CC BY
66
Вестник КГЭУ, 2017, № 3 (35) УДК 621.391.82; 004.3
СНИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ И ЗАЩИТА ИНФОРМАЦИИ В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ С ПОМОЩЬЮ ЭКРАНИРУЮЩИХ СТЕКОЛ
З.М. Гизатуллин, Р.М. Гизатуллин, М.Г. Нуриев, Ф.Р. Назметдинов
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева (КАИ), г. Казань, Россия
gzm_zinnur@mail.ru, grm444@mail.ru, marat_nu1@mail.ru nazmiil94@mail.ru
Одним из наиболее опасных путей прохождения электромагнитных полей через стены зданий к вычислительной технике являются оконные проемы. Для повышения эффективности экранирования окон применяются стекла с металлическими пленочными покрытиями. Толщина пленки выбирается из необходимости допустимой оптической прозрачности и эффективности экранирования. В работе рассмотрены математические модели для анализа эффективности экранирования стекол с пленочными покрытиями из разных металлических материалов. Толщина металлических пленок составляет несколько нанометров. Выявлены зависимости эффективности экранирования от толщины покрытия и частоты электромагнитной помехи. Представлены требования к эффективному применению стекол с металлическими покрытиями.
Ключевые слова: электромагнитная помеха, электромагнитное излучение, вычислительная техника, электромагнитное экранирование, стекло с металлической пленкой, математическая модель, моделирование.
ELECTROMAGNETIC INTERFERENCE REDUCTION AND DATA PROTECTION IN COMPUTING USING SHIELD GLASSES
Z.M. Gizatullin, R.M. Gizatullin, M.G. Nuriev, F.R. Nazmetdinov
Kazan A.N. Tupolev National Research Technical University-(KAI), Kazan, Russia
gzm_zinnur@mail.ru, grm444@mail.ru, marat_nu1@mail.ru nazmiil94@mail.ru
Windows apertures are the most dangerous way of passage of electromagnetic fields through the walls. To increase the efficiency of shielding window glass is applied to the metal coatings. The coatings thickness is selected from the need for allowable optical transparency and efficiency of shielding. Mathematical models for analysis of electromagnetic shielding window glass with coatings of different metal materials are defined. Simulation results the frequency dependence of electromagnetic shielding window glass with coatings of different metal materials are presented. Simulation results the coating thickness and frequency dependence of electromagnetic shielding window glass with coatings are presented. Requirements for effective use of the glass with metallic coatings are presented.
Keywords: electromagnetic interference, electromagnetic radiation, computer equipment, electromagnetic shielding glass with metal coatings, a mathematical model, simulation.
Введение
Стены зданий и помещений, где эксплуатируется современная вычислительная техника (ВТ), представляют собой первые рубежи экранирования от внешних электромагнитных помех (разряд молнии, индустриальные источники, радиоэлектронные средства, преднамеренные источники и т.п.). Наиболее часто при строительстве зданий используется железобетонные конструкции. Железобетонные стены здания обладают экранирующим свойством за счет определенных параметров бетона и арматурной сетки входящей в его конструкцию [1; 2; 3]. Если ослабление внешних электромагнитных полей за счет строительных конструкций является недостаточной, то для этих целей возможно применение специальных методов экранирования отдельных помещений. Для экранирования помещений применяются следующие методы: отделка стен проводящими красками или обоями; применение шунгитовых строительных материалов (штукатурка, стяжка и т.п.), установка специальных дверей с надежным контактом с экранирующей оболочкой; установка специальных экранирующих сотовых фильтров для воздуховодов, покрытие стен медными или стальными листами [1; 4-8]. Таким образом, формируется принцип многоуровневого экранирования (рис. 1). Но при этом наименее защищенным от проникновения внешних электромагнитных помех остаются оконные проемы. Данная особенность сильно влияет на показатели эффективности экранирования стен здания в целом.
Рис. 1. Принцип многоуровневого экранирования ВТ
Другой важной задачей, где требуется обеспечить достаточный уровень электромагнитного экранирования стен помещений и зданий, является о бразование побочного электромагнитного излучения от ВТ, связанное с изменением тока и напряжения в электрических цепях при переключениях элементов. В настоящее время в проблеме побочного электромагнитного излучения от ВТ можно выделить
47
три аспекта: защита информации, электромагнитная совместимость, биологическая электромагнитная совместимость [9-11]. Аспект защиты информации или проблема утечки информации через побочные электромагнитные излучения является самой «молодой» и наиболее актуальной на сегодняшний день, из перечисленных выше аспектов. Отечественному термину «побочные электромагнитные излучения» в зарубежной литературе соответствуют два термина: 1) TEMPEST (Transient Electromagnetic Pulse Emanation Standard); 2) компрометирующие излучения (Compromising Emanations).
Целью данной работы является анализ эффективности экранирования металлизированных стекол, применяемых для экранирования окон зданий.
1. Математические модели для анализа эффективности экранирования металлизированных стекол.
Для применения экранирующих стекол необходимо решить компромиссную задачу, связанную с высокой эффективностью экранирования и оптической прозрачностью окна. Увеличение толщины металлической пленки приводит к увеличению ослабления электромагнитных помех, но при этом прозрачность стекла падает. Медь, серебро и золото из-за своей высокой проводимости являются наилучшими материалами для экранирования плоских электромагнитных волн в радиочастотном диапазоне. Автор [2] указывает, что для передачи 90 % света толщина пленок меди, серебра и золота должно составлять около 3 нм. Однако когда в самом стекле имеются потери на поглощение, то коэффициент передачи может быть менее 90 %.
Теория работы экранирующих металлизированных стекол построена на базе общей теории экранирования [12-15]. Коэффициент передачи света через такое стекло определяется через общие потери следующим соотношением (рис. 1): T = 1 -(LR + LA). Он зависит от коэффициента преломления, длины волны проходящего света, коэффициента потерь (рис. 2).
LR
Свет
Металлическая пленка
/
|—1
t V LA 7 Стекло
t
Т
Рис. 2. Прохождение света через металлизированное стекло (ЬК - потери на отражение, ЬА -потери на поглощение, Т - коэффициент передачи)
На эффективность экранирования существенное влияние оказывает поверхностное сопротивление пленки, которое для тонких пленок имеет повышенное значение по отношению к объемному удельному сопротивлению ст0. В этом случае, если толщина пленки соизмерима с длиной свободного пробега электрона, доминирующую роль в поверхностном сопротивлении играет рассеяние
электронов в пленке. Выражение для определения проводимости тонкой пленки следующее [2]:
^ = 3ст0 [1п(р0 / () + 0,4228] / 4р0, где сто - объемная проводимость материала; t - толщина пленки; р0 - длина свободного пробега электронов.
Для основных материалов объемная проводимость и длина свободного пробега приведена в таблице 1. Сопротивление проводящего образца прямоугольного сечения шириной V и толщиной t определяется по следующей формуле:
г = р1 / Ш,
где р - удельное сопротивление материала, р = 1/ст£; I - длина образца; tw - площадь сечения образца.
Таблца 1
Объемная проводимость и длина пути свободного пробега электронов_
Материал Объемная проводимость ст0, 1/мкОмм Длина свободного пробега электронов р0, нм
Медь 58 42
Серебро 61,7 57
Золото 41 57
Алюминий 38 16
Олово 8,4 10
Если принять ширину образца равной его длине, то получают значение поверхностного сопротивления г£, которое не зависит от размеров площади образца:
Г = Р/г = 1/(° /) •
Эффективность электромагнитного экранирования £ стекла с металлическим покрытием определяется суммарными потерями в материале экрана. Для тонких пленок, толщина которых не превышает 10 нм, потери за счет поглощения электромагнитных помех А малы, и ими можно пренебречь. Поэтому £ = Я, потери на электромагнитное отражение.
Основные потери на отражение Я определяются значениями коэффициентов прохождения на границах сред «воздух - металлическая пленка» и «металлическая пленка - стекло» и представляется как [2]:
К = 88+201^^0).
На частотах более 100 МГц для металлических пленок потери на поглощение А << 10 дБ и при расчете вводится коэффициент коррекции. С учетом этого коэффициента суммарные потери на отражение (эффективность экранирования) металлизированных стекол, равняется:
Я+ = 40 - 20^( Я5 ) •
2. Результаты анализа эффективности экранирования металлизированных стекол
На рис. 3 -7 представлены результаты моделирования эффективности экранирования металлизированных стекол в зависимости от толщины слоя металлизации и частоты электромагнитного воздействия в диапазоне до 100 МГц.
Рис. 3. Эффективность экранирования стекол покрытых медной пленкой
Рис. 4. Эффективность экранирования стекол покрытых серебряной пленкой
Рис. 5. Эффективность экранирования стекол покрытых золотой пленкой
45 п 40 35 № 30 ^ 25
^ 20 н
15 -10 -5 0
—I-1-1-1-1-1-1-1—
10 20 30 40 50 60 70 80
- - - - толщина 1 нм
толщина 10 нм
/, МГц
90 100
Рис. 6. Эффективность экранирования стекол покрытых алюминиевой пленкой
1
- - - - толщина 1 нм
толщина 10 нм
Рис. 7. Эффективность экранирования стекол покрытых оловянной пленкой
Полученные результаты моделирования позволяют сделать вывод о том, что наиболее практичными и эффективными, с точки зрения электромагнитного экранирования в диапазоне частот до 100 МГц, материалами для создания металлизированных стекол являются медь, алюминий и золото. Но первые два из них сильно подтверждены процессу окисления. Также необходимо отметить, что в данном диапазоне частот эффективность экранирования металлизированных стекол не существенно зависит от толщины металлической пленки.
На рис. 8-12 представлены результаты моделирования эффективности экранирования металлизированных стекол в зависимости от толщины слоя металлизации в диапазоне частот электромагнитного воздействия более 100 МГц.
Рис. 8. Эффективность экранирования стекол покрытых медной пленкой для диапазона
частот выше 100 МГц
Рис. 10. Эффективность экранирования стекол покрытых золотой пленкой для диапазона
частот выше 100 МГц
Рис. 11. Эффективность экранирования стекол покрытых алюминиевой пленкой для
диапазона частот выше 100 МГц
РЧ
+
10 1
9 -
8 -
7 -
6 -
5 -
4 -
3 -
2 -
1 -0 2
3
~г
4
т 6
~г
7
т 8
~г
9
t, нм
10
Рис. 12. Эффективность экранирования стекол покрытых оловянной пленкой для диапазона частот выше 100 МГц
Полученные результаты моделирования показывают, что наибольшую эффективность экранирования в диапазоне частот электромагнитного воздействия более 1 00 МГц также имеют металлизированные стекла с медным, алюминиевым и золотым покрытием. При этом эффективность экранирования очень сильно зависит от толщины покрытия, но данный параметр сильно ограничивается необходимой оптической прозрачностью металлизированных стекол.
54
3. Требования к применению металлизированных стекол.
При разработке и эксплуатации окон с металлизированными стеклами необходимо принимать во внимание четыре основных фактора:
1. Размеры. Необходимо заранее определиться с максимальным размером стекол для окон, т.к. не всегда имеется возможность производства достаточно большого размера стекол с качественным слоем металлизации.
2. Долговечность. Необходимо учитывать возможность старения металлизированных стекол с течением времени, т.к. происходит окисление металлической пленки. Простые стекла лишены этого недостатка.
3. Установка. Стекло, вместе с материалами стены, полов и потолка помещения должно образовать полностью экранированную конструкцию. С этой целью стекло должно иметь уже готовую раму, позволяющую электрически соединяться со стеклом, что сохраняет высокую эффективность экранирования и упрощает процесс установки.
4. Заземление. Непременным условием эффективного экранирования является выполнение качественного заземления экрана. Наиболее эффективным методом для экранированных помещений и оконных рам признается метод с использованием заземленной координатной сетки с опорным потенциалом. Здесь важен комплексный подход к решению задачи заземления, поскольку электрические требования к ней непосредственно влияют на строительные элементы производственного или офисного помещения, например, наличие фальшпола. Качество экранирования обуславливается всем трактом - от экрана до заземлителя.
Заключение
Таким образом, применение металлизированных стекол позволяет повысить эффективность экранирования окон зданий от 1 до 40 дБ в разных частотных диапазонах. Эффективность электромагнитного экранирования металлизированного стекла зависит от толщины и материала покрытия, что в свою очередь сильно ограничена с точки зрений обеспечения допустимой оптической прозрачности. Также, от типа материала зависит и долговечность данной конструкции. При этом, для достижения указанных значений эффективности экранирования металлизированных стекол, необходимо строго соблюдать правила разработки, установки и эксплуатации оконных блоков.
Литература
1. Гизатуллин З.М. Помехоустойчивость средств вычислительной техники внутри зданий при широкополосных электромагнитных воздействиях: монография. Казань: Изд -во Казан. гос. техн. ун-та, 2012. 254 с.
2. Степанов П.В. Методология предупреждения угроз информационной безопасности техническими средствами в телекоммуникационной инфраструктуре интеллектуального здания: Автореф. дисс. ... докт. техн. наук: 05.12.13. М., 2001. 50 с.
3. ГОСТ Р 56115-2014. Защита информации. Автоматизированные системы в защищенном исполнении. Средства защиты от преднамеренных силовых электромагнитных воздействий. Общие требования. М.: Стандартинформ, 2015. 46 с.
4. Степанов П.В. Элементы электромагнитной совместимости оборудования интеллектуальных зданий. М.: МИЭМ, 1999. 38 с.
5. Кечиев Л.Н., Акбашев Б.Б., Степанов П.В. Экранирование технических средств и экранирующие системы. М.: Издательский Дом "Технологии", 2010. 470 с.
6. Кечиев Л.Н., Степанов П.В., Шевщук А.А. Экранирующие прокладки как средство обеспечения целостности экрана // Электромагнитная совместимость и электромагнитная
экология: сб. науч. докл. IV Межд. симпоз. СПб., 2001. С.121-125.
7. Барсуков В.С. Интегрированная защита специальных экранированных помещений // Специальная техника. 2000. № 1, С. 36-46.
8. Никитина В.Н., Ляшко Г.Г., Соловьев Д.С. Результаты испытаний магнезиально-шунгитовых экранов электромагнитных полей // Электромагнитная совместимость и электромагнитная экология: сб. докл. VII Междунар. симпозиума. СПб., 2007. С. 72-75.
9. Богуш В.А., Борботько Т.В., Гусинский А.В. Электромагнитные излучения. Методы и средства защиты. Мн: Бестпринт, 2003. 406 с.
10. Маслов М.Ю. Исследование электромагнитных полей в помещениях для целей электромагнитной и информационной безопасности: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Самара, 2003. 16 с.
11. Гизатуллин З.М., Нуриев М.Г., Шкиндеров М.С., Назметдинов Ф.Р. Простая методика исследования электромагнитного излучения от электронных средств // Журнал радиоэлектроники. 2016. № 9. С. 7.
12. Акбашев Б.Б., Захарьина О.С., Кечиев Л.Н. Экранирование оптически прозрачных апертур. М.: Изд-во Моск. ин-та электроники и математики, 2005. 54 с.
13. Полонский Н.Б. Конструирование электромагнитных экранов для радиоэлектронной аппаратуры. М.: Сов. радио, 1979. 216 с.
14. Барнс Дж. Электронное конструирование: Методы борьбы с помехами. М.: Мир, 1990. 238 с.
15. Henry O.W. Electromagnetic Compatibility Engineering. New Jersey: John Wiley & Sons, 2009. 872 p.
References
1. Gizatullin Z.M. Pomekhoustoichivost' sredstv vychislitel'noi tekhniki vnutri zdanii pri shirokopolosnykh elektromagnitnykh vozdeistviyakh: monografiya. Kazan': Izd-vo Kazan. gos. tekhn. un-ta, 2012. 254 s.
2. Stepanov P.V. Metodologiya preduprezhdeniya ugroz informatsionnoi bezopasnosti tekhnicheskimi sredstvami v telekommunikatsionnoi infrastrukture intellektual'nogo zdaniya: Avtoref. diss. ... dokt. tekhn. nauk: 05.12.13. M., 2001. 50 s.
3. GOST R 56115-2014. Zashchita informatsii. Avtomatizirovannye sistemy v zashchishchennom ispolnenii. Sredstva zashchity ot prednamerennykh silovykh elektromagnitnykh vozdeistvii. Obshchie trebovaniya. M.: Standartinform, 2015. 46 s.
4. Stepanov P.V. Elementy elektromagnitnoi sovmestimosti oborudovaniya intellektual'nykh zdanii. M.: MIEM, 1999. 38 s.
5. Kechiev L.N., Akbashev B.B., Stepanov P.V. Ekranirovanie tekhnicheskikh sredstv i ekraniruyushchie sistemy. M.: Izdatel'skii Dom "Tekhnologii", 2010. 470 s.
6. Kechiev L.N., Stepanov P.V., Shevshchuk A.A. Ekraniruyushchie prokladki kak sredstvo obespecheniya tselostnosti ekrana // Elektromagnitnaya sovmestimost' i elektromagnitnaya ekologiya: sb. nauch. dokl. IV Mezhd. simpoz. SPb., 2001. S.121-125.
7. Barsukov V.S. Integrirovannaya zashchita spetsial'nykh ekranirovannykh pomeshchenii // Spetsial'naya tekhnika. 2000. № 1, S. 36-46.
8. Nikitina V.N., Lyashko G.G., Solov'ev D.S. Rezul'taty ispytanii magnezial'no-shungitovykh ekranov elektromagnitnykh polei // Elektromagnitnaya sovmestimost' i elektromagnitnaya ekologiya: sb. dokl. VII Mezhdunar. simpoziuma. SPb., 2007. S. 72-75.
9. Bogush V.A., Borbot'ko T.V., Gusinskii A.V. Elektromagnitnye izlucheniya. Metody i sredstva zashchity. Mn: Bestprint, 2003. 406 s.
10. Maslov M.Yu. Issledovanie elektromagnitnykh polei v pomeshcheniyakh dlya tselei elektromagnitnoi i informatsionnoi bezopasnosti: Avtoref. dis. ... kand. tekhn. nauk. Samara, 2003. 16 s.
11. Gizatullin Z.M., Nuriev M.G., Shkinderov M.S., Nazmetdinov F.R. Prostaya metodika
issledovaniya elektromagnitnogo izlucheniya ot elektronnykh sredstv // Zhurnal radioelektroniki. 2016. № 9. S. 7.
12. Akbashev B.B., Zakhar'ina O.S., Kechiev L.N. Ekranirovanie opticheski prozrachnykh apertur. M.: Izd-vo Mosk. in-ta elektroniki i matematiki, 2005. 54 s.
13. Polonskii N.B. Konstruirovanie elektromagnitnykh ekranov dlya radioelektronnoi apparatury. M.: Sov. radio, 1979. 216 s.
14. Barns Dzh. Elektronnoe konstruirovanie: Metody bor'by s pomekhami. M.: Mir, 1990. 238 s.
15. Henry O.W. Electromagnetic Compatibility Engineering. New Jersey: John Wiley & Sons, 2009. 872 p.
Авторы публикации
Гизатуллин Зиннур Марселевич - д-р техн. наук, доцент, доцент кафедры «Систем автоматизированного проектирования» Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева (КНИТУ-КАИ), г. Казань, Россия Гизатуллин Рифнур Марселевич - соискатель кафедры «Систем автоматизированного проектирования» Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева (КНИТУ-КАИ), г. Казань, Россия.
Нуриев Марат Гумерович - аспирант кафедры «Системы автоматизированного проектирования» Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева (КНИТУ-КАИ), г. Казань, Россия.
Назметдинов Фаяз Расихович - студент кафедры «Систем автоматизированного проектирования» Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева (КНИТУ-КАИ), г. Казань, Россия.
Authors of the publication
Zinnur M. Gizatullin - Dr. Sci. (Techn.), Associate Professor of the Department « Computer-aided design», Kazan A.N. Tupolev National Research Technical University, Kazan, Russia. Rifnur M. Gizatullin - Applicant of the Department «Computer-aided design», Kazan A.N. Tupolev National Research Technical University, Kazan, Russia.
Marat G. Nuriev - Post-graduate, Department «Computer-aided design», Kazan A.N. Tupolev National Research Technical University, Kazan, Russia.
Fayaz R. Nazmetdinov - Student, Department «Computer-aided design», Kazan A.N. Tupolev National Research Technical University, Kazan, Russia.
Дата поступления 12.08.2017.
