CC BY
116
Испытательная безэховая камера диапазона 30____1200 МГц
Маслов М.Ю., Семаков Л.М., Скачков Д.В.,
ПГУТИ, г. Самара
Проблема информационной защищенности и электромагнитной совместимости средств вычислительной техники вызывает определенный интерес у многих специалистов различного профиля, эксплуатирующих данную технику.
Проведение испытаний средств вычислительной техники, с точки зрения информационной защищенности и создания радиопомех на открытых площадках, как это предписано ГОСТ Р 51320-99 [1], не всегда возможно. В связи с этим в ряде случаев возникает необходимость создания испытательных помещений, которые с точки зрения названного стандарта могут рассматриваться как "альтернативные измерительные площадки".
Измерительные площадки закрытого типа, очевидно, должны представлять собой безэховые помещения. Особенностью данных помещений является значительная полоса частот, в пределах которой должно сохраняться свойство безэховости.
Поглощающие материалы зарубежного производства [2], присутствующие на рынке, имеют весьма значительную стоимость, что ограничивает их применение на территории России, в особенности в бюджетных организациях.
Однако к настоящему времени различные предприятия соответствующего профиля имеют значительные по размеру неликвиды поглощающих материалов выпуска 70...80х годов прошлого века (таких, как, например, СМП-3). Применение таких материалов для целей построения испытательных помещений выглядит весьма привлекательно. При этом существенной проблемой, осложняющей использование данных материалов, является отсутствие сведений об их электрофизических свойства в диапазоне частот, регламентированном [1].
Целью настоящей работы является исследование радиопоглощающих свойств материала (изделие СМП-3) на основе стекловолокна в диапазоне частот, определенных ГОСТ Р 51320-99, и проработка возможности создания с его использованием безэховой камеры в конкретном помещении.
Работа включает в себя следующие этапы:
— изучение конструкции и принципа действия радиопоглощающего материала СМП-3;
— изготовление радиопоглощающих модулей с использованием образцов изделия СМП-3, предоставленных заказчиком;
— экспериментальную оценку поглощающих свойств изготовленных модулей;
— расчет электромагнитных полей в безэховом помещении, оборудованном радиопоглощающими модулями;
—теоретический анализ соответствия помещения, оборудованного радиопоглощающими модулями на основе изделия СМП-3,
требованиям ГОСТ Р 51320-99.
Для выполнения перечисленных работ были использованы четыре единицы образцов материала СМП-3 для изготовления экспериментальных радиопоглощающих модулей.
Основа СМП-3 — композитный материал, наполненный мелкодисперсными включениями, в т.ч. проводящими и магнитными порошками и волокнами.
Основа материала представляет собой гибкую пленку, изготовленную из специального композитного материала на основе стекловолокна, содержащего феррит низкой проницаемости, с высокими стабильными характеристиками.
Периодический модуль из такой основы состоит из сетевой структуры, в которую вплетены элементы (пленка в виде лент, рассеченных по краям и скрученных в спираль), представляющие собой радиально расходящиеся от осей ворсинки.
Распространяясь в объеме экранирующих модулей, электромагнитное излучение создает переменное электрическое поле, энергия которого преобразуется в тепловую энергию в данном радиопоглощающем материале. Ферритовый наполнитель в составе данного материала отличается большими магнитными потерями, характеризуются высокой поглощающей способностью, что позволяет использовать их в виде облегченных элементов, в данном случае пленок, закрепляющихся вдоль направляющих (негорючая нитка).
Пленка прикрепляется к направляющей так, что длина ворсинок уменьшается по экспоненциальному закону, тем самым формируя конструкцию, при растягивании которой образуется пирамида. Используя множество таких пирамидальных элементов, параллельно расположенных и натянутых, формируется модуль радиопоглощающего материала.
Такая структура обеспечивает сдвиг фазы отраженной в материале волны почти на 180° и ее гашение. Модули обладают рассеивающими характеристикам, обеспечивают многократное отражение и рассеяние волн, так как обладают пирамидальной структурой.
Для проведения эксперимента авторами был реализован следующий макет радиопоглощающего материала. Основание конструкции представляет собой прямоугольный параллепипед из диэлектрического материала (деревянный брус сечением 20х20 мм2). Для экспериментов изготовлены два блока.
Модуль оформляется в виде короба, защищенного полиэтиленом (рис.1), короба могут легко устанавливаться в местах проведения измерений, а также формировать структуры для исследования, вплоть до изготовления разборных стен.
Измерения проводились на открытой площадке вблизи корпуса №2 ПГУТИ (г. Самара, Московское шоссе, 77). Плоскость площадки была выбрана на уровне Земли, на открытом ровном месте, вдали от металлических предметов, и на достаточном удалении от зданий. Произведена визуальная оценка отсутствия объектов, излучающих или отражающих электромагнитную энергию, что подтверждается предварительными измерениями на анализаторе спектра ^
Рис. 1. Радиопоглощающий модуль с использованием материала СМП-3 Рис. 2. Схема размещения оборудования при измерениях
2399с. В измеряемой полосе частот не наблюдалось всплесков или побочных излучений, что гарантирует чистоту экспериментальных значений. Площадка представляет собой круг диаметром 15 метров. Схема расположения оборудования приведена на рис.2.
В целом испытания двух блоков показали хорошую повторяемость результатов, практически во всем диапазоне частот, в котором проводилось измерение, материал СМП-3 обеспечивает ослабление не менее 12 дБ в диапазоне 250 — 1200 МГц. Некоторое снижение ослабления (до 5.6 дБ) наблюдается на частотах ниже 250 МГц, что, очевидно обусловлено отсутствием собственных резонансов материала в данном диапазоне частот.
При расчете электромагнитного поля в помещении, оборудованным радиопоглощающими модулями воспользуемся известным подходом, основанном на аппроксимации образцов материала СМП-3 проволочной сеткой.
С точки зрения электродинамического моделирования, рассматриваемые системы могут быть представлены как объемные проводящие тела сложной формы с сосредоточенным возбуждением. Такие тела могут быть аппроксимированы проволочными сетками или иными элементами, по проводникам которых протекают эквивалентные токи. Расчет ЭМП в этом случае потребует предварительного нахождения распределения тока по проводникам модели. Подобный подход широко известен в теории антенн и был рассмотрен, например в [3].
Конечным итогом электродинамического анализа является нахождение абсолютных значений напряженностей или иных характеристик полей. Поэтому необходимо изначально задаться некоторой мощностью возбуждения. При этом возможен подход, заключающийся в подборе амплитуды возбуждения (входного тока или напряжения) таким образом, чтобы излучаемая мощность соответствовала реальной ситуации (экспериментальным данным). Однако более удобным является задание некоторой вполне определенной величины амплитуды возбуждения и нахождение в рамках электродинамической задачи мощности излучения.
Поскольку ток изменяется пропорционально корню квадратному от мощности (это же относится и к напряженностям поля), то решение электродинамической задачи (функция распределения тока) должно быть домножено на величину (Рс/Ррасч),/2, где Ррасч — расчетная излучаемая мощность, найденная в рамках электродинамической задачи; Р0 — реальная мощность излучения исследуемой системы.
На рис. 3 показана проволочная модель безэхового помещения
с размещенным в нем биконическим вибратором, размещенным, как показано на схеме на рис. 2. Излучаемая мощность на всех частотах —1 Вт.
Рассчитанное значение напряженностей полей, а так же мощности излучения позволяет определить величину затухания площадки, которая регламентируется ГОСТ Р 51320-99. Вычисление затухания проведем по формуле:
Д.
"=1018 ТІ
|1|
где Р^ — излучаемая мощность, 10 и Рвх — соответственно ток в точке питания и входное сопротивление полуволнового линейного симметричного вибратора, согласованного по поляризации с передающей антенной, размещенного, как показано на схеме на рис. 2.
На рис. 4 показаны зависимости затухания идеальной площадки и расчетного затухания исследуемой площадки. При расчетах рассмотрен лишь случай вертикальной поляризации, как наихудший в связи с наличием на полу помещения стального листа, усиливающего электрическое поле в направлении приемной антенны.
Проведенные исследования показали, что затухание альтернативной измерительной площадки, построенной в помещении оборудованном радиопоглощающими модулями с материалом СМП-3 вполне соответствует ГОСТ Р 51320-99 в наихудшем случае вертикальной поляризации излучаемого сигнала. Некоторый рост затухания наблюдаемый на частотах 30.40 МГц соответствует снижению поглощающей способности, зафиксированной при измерениях. Ре-
Рис. 4. Расчетное затухание площадки и затухание идеальной площадки
альные значения затухания, которые могут быть определены экспериментально, могут отличаться от расчетных, из-за влияния технологических особенностей монтажа поглощающих блоков, а также воздействия неучтенных внешних факторов.
В целом, материал СМП-3 при соблюдении описанного способа монтажа, вполне может быть использован при построении измерительного безэхового помещения.
Литература
1. ГОСТ Р51320-99. Радиопомехи индустриальные. Методы испытаний технических средств — источников индустриальных радиопомех. — 27 с.
2. Louis T. Gnecco The Design of Shielded Enclosures: Cost-effective Methods to Prevent EMI. Ehe University of MichiganDigitized Dec 10, 2007. — 224 p.
2. Numerical Electromagnetic Code (NEC-1) Part I: NEC Program Description Theory, Lawrence Livermore Laboratory, 1977. — 85 p.
