Экранирование электромагнитных волн
Экранирование электромагнитных волн является основой экологической безопасности и одним из самых действенных средств защиты объекта от утечки информации по техническим каналам. В условиях отсутствия необходимой литературы порассматриваемому вопросу этастатьяирекомендации, изложенныевней, окажут практическую помощь субъектам различных форм собственности и сотрудникам специальных подразделений.
Промышленный шпионаж рано или поздно заставляет предпринимателя изучить аспекты защиты коммерческой тайны. Темпы развития рыночных отношений в стране превращают вопрос защиты от промышленного шпионажа в сложную для предпринимателя проблему, к решению которой он зачастую не готов.
Исходя из общепринятых формулировок, понятие «защита коммерческой тайны» можно определить как комплекс организационных и технических мер, проводимых предпринимателем в целях предотвращения хищения, умышленной передачи, уничтожения и несанкционированного доступа к информации либо утечки данных к конкуренту. Проблема защиты коммерческой тайны тесно увязывается с такими понятиями, как «утечка сведений», «источник утечки», «канал утечки», «перекрытие канала утечки».
В современном мире наряду с бурно развивающейся техникой все острее становится проблема формирования электромагнитной обстановки, обеспечивающей нормальное функционирование электронных устройств и экологическую безопасность. Электромагнитная обстановка представляет собой совокупность электромагнитных полей в заданной области пространства, которая может влиять на функционирование конкретного радиоэлектронного устройства или биологического объекта.
Для создания благоприятной электромагнитной обстановки и для обеспечения требований по электромагнитной безопасности объекта, которая включает в себя и противодействие несанкционированному доступу к информации с использованием специальных технических средств, производится экранирование электромагнитных волн.
Применение качественных экранов позволяет решать многие задачи, среди которых защита информации в помещениях и технических каналах, задачи электромагнитной совместимости оборудования и приборов при их совместном использовании, задачи защиты персонала от повышенного уровня электромагнитных полей и обеспечение благоприятной экологической обстановки вокруг работающих электроустановок и СВЧ-устройств.
Под экранированием в общем случае понимается как защита приборов от воздействия внешних полей, так и локализация излучения каких-либо средств, препятствующая проявлению этих излучений в окружающей среде. В любом случае эффективность экранирования — этo степень ослабления составляющих поля (электрической или магнитной), определяемая как отношение действующих значений напряженности полей в данной точке пространства при отсутствии и наличии экрана, Так как отношение этих величин достигает больших значений, то удобнее пользоваться логарифмическим представлением эффективности экранирования: 
где Ке — коэффициент ослабления (экранирования) по электрической составляющей, Кн — коэффициент ослабления (экранирования) по магнитной составляющей, Ео(Но) — напряженность электрической (магнитной) составляющей поля в отсутствии экрана, E1(H1) — напряженность электрической (магнитной) составляющей поля при наличии экрана в той же точке пространства.
Теоретическое решение задачи экранирования, определение значений напряженности полей в общем случае чрезвычайно затруднительно, поэтому в зависимости от типа решаемой задачи представляется удобным рассматривать отдельные виды экранирования: электрическое, магнитостатическое и электромагнитное. Последнее является наиболее общим и часто применяемым, так как в большинстве случаев экранирования приходится иметь дело либо с переменными, либо с флуктуирующими и реже — действительно со статическими полями.
Теоретические и экспериментальные исследования ряда авторов показали, что форма экрана незначительно влияет на его эффективность. Главным фактором, определяющим качество экрана, являются радиофизические свойства материала и конструкционные особенности. Это позволяет при расчете эффективности экрана в реальных условиях пользоваться наиболее простым его представлением: сфера, цилиндр, плоскопараллельный лист и т. п. Такая замена реальной конструкции не приводит к сколько-нибудь значительным отклонениям реальной эффективности от расчетной, так как основной причиной ограничивающей достижение высоких значений эффективности экранирования является наличие в экране технологических отверстий (устройства ввода-вывода, вентиляции), а в экранированных помещениях — устройств жизнеобеспечения, связывающих помещение с внешней средой.
Плоскопараллельный экран в электромагнитном случае можно характеризовать нормальным импедансом материала экрана, который определяется как отношение тангенциальных составляющих электрического и магнитного полей. Коэффициент прохождения через слой представляет собой эффективность экранирования, так как равен отношению амплитуд прошедшей и падающей на экран волны. Если средой по обе стороны экрана является вакуум, то коэффициент прохождения D можно представить в виде 
причем 
— длина волны в свободном пространстве, а 
и 
относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости материала экрана.
В общем случае — при комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостях материала — теоретический анализ приведенного выражения крайне затруднителен, поэтому большинство исследователей прибегают к раздельному рассмотрению эффективности экранирования — по поглощению и отражению падающей волны экраном.
Поскольку аналитическая оценка эффективности экранирования из общей формулы коэффициента прохождения для плоскопараллельного бесконечного экрана в общем случае затруднительна, может быть использован более простой, приближенный анализ, основанный на представлении эффективности экрана как суммы отдельных составляющих:
K=Kпогл+Kотр+Kн.отр,
где Кпогл — эффективность экранирования вследствие поглощения экраном электрической энергии, Котр — эффективность экранирования за счет отражения электромагнитной волны экраном, Кн.отр — поправочный коэффициент, учитывающий многократные внутренние переотражения волны от поверхностей экрана.
Если потеря энергии волны в экране, то есть ее поглощение, превосходит 10 дБ, то последним коэффициентом в приведенном выражении можно пренебречь. Эффективность экранирования вследствие поглощения энергии в толще экрана можно рассчитать из простого соотношения: 
полученного на основе представления электрической и магнитной составляющей поля в материале, на поверхности которого выполняются граничные условия Леонтовича.
Очевидно, что на низких частотах стальной экран, магнитная проницаемость которого может быть достаточно высока (или экран из другого электропроводящего материала со значительной магнитной проницаемостью), оказывается эффективнее медного по поглощению. Однако для повышения его эффективности приходится увеличивать толщину экранирующего листа. Кроме того, с ростом частоты магнитная проницаемость всех материалов быстро уменьшается, причем тем значительнее, чем больше ее начальное значение. Поэтому материалы с большим значением начальной магнитной проницаемости (104 Гн/м) целесообразно использовать только до частот порядка 1 кГц. При больших значениях напряженности магнитного поля из-за насыщения материала ферромагнетика его магнитная проницаемость падает тем резче, чем больше начальное значение проницаемости.
| Для избежания эффекта насыщения экран делают многослойным, при этом желательно, чтобы каждый последующий (по отношению к экранируемому излучению) слой имел большее начальное значение магнитной проницаемости, чем предыдущий, так как эквивалентная глубина проникновения электромагнитного поля в толщу материала обратно пропорциональна произведению его магнитной проницаемости и проводимости. Толщина экрана, необходимая для обеспечения заданного значения его эффективности, легко определяется из  . Зависимости глубины проникновения от частоты для различных материалов, часто используемых при изготовлении экранов, приведены на рис. 1. |
Вторая составляющая эффективности экранирования Котр обусловлена отражением электромагнитной волны на границе раздела свободное пространство — экран из-за различия волновых сопротивлений вакуума (Z для ближних полей — электрического или магнитного и Z для полей дальней зоны).
Эффективность экранирования вследствие отражения можно просто определить как 
, где Z для металлических материалов можно представить в виде: 
Значительно большего эффекта экранирования можно достичь, используя не однородные, а многослойные экраны той же суммарной толщины. Это объясняется наличием в многослойных экранах нескольких границ раздела поверхностей, на каждой из которых происходит отражение электромагнитной волны вследствие разницы волновых сопротивлений слоев. Эффективность многослойного экрана зависит не только от числа слоев, но и порядка их чередования. Наиболее эффективны экраны из комбинаций магнитных и немагнитных слоев, причем наружный по отношению к источнику излучения поля слой предпочтительнее выполнять из материала, обладающего магнитными свойствами.
Расчет эффективности экранирования двухслойными экранами из различных материалов показывает, что наиболее целесообразным в диапазоне частот 10 кГц — 100 мГц является сочетание медного и стального слоев. При этом толщина магнитного слоя должна быть больше, чем немагнитного (сталь — 82% общей толщины, медь —18%).
| Рис. 2. Зависимость эффективности экранирования двухслойного медно-стального цилиндрического экрана: 1—результирующая, 2 — за счет поглощения, 3 — за счет отражения Рисунок 2 иллюстрирует расчетную зависимость эффективности экранирования электромагнитного поля на частоте 55 кГц двухслойным медно-стальным цилиндрическим экраном (радиус 17,5 мм, общая толщина слоев 0,4 мм) от изменения толщины каждого слоя. |
Дополнительное увеличение толщины экрана на один слой приводит к не очень заметному повышению эффективности экранирования.
При проектировании электромагнитных экранов в общем случае необходимо иметь в виду, что на сравнительно низких частотах наиболее сложно обеспечить эффективное экранирование магнитной составляющей поля, в то время как экранирование электрической составляющей не представляет особых трудностей даже при использовании перфорированных или сетчатых экранов.
Несмотря на то что на низких частотах высокопроводящие материалы могут обеспечить очень большие значения эффективности экранирования, в ряде случаев (по технологическим, конструктивным, экономическим соображениям) оказывается более целесообразным применять (особенно при экранировании статических и флуктуирующих магнитных полей с невысоким значением напряженности) магнитные материалы с высокими значениями начальной магнитной проницаемости. Для однослойного цилиндра, длина которого существенно превосходит его диаметр D , эффективность экранирования составляющей напряженности магнитного поля: перпендикулярной оси цилиндра, может быть приближенно оценена как 
Как и в электромагнитном случае, многослойные оболочки оказываются эффективнее однослойного экрана, причем их эффективность растет практически пропорционально числу слоев.
Особое место в ряду материалов, применяемых для экранирования статических и квазистатических магнитных полей, занимают аморфные ферромагнетики. Магнитные экраны изготавливают из сплавов типа пермаллоя с содержанием 20% ат. Fe и 80% ат. Ni. Высокие магнитные свойства (большое значение и коэффициента экранирования) достигаются после сложной и дорогой термической обработки. Однако свойства экранов, изготовленных из таких материалов, изменяются под влиянием механических воздействий. Экраны, изготовленные из аморфных сплавов, не чувствительны к ударам и изгибам. Магнитные свойства аморфных сплавов достаточно высоки, что позволяет применять их в качестве материала экрана. Они обладают высокой начальной магнитной проницаемостью, которая сохраняет свой уровень до частот порядка сотен мегагерц. Например, для экранирования кабелей в аппаратуре, установленной на борту космических кораблей класса «Вояджер», использовалась ткань «Метшильд», изготавливаемая из аморфного сплава Fe40Ni40P14B6 в виде ленты шириной 1,5 мм и толщиной 58 мкм. Результаты исследований показали, что экранирующая способность такой ткани достигает 11 дБ при напряженности магнитного поля 40 А/м и 24 дБ при напряженности поля 200 А/м при частоте 60 Гц. Эти значения превосходят характеристики для аналогичных экранов из пермаллоя в 1,5-2 раза и не меняются после механических воздействий.
На сегодняшний день для индустриальных помех и радиочастотного диапазона нашим специалистам удалось создать из аморфных сплавов экраны с коэффициентами экранирования до 60 дБ. Из аморфных ферромагнетиков также разработаны магнитные экраны для квазистатических полей (магнитного поля земли). Для магнитного экранирования малых объемов теперь возможно применение аморфного ферромагнитного микропровода.
Таким образом, экранированием электромагнитных волн возможно полностью обеспечить электромагнитную безопасность объекта. Однако обеспечение требований по электромагнитной безопасности объекта, особенно в части, касающейся защиты информации от утечки по техническим каналам, созданным с применением специального оборудования (электроакустический канал, радиоканал, канал побочных электромагнитных излучений и наводок и т. д.), необходимо предусматривать на стадии разработки проекта объекта.
Так, например, при проектировании в пределах объекта необходимо выделить зоны повышенной конфиденциальности — комнаты переговоров, технологические помещения, в которых циркулирует информация, предназначенная для служебного пользования, и т. п. В таких помещениях не должно быть окон, они должны иметь независимую систему электропитания, экранированные двери. При строительстве такого объекта возможно применение экранирующих материалов — шунгитобетона или бетона с электропроводящим наполнителем. Стены помещения отделываются гибкими экранами, например ткаными коврами из аморфных материалов или электропроводящими тканями. В качестве экранирующей ткани возможно применение различных углетканей или металлизированных пленок.
С внутренней стороны помещение облицовывается конструкционным радиопоглощающим материалом для предотвращения образования стоячих электромагнитных волн с частотами более 1 ГГц и для создания более комфортной экологической обстановки. В качестве радиопоглощающих материалов могут быть использованы специализированное пеностекло различных марок или сотовые конструкции. Коэффициент экранирования такого помещения может превышать 60 дБ в широком диапазоне частот.
Наши технологии позволяют производить качественное экранирование и уже существующих помещений, изначально не предназначавшихся для специального использования. Отделка стен многослойными гибкими экранами применима в большинстве случаев. При наличии окон они закрываются металлизированными пленками и шторами из экранирующих тканей. В помещениях такого класса возможно применение гибких широкодиапазонных радиопоглощающих материалов. Для облицовки потолков помещения применяется наполненное пеностекло. Коэффициент экранирования достигает значения 20 дБ и больше.
Конкретное значение экранирования зависит от площади окон, конфигурации помещения, его объема и материала стен. Также в уже существующих помещениях для маскировки имеющихся источников электромагнитного излучения предлагается применять широкополосные генераторы шума, которые одновременно могут быть использованы для противодействия закладкам с обменом данных по радиолучу.
Кроме всего прочего, использование гибких экранирующих и радиопоглощающих материалов дает возможность создания небольших временных экранированных объемов с коэффициентом экранирования 10-20 дБ, что в комплексе с переносным широкополосным генератором шума достаточно для решения ряда задач.
Исходя из сказанного выше, хочется отметить, что экранирование электромагнитных волн — тема многоплановая и уникальная. О значении и важности экранирования то верит и тот факт, что в США на раз работку данной проблемы ежегодно затрачивается более 1% стоимости всей промышленной продукции. Этими же вопросами занимается Специальный международный комитет по радиопомехам, работаю щий в рамках Международной электротехнической комиссии (МЭК). В то же время в США расходы фирм на мероприятия по защите конфиденциальной информации ежегодно составляют в среднем 10-15 миллиардов долларов.
В целом на подобные мероприятия американским предпринимателям приходится тратить до 20% от суммы всех их расходов на научноисследовательские или опытно-конструкторские работы. Большая часть этих расходов приходится на мероприятия по защите информации от утечки по техническим каналам, ибо в мире спецтехники все быстро меняется. Аппаратура перехвата информации развивается и совершенствуется.
Сегодня ни одна бережливая зарубежная фирма не приступит к финансированию нового дорогостоящего проекта без гарантий сохранности коммерческой тайны,
Статья опубликована на сайте: 31.07.2000