屏蔽機(jī)柜應(yīng)用中電磁泄漏發(fā)射風(fēng)險(xiǎn)的分析

1、屏蔽機(jī)柜應(yīng)用中電磁泄漏發(fā)射風(fēng)險(xiǎn)的分析楊宏寧國(guó)家保密技術(shù)研究所摘要：通過(guò)對(duì)屏蔽機(jī)柜連接通信線纜后產(chǎn)生電磁泄漏發(fā)射的原理進(jìn)行分析，指出正確使用屏蔽機(jī)柜進(jìn)行電磁泄漏發(fā)射防護(hù)的方法。關(guān)鍵詞：屏蔽機(jī)柜 電磁泄漏發(fā)射 屏蔽雙絞線 一、 引言隨著人們對(duì)涉密信息系統(tǒng)電磁泄漏發(fā)射危害性認(rèn)識(shí)的逐步加深，在建設(shè)涉密信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)開(kāi)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(jī)柜和干擾器等。其中屏蔽機(jī)柜具有體積小、安裝方便、使用靈活的特點(diǎn)，非常適合在那些不適宜安裝電磁屏蔽室又需要對(duì)信息設(shè)備提供保護(hù)的場(chǎng)合使用。但是實(shí)際檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，通過(guò)了實(shí)驗(yàn)室

2、嚴(yán)格測(cè)試的屏蔽機(jī)柜在實(shí)際使用環(huán)境的使用效果往往達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，這使許多用戶產(chǎn)生了屏蔽機(jī)柜并不能有效防護(hù)電磁泄漏發(fā)射的印象。經(jīng)過(guò)認(rèn)真分析，發(fā)現(xiàn)許多用戶在對(duì)屏蔽機(jī)柜中的設(shè)備進(jìn)行通信線連接時(shí)，往往出于對(duì)成本的考慮不使用光纖，而是直接使用屏蔽雙絞線進(jìn)行連接，連接時(shí)僅僅將屏蔽雙絞線的屏蔽層與柜體進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理，更有甚者將非屏蔽雙絞線直接接入屏蔽機(jī)柜中。這些做法都會(huì)導(dǎo)致屏蔽機(jī)柜的屏蔽效能大大降低，甚至不僅不能提供保護(hù)，反而變成信息泄漏發(fā)射的發(fā)射源。隨著屏蔽機(jī)柜使用得越來(lái)越廣泛，錯(cuò)誤使用的情況也越來(lái)越多，問(wèn)題日益突出，存在泄密隱患。二、屏蔽機(jī)柜連接電纜后的輻射發(fā)射1使用現(xiàn)場(chǎng)屏蔽機(jī)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(wèn)題的最主要因素。在電磁兼容試驗(yàn)中經(jīng)常出現(xiàn)這樣的情況：設(shè)備無(wú)論如何改進(jìn)都無(wú)法通過(guò)電磁兼容試驗(yàn)，但在將設(shè)備的外拖電纜取下時(shí)設(shè)備就能順利地通過(guò)試驗(yàn)；在實(shí)際使用電子設(shè)備時(shí)也經(jīng)常遇到這樣的情況：設(shè)備無(wú)法正常工作甚至經(jīng)常死機(jī)，但將連接電纜拔下來(lái)之后就一切正常了。事實(shí)上，我們?cè)诂F(xiàn)實(shí)中遇到的電磁兼容問(wèn)題，大部分是由電纜引起的。 屏蔽機(jī)柜在實(shí)驗(yàn)室中不連接任何電纜時(shí)能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格要求，但在使用現(xiàn)場(chǎng)卻經(jīng)常只有50dB左右的屏蔽效能甚至完全無(wú)效。這是因?yàn)樵谑褂矛F(xiàn)場(chǎng)將電纜與機(jī)柜進(jìn)行了不正確的連接，在將連接電纜拔掉后機(jī)柜的屏蔽效能又恢復(fù)正常。這說(shuō)明電纜是導(dǎo)致系統(tǒng)屏蔽效能降低的直接原因。事實(shí)

4、上，電纜就是一根高效的接收和發(fā)射天線，若連接不當(dāng)會(huì)直接將機(jī)柜中的電磁泄漏發(fā)射信號(hào)發(fā)射出去。在將非屏蔽雙絞線直接接入屏蔽機(jī)柜這種情況下，相當(dāng)于直接為屏蔽機(jī)柜連入了一根發(fā)射天線，這會(huì)使屏蔽機(jī)柜完全失去屏蔽作用，因此實(shí)際使用時(shí)要絕對(duì)杜絕這種錯(cuò)誤。 2屏蔽機(jī)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(jī)理如圖2.1  其中差模電流回路就是電纜中的信號(hào)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(shū)籍中都可以找到關(guān)于這個(gè)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(lái)使用。該模型相

5、當(dāng)于兩個(gè)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(shí)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(hào)線和信號(hào)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(qiáng)。另外，由于相鄰絞節(jié)中的電流方向相反，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向也相反，則在空間中抵消。因此實(shí)際產(chǎn)生的輻射主要來(lái)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(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)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(jī)柜的情況下，共模電壓的產(chǎn)生主要來(lái)自于機(jī)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(jiàn)，無(wú)論是否使用屏蔽電纜，都會(huì)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(shì)必會(huì)帶來(lái)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(zhǎng)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(duì)電纜進(jìn)行屏蔽處理，即采用屏蔽電纜。在實(shí)際工程中，由于電纜長(zhǎng)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(jì)時(shí)加以考慮，因此較為實(shí)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(jī)柜在使用現(xiàn)場(chǎng)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(shí)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(gè)專業(yè)性較強(qiáng)的問(wèn)題。許多工程師試圖通過(guò)斷開(kāi)機(jī)柜的接地線來(lái)實(shí)現(xiàn)增加共模環(huán)路阻抗的目的，這對(duì)低頻信號(hào)確實(shí)能起到作用，但對(duì)高頻信號(hào)則無(wú)效，因?yàn)閷?duì)高頻信號(hào)來(lái)說(shuō)，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(duì)差模信號(hào)沒(méi)有影響。實(shí)際工程應(yīng)用中將整束電纜穿過(guò)一個(gè)鐵氧體磁環(huán)就構(gòu)成了一個(gè)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(gè)磁環(huán)組成一個(gè)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(cè)其屏蔽效能仍能達(dá)到80dB左右。3使用低通濾波器對(duì)電纜進(jìn)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(hào)導(dǎo)線與金屬的屏蔽柜殼體之間并聯(lián)一個(gè)電容，它能將導(dǎo)線上的共模電流旁路到機(jī)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(shí)也會(huì)影響差模電流。對(duì)于差模電流而言，旁路電容的容量為兩個(gè)共模電容的串聯(lián)，即每個(gè)電容的一半。因此這種方法只適合于傳輸信號(hào)頻率較低的場(chǎng)合。在實(shí)際使用場(chǎng)合，更多的是使用信號(hào)濾波器。信號(hào)濾波器應(yīng)該在每個(gè)插針上

9、都有一個(gè)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(jī)柜內(nèi)電子設(shè)備的輻射場(chǎng)內(nèi)。在使用濾波器時(shí)應(yīng)該注意保證其與機(jī)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(shí)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(shí)屏蔽電纜的屏蔽層會(huì)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(gè)：一是屏蔽層直接遮擋了電纜中差模信號(hào)回路的差模輻射；另一個(gè)是為共模電流提供了一個(gè)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(jiàn)，用屏蔽電纜控制共模輻射的關(guān)鍵在于提供一個(gè)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(jī)柜的搭接阻抗。因此，要構(gòu)成一個(gè)低阻抗回路就要求電纜本身的屏蔽層質(zhì)量要好，同時(shí)要求與屏蔽機(jī)柜的搭接電阻要低。保證電纜屏蔽層與屏蔽機(jī)柜之間的低阻抗搭接的方法是屏蔽層在360°范圍內(nèi)與機(jī)柜連接。這就是說(shuō)電纜的屏蔽層與金屬機(jī)柜構(gòu)成一個(gè)完整的屏蔽體。 如果屏蔽電纜與機(jī)柜連接良好，但另一端屏蔽層沒(méi)有端接，則依然起不到屏蔽作用。這就要求另一端也要進(jìn)行與屏蔽層的低阻抗連接。實(shí)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(gè)共模電流回路上的阻抗符合使用要求。實(shí)際應(yīng)用中，過(guò)多的連接屏蔽電纜會(huì)使出現(xiàn)端接不良的概率增多，同時(shí)使電纜的天線效應(yīng)因電纜數(shù)量的增大而加強(qiáng)，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(shí)必須使用專用的連接器（如D型連接器），連接后要對(duì)性能進(jìn)行測(cè)試。四、屏蔽機(jī)柜的正確使用通過(guò)上面的分析不難看出，要讓屏蔽機(jī)柜正常發(fā)揮屏蔽效能，就必須對(duì)電纜的連接進(jìn)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(lái)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(wèn)題，操作起

12、來(lái)較為困難；使用濾波器連接，相對(duì)于采用屏蔽電纜具有許多優(yōu)點(diǎn)：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(guò)電纜輻射，實(shí)際上干擾信號(hào)在電纜中仍然存在，當(dāng)使用打印機(jī)等設(shè)備時(shí)容易產(chǎn)生交調(diào)，通過(guò)打印機(jī)的天線效應(yīng)輻射出去。 2. 濾波器對(duì)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(zhǎng)時(shí)間使用后搭接點(diǎn)的氧化會(huì)造成屏蔽效能下降。 3. 濾波器的使用可以降低對(duì)電纜端接的要求，使采用價(jià)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?yàn)橐笏胁遽樕隙加幸粋€(gè)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(jì)和制造難度。同時(shí)信息設(shè)備傳輸速度不斷提高，帶寬越來(lái)越寬，而現(xiàn)有的信號(hào)濾波器卻主要是為低頻應(yīng)用設(shè)計(jì)，不能滿足新的要求。使用屏蔽電纜，則必須保證與機(jī)柜的低阻抗連接，同時(shí)屏蔽電纜兩端都需要