屏蔽機柜應(yīng)用中電磁泄漏發(fā)射風(fēng)險的分析

1、屏蔽機柜應(yīng)用中電磁泄漏發(fā)射風(fēng)險的分析楊宏寧國家保密技術(shù)研究所摘要：通過對屏蔽機柜連接通信線纜后產(chǎn)生電磁泄漏發(fā)射的原理進行分析，指出正確使用屏蔽機柜進行電磁泄漏發(fā)射防護的方法。關(guān)鍵詞：屏蔽機柜 電磁泄漏發(fā)射 屏蔽雙絞線 一、 引言隨著人們對涉密信息系統(tǒng)電磁泄漏發(fā)射危害性認識的逐步加深，在建設(shè)涉密信息網(wǎng)絡(luò)時開始大量采用各種防電磁泄漏發(fā)射的手段，包括建設(shè)電磁屏蔽室、鋪設(shè)光纜和屏蔽雙絞線、使用低輻射設(shè)備、紅黑電源隔離插座、屏蔽機柜和干擾器等。其中屏蔽機柜具有體積小、安裝方便、使用靈活的特點，非常適合在那些不適宜安裝電磁屏蔽室又需要對信息設(shè)備提供保護的場合使用。但是實際檢測中發(fā)現(xiàn)，通過了實驗室

2、嚴格測試的屏蔽機柜在實際使用環(huán)境的使用效果往往達不到設(shè)計要求，這使許多用戶產(chǎn)生了屏蔽機柜并不能有效防護電磁泄漏發(fā)射的印象。經(jīng)過認真分析，發(fā)現(xiàn)許多用戶在對屏蔽機柜中的設(shè)備進行通信線連接時，往往出于對成本的考慮不使用光纖，而是直接使用屏蔽雙絞線進行連接，連接時僅僅將屏蔽雙絞線的屏蔽層與柜體進行簡單的處理，更有甚者將非屏蔽雙絞線直接接入屏蔽機柜中。這些做法都會導(dǎo)致屏蔽機柜的屏蔽效能大大降低，甚至不僅不能提供保護，反而變成信息泄漏發(fā)射的發(fā)射源。隨著屏蔽機柜使用得越來越廣泛，錯誤使用的情況也越來越多，問題日益突出，存在泄密隱患。二、屏蔽機柜連接電纜后的輻射發(fā)射1使用現(xiàn)場屏蔽機柜屏蔽效能降低的原因電纜是系

3、統(tǒng)中導(dǎo)致電磁兼容問題的最主要因素。在電磁兼容試驗中經(jīng)常出現(xiàn)這樣的情況：設(shè)備無論如何改進都無法通過電磁兼容試驗，但在將設(shè)備的外拖電纜取下時設(shè)備就能順利地通過試驗；在實際使用電子設(shè)備時也經(jīng)常遇到這樣的情況：設(shè)備無法正常工作甚至經(jīng)常死機，但將連接電纜拔下來之后就一切正常了。事實上，我們在現(xiàn)實中遇到的電磁兼容問題，大部分是由電纜引起的。 屏蔽機柜在實驗室中不連接任何電纜時能夠滿足標準的嚴格要求，但在使用現(xiàn)場卻經(jīng)常只有50dB左右的屏蔽效能甚至完全無效。這是因為在使用現(xiàn)場將電纜與機柜進行了不正確的連接，在將連接電纜拔掉后機柜的屏蔽效能又恢復(fù)正常。這說明電纜是導(dǎo)致系統(tǒng)屏蔽效能降低的直接原因。事實

4、上，電纜就是一根高效的接收和發(fā)射天線，若連接不當會直接將機柜中的電磁泄漏發(fā)射信號發(fā)射出去。在將非屏蔽雙絞線直接接入屏蔽機柜這種情況下，相當于直接為屏蔽機柜連入了一根發(fā)射天線，這會使屏蔽機柜完全失去屏蔽作用，因此實際使用時要絕對杜絕這種錯誤。 2屏蔽機柜連接電纜的輻射模型電纜產(chǎn)生的輻射主要包括差模電流回路產(chǎn)生的差模輻射和共模電流回路產(chǎn)生的共模輻射，其機理如圖2.1  其中差模電流回路就是電纜中的信號電流回路，而共模電流回路則是由電纜與大地形成的。 在很多電磁兼容書籍中都可以找到關(guān)于這個模型的數(shù)學(xué)分析，在此就不再做該部分工作，僅僅是將其結(jié)論拿來使用。該模型相

5、當于兩個電流環(huán)天線，其發(fā)射能力與環(huán)路面積和環(huán)路中電流的大小成正比。實際在涉密網(wǎng)絡(luò)中使用的都是屏蔽雙絞線，電纜中包含了信號線和信號地線，兩者之間的距離很小，由此形成的差模電流環(huán)路的面積也非常小，因此其差模輻射并不強。另外，由于相鄰絞節(jié)中的電流方向相反，其產(chǎn)生的磁場方向也相反，則在空間中抵消。因此實際產(chǎn)生的輻射主要來自共模輻射。 共模輻射由共模電流產(chǎn)生，共模電流的環(huán)路由電纜與大地形成，具有較大的環(huán)路面積，會產(chǎn)生較強的輻射。共模電流由共模電壓產(chǎn)生，共模電壓是電纜與大地之間的電壓，產(chǎn)生該電壓的原因很多，在我們討論的使用屏蔽機柜的情況下，共模電壓的產(chǎn)生主要來自于機柜內(nèi)設(shè)備的電磁泄漏發(fā)射在電纜上

6、感應(yīng)生成及電路中的電容性耦合和電感性耦合。如圖2.2所示：由上圖可見，無論是否使用屏蔽電纜，都會產(chǎn)生共模電壓，繼而生成共模電流。若該共模電壓中攜帶涉密信息，勢必會帶來信息泄漏。三、電纜共模輻射發(fā)射的抑制1抑制電纜共模輻射的方法控制電纜共模輻射通常采用如下手段： （1）控制電纜長度。在滿足使用要求的前提下，讓電纜盡可能短。（2）增加共模電流環(huán)路的阻抗。（3）減小共模電壓。（4）采用低通濾波器。（5）對電纜進行屏蔽處理，即采用屏蔽電纜。在實際工程中，由于電纜長度受到設(shè)備間連接距離的限制不可能太短；而共模電壓的減小需要在電子設(shè)備設(shè)計時加以考慮，因此較為實際的辦法是使用增加環(huán)路阻抗，采用低通

7、濾波器和屏蔽電纜。2增加環(huán)路阻抗屏蔽機柜在使用現(xiàn)場組裝完畢，電子設(shè)備安裝調(diào)試后，連接電纜上的共模電壓就一定了。這時增加共模環(huán)路的阻抗可以起到減小共模電流的目的，從而降低共模輻射。但是如何增加共模環(huán)路阻抗是個專業(yè)性較強的問題。許多工程師試圖通過斷開機柜的接地線來實現(xiàn)增加共模環(huán)路阻抗的目的，這對低頻信號確實能起到作用，但對高頻信號則無效，因為對高頻信號來說，存在著空間的雜散電容。較為有效的方法是在電纜上串聯(lián)共模扼流圈。共模扼流圈能夠?qū)材ｋ娏餍纬奢^大的阻抗，而對差模信號沒有影響。實際工程應(yīng)用中將整束電纜穿過一個鐵氧體磁環(huán)就構(gòu)成了一個共模扼流圈，如需要還可以將電纜在磁環(huán)上繞幾匝。為了提供足夠大的阻抗

8、，也可以將多個磁環(huán)組成一個陣列。一些屏蔽室將屏蔽電纜直接接入室內(nèi)，在出口處使用磁環(huán)陣列，經(jīng)檢測其屏蔽效能仍能達到80dB左右。3使用低通濾波器對電纜進行共模濾波是解決電纜輻射的有效方法。共模濾波的原理是使用低通濾波器將電纜上的高頻共模電流成分濾除。最基本的應(yīng)用是在信號導(dǎo)線與金屬的屏蔽柜殼體之間并聯(lián)一個電容，它能將導(dǎo)線上的共模電流旁路到機柜上，使其回到共模電壓源。共模濾波電容不僅濾除了共模電流，同時也會影響差模電流。對于差模電流而言，旁路電容的容量為兩個共模電容的串聯(lián)，即每個電容的一半。因此這種方法只適合于傳輸信號頻率較低的場合。在實際使用場合，更多的是使用信號濾波器。信號濾波器應(yīng)該在每個插針上

9、都有一個低通濾波器，并且濾波器安裝位置應(yīng)該保證濾波后的導(dǎo)線不再暴露在機柜內(nèi)電子設(shè)備的輻射場內(nèi)。在使用濾波器時應(yīng)該注意保證其與機柜的導(dǎo)電接觸，最好采用電磁密封襯墊。4使用屏蔽電纜使用屏蔽電纜確實能在很大程度上減小電磁輻射，但是這種改善是基于屏蔽電纜的良好端接。如果屏蔽電纜端接不良，就難以獲得預(yù)期的效果，甚至有時屏蔽電纜的屏蔽層會變成發(fā)射天線導(dǎo)致輻射變大。屏蔽電纜減小輻射的原理模型如圖3.1所示：屏蔽層減小電纜輻射的原因有兩個：一是屏蔽層直接遮擋了電纜中差模信號回路的差模輻射；另一個是為共模電流提供了一個返回共模電壓源的通路，減小了共模電流的回路面積。因此，屏蔽層提供的通路阻抗應(yīng)該越低越好，這樣才

10、能將大部分的共模電流旁路送回共模電壓源。 由此可見，用屏蔽電纜控制共模輻射的關(guān)鍵在于提供一個低阻抗通路。在使用屏蔽電纜后共模電流回路的阻抗由兩部分組成：一部分是電纜本身的阻抗；另一部分是電纜與屏蔽機柜的搭接阻抗。因此，要構(gòu)成一個低阻抗回路就要求電纜本身的屏蔽層質(zhì)量要好，同時要求與屏蔽機柜的搭接電阻要低。保證電纜屏蔽層與屏蔽機柜之間的低阻抗搭接的方法是屏蔽層在360°范圍內(nèi)與機柜連接。這就是說電纜的屏蔽層與金屬機柜構(gòu)成一個完整的屏蔽體。 如果屏蔽電纜與機柜連接良好，但另一端屏蔽層沒有端接，則依然起不到屏蔽作用。這就要求另一端也要進行與屏蔽層的低阻抗連接。實際應(yīng)用中要

11、求屏蔽電纜兩端良好連接低阻抗射頻地，這樣能夠保證整個共模電流回路上的阻抗符合使用要求。實際應(yīng)用中，過多的連接屏蔽電纜會使出現(xiàn)端接不良的概率增多，同時使電纜的天線效應(yīng)因電纜數(shù)量的增大而加強，最終導(dǎo)致系統(tǒng)屏蔽效能迅速下降，因此應(yīng)盡可能的減少連接的屏蔽電纜數(shù)量，連接時必須使用專用的連接器（如D型連接器），連接后要對性能進行測試。四、屏蔽機柜的正確使用通過上面的分析不難看出，要讓屏蔽機柜正常發(fā)揮屏蔽效能，就必須對電纜的連接進行處理。但每種處理方法都有其固有的缺陷。如采用扼流圈來增加環(huán)路阻抗，則需要考慮鐵氧體材料的選擇、磁環(huán)的尺寸和數(shù)量、共模扼流圈的匝數(shù)及安裝位置、傳輸數(shù)據(jù)的頻率等十分專業(yè)的問題，操作起

12、來較為困難；使用濾波器連接，相對于采用屏蔽電纜具有許多優(yōu)點：1. 濾波器能夠?qū)㈦娎|中的干擾電流濾除，從而從根本上消除電纜的輻射。而屏蔽電纜只是防止了干擾通過電纜輻射，實際上干擾信號在電纜中仍然存在，當使用打印機等設(shè)備時容易產(chǎn)生交調(diào)，通過打印機的天線效應(yīng)輻射出去。 2. 濾波器對電纜輻射的抑制比屏蔽電纜更穩(wěn)定。屏蔽電纜的效果很大程度上取決于電纜的端接，而電纜的頻繁拆裝和長時間使用后搭接點的氧化會造成屏蔽效能下降。 3. 濾波器的使用可以降低對電纜端接的要求，使采用價格便宜的屏蔽電纜成為可能，降低了使用成本。 但同樣的，使用濾波器也有其不足之處。因為要求所有插針上都有一個低通濾波器，且為了保證平衡電纜的平衡性，其阻抗特性應(yīng)一致，這就加大了濾波器的設(shè)計和制造難度。同時信息設(shè)備傳輸速度不斷提高，帶寬越來越寬，而現(xiàn)有的信號濾波器卻主要是為低頻應(yīng)用設(shè)計，不能滿足新的要求。使用屏蔽電纜，則必須保證與機柜的低阻抗連接，同時屏蔽電纜兩端都需要