电磁屏蔽机柜的研究与设计

2017-10-12周宏元武晨光魏东宾高彦龙

网络安全技术与应用 2017年10期

关键词：机柜导电屏蔽

◆周宏元武晨光魏东宾高彦龙

（中安网脉（北京）技术股份有限公司北京 100070）

电磁屏蔽机柜的研究与设计

◆周宏元武晨光魏东宾高彦龙

（中安网脉（北京）技术股份有限公司北京 100070）

电磁屏蔽机柜是利用金属屏蔽材料并采用严格的加工方法，降低或屏蔽电子设备电磁泄漏、辐射、发射，减弱传导发射的电磁场强，在此基础上利用电磁屏蔽检测设备检测屏蔽效能，有效地降低涉密设备电磁泄漏发射风险，对于解决政府部门、企事业单位特别是涉密部门的网络设备的使用安全提供了可靠的基础保障。本文介绍了电磁泄露材料特性、电磁屏蔽机柜防护原理，同时提出屏蔽效能检测、金属插入检测、温湿度检测和数码显示等技术在电磁屏蔽机柜的应用。

屏蔽机柜；金属检测；电磁泄露

0 引言

计算机系统网络建设遍布各个角落，随之而来的系统安全问题也提到议事日程上来，人们对涉密信息系统电磁泄漏发射危害性的认识逐步加深，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方法建设涉密信息网络。

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。在实际屏蔽机柜检测中发现，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。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，反而变成信息泄露发射的发射源。根据国家《电磁泄漏发射屏蔽机柜技术要求和测试方法》的要求，在充分利用电磁屏蔽技术的基础上，理解屏蔽材料的性能和应用场合、提升屏蔽效能以及利用金属检测技术解决屏蔽机柜的防探测防护难道，配合保密部门对涉密系统的安全保密性进行检查，并指导用户和承建单位建设满足安全保密要求的涉密系统的场所建设。

1 电磁屏蔽机柜的基本组成

电磁屏蔽机柜的组成与普通的机柜很相似，如图1，包括机身、导线管、和机柜内部的电源/UPS、接线板、电缆托架、定位架以及 LCD显示器、金属检测器以及相应传感器等构成基础设备，架子上面可以用来放置交换机、路由器、网桥等网络设备。

图1 电磁屏蔽机柜基本构成

2 电磁屏蔽材料的选型设计

电磁屏蔽技术的进展，促使屏蔽材料的形式不断发展，而不再局限于单层金属平板模式，屏蔽效能也不断提高。应用时要特别注意不同的屏蔽材料具有不同的屏蔽效能和应用场合。现在实际工程中常用的屏蔽材料有：

2.1 金属平板

电子设备采用金属平板做机箱，既坚固耐用，又具有电磁屏蔽作用。其电磁屏蔽效能与金属平板材料性质、电磁场源性质、电磁场源与金属平板的距离、屏蔽体接地状况等参数有关。屏蔽性能如下表1所示，可以看出，铁和钢的屏蔽性效好。

表1 金属材料屏蔽性能

2.2 金属丝网

当有通风、透光、加水、测量等需要时，要在设备外壳上开孔，为提高设备的电磁屏蔽效果，应采用金属丝网的孔眼屏蔽。或用于电子设备壳体的接缝处，提供有效的电磁屏蔽。

2.3 全金属丝网衬垫

全金属丝网衬垫是一种弹性的、导电的编织型金属衬垫丝网条，用于电子设备壳体的接缝处，提供有效的电磁屏蔽。应用时，铸造或机加工的壳体选用矩形截面的全金属丝网衬垫，板金壳体选用圆形截面的全金属丝网衬垫，压缩量为原高度的25%左右。全金属丝网衬垫的屏蔽效能见表2。

表2 全金属丝网衬垫的屏蔽效能

镀锡磷青铜 80 130 110 100铝 60 130 90 80镍铜合金 60 130 90 80

2.4 屏蔽薄膜

当今许多电子设备采用工程塑料做机箱，由于工程塑料的加工工艺性能好，使机箱既造型美观，又成本低、质量轻。但工程塑料无电磁防护性能。屏蔽薄膜是采用喷涂、真空沉积、电镀和粘贴等工艺技术，在工程塑料和有机介质的表面覆盖一层导电膜，从而起到平板屏蔽的作用。一般导电膜的厚度小于电磁波在其内部传输播波长的 1/4。如今工艺下的几种喷涂效能达到的屏蔽效能如表3。

表3 几种喷涂工艺达到的屏蔽效能

2.5 金属丝网屏蔽玻璃

金属丝网屏蔽玻璃是将金属丝网压在两层玻璃之间，不仅能提供有效的电磁屏蔽，还可以提供有效的透光。可用于电子设备的观察窗口，例如表头、数字或图象显示器等。金属丝网屏蔽玻璃的屏蔽效能见表4。

表4 金属丝网屏蔽效能

3 电磁屏蔽机柜的屏蔽措施

3.1 接缝处理

在屏蔽体的接缝处，由于结合表面不平整、不干净、焊接质量不好、紧固螺钉之间存在空隙等原因，在接缝处存在缝隙，致使屏蔽体的屏蔽效果降低。对固定的接缝最好采用连续焊接。焊接前，应将要焊接表面的非导电物质清除干净。要尽可能对全部外壳间断处进行搭接。对非固定的接缝应采用并压紧导电衬垫，以提高接缝的电磁密封效果。常用的导电衬垫材料有金属编织物、含有金属丝的橡胶等。对活动的接缝，如门框上，采用弹性簧片以提高接缝的电磁屏蔽效果。导电衬垫的固定方式有沟槽定位、粘贴固定和肋片紧固等方式。

为提高缝隙的屏蔽效能可采取以下措施：

（1）增加金属板厚度，可通过增加旁边长度来实现；

（2）减少结合面缝隙宽度，可通过提高结合面加工精度、焊接或整体铸造来实现；

（3）加装导电衬垫，常用的导电衬垫有编织金属网、软金属、梳状簧片、导电橡胶等；

（4）在接缝处涂导电涂料，常用的导电涂料有导电胶、导电脂等；

（5）调整紧固钉间距，使其小于λ/20（λ为电磁场的波长）。

3.2 孔眼屏蔽

当有通风、照明、加水、测量等需要时，为提高设备的电磁屏蔽效果，应采用孔眼屏蔽。孔眼屏蔽的效果与电磁波的频率、孔眼的尺寸和数量等参数有关。

3.3 编织屏蔽

因电缆需要活动和弯曲，其屏蔽采用编织带的形式。编织带的屏蔽效果随编织密度的增大而增加，随电磁波的频率的增大而降低。一般电缆的屏蔽层是用不导磁的金属丝编织的，可以实现电场屏蔽。如需实现磁场屏蔽，电缆的屏蔽层应采用导磁的金属丝编织。

3.4 蜂房板屏蔽

当设备的通风和屏蔽要求较高时，采用蜂房板屏蔽有较好的效果。蜂房板屏蔽是利用许多并列的六角形金属管焊在一起构成。其中每一个金属管都起波导衰减器的作用，而通风的风压降不大。蜂房板的电磁屏蔽效果取决于波导管的衰减特性，即与波导管的几何尺寸有关。

3.5 面板孔屏蔽

当设备需要安装表头、数据或图形显示器时，应对面板孔加以屏蔽，以保证屏蔽的完整性。面板孔屏蔽的较好方法为在表头或显示器的后方设置屏蔽罩。屏蔽罩通过导电衬垫与金属面板连接，通过屏蔽罩的进出线设置穿心电容。

3.6 电连接器屏蔽

选择的屏蔽式电连接器应有足够的插针，供电缆内各个屏蔽层在电连接器头端接。为保证屏蔽的完整性，要沿着电缆一周，将电缆的外屏蔽层和电连接器整个地连接，最好是焊接；电连接器通过导电衬垫与设备的金属外壳保持良好的电气连接。

3.7 多层屏蔽

当单层屏蔽的效果达不到要求时，可以采用多层屏蔽。特别是对频带较宽的屏蔽，分别采用电导率和磁导率高的几种材料组成多层屏蔽可以达到对高频电场和低频磁场均有较好效果屏蔽。

3.8 印刷电路板的屏蔽

（1）在电磁干扰源和对电磁干扰敏感的接收电路之间设置导线屏蔽，接到电路板的基准电位上。

（2）将导电线条之间的涂覆层尽量多地保留，并接到电路板的基准电位上。

（3）在印刷电路板的三个周边设置地线。

（4）对电磁干扰源和对电磁干扰敏感的接收电路分别设置屏蔽罩，并接到电路板的基准电位上。

（5）在印刷电路板之间设置屏蔽板，并接到电路板的基准电位上。

3.9 导电纤维

（1）在化纤织物上镀铜、镍后制成导电布，可对高频和微波具有灵活的屏蔽性能。

（2）将导电布和树脂复合制成吸收导电布，由于选用能吸收电磁波的树脂，因此屏蔽性能更好。

（3）用导电良好的金属或碳黑纤维和化纤混合制成导电布。

以上3种导电织物可以做防静电和防电磁辐射的工作服，做屏蔽窗帘、账篷、保护罩，其屏蔽效能一般在50～60dB。

（4）用导电纤维和木浆混合制成导电纸，可以做敏感集成电路的屏蔽包装，其屏蔽效能一般在30～40dB。

（5）由许多独立的金属丝合成到硅橡胶中制成的定向金属丝填充硅橡胶，能提供有效的电磁屏蔽和环境密封，常用于非固定缝隙。

4 电磁屏蔽机柜的屏蔽效能测试

4.1 电磁波屏蔽损耗计算方法

（1）电磁波反射损耗：

由于空气和屏蔽金属的电磁波阻抗不同，使入射电磁波产生反射作用。而空气的电磁波阻抗在不同场源和场区中是不一样的，分别计算如下：

磁场源近场中的反射损耗R(dB)为：

式中：μr为相对磁导率；

σr为相对电导率；

f为电磁波频率（Hz）；

D为辐射源到屏蔽体的距离（cm）。

电场源近场中的反射损耗R(dB)为：

电磁场源远场中的反射损耗R(dB)为

（2）电磁波吸收损耗：

当进入金属屏蔽内的电磁波在屏蔽金属内传播时，由于衰减而产生吸收作用。吸收损耗A(dB)为：

式中：d为屏蔽材料厚度（mm）。

（3）多次反射损耗：

电磁波在屏蔽层间的多次反射损耗B(dB)为：

式中：Zm为屏蔽金属的电磁波阻抗；

Zw为空气的电磁波阻抗。

当A>10dB时，一般可以不计多次反射损耗。

4.2 机柜电磁屏蔽效能测试原理

采用电磁波屏蔽损耗计算方法，利用专用芯片对电磁波的能量进行检测，采用近场天线，以射频芯片为核心组成信号发送设备，放在机柜内部，射频天线发送一定频率信号高频信号，该频率信号不会对机柜内部设备造成干扰。在机柜外部安放接收设备，接收天线与发射天线距屏蔽体外边缘为30CM；调节发射频率与幅度，接收设备收到屏蔽后的信号，判断接收信号是否大于特定值时，确定屏蔽效果达到的预定值，产生的报警在 LCD上进行显示。电磁屏蔽机柜的屏蔽效能检测设备如图2所示：

图2 电磁屏蔽机柜屏蔽效能检测设备

（1）发送设备

由电源、处理器、射频天线组成，发射天线为感性负载，可以通过处理器调节发射信号的增益和频率。

图3 电磁屏蔽机柜基本构成

（2）接收设备

图4 电磁屏蔽机柜基本构成

接收设备由接收天线、处理器、电源组成，检测发送设备发出的射频信号，并在电磁场短时间周期性地接收，工作于雷达工作方式。接收和发送设备要考虑了天线的尺寸，小天线的增益是有限的，增益的大小取决于辐射模式的类型，全向的天线具有峰值增益0到2dBi，方向性的天线的增益可以达到6dBi，增益大小影响天线的作用距离。

5 电磁屏蔽机柜检测设备设计

图5 电磁屏蔽机柜屏蔽效能检测设备硬件框图

电磁屏蔽机柜屏蔽效能检测发送设备与接收设备通过RS485信号相联，该总线传输温湿度数据，机柜外部的接收装置能实时显示温湿度值；针对一些特殊需求，机柜需要配有金属检测模块，当有金属探头通过机柜的穿线孔时，可以通过金属插入检测线圈进行检测并发送报警数据给接收设备的LCD屏。

电磁屏蔽机屏蔽效能检测发送设备：由天线、射频模块、MCU、金属插入检测线圈、温湿度模块组成。MCU是发送设备的核心，MCU处理的信号通过射频模块传送给发送设备的天线，特定的射频信号由天线发射出去。

电磁屏蔽机屏蔽效能检测接发设备：由天线、射频模块、MCU、LCD显示模块组成。MCU是接收设备的核心，发送设备和接收设备通过无线通信实现屏蔽机柜内外射频数据的识别。

各模块的电路设计：

本系统硬件电路分为发送设备电路、接收设备两部分，两部分使用同型号MCU，MCU是两设备的数据处理控制核心。它不仅要控制射频处理模块完成对收发数据的读写，还要负责通过RS485通信接口以及显示设备等其他外部设备的控制。MCU选用的是STC11F32，它是宏晶科技公司生产的单时钟／机器周期(1T)的单片机，是高速、低功耗、具有超强抗干扰能力的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍。内部集成高可靠复位电路，可用在高速通信、智能控制、强干扰等场合；内部有32 KB的Flash、29KB的EEPROM和1 280字节的SRAM；EA、ALE、PSEN和RST引脚可以定义为通用I／O，即4个P4引脚；编程支持ISP下载功能，使用起来比较方便。

射频部分电路采用MF RC522，该芯片利用了先进的调制和解调概念，完全集成了在13.56MHz 下所有类型的通信方式和协议。支持ISO14443A的多层应用。其内部发送器部分可驱动读写器天线通信，无需其它的电路。此外，它还支持快速 CRYPTO1 加密算法，用于验证 MIFARE 系列产品。MFRC522支持MIFARE®更高速的非接触式通信，双向数据传输速率高达424kbit/s。

天线采用 PCB布线形成，天线在发送和接收设备之间传送信息，天线的有效电磁场范围就是系统的工作区域。

发声的器件选用蜂鸣器，该器件使用方便、价格便宜。单片机的IO口驱动能力有限，不能直接驱动蜂鸣器发声，通过三极管来驱动蜂鸣器，显示部分采用LCD12864液晶显示模块。

金属检测模块采用LDC1000，该芯片是一款非接触式、短程传感的电感检测传感器芯片，它的内置处理芯片具有SPI通信接口，能够很方便地与单片机进行通信。LDC1000只需要外接一个PCB线圈或者自制线圈就可以实现非接触电感检测，测试外部金属物体和 LDC相连的测试线圈的空间位置关系。利用这个特性配以外部设计的金属物体，即可很方便地实现水平或垂直距离检测、角度检测、位移检测、运动检测、振动检测和金属成分检测。