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电磁泄漏发射屏蔽机柜性能测试方法和标准

发布日期:2016-11-18 | 加入收藏

电磁泄漏发射屏蔽机柜性能测试方法和标准

一、前言

  根据国家保密标准的要求,涉密信息系统中使用的任何信息设备应采取电磁泄漏发射防护措施。对于高密级、涉密信息设备使用集中的情况可以采用屏蔽室;对于较分散的情况,使用屏蔽室成本过高,而低电磁泄漏发射设备的成产周期长、成本高,也不适应涉密信息系统的应用实际;某些信息设备只是临时处理涉密信息,只需临时防护,使用屏蔽室和低泄射产品都存在资源浪费的问题。屏蔽机柜可以满足以上要求,它可以灵活更换内部信息设备,成本远远低于屏蔽室,还可以根据需求定制,对多种信息设备进行防护。

  屏蔽机柜在使用上的便利性,使其在涉密信息系统中的使用越来越广泛,对其防护性能的技术要求和测试方法目前没有可以直接执行的标准,急需统一和规范。屏蔽机柜体积小,形状不规则,对其性能的测试很困难,国外对于类似产品的标准也迟迟没有出台。本文针对电磁泄漏发射屏蔽机柜的几种可行的性能测试方法进行了探讨。

二、电磁泄漏发射屏蔽机柜性能可行的测试方法

 

1.低辐射设备法

  低辐射设备法把电磁泄漏发射屏蔽机柜连同内部保护的信息设备一起,看作是一件低辐射设备,采用低辐射设备的测试方法,如图1所示,EUT指被测屏蔽机柜(下同),测试天线根据测试电场、磁场和频段进行选择。测试结果参照信息设备电磁泄漏发射限值,判断该屏蔽机柜是否符合相应级别的安全要求。

  这种方法适用于放置固定信息设备的屏蔽机柜,连同需保护的信息设备一起整体测试,对屏蔽机柜本身并不能给出单独的评价,且更换信息设备以后需整体重新评测。

 

2.屏蔽效能测试法

 

  屏蔽效能测试法采用屏蔽效能指标对电磁泄漏发射屏蔽机柜防护性能进行评价。屏蔽效能的定义为:

  式中,SE是屏蔽效能,E1是没有屏蔽体时测得的场强,E2是有屏蔽体时测得的场强。通用的高频和低频信号发射和接收系统体积都比较大,不能直接放入屏蔽机柜。解决这个问题有三种方案:一是在机柜上安装同轴屏蔽接口,把传感器置于机柜腔体内,通过屏蔽同轴电缆接口与外界相连;二是传感器置于机柜腔体内,加入电光转换装置,把电信号转变为光信号,用光纤从机柜的波导窗送出,再通过光电转换装置变为电信号,与外部设备相连;三是研制专用的点频信号源,要求点频信号源体积能适应机柜腔体大小。


2.1同轴电缆开孔法

  在10kHz20MHz频段主要测磁场的泄漏发射。磁场测试一般使用环形天线,环形磁场天线的发射效率较低,要达到测试所需的发射功率,需要较大半径的发射环。屏蔽机柜的腔体尺寸较小,容纳不了发射环天线,可以采用把接收天线放入机柜内的办法,如图2所示:

  信号源和发射大半径环天线置于屏蔽机柜外,接收环天线置于机柜内,并通过事先安装的同轴连接器,经同轴电缆与测试设备相连。这种方法发射部分在外,信号功率远远大于环境噪声,而接收部分位于屏蔽腔体内,环境较为干净,不需要在屏蔽暗室进行测试。 

  中频段(30MHz1GHz)发射机和天线的体积都能满足屏蔽机柜尺寸的要求,可以采用普通的测试方法,把发射部分放入屏蔽机柜腔体内,接收部分置于外部,测试需要在屏蔽暗室中进行,接收天线加磁环抑制共模干扰带来的测量误差,  高频段(2GHz10GHz)发射信号源体积同样满足不了屏蔽机柜的尺寸要求,发射的喇叭天线体积不大,可以置于屏蔽机柜内,通过同轴连接器与信号源相连,

  采用同轴电缆开孔法必须要破坏被测屏蔽机柜的箱体,安装同轴电缆连接器,在进行抽样测试时,厂商难以承受。此法对屏蔽电缆的性能要求较高,屏蔽电缆的屏蔽效能必须大于被测机柜的屏蔽效能。


2.2光纤法

  采用光纤的方法与同轴电缆开孔法类似,不同的是不需要破坏屏蔽机柜箱体,可以通过波导窗把光纤引出。

  低频段测试与同轴电缆开孔法类似,把接收天线放入屏蔽机柜内。中频段测试可以用普通的测试方法,

  此种方法也可将发射部分置于屏蔽机柜外部,接收传感器选用光电探头,置于机柜内部,通过光纤与接收部分连接。光电探头的灵敏度通常较低,需要发射部分提供大功率的信号。

  采用光纤法不会破坏屏蔽机柜箱体,需要额外的光电转换设备。在高频段测试时需要10GHz的模拟电光转换装置,目前国内这样的产品还不太多见。波导窗能否穿过光纤,是这种方法的关键。



2.3点源法

  屏蔽机柜屏蔽效能测试通常都选一些固定的频点,针对某几个相邻的频点可以研制小体积的大功率发射机。信号源体积缩小后可直接放入屏蔽机柜内,如图6所示:

  不同频段测试选用不同的定制点信号源和天线。这种方法发射部分都位于屏蔽箱体内,接受部分位于箱体外,更接近于实际使用情况,测试结果也更科学。信号源可用电池供电,也可通过机柜提供的电源接口交流供电。采用机柜供电的信号源,屏蔽机柜的传导泄漏发射抑制不用单独测试,可与屏蔽效能测试同时完成。点信号源的研制成为实现这种测试方法的关键。

3.时域脉冲测试法[1]

  时域脉冲测试法与同轴电缆开孔法类似,不同的是采用脉冲信号作为测试信号,接收机为高性能数字示波器,在时域对屏蔽效能进行分析,不依赖于电波暗室,测试布置如图7所示:


  式中V1是没有屏蔽机柜时数字示波器接收到的优势峰值幅度,V2是使用屏蔽机柜时数字示波器接收到的峰值幅度。时域脉冲法不需要在电波暗室进行,方法简单,测试得到的是最小屏蔽效能,不能反映出屏蔽效能与频率的关系。

三、结论

  屏蔽机柜类产品既有相似于屏蔽室的特点,又有低泄射设备的特性,研究能够正确评价其性能的测试方法非常必要。对电磁泄漏发射屏蔽机柜性能的评价,目前的测试方法大多采用低泄射设备测试法,对机柜本身性能不能给出单独的评价;时域脉冲测试法不能反映全频段内屏蔽效能与频率的关系,屏蔽效能算法还有待深入研究;同轴电缆开孔法破坏了机柜的结构;光纤法设备过于复杂,波导窗的位置结构直接影响测试的进行;点源法简单并接近于实际使用情况,是今后研究的重点。值得一提的是,电磁泄漏发射屏蔽机柜测试方法形成的测试结果应与现行的相关TEMPEST标准统一。

电磁屏蔽柜适用于防止外界对光电数据交换机的干扰的信息数据传输交换系统

 

科创电磁屏蔽机柜参数:


 

■功率:交流电220V*16A

 

■屏蔽效能:150KHz 95dB

450MHz 103dB

930MHz 102db

 

■重量:≈200公斤

 

■主要结构组

 

■屏蔽壳体:冷轧钢板焊接成的全密闭的箱体,经过镀锌与油漆等防腐蚀处理;

 

■屏蔽门:优质材料经过精心制作与处理的屏蔽簧片、冷轧钢板焊接成的门扇组成的屏蔽门;

 

■滤波器:电源滤波器具有宽抑制频带和高的插入损耗;

 

■通风波导窗:蜂窝型通风波导窗,顶部波导窗设有微型轴流风机四只,单只排风量1.4m3/min

 

■传输窗:传输窗设有带弹性夹头的铜制传输导管;

 

■光导管:φ14*100镀铜光纤输导管;

 

■服务器支架:上下前后可调位置的服务器安装支架;

 

■电器PDU插座。

 

●安装调试

 

■使用环境:环境温度- 25℃——+70℃相对湿度 85% 防止与腐蚀性物质和气体相接触;

 

■设备移至确定位置,保持平稳,将四只定位螺栓调下,防止机柜使用时移位;

 

■屏蔽柜应可靠接地,接地电阻应≤1Ω,接地桩引出端子与屏蔽柜接地螺栓搭接地电阻应≤0.1Ω。

 

■通电前必须接地;接地时电源插座前不能有漏电保安器,如本栋建筑物接电系统有漏电保安器,

则应在漏电保安器前段单独拉一路电源来给本机柜供电。因滤波器是电容电感组成,电容有充放作用,

否则在插座前加隔离变压器或专用电源插座;

 

■不接地时屏蔽柜对地电阻应大于1000Ω。

 

■安装进入机柜的光纤线和屏蔽铜缆必须要经过屏蔽柜后面的波导管孔

(具体数量应在订购机柜时确定,并在生产时做好).

 

■同时响应的线缆上的屏蔽网丝和金属线应截断,并从屏蔽柜前内,外两方面,

把截断的屏蔽网丝和金属线固定在波导管两端的金属锣口中.使之通过屏蔽柜良好接地.达到屏蔽效果.

 

■屏蔽柜的波导管的数量应按客户的实际需求在生产时订制安装.一根线缆进入屏蔽柜需要一个波导管.

并需要区分光纤和屏蔽铜缆.

屏蔽机柜相关配件:

  电源滤波器: 15A~50A 插入损耗:14KHz~10GHz85dB

  通风波导窗: 300×300mm法兰式安装在机柜的顶部。

  机柜内搁置板1.2mm厚的钢板制成,用作放置服务器、显示器、交换机、路由器和电信、通信设备等。

  超五类屏蔽线接头设有带弹性夹头的铜制传输导管。

  走线槽主要用作整理机柜内部的布线用途,使线路明了,易于工作人员管理及维护。

屏蔽机柜接口的定义:

ISO11801标准指出3类的双绞线不能与其类型不相符的端接类型相连结,以避免造成阻抗不匹配。

ISO11801标准强调屏蔽系统的优点而EIA/TIA568A标准则没有。

  在光纤传输方面,ISO11801推荐SC接口优先于ST接口。

 

 

 

手机测试屏蔽箱

  主要适用于移动电话、对讲机、无线网卡、以太网模块、无线 PCMCIA 等的生产中进行测试时不受射频干扰而设计制造,以及接收机灵敏度测试、发射机辐射功率的测试;用于小型 UHF 系统的 EMI EMS 测试。

屏蔽箱屏蔽性能: 1MHz~3GHz 大于 60--100dB

屏蔽箱配置接口:

RF 连接器:外部 N 型接口内部 SMA 接口; 25 D 型; RF 接口: N 型; RF 连接器: SMA 型等

  数据接口:DB9 DB25 接口带 1000pF 滤波

  数据接口参数:电压最大 100V 电流最大 3A

  控制接口:RS232 3 线 DB9 接口

  电源规格:AC110-240V 频率 :50-60 HZ 功率 : 15W

屏蔽箱规格尺寸:可按用户要求制造,可供台置、落地移动式;

  外尺寸: 780 X 600 X 800 mm

  工作空间: 650 X 650 X 650 mm

  门尺寸: 620 W x 620 H mm

  频率范围 1MHz-3GHz

制作方法:

1 屏蔽层采用优质铁基材料达到屏蔽指标最高性能,屏蔽箱内外表面进行静电喷涂处理。

2 制作工艺采用二氧化碳无泄露焊接。

3 所有连接插件均采用屏蔽滤波技术处理。

4 箱门缝隙采用铍铜指型簧片保证良好的电气连续性。

5 箱门配置锁扣,手动开启、关闭箱门。

6 屏蔽箱落地点安装绝缘块。

科创电磁屏蔽机柜还可为你定制各种用途、规格的屏蔽箱。

机柜通风孔的电磁屏蔽设计

科创屏蔽机柜https://mall.jd.com/index-68699.html

1 EMC 定义

各权威机构或专家对电磁兼容都有自己的见解,互相略有不同。通俗的说电磁兼容( EMC)是设备或分系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。

解决电磁兼容应该站在系统的角度,全面地看待问题。电磁兼容涉及电路设计、 PCB布线、电缆设计、系统布局、结构设计等多方面问题,甚至与软件设计都有关系。

2 、解决 EMC 问题的手段

当设备中“电磁干扰源—耦合路径—敏感部件”三要素同时存在时,才会出现 EMI问题。

EMC设计就是针对三要素中的一个或几个,采取某些技术措施,限制或消除其影响,从而得到兼容性好、成本和重量可接受的设计。

从理论上讲,单板是所有EMI问题的源头,即“电磁干扰源”,是EMC设计的重中之重。应该花费90%的精力放在单板设计上面。

结构和电缆屏蔽设计是解决“耦合路径”的有效办法,也是解决RE(目前最棘手的问题)的有效手段,但是一般不要提出太高的要求。由于结构屏蔽的工艺稳定性差、加工安装影响十分大,其一致性差,设计时应该留较大的安全余量。结构的屏蔽是以成本为代价的,要求越高,成本会急剧增加。

结构屏蔽是实现产品电磁兼容的重要手段,完整的结构屏蔽体要达到 90dB 的屏蔽效能是毫不困难的。屏蔽体由于散热、部件安装、缝隙等问题降低了屏蔽效能。开孔时必须考虑到屏蔽辐射干扰的因素。

电缆设计主要是线缆布局以及是否采用屏蔽电缆。

单板的 EMC 设计、电缆设计这里不予讨论,主要论述结构的屏蔽问题。

3 、结构对 EMC 的影响

结构设计与产品 EMC指标相关的主要有:

辐射发射( RE),辐射敏感度(RS)——屏蔽、接地

工频磁场敏感度( MS)—— 磁屏蔽

静电放电( ESD)——接地

传导发射( CE),传导敏感度(CS)——滤波器的接地

结构设计影响最大的指标是辐射发射( RE),静电放电(ESD),一般不考虑快速瞬态脉冲串(EFT)、浪涌(SURGE)、电压跌落与中断(DIPS)三个指标。

4 、结构屏蔽的基础理论

按欲屏蔽的电磁场性质分类,通常分为三大类:电场屏蔽、磁场屏蔽及电磁场屏蔽。

电场屏蔽的基本原理是利用金属屏蔽体的电场屏蔽作用,其必须满足完善的屏蔽和良好接地两个条件才能完成电场屏蔽。

磁场屏蔽的基本原理是利用高磁导率金属屏蔽体进行磁场屏蔽。

电磁场屏蔽的原理主要是基于电磁波穿过金属屏蔽体产生波反射和波吸收的机理。

反射主要取决于波阻抗与金属的阻抗之比。比值越大,反射越大。因此:对于高阻场(电场)主要是反射,低阻场(磁场)几乎没有反射。这就是低频磁场屏蔽十分困难的原因。在高频段,为平面波,其波阻抗固定为 377欧姆。

电磁波在金属材料中传输会发身衰减,衰减程度取决于材料的导磁率、导电率。对于电场,导电率高的材料衰减大;对于磁场,导磁率高的材料衰减大。显然,材料越厚,衰减程度大,屏蔽效果好。

5 、缝隙与开孔对电磁屏蔽的影响

5. 1 缝隙对屏蔽的影响

当屏蔽体存在缝隙时,对反射和衰减的影响较大。

反射:当缝隙最大尺寸大于λ/4时,几乎没有屏蔽效果;小于λ/20时有基本的屏蔽效果,小于λ/100时有理想的屏蔽效果。当缝隙的深度较大时,由于多次反射的累计效果,可以大大提高缝隙的屏蔽效果,这就是波导通风板的原理。

衰减:缝隙对电磁波衰减的影响见下图所示,可见由于缝隙的存在减弱了衰减作用。

2设在金属屏蔽体中有一无限长缝隙,其间隙为g,屏蔽体厚度为t,入射电磁波的磁场强度为H0 ,泄漏到屏蔽体中的磁场强度为H p ,当趋肤深度§>0.3g,有 H p H 0 -?t/g

公式表明: t越大,g越小,泄漏越小。当缝隙的直线尺寸接近波长时,屏蔽体本身可能成为辐射体

单个缝隙的屏效近似计算(平面波)

SE = 20 lg (1+N)2/4N + 27.3t/g

式中: N = j 6.69 f g X 10-5 f : 频率(MHz)

g: 缝隙的长度(cm) t : 缝隙深度(cm)

实际应用中困难在于缝隙的长度 g如何取值,应该根据紧固点的距离、零件的刚性以及结合面的表面特性决定最终取值。从经济性和可操作性的角度考虑,紧固点距离取以下经验值:

对于型材、压铸件之间的配合,取150 - 200,甚至更大;

对于钣金件之间,特别是单层板直接连接

具体取值还需考虑缝隙的深度以及基材的刚性和表面状态等因素。例如,当折弯次数多时,由于零件的刚性好,可以取大值;如果仅仅是单层钢板(或铝板)直接压紧,由于刚性差,应该取小值。

举例:两个1.5mm钢板,折弯10mm,螺钉间距25mm,屏效大约为1GHz35dB

从工程实际的角度看片面要求紧固点多是不实际的,再者一般要求缝隙的最大尺寸为mm级,单单要求紧固点多也是没有意义。为了提高缝隙的屏效,可采取的措施有:

提高零件的刚性、表面精度等

增加缝隙的深度

在缝隙中安装屏蔽材料

5. 2 开孔对屏蔽的影响

由于散热、安装按钮、开关等原因,需要在屏蔽体上开圆形、正方形或矩形的孔洞,如图 3所示,这时应注意孔的方向,以保证涡流能在材料中的均匀分布。显然(d)效果较好,(b)和(c)不能达到屏蔽要求,有可能成为狭缝天线。设孔面积为S,屏蔽体面积为A,当满足A>>S,圆孔的直径或方孔的边长比波长小的多时,有 H p 4S/A 3/2 H 0

若有 n个孔构成阵列孔,则: H p 4nS/A 3/2 H 0

3

在实际使用中,阵列孔的屏效工程计算公式如下:

SE = Aa + Ra + Ba + K1 + K2 + K3

Aa:孔的传输衰减

Ra:孔的单次反射损耗

Ba:多次放射修正

K1:孔个数有关的修正项

K2:趋肤深度不同引起的低频修正项

K3:相邻孔耦合的修正项

该计算公式经过美国军方某实验室反复测试验证过,是比较实用的计算公式。

举例:

钢板,孔径 3.2,间距4.5,板厚1.2,数量900个,屏效30MHz:50dB1GHz: 35dB

5. 3 提高开孔的屏蔽效能的措施

对于阵列孔,影响因素最大的是孔的深度,其次是孔的最大尺寸。当散热与屏蔽存在矛盾时,比较理想的方式是增加孔的深度,同时增加孔的最大尺寸,或者减小孔的最大尺寸,同时减小孔间距(增加孔的数量)。

工程实际中,阵列孔的屏蔽效能最高为30dB/1GHz。如果需要更高等级,或者屏蔽和散热矛盾十分突出,可以考虑采用波导通风板。波导通风板的屏蔽效能可以十分高(一般至少可以达到60dB/1GHz),孔隙率大(高于90%),是一种理想的通风方式。但必须注意其昂贵的价格,还有目前应用还不成熟,除非特殊情况,一般不建议使用。

通风孔的屏蔽效能稳定性、一致性十分好,设计时基本上不必考虑安全余量问题。

5. 4 屏蔽开孔部件的选用

为了减少辐射,一般情况下对开孔可以进行屏蔽。屏蔽材料大致分为 5 类:

1. 金属丝网

金属丝网是通过对金属薄板切缝,再整体拉伸而制成的。金属丝网通风量大,成本低,是目前通风孔屏蔽(民用)主要采用的一种方法。但这种材料的最大缺点是高频性能较差,尤其对高于 500MHz以上的电磁波几乎不起屏蔽作用,因此已不能满足现代电子设备的屏蔽要求。

2. 打孔金属板

打孔金属板是在金属板上采用数控钻床(冲床)打出通风孔阵而制成的,是目前各类设备,尤其是民用设备应用最多的一种通风屏蔽形式,所具有的优点与金属丝网相同。这种材料的缺点仍然是高频性能较差,其屏蔽效能随频率的增加而以 20dB/10倍频程下降。(例如Φ3孔阵的打孔金属板在1GHz时,屏蔽效能只有20dB左右),从而大大限制了打孔金属板的使用范围。

3.波导通风窗

铝制波导通风窗:铝制波导通风窗是采用普通铝箔经涂胶粘接、拉伸成型、固化、与外框连接、导电处理等工艺过程而制成的。具有通风量大、重量轻、高频性能好的突出优点,是目前各类电子设备,尤其是军用电子设备应用最多的屏蔽通风部件。其不足是通风窗由铝材制成,因而其低频磁屏蔽效能较差。

钢制波导通风窗:钢制通风波导窗是采用碳钢带经冲压成型、拼接、真空钎焊而制成的。与铝制通风波导窗相比,其最突出的优点是低频磁屏蔽效能较高,整体刚性好,特别适用于频带较宽、应用环境恶劣的设备。

4.铝带叠压网通风窗

铝带叠压网通风窗采用多层表面涂有聚乙烯粘接材料的铝制带状物(宽度约 2 ~ 3mm)叠压而制成的,除了有一定的屏蔽效能外,还具有滤尘的作用。由于铝制带状物具有较大的间隙,因此其低频和高频屏蔽效能都较低。

5.发泡金属通风窗

发泡金属通风窗是由经特殊工艺制成的带有大量层叠微孔的镍、铁等发泡金属通风窗组成。

科创电磁屏蔽机柜分为C级跟B级,如有需要请与我们联系。

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