения электромагнитного излучения от информационного кабеля в заданной полосе частот достигается за счет оптимального выбора геометрии устройства (прежде всего его длины), места его установки в информационном кабеле по отношению к источнику электромагнитного излучения и подбора материалов поглощающих электромагнитное излучение элементов - ферритовых колец 3 и наполнителя 4.
0
Лабораторные эксперименты показали, что эффективность подавления излучаемой электромагнитной волны будет максимальна, если длина фильтра l будет выбрана из соотношения , где λ - длина волны подавляемого электромагнитного поля в свободном пространстве (т.е. без учета ослабления волны в кабеле), a ε - относительная диэлектрическая проницаемость наполнителя, и он будет расположен на участке экранируемого информационного кабеля 1 с максимумом амплитуды квазистоячей волны.
Положение максимума квазистоячей волны в кабеле, на которую собственно и «настроен» фильтр для ее эффективного подавления легко может быть определено посредством стержневого электромагнитного зонда ближнего поля.
Затухание электромагнитной волны в предложенном фильтре определяется соотношением:
где l - длина фильтра, м;
f - частота подавляемой электромагнитной волны, МГц;
0
0
ε, μ - соответственно относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости наполнителя (приведены в справочной литературе для различных используемых материалов);
ε
μ
tgδ, tgδ- соответственно тангенсы углов потерь диэлектрического и магнитных наполнителя (приведены в справочной литературе для различных используемых материалов).
Из приведенного соотношения видно, что для достижения необходимого эффекта ослабления электромагнитного излучения от информационного кабеля необходимо выбрать заполнение устройства с большим тангенсом угла потерь диэлектрического и магнитного материала с относительно низкой относительной магнитной проницаемостью и высокой диэлектрической проницаемостью.
0
0
0
3
В предлагаемом фильтре использованы ферритовые кольца 3, выполненные из ферритового сплава марки В4 с низкой магнитной проницаемостью μ=20÷30 и заполнение наполнителем 4 из сыпучего материала с высокими магнитными и диэлектрическими потерями (например, сыпучий материал - крупный керамический песок «тиконд» с ε=25÷80, с углеродистым напылением его частиц до сопротивления постоянному току порядка 300÷400 Ом/см и добавлением к нему 15÷20% ферритового порошка марки В4 с μ=4÷7 и тщательным перемешиванием данной смеси).
Ферритовые кольца 3 включены в состав фильтра с целью обеспечить потери электромагнитной энергии излучаемой информационным кабелем 1 на частотах 30÷150 МГц. При этом число ферритовых колец зависит от интенсивности подавления верхней границы указанного диапазона излучения. Например, при подавлении электромагнитного излучения в полосе частот 30÷80 МГц необходимо обеспечить длину сборной конструкции, образованной набором сопряженными своими торцами ферритовых колец не менее 30÷50 мм (3÷5 ферритовых колец) с каждого из торцов цилиндрического экрана 2, а при подавлении электромагнитного излучения на частотах 80÷150 МГц достаточно обеспечить длину вышеуказанной сборной конструкции 15÷20 мм (1 или 2 ферритовых кольца).
Потери электромагнитной энергии, излучаемой информационным кабелем 1 на более высоких частотах, т.е. 150÷1000 МГц, в свою очередь обеспечиваются наполнителем 4 из сыпучего материала с высокими магнитными и диэлектрическими потерями.
Поскольку в процессе подавления электромагнитной волны в цилиндрическом экране, электромагнитная энергия преобразуется в совокупность хаотичных вихревых токов необходимо, чтобы цилиндрический экран 1 фильтра был выполнен из хорошо проводящего материала, содержащего большое количество свободных электронов. Как правило, в электротехнике в качестве таких материалов используют золото, серебро, медь или алюминий. Однако первые два из перечисленных материалов достаточно дороги в условиях массового производства, поэтому в данном случае цилиндрический экран 1 фильтра наиболее целесообразно будет выполнить из алюминиевой или медной фольги.
В информационных кабелях, как правило, сигналы передаются от источника к потребителю по двухпроводным линиям в виде витых пар с волновым сопротивлением 100÷200 Ом. При полном согласовании
волнового сопротивления линии со стороны источника и потребителя электромагнитной энергии в линии распространяется бегущая продольно-поперечная ТЕМ-волна и линия практически не излучает электромагнитную энергию в окружающее пространство.
Однако согласовать волновое сопротивление линии с источником и потребителем электромагнитной энергии теоретически и практически возможно только на одной частоте (принцип Фано). Поэтому при передаче информационных сигналов в линии всегда существует квазистоячая электромагнитная волна и на участках информационного кабеля 1 с максимумами данной волны образуются электромагнитные излучающие контура, через которые электромагнитная энергия информационных сигналов излучается в окружающее пространство. Указанное явление может быть использовано третьими лицами для того, чтобы с помощью современной высокочувствительной принимающей аппаратуры получить несанкционированный доступ к передаваемой по информационному кабелю информации.
Для эффективного подавления указанного излучения предложенный фильтр необходимо разместить именно в максимумах распределения волны вдоль кабеля, а именно своим центральным поперечным сечением фильтр устанавливается на участке кабеля с максимумом амплитуды квазистоячей волны.
В зависимости от диапазона длин волны подавляемых информационных сигналов в предложенном устройстве достигается интенсивность подавления электромагнитного поля порядка 15÷40 дБ.
Предложенный фильтр прежде всего предназначен для использования в таких информационно-вычислительных системах как разветвленные компьютерные сети с большим числом соединительных информационных кабелей, а также в персональных компьютерах с отдельными дисплеем и системным блоком, соединенных между собой информационным кабелем.