电磁屏蔽机柜及其工作原理

电磁屏蔽机柜及其工作原理一、引言随着人们对涉密信息系统电磁泄漏发射危害性认识的逐步加深，在建设涉密信息网络时开始大量采用各种防电磁泄漏发射的手段，包括建设电磁屏蔽室、铺设光缆和屏蔽双绞线、使用低辐射设备、红黑电源隔离插座、屏蔽机柜和干扰器等。其中屏蔽机柜具有体积小、安装方便、使用灵活的特点，非常适合在那些不适宜安装电磁屏蔽室又需要对信息设备提供保护的场合使用。但是实际检测中发现，通过了实验室严格测试的屏蔽机柜在实际使用环境的使用效果往往达不到设计要求，这使许多用户产生了屏蔽机柜并不能有效防护电磁泄漏发射的印象。经过认真分析，发现许多用户在对屏蔽机柜中的设备进行通信线连接时，往往出于对成本的考虑不使用光纤，而是直接使用屏蔽双绞线进行连接，连接时仅仅将屏蔽双绞线的屏蔽层与柜体进行简单的处理，更有甚者将非屏蔽双绞线直接接入屏蔽机柜中。这些做法都会导致屏蔽机柜的屏蔽效能大大降低，甚至不仅不能提供保护，反而变成信息泄漏发射的发射源。随着屏蔽机柜使用得越来越广泛，错误使用的情况也越来越多，问题日益突出，存在泄密隐患。二、屏蔽机柜连接电缆后的辐射发射1.使用现场屏蔽机柜屏蔽效能降低的原因电缆是系统中导致电磁兼容问题的最主要因素。在电磁兼容试验中经常出现这样的情况：设备无论如何改进都无法通过电磁兼容试验，但在将设备的外拖电缆取下时设备就能顺利地通过试验;在实际使用电子设备时也经常遇到这样的情况：设备无法正常工作甚至经常死机，但将连接电缆拔下来之后就一切正常了。事实上，我们在现实中遇到的电磁兼容问题，大部分是由电缆引起的。屏蔽机柜在实验室中不连接任何电缆时能够满足标准的严格要求，但在使用现场却经常只有50dB左右的屏蔽效能甚至完全无效。这是因为在使用现场将电缆与机柜进行了不正确的连接，在将连接电缆拔掉后机柜的屏蔽效能又恢复正常。这说明电缆是导致系统屏蔽效能降低的直接原因。事实上，电缆就是一根高效的接收和发射天线，若连接不当会直接将机柜中的电磁泄漏发射信号发射出去。在将非屏蔽双绞线直接接入屏蔽机柜这种情况下，相当于直接为屏蔽机柜连入了一根发射天线，这会使屏蔽机柜完全失去屏蔽作用，因此实际使用时要绝对杜绝这种错误。2.屏蔽机柜连接电缆的辐射模型电缆产生的辐射主要包括差模电流回路产生的差模辐射和共模电流回路产生的共模辐射，差模电流回路就是电缆中的信号电流回路，而共模电流回路则是由电缆与大地形成的。在很多电磁兼容书籍中都可以找到关于这个模型的数学分析，在此就不再做该部分工作，仅仅是将其结论拿来使用。该模型相当于两个电流环天线，其发射能力与环路面积和环路中电流的大小成正比。实际在涉密网络中使用的都是屏蔽双绞线，电缆中包含了信号线和信号地线，两者之间的距离很小，由此形成的差模电流环路的面积也非常小，因此其差模辐射并不强。另外，由于相邻绞节中的电流方向相反，其产生的磁场方向也相反，则在空间中抵消。因此实际产生的辐射主要来自共模辐射。共模辐射由共模电流产生，共模电流的环路由电缆与大地形成，具有较大的环路面积，会产生较强的辐射。共模电流由共模电压产生，共模电压是电缆与大地之间的电压，产生该电压的原因很多，在我们讨论的使用屏蔽机柜的情况下，共模电压的产生主要来自于机柜内设备的电磁泄漏发射在电缆上感应生成及电路中的电容性耦合和电感性耦合。无论是否使用屏蔽电缆，都会产生共模电压，继而生成共模电流。若该共模电压中携带涉密信息，势必会带来信息泄漏。三、电缆共模辐射发射的抑制1.抑制电缆共模辐射的方法控制电缆共模辐射通常采用如下手段：(1)控制电缆长度。在满足使用要求的前提下，让电缆尽可能短。(2)增加共模电流环路的阻抗。(3)减小共模电压。(4)采用低通滤波器。(5)对电缆进行屏蔽处理，即采用屏蔽电缆。在实际工程中，由于电缆长度受到设备间连接距离的限制不可能太短;而共模电压的减小需要在电子设备设计时加以考虑，因此较为实际的办法是使用增加环路阻抗，采用低通滤波器和屏蔽电缆。2.增加环路阻抗屏蔽机柜在使用现场组装完毕，电子设备安装调试后，连接电缆上的共模电压就一定了。这时增加共模环路的阻抗可以起到减小共模电流的目的，从而降低共模辐射。但是如何增加共模环路阻抗是个专业性较强的问题。许多工程师试图通过断开机柜的接地线来实现增加共模环路阻抗的目的，这对低频信号确实能起到作用，但对高频信号则无效，因为对高频信号来说，存在着空间的杂散电容。较为有效的方法是在电缆上串联共模扼流圈。共模扼流圈能够对共模电流形成较大的阻抗，而对差模信号没有影响。实际工程应用中将整束电缆穿过一个铁氧体磁环就构成了一个共模扼流圈，如需要还可以将电缆在磁环上绕几匝。为了提供足够大的阻抗，也可以将多个磁环组成一个阵列。一些屏蔽室将屏蔽电缆直接接入室内，在出口处使用磁环阵列，经检测其屏蔽效能仍能达到80dB左右。3.使用低通滤波器对电缆进行共模滤波是解决电缆辐射的有效方法。共模滤波的原理是使用低通滤波器将电缆上的高频共模电流成分滤除。最基本的应用是在信号导线与金属的屏蔽柜壳体之间并联一个电容，它能将导线上的共模电流旁路到机柜上，使其回到共模电压源。共模滤波电容不仅滤除了共模电流，同时也会影响差模电流。对于差模电流而言，旁路电容的容量为两个共模电容的串联，即每个电容的一半。因此这种方法只适合于传输信号频率较低的场合。在实际使用场合，更多的是使用信号滤波器。信号滤波器应该在每个插针上都有一个低通滤波器，并且滤波器安装位置应该保证滤波后的导线不再暴露在机柜内电子设备的辐射场内。在使用滤波器时应该注意保证其与机柜的导电接触，最好采用电磁密封衬垫。4.使用屏蔽电缆使用屏蔽电缆确实能在很大程度上减小电磁辐射，但是这种改善是基于屏蔽电缆的良好端接。如果屏蔽电缆端接不良，就难以获得预期的效果，甚至有时屏蔽电缆的屏蔽层会变成发射天线导致辐射变大。屏蔽层减小电缆辐射的原因有两个：一是屏蔽层直接遮挡了电缆中差模信号回路的差模辐射;另一个是为共模电流提供了一个返回共模电压源的通路，减小了共模电流的回路面积。因此，屏蔽层提供的通路阻抗应该越低越好，这样才能将大部分的共模电流旁路回共模电压源。由此可见，用屏蔽电缆控制共模辐射的关键在于提供一个低阻抗通路。在使用屏蔽电缆后共模电流回路的阻抗由两部分组成：一部分是电缆本身的阻抗;另一部分是电缆与屏蔽机柜的搭接阻抗。因此，要构成一个低阻抗回路就要求电缆本身的屏蔽层质量要好，同时要求与屏蔽机柜的搭接电阻要低。保证电缆屏蔽层与屏蔽机柜之间的低阻抗搭接的方法是屏蔽层在360°范围内与机柜连接。这就是说电缆的屏蔽层与金属机柜构成一个完整的屏蔽体。如果屏蔽电缆与机柜连接良好，但另一端屏蔽层没有端接，则依然起不到屏蔽作用。这就要求另一端也要进行与屏蔽层的低阻抗连接。实际应用中要求屏蔽电缆两端良好连接低阻抗射频地，这样能够保证整个共模电流回路上的阻抗符合使用要求。实际应用中，过多的连接屏蔽电缆会使出现端接不良的概率增多，同时使电缆的天线效应因电缆数量的增大而加强，最终导致系统屏蔽效能迅速下降，因此应尽可能的减少连接的屏蔽电缆数量，连接时必须使用专用的连接器(如D型连接器)，连接后要对性能进行测试。四、屏蔽机柜的正确使用通过上面的分析不难看出，要让屏蔽机柜正常发挥屏蔽效能，就必须对电缆的连接进行处理。但每种处理方法都有其固有的缺陷。如采用扼流圈来增加环路阻抗，则需要考虑铁氧体材料的选择、磁环的尺寸和数量、共模扼流圈的匝数及安装位置、传输数据的频率等十分专业的问题，操作起来较为困难;使用滤波器连接，相对于采用屏蔽电缆具有许多优点：滤波器能够将电缆中的干扰电流滤除，从而从根本上消除电缆的辐射。而屏蔽电缆只是防止了干扰通过电缆辐射，实际上干扰信号在电缆中仍然存在，当使用打印机等设备时容易产生交调，通过打印机的天线效应辐射出去。滤波器对电缆辐射的抑制比屏蔽电缆更稳定。屏蔽电缆的效果很大程度上取决于电缆的端接，而电缆的频繁拆装和长时间使用后搭接点的氧化会造成屏蔽效能下降。滤波器的使用可以降低对电缆端接的要求，使采用价格便宜的屏蔽电缆成为可能，降低了使用成本。但同样的，使用滤波器也有其不足之处。因为要求所有插针上都有一个低通滤波器，且为了保证平衡电缆的平衡性，其阻抗特性应一致，这就加大了滤波器的设计和制造难度。同时信息设备传输速度不断提高，带宽越来越宽，而现有的信号滤波器却主要是为低频应用设计，不能满足新的要求。使用屏蔽电缆，则必须保证与机柜的低阻抗连接，同时屏蔽电缆两端都需要良好连接低阻抗射频地。这在实际应用中由于与屏蔽机柜的搭接处氧化或接触不良，或没有真正的低阻抗射频地，导致整个系统的屏蔽性能下降。尤其是在搭接的电缆较多时，其屏蔽效能下降迅速，达不到使用要求。因此，在实际使用中应该参照屏蔽机柜的使用要求，使用光纤接入，并且注意对光缆中的金属线进行处理，不能与光纤一同进入屏蔽机柜。由于光纤为绝缘体，从根本上去除了共模电流的传输回路，保证了屏蔽机柜的屏蔽效能。五、屏蔽机柜得主要应用屏蔽机柜主要用于：1、防止计算机、网络服务器和通讯电子设备在运行中产生机要信息的泄露;2、防止上述设备在运行中受外界电磁波的干扰，保证其正常工作。3、应用于政府机关，国防，银行，证券，军队，教育，科研等的涉密等级需求较高的行业