屏蔽标准
有效屏蔽

屏蔽在传播辐射电磁波的路径中放置阻抗(电路或组件对交流电的有效电阻,由欧姆电阻和电抗的综合作用产生)不连续性,反射和/或吸收它。这在概念上与滤波器的工作方式非常相似 - 它们在不需要的传导信号的路径中放置阻抗不连续性。阻抗比越大,屏蔽效果 (SE) 越大。

可以通过多种方式充分屏蔽不必要的监视。 大多数现代系统使用最先进的微型组件,这些组件是从头开始设计和构建的,其唯一目的是减少EMR泄漏。然而,典型的屏蔽是将电源与机器周围绝缘的组合,有不必要的监控风险,法拉第笼阻挡电磁场,不允许任何杂散发射。 其他 TEMPEST 屏蔽方法包括房间和墙壁绝缘,以及设备的精确放置,这可以进一步确保没有敏感数据可以逃逸。

即使在今天,大多数 TEMPEST 屏蔽标准仍然是机密的,但其中一些很容易向公众提供。 目前的美国和北约Tempest 屏蔽标准分为三个级别的保护要求:

  • 北约SDIP-27 A级(原AMSG 720B)和美国NSTISSAM一级“妥协实验室测试标准” 这是在北约0区环境中运行的设备最严格的标准,在该环境中,假设攻击者几乎可以立即访问(例如相邻房间,1米距离)
  • 北约SDIP-27 B级(原AMSG 788A)和美国NSTISSAM二级“受保护设施设备的实验室测试标准” 该标准适用于在北约1区环境中运行的设备,假设攻击者不能靠近约20米(或建筑材料确保相当于20米的衰减)。
  • 北约SDIP-27 C级(原AMSG 784)和美国NSTISSAM III级“战术移动设备/系统实验室测试标准” 最宽松的标准侧重于在北约2区环境中运行的设备,攻击者必须处理相当于100米的自由空间衰减(或通过建筑材料的等效衰减)。

其他标准包括:

  • 北约 SDIP-29(原 AMSG 719G)“安装用于处理机密信息的电气设备” 该标准定义了安装要求,例如接地和电缆距离。
  • AMSG 799B“北约分区程序” 定义衰减测量程序,根据该程序,可以将安全边界内的各个房间分类为区域 0、区域 1、区域 2 或区域 3,然后确定处理这些房间中机密数据的设备所需的屏蔽测试标准。

重要的是要注意,如果从一开始就精心设计,屏蔽的成本可能非常低,但如果必须在设备、系统或外壳已经建成后应用,则可能会非常昂贵。 大多数厚度为 0.5 mm 及以上的金属在超过 1MHz 的频率下提供良好的 SE,在 100MHz 的频率上提供出色的 SE。金属屏蔽层的所有问题通常都是由薄的保护材料、低于 1MHz 的频率以及开口或孔径引起的。 通常,脆弱的电路与其屏蔽壁之间最好保持较大的距离。屏蔽体积越大,屏蔽外部的 EMR 和设备所承受的 EMR 通常越“稀释”。

如果安装易受攻击设备的外壳具有平行壁,则驻波可能会开始以共振频率累积,这可能会导致SE问题。因此,具有非平行或弯曲壁的外壳以及其他不规则形状的密封单元将有助于防止不必要的共振。

开口和孔径

实际上,没有开口、接头、孔径或间隙的完美密封屏蔽外壳很少实用,因为它无法容纳任何外部电缆、天线或传感器。 出于这个原因,任何屏蔽外壳的唯一目的只是减少排放或提高抗扰度,因为每个屏蔽都受到其试图保护的设备的限制。

任何给定屏蔽中的孔径都充当半波谐振“槽天线”,可以对给定SE的最大孔径尺寸进行相当准确的预测。对于单个孔径,SE = 20 log (O/2d),其中O是目标频率处的波长,d是孔径的最长尺寸。

“皮肤效应”

在电磁学领域,有两种类型的场——电场(E)和磁场(M)。电场和磁场(EMF)是看不见的能量区域,通常被称为辐射,不仅使用电力,而且使用各种形式的自然光。

电磁场通常是(E)和(M)场的不成比例的混合体(在空气中的波阻抗E / M为377:)。

即使是薄金属板也很容易阻止和完全阻止电场,因为电场屏蔽的机制是在导电边界处重新分布电荷,因此几乎任何具有高导电性(低电阻)的东西都会呈现适当的低阻抗。在较高的频率下,由于电荷重新分配的快速速率,可能会出现相当大的位移电流,但即使是相对较薄的铝箔或面板也可以作为足够的屏蔽剂。

磁场要停止要困难得多,有时甚至是不可能的。磁屏蔽不会阻挡磁场。但是,可以重定向该字段。 通过在屏蔽材料内部产生涡流(福柯电流),可以产生与撞击场相反的新磁场。与电场不同,薄铝板不能有效地停止或重定向磁场。

给定材料将撞击磁场减少约9dB的厚度或深度称为“集肤效应”,大致为“一层深”。 趋肤效应是指电流倾向于避免穿过实心导体的中心,将自身限制在表面附近的传导。

因此,厚度为“3 层皮肤”的材料在其另一侧的电流将降低约 27dB,并且对于该特定磁场的 SE 约为 27dB。

铜(Cu)和铝(Al)的导电性是低碳钢的5倍以上,使它们在阻挡和停止电场方面非常出色,但相对磁导率为1(与空气相同)。 电磁学中的磁导率是衡量材料对磁场形成的阻力的量度,在传输线理论中也称为分布电感。 典型的低碳钢在低频时的相对磁导率约为300,当频率增加到100kHz以上时降至1,其较高的磁导率使其集肤深度减小,使得低碳钢的合理厚度优于铝屏蔽低频。

有效的屏蔽材料将具有高导电性、高渗透性和足够的厚度,以最低的关注频率达到所需的集肤深度。 例如,在大多数情况下,1毫米厚的低碳钢和纯锌合金将是足够的屏蔽剂。

低频磁屏蔽

特殊材料,如Mu金属,这是一种铁镍软铁磁合金,和放射性金属,同样是一种铁镍合金,具有非常高的相对磁导率,通常在10,000左右。 由于它们臭名昭著的脆弱性,这些特殊材料的安装过程必须小心进行,因为即使是轻微的敲击也可能破坏它们的渗透性,然后它们必须在氢气气氛中重新退火或丢弃。

另一种低频屏蔽技术是主动降噪(ANR)。该方法特别适用于在被高水平工频磁场污染的环境中稳定阴极射线管视觉显示单元(VDU)的图像。

低于截止值的波导

图的左侧部分。如图8所示,孔径越大EMR泄漏越大。然而,图的右侧部分。图8说明,如果孔径周围垂直于开口的金属壁,则可以实现可观的SE。这种极其有效的屏蔽方法被称为“截止以下的波导”,即使在5-10厘米的孔径下也可以保持屏蔽的SE。

波导允许其所有撞击场通过,当其内部对角线(g)为半波长时。 低于其截止频率时,波导不会像普通孔径那样泄漏(如图8所示),并且可以提供大量的屏蔽。足够 SE 的值约为 27d/g,其中 d 是 EMR 波在自由之前必须穿过波导的距离。

取决于垫片的设计

垫圈是一种机械密封,用于填充两个或多个配合表面之间的空间,通常用于防止在压缩时从连接物体泄漏或泄漏到连接物体中。

尽管垫圈对于基本组件非常有效,但可拆卸面板(如门、斧头和盖子)为所有依赖垫片的设计带来了各种问题,因为它们必须满足许多相互冲突的机械、电气、化学,在某些情况下甚至是环境要求。 无花果。图9描述了典型工业机柜的设计及其垫圈布局,使用弹簧指和硅胶化合物或导电橡胶提供环境密封以及电磁屏蔽。为了使垫圈有效,必须进行机械配置,以保证易于组装的制造。 安装不充分的垫圈仅依靠大量压力来产生紧密密封,很有可能产生 EMR 泄漏的间隙。除非使用导电涂料,否则垫圈接触区域不得涂漆和电偶腐蚀(一种电化学过程,其中一种金属在电解质存在下与另一种金属电接触时优先腐蚀)。 所有垫片的功能、特性和细节必须在制造手册中准确说明。

显示器屏蔽

所有容易受到 TEMPEST 攻击的显示器都不能存在于完全密封的容器中,因为它们的外壳需要不同的孔径,因此高度损害了屏蔽方面。

无花果。图11示出了可视显示单元(VDU),例如自动取款机(ATM),它使用内部“脏箱”系统来有效地最小化通过孔径的EMC现场泄漏。脏箱和外壳壁内侧之间的接缝必须与防护罩中的任何其他接缝一样处理。

屏蔽通风孔

与屏蔽显示器类似,屏蔽通风孔需要使用网格、截止下方的波导、导电垫圈或金属对金属粘合。 为了保持足够的SE水平,网格尺寸必须尽可能小。许多彼此靠近的小而相同的孔径的屏蔽效果(大致)与它们的数量n('SE = 20logn)成正比,因此,两个孔径会使SE变差20 x log (2) = 6.02,四个孔径20 x log (4) = 12.04,依此类推。 对于大量小孔径(典型的通风网/格栅),网孔尺寸将比同一 SE 所需的一个孔径小得多。在通气孔径超过波长四分之一的较高频率下,即使是这种基本而简单的“20 x log (n)”公式也会变得不必要的复杂或效率低下。

低于截止值的波导允许高气流速率和高防护罩有效性值,蜂窝金属通风罩(由许多并排粘合的细六角形管组成)最适合此目的。 如果不仔细设计,通风孔可能会开始积聚大量的灰尘和污垢颗粒,这将使清洁过程进一步复杂化。

用涂漆或电镀塑料屏蔽

塑料外壳可能时尚且具有视觉吸引力,但不是有效的屏蔽剂。 尽管这是一个极其费力且技术要求极高的过程,但用粘合剂(导电涂料)中的金属颗粒等导电材料或实际金属(电镀)涂覆塑料外壳内部可能会产生令人满意的结果。

然而,大多数情况下,塑料外壳的设计不允许实现所需的SE,因为与所有其他外壳一样,最薄弱的点仍然是塑料部件之间的接缝(孔),但在这种情况下,它们不能用垫圈加固,因此不可避免的EMR泄漏。因此,如果塑料外壳需要屏蔽,那么从初始设计过程开始就考虑实现必要的SE在财务上至关重要。

塑料上的油漆或电镀永远不会很厚,因此应用的表皮深度数量可能非常少。最近开发了一些使用镍和其他金属的创新涂层,以利用镍的合理高渗透性来减少集肤深度并实现更好的SE。

尽管如此,如图所示。2.塑料相对于其他用于屏蔽的金属的最大优点是重量轻。

无金属屏蔽

体积导电塑料或树脂通常在提供机械强度的绝缘粘合剂中使用分布的导电颗粒或螺纹。有时,这些会形成基本塑料或树脂的“皮肤”,因此如果没有螺旋嵌件(由盘绕线制成的嵌件)或类似手段,很难实现良好的射频(RF)键合。这些绝缘蒙皮使得很难防止在接头处产生长孔径,也使得难以为连接器、压盖和过滤器的主体提供良好的粘合。混合导电颗粒和聚合物的一致性问题会使外壳在某些区域变弱,而在另一些区域缺乏屏蔽。 基于碳纤维(本身具有导电性)和自导电聚合物的材料开始变得可用,但它们不具有金属的高导电性,因此对于特定厚度而言,SE效果不佳。