1. Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева
Факультет технической кибернетики и информатики
Направление 210200 «Проектирование и технология электронных средств»
Дисциплина «Информационные технологии электромагнитной совместимости ЭС»
Лекция №26 «Анализ эффективности экранирования
корпусов электронных средств»
Автор - Чермошенцев С.Ф.
Казань 2008

2. Анализ эффективности экранирования корпусов
электронных средств
1. Факторы, влияющие на эффективность экранирования корпусов ЭС.
2. Источники мощных электромагнитных воздействий на ЭС.
3. Модели для анализа эффективности экранирования корпуса ЭС.
4. Результаты численных экспериментов по анализу эффективности
экранирования корпуса ЭС.
5. Пример анализа эффективности экранирования корпуса ЭС при
воздействии: электромагнитного импульса ядерного взрыва (пример №2);
импульса средств электромагнитного террора (пример №3); электромагнитного
импульса разряда молнии (пример №4).
6. Сравнительный анализ эффективности экранирования корпуса ЭС.

3. 1. Факторы, влияющие на эффективность
экранирования корпусов ЭС.
В целях обеспечения ЭМС и информационной безопасности ЭС ИЗ
возникает необходимость защищать определенную часть пространства от
помехонесущего электромагнитного поля. Экранирование является конструкторским
средством ослабления электромагнитного поля в пределах определенного
пространства. Теоретические рассуждения, связанные с исследованием защитных
свойств корпусов-экранов ЭС, базируются на некотором идеализированном их
представлении как сплошных замкнутых экранов и с этих же позиций рассматривается
влияние различных видов неоднородностей на защитные свойства корпусов-экранов
ЭС [1, 2]. На самом деле защитные свойства корпусов-экранов значительно зависят от
многих реально существующих факторов и конструктивных особенностей ЭС. С этой
точки зрения, в данном разделе сделана попытка учесть четыре основных момента:
1. Точное воспроизведение наличия в стенках корпусов-экранов ЭС
неоднородностей: отверстий, щелей и др. Например, в работе [3] отмечается, что с
точки зрения практики собственная эффективность экранирования материалами экрана
представляет намного меньший интерес, чем утечка электромагнитных полей через
отверстия.

4. 2. Заполнение корпусов-экранов узлами и блоками ЭС. Всегда корпуса-экраны
ЭС в своем внутреннем объеме в той или иной мере заполнены элементами ЭС,
которые, естественно, оказывают влияние на формирование амплитудновременных характеристик, полей в экранированном корпусом объеме и его
защитные свойства.
3. Наличие в стенках корпусов-экранов ЭС отверстий приводит к
возникновению в экранированном объеме зон с повышенным уровнем
напряженности электромагнитных полей по сравнению с общим уровнем. Поэтому
в аспекте повышения ЭМС ЭС к внешним электромагнитным воздействиям особый
интерес представляет определение опасных зон с точки зрения исключения
размещения в них чувствительных к электромагнитным воздействиям элементов
ЭС.
4. Учет резонансных эффектов внутри корпуса ЭС, которые неизбежно
возникают при высокочастотных воздействиях.

5. 2. Источники мощных электромагнитных воздействий на ЭС
Проблема ЭМС и информационной безопасности (отсутствие нарушения или
потери информационного сигнала) ЭС ИЗ к воздействию электромагнитных полей
тесно связана с существованием непреднамеренных (паразитных) и преднамеренных
электромагнитных связей и помех, наличие которых ухудшает эффек-тивность работы
ЭС. При этом особое значение в обеспечении требований ЭМС ЭС к воздействию
электромагнитных помех, особенно на ранних стадиях их разработки, приобретает
знание электромагнитной обстановки, создаваемой источниками электромагнитных
помех.
В данном разделе рассматривается воздействие мощных электромагнитных
импульсов ядерного взрыва, технических средств электромагнитного террора и
разряда молнии на ЭС.
Электромагнитной импульс ядерного взрыва [6]. Мгновенное освобождение
ядерной энергии при ядерном взрыве сопровождается интенсивным импульсом
излучения γ-квантов. Эти кванты в слоях атмосферы, вследствие эффекта Комптона,
освобождают электроны и на своём дальнейшем пути за счет ударной ионизации
образуют многочисленные вторичные электроны, которые вместе с малоподвижными
положительными ионами воздуха создают электрический и магнитный диполь.
Изменяющееся во времени и пространстве распределение заряда и тока
обусловливает
изменяющееся
электромагнитное
поле,
называемое
электромагнитным импульсом ядерного взрыва.

6. Согласно доступной литературе, этот импульс имеет вид, близкий к двойной
экспоненте с длительностью фронта примерно 4-5 нс и временем полуспада около 200300 нс. Максимальное значение напряженности электрического поля на уровне земли
может достигнуть 50 кВ/м.
Электромагнитный импульс средств электромагнитного террора [7, 8, 9]. В
данный момент проблеме преднамеренного электромагнитного воздействия импульса
средств террора уделяется всё более пристальное внимание. Средства
электромагнитного террора могут быть разработаны для генерации импульсов с
разными
характеристиками,
но
наиболее
распространенным
является
сверхширокополосный электромагнитный импульс, который представляет собой
повторяющиеся с относительно низкой частотой последовательности сверхкоротких
импульсов. Этот импульс имеет вид близкий к двойной экспоненте с длительностью
фронта 0,1-1 нс и временем спада до 10 нс. Максимальная напряженность
электрического поля в локальной области может достигать 50 кВ/м.
Электромагнитный импульс разряда молнии [3, 10, 11]. Молния представляет
собой источник электромагнитных помех большой мощности. В некоторых случаях
радиус области распространения импульсов электромагнитного поля достигает до
сотен километров, что может привести к нарушению функционирования ЭС внутри этой,
достаточно большой области (дальняя зона). Основным источником электромагнитного
поля является ток разряда молнии. Разряд молнии может содержать либо
единственный импульс тока, либо состоять из последовательности импульсов,
разделенных промежутками времени, за которые протекает слабый сопровождающий
ток. Параметры тока имеют вероятностный характер, но в целом его можно представить
совокупностью двух экспоненциальных кривых. При этом передний фронт и спад
импульса тока могут варьироваться в широких пределах. Максимальная величина тока
достигает 200 кА.

7. 3. Модели для анализа эффективности экранирования корпуса ЭС.
В данном разделе в качестве конкретного примера, проводится анализ
коэффициента экранирования корпуса современного персонального компьютера.
Анализ проводится путем численных экспериментов на основе имитационной модели. В
качестве инструмента используется система моделирования электромагнитных полей
(Microwave Studio) на основе метода определенных интегралов, работающая во
временной и частотных областях и метод аппроксимации для идеальных граничных
условий [5]. Метод определенных интегралов – достаточно общий подход, который
описывает уравнения Максвелла на пространственной сетке, с учетом закона
сохранения энергии, а затем по ним формируется систему специфических
дифференциальных уравнений, таких как волновое уравнение. Множество примеров
решения задач ЭМС, в том числе и анализа коэффициента экранирования, указывают
на высокую вычислительная эффективность и точность данного метода и в частности
системы Microwave Studio [5].
Обобщенная форма электромагнитного импульса ядерного взрыва представляется
следующим образом [6]:

при t ≤ 0
0
E (t ) = 
 E01 ⋅ k1 ⋅ (e − a1t − e −b1 ⋅t ) при t > 0,

где а1=4·107 с-1, b1=6·108 c-1, k1=1,3, E01=50000 В/м.

8. Средства электромагнитного террора могут быть разработаны для генерации
импульсов с разными характеристиками, но для ЭС наибольшую опасность
представляет
сверхширокополосный
электромагнитный
импульс.
Сверхширокополосный импульс средств электромагнитного террора описывается в
форме двойной экспоненты и в данной работе имеет параметры: фронт - 0,1 нс; спад на
уровне 50% - 2,5 нс [12].
Для аппроксимации импульса разряда молнии предлагается использовать
полиномиальную модель (4.4).
3
3
i (t ) = [Im(t / τ1 ) ⋅ exp(−t / τ(4.4) η ⋅ [1 + (t / τ1 ) ]
,
2 )] /
где Im – максимальная амплитуда тока, А; τ1 – постоянная времени фронта, мкс; τ2 –
постоянная времени полуспада, мкс; η – коэффициент, корректирующий значение
амплитуды тока. В табл. 12 приведены параметры полиномиальной модели тока
разряда молнии.
Таблица 12
Параметры модели тока разряда молнии
Ток
молнии
Передний фронт
τф, мкс
Длительность 50% τи,
мкс
1
1,2
50
2
2,0
3
τ1, мкс
τ2, мкс
0,9406
2,2716
68,528
25
0,8080
4,0414
30,899
2,0
50
0,9030
3,8670
66,507
4
0,25
100
0,9928
0,4552
143,27
5
1
200
0,9863
1,8320
284,85
6
10
350
0,9300
19,046
475,66
η

9. Канал молнии предлагается рассматривать как вертикально ориентированный
диполь длиной 1 км. Тогда электромагнитное поле в точке наблюдения можно найти по
формуле (4.5) [3].
2
2
 z


z

2
2 − h  − r 2
 2 − h  − r t

z  2
r2
di (t ) 

2

dE z (t ) =
i (t ) − 2 3 ⋅
∫ i(t )dt +
4πε 0 
dt 
R5
c ⋅ R4
c ⋅R
0






 z


z

z

3r  − h 
r − h 
 3r  2 − h  t

z

 i (t )dt +  2
 i (t ) −  2
 ⋅ di (t ) 

dEr (t ) =
∫
4πε 0 
dt 
R5
c ⋅ R4
c 2 ⋅ R3
0




(4.5)
где dEz(t) и dEr(t) – вертикальная и горизонтальная компоненты напряженности
электрического поля соответственно; z – длина диполя; h – высота над землей точки
наблюдения; r – расстояние от диполя до точки наблюдения; c – скорость света;
R = r 2 + ( 0,5 z − h ) 2
- расстояние от середины диполя до точки наблюдения. При этом
амплитуда dEz(t) в дальней зоне много больше амплитуды dEr(t), поэтому в дальнейших
расчетах влиянием dEr(t) можно пренебречь. Кроме того, в дальней зоне электрическая
и магнитная составляющие образуют плоскую электромагнитную волну.
Для исследования эффективности экранирования корпуса персонального
компьютера разработана имитационная модель в которой со стороны конструкционных
отверстий корпуса падает плоская электромагнитная волна (рис. 4.18).
Вектор
электрической напряженности E направлен горизонтально плоскости основания при
исследовании воздействия импульса ядерного взрыва и средств террора, и E
направлен вертикально при исследовании воздействия электромагнитного импульса
разряда молнии.

10. Базовой величиной при всех исследованиях является величина электрической
напряженности 1 В/м.
Границы области исследования моделируются идеально
согласованным слоем (параметры воздуха) и отодвинуты от корпуса персонального
компьютера до расстояния при котором они не влияют на результаты исследований.
Рис. 4.18. Имитационная модель для исследования эффективности экранирования
корпуса ЭС

11. Модель корпуса реализована в соответствии с параметрами АТХ корпус
персонального компьютера с установленными основными функциональными
блоками (рис. 4.19).
Рис. 4.19. Модель корпуса персонального компьютера

12. Параметры корпуса: размеры - 420х180х410 мм; толщина стенок - 1 мм;
материал – сталь (проводимость - 2·106 См/м; относительная магнитная
проницаемость - 1000); имеются 96 конструктивных отверстий диаметром 3 мм
(рис. 4.20а). Материнская плата и плата видеоадаптера представляют собой
многослойную печатную плату размерами 310х240х2,65 мм и 170х200х2,65 мм,
соответственно. Радиатор процессора представлен в виде прямоугольного
алюминиевого параллелепипеда размерами 80х80х30 мм. Блок питания
представлен в виде прямоугольного корпуса размерами 150х140х80 мм.
Внутри корпуса, между функциональными блоками, в три ряда
расположены 32 датчика напряженности электрического поля (рис. 4.20б).
а)
б)
Рис. 4.20. Конструкционные отверстия в исследуемом корпусе (а) и расположение
датчиков напряженности электрического
поля внутри корпуса (б)

13. 5. Результаты численных экспериментов по анализу эффективности
экранирования корпуса ЭС.
Пример №1. Проверка имитационной модели на тестовом примере
В начале, проведем проверку имитационной модели на тестовом примере
[13], в котором проводится экспериментальный анализ электромагнитной помехи
(рис. 4.21a) в прямоугольном контуре внутри исследуемого корпуса при
воздействии электромагнитного импульса (форма импульса – рис. 4.21б).
Параметры корпуса: размеры – 500х300х200 мм; толщина стенок - 1 мм; материал
– медь; со стороны падающего электромагнитного импульса имеется щель
размерами 350х4 мм. Параметры контура: размеры – 40х40 мм; расположение – в
центре корпуса; нагрузка – 50 Ом.
а)
б)
Рис. 4.21. Результаты сравнения электромагнитных помех (сплошная линия моделирование; прерывистая линия – эксперимент [13]) и форма воздействующего

14. В целом, по итогам сравнения можно сказать, что результаты моделирования и
экспериментальные результаты хорошо совпадают (расхождение не более 15 %).
Пример №2. Воздействие электромагнитного импульса ядерного взрыва
Рассмотрим некоторые результаты численных экспериментов (рис. 4.22)
.
а)
б)
Рис. 4.22. Напряженность электрического поля импульса ядерного взрыва внутри
корпуса персонального компьютера во временной (а) и частотных (б) областях (точка 1,
рис. 4.20б)
В табл. 13 представлены сводные результаты исследования коэффициента
экранирования корпуса персонального компьютера при воздействии электромагнитного
импульса ядерного взрыва. Максимальные (точка 1) и минимальные (точка 2) значения
коэффициента экранирования получены в различных областях внутри корпуса (рис.
4.20б).

15. Таблица 13
Коэффициент экранирования корпуса персонального компьютера при воздействии
электромагнитного импульса ядерного взрыва
Min, dB
Max, раз
Min, раз
Материал корпуса
Max,
dB
Сталь
99,17
71,7
90910
3846
Пример №3. Воздействие импульса средств электромагнитного террора
На рис. 4.23 представлен электромагнитный импульс средств террора.
Рис.4.23. Импульс электромагнитного поля средств террора (нормированный)
На рис. 4.24 представлены некоторые результаты моделирования
электромагнитного поля внутри корпуса персонального компьютера при воздействии
средств электромагнитного террора.

16. а)
б)
Рис. 4.24. Напряженность электрического поля импульса средств террора внутри
корпуса персонального компьютера во временной (а) и частотных (б) областях (точка 1)
В табл. 14 представлены сводные результаты исследования коэффициента
экранирования корпуса персонального компьютера при воздействии электромагнитного
импульса средств террора. Максимальные (точка 1) и минимальные (точка 2) значения
эффективности экранирования получены в различных областях внутри корпуса (рис.
4.20б).
Таблица 14
Коэффициент экранирования корпуса персонального компьютера при воздействии
электромагнитного импульса средств террора
Max, dB
Min,
dB
Max, раз
Min, раз
63,2
54,0
1450
500
Материал
корпуса
Сталь

17. Пример №4. Воздействие электромагнитного импульса разряда молнии
На рис. 4.25 представлен электромагнитный импульс наиболее быстрого
разряда молнии (табл. 12 - 4 вариант тока разряда). Частотный спектр данного
импульса достигает 4 МГц.
Рис. 4.25. Импульс электромагнитного поля разряда молнии (нормированный)
На рис. 4.26 представлены некоторые результаты моделирования
электромагнитного поля внутри корпуса персонального компьютера при воздействии
разряда молнии.

18. а)
б)
Рис. 4.26. Напряженность электрического поля разряда молнии внутри корпуса
персонального компьютера во временной (а) и частотных (б) областях (точка 1, рис.
4.20б)
В табл. 15 представлены сводные результаты исследования коэффициента
экранирования
корпуса
персонального
компьютера
при
воздействии
электромагнитного импульса разряда молнии. Максимальные (точка 1) и
минимальные (точка 2) значения коэффициента экранирования получены в
различных областях внутри корпуса (рисунок 4.20б).
Таблица 15
Коэффициент экранирования корпуса персонального компьютера при воздействии
электромагнитного импульса разряда молнии
Материал
корпуса
Сталь
Max,
dB
Min,
dB
Max,
раз
Min,
раз
130,5
89,4
33334
00
29500

19. Таким образом, при реальных величинах внешних электромагнитных
воздействий (до 50 кВ/м для электромагнитного импульса ядерного взрыва и
средств террора; до 10 кВ/м для разряда молнии в дальней зоне) в наиболее
критичных областях внутри корпуса персонального компьютера могут возникнуть
следующие напряженности электрического поля: при воздействии импульса
ядерного взрыва – 13 В/м; при воздействии импульса средств электромагнитного
террора – 100 В/м; при воздействии импульса разряда молнии – 0,34 В/м. Также
сравнение напряженности электрического поля внутри корпуса персонального
компьютера позволило выделить наиболее опасные области в непосредственной
близости от конструкционных отверстий (точка 1, рис. 4.20б).

20. 6. Сравнительный анализ эффективности экранирования корпуса ЭС.
1.
Возможности современных средств электромагнитного анализа численными
методами позволяют решить задачу анализа эффективности экранирования
корпусов ЭС с учетом следующих особенностей: точное воспроизведение
неоднородностей корпуса-экрана; учет внутреннего наполнения корпуса ЭС
узлами, блоками и т.п.; выявление критичных областей с наибольшими
значениями проникающих высокочастотных электромагнитных полей; учет
резонансах эффектов. Результаты моделирования и экспериментальные
результаты имеют расхождение не более 15 %.
2.
Коэффициент экранирования рассмотренного корпуса персонального
компьютера при воздействии электромагнитного импульса ядерного взрыва
составляет 71,7-99,2 dB.
3.
Коэффициент экранирования корпуса персонального компьютера при
воздействии импульса средств электромагнитного террора составляет 54-63,2
dB.
4. Коэффициент экранирования корпуса персонального компьютера при
воздействии электромагнитного импульса разряда молнии составляет 89,4130,5 dB.

21. 5.
При потенциально возможных значениях мощных электромагнитных воздействий
напряженность электрического поля внутри корпуса персонального компьютера
может достигать до 13 В/м, 100 В/м и 0,34 В/м, соответственно, при ядерном взрыве,
условиях электромагнитного террора и разряде молнии.
6. При высокочастотных преднамеренных электромагнитных воздействиях внутри
корпуса персонального компьютера наблюдаются резонансные явления: при
воздействии импульса ядерного взрыва сильные резонансные явления в диапазоне
частот от 450 до 650 МГц и от 850 – 900 МГц; при воздействии импульса от средств
электромагнитного террора наибольшие резонансы наблюдаются на частотах 2,5;
2,7 и 3,4 ГГц.
7. Несмотря на малые длительности одиночных преднамеренных электромагнитных
воздействий длительность колебаний электрического поля внутри корпуса
персонального компьютера составляет до 1 мкс для случая импульса ядерного
взрыва и 50 нс для импульса от средств электромагнитного террора.
Таким образом применение имитационного моделирования и современных
систем трехмерного электромагнитного анализа является эффективным подходом
для решения задач ЭМС и информационной безопасности, в частности,
исследования коэффициента экранирования корпусов ЭС при мощных
электромагнитных воздействиях.

22. Контрольные вопросы:
1. Какие моменты следует учитывать при анализе эффективности экранирования
корпуса ЭС?
2. Охарактеризуйте источники мощных электромагнитных воздействий на ЭС.
3. Какой импульс представляет наибольшую опасность при воздействии средств
электромагнитного террора?
4. Поясните смысл имитационной модели для исследования эффективности
экранирования корпуса ЭС.
5. Охарактеризуйте результаты численных экспериментов по анализу эффективности
экранирования корпуса ЭС.
6. Поясните пример №2 по анализу воздействия электромагнитного импульса
ядерного взрыва на корпус ЭС.
7. Поясните пример №3 по анализу воздействия импульса средств электромагнитного
террора на корпус ЭС.
8. Сравните результаты анализа в примере №2 и №3.
9. Проведите сравнение напряженностей электрического поля внутри корпуса ЭС при
воздействии импульса ядерного взрыва, импульса средств электромагнитного
террора и разряда молнии.
10. Проведите сравнительный анализ эффективности экранирования корпуса ЭС.