Elektromagnetische Schirmung

Transkript

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2 Elektromagnetische Schirmung

3 Hans A. Wolfsperger Elektromagnetische Schirmung Theorie und Praxisbeispiele 123

4 Dr.-Ing. Hans A. Wolfsperger W+R Schirmungstechnik GmbH Heubergstraße Bad Aibling wolfsperger@schirmungstechnik.de ISBN e-isbn DOI / Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar Springer-Verlag Berlin Heidelberg Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden dürften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z. B. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für die Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen. Einbandgestaltung: WMXDesign GmbH, Heidelberg Printed on acid-free paper springer.com

5 Meinem Vater, dem ich so viel verdanke.

6 Zu diesem Buch Mit vermehrter Anwendung elektromagnetischer Felder nimmt auch deren Schirmung an Bedeutung zu. Daher widmet sich dieses Buch diesem Thema, als erstes Werk im deutschsprachigen Raum. Es wendet sich nicht nur an Entwickler der Elektro- und Elektronikindustrie, sondern auch an Anlagen- und Gebäudeplaner sowie Sicherheitsbeauftragte kritischer Infrastrukturen, wie Rechenzentren, Anlagen der Energie- und Wasserversorgung, Produktionsanlagen etc. Eine weitere Zielgruppe sind Verantwortliche im Bereich Informationssicherheit und Geheimschutz. Dieses Buch so aufgebaut, dass man es von vorn nach hinten komplett lesen kann, vom Allgemeinen hin zum Speziellen. Allerdings werden dies nur die wenigsten Leser tun. Die meisten werden sich diejenigen Abschnitte heraus suchen, die sie interessieren. Dies ist auch durchaus legitim und ich habe versucht, dieser Art der Anwendung entgegen zu kommen, selbst wenn sich dadurch gelegentlich Wiederholungen ergeben. Da sich dieses Buch an einen breiten Anwenderkreis wendet, der auch Leser mit geringem elektrotechnischem Vorwissen einschließt, sind im Kapitel 2 Grundlagen und Begriffe der elektrotechnischen Welt erklärt. Dies mag einen Feldtheoretiker langweilen. Er mag daher gleich ins Theoriekapitel 3 springen, ohne dass er deshalb aus dem Zusammenhang gerissen würde. Umgekehrt ist es für die Praxis, die in den Kapiteln 4 bis 6 beschrieben ist, nicht unbedingt erforderlich, das Theoriekapitel durchzuackern. Um dem Leser das Hin- und Herblättern zu ersparen, wurden Tabellen und Schaubilder an der passenden Stelle eingefügt und auf einen

7 VIII Zu diesem Buch Anhang verzichtet. Ebenso werden Formelzeichen und Abkürzungen am Ort des ersten Auftretens erklärt. Im Theoriekapitel sind sehr viele mathematische Beziehungen aufgeführt, die zur Berechnung von Feldern oder der Dimensionierung von Schirmen erforderlich sind. Dafür wurde versucht, den Praxisteil weitgehend frei von Mathematik zu halten. Für die Schreibweise in Formeln gilt: a1 A = a 2 Vektor A ( x, y,z) A a Vektorfeld skalare (auch komplexe) Variable bzw. Betrag des Vektors A skalare (auch komplexe) Variable, auch Pegelmaß einer Größe A in db Zeitveränderliche Größen vom Typ a(t) sind als zeitabhängige Funktionen entsprechend gekennzeichnet. Sinusförmige Größen werden wenn nicht anders angegeben als komplexe Variable mit abgespaltener Zeitfunktion e jωt angegeben. Einheitsvektoren sind mit e benannt, wobei die Richtung meist durch einen Index bezeichnet ist, z. B. e x : Einheitsvektor in x-richtung. Normaleneinheitsvektoren werden mit n bezeichnet. Auch Linien (S), Flächen (A) oder Volumen (V) werden mit Großbuchstaben bezeichnet. Damit sind keine skalaren oder vektoriellen Größen gemeint. Diese Bezeichnungen sind vielmehr als Abkürzungen für diese Gebilde zu verstehen. Hervorhebungen, Begriffe, Eigennamen und Zitate sind in kursiven Buchstaben gedruckt. Besonders wichtige Tatsachen und Merksätze sind eingerahmt. Anmerkungen und die Biographien einiger wichtiger Persönlichkeiten sind in einem kleineren Schriftgrad gesetzt.

8 Zu diesem Buch IX Dieses Buch entstand innerhalb eines Zeitraums von 5 Jahren. In dieser langen Zeit kamen ständig neue Erfahrungen hinzu, die hauptsächlich in die Praxiskapitel 4 6 eingeflossen sind. In dieser langen Zeit war ich viele Abende zuhause nur körperlich anwesend. An allererster Stelle gebührt mein Dank daher meiner Familie: Nur durch ihre Geduld und Fürsorge war es mir möglich, dieses Buch zu schreiben. Besonderer Dank gebührt auch meinem Doktorvater Herrn Prof. Dr.-Ing. Adolf Schwab. Weiter danke ich: Für fachliche Beiträge und / oder Korrektur: Herrn WIng. Dietmar Gieselbrecht, Herrn Dr.-Ing. Wolfgang Kürner, Herrn Dipl.-Ing. Peter Reiser. Meinen Diplomanden und Mitarbeitern, Herrn Dipl.-Ing. Dietmar Jordan, Herrn Dipl.-Ing. Heiko Strehlow und Herrn Dipl.-Ing. Uwe Tschan. Den Kollegen der emscreen GmbH, namentlich Herrn Dipl.-Ing. Johan de Schacht, Herrn Dipl.-Ing. Thomas Fritz, Herrn Mangstl, Herrn Müller, Herrn Dipl.-Ing. Gerhard Wahrmann, Herrn Dipl.-Ing. Gerd Witzmann. Außerdem danke ich Herrn Dr.-Ing. Jürgen Bernauer und Herrn Prof. Johan Catrysse. Bad Aibling, im November 2007 Hans A. Wolfsperger

9 Inhalt 1 Einleitung Warum Schirmung? Vorkommen elektromagnetischer Felder Schirmung in der EMV Schirmung in der EMVU Schirmung zum Informationsschutz Sonstige Anwendungen elektromagnetischer Schirmung Abgrenzung des Begriffs elektromagnetische Schirmung Nicht-elektromagnetische Felder, Wellen oder Strahlen Elektromagnetische Strahlung, deren Abschirmung nicht zum Themengebiet elektromagnetische Schirmung gehört Grundlagen und Begriffe Der Feldbegriff Die elektrische Feldstärke Die elektrische Flussdichte Die magnetische Flussdichte Die magnetische Feldstärke Die Materialgleichungen Verhalten von elektrischen und magnetischen Feldern an Grenzflächen Feldursachen...29

10 XII Inhalt Ladungen als Ursache des elektrischen Feldes der Satz vom Hüllenfluss Die Quellenfreiheit des magnetischen Feldes Magnetische Wechselfelder als Ursache des elektrischen Feldes das Induktionsgesetz Ströme als Ursache des magnetischen Feldes das Durchflutungsgesetz Übersicht Material- und Maxwellgleichungen Wellenausbreitung Entstehung einer elektromagnetischen Welle Ebene Welle Harmonische Welle Dämpfung und Absorption Reflexion Darstellung von Zeitverläufen im Frequenzbereich Fourier-Reihenentwicklung Fourier-Transformation Begriffe der elektromagnetischen Schirmung Pegel in db Schirmdämpfung, Schirmfaktor Verweis auf weitere Begriffe der elektromagnetischen Schirmung Begriffe der Kabelschirmung Theorie der elektromagnetischen Schirmung Feldtypen und deren Abschirmmechanismen Das elektrostatische Feld der elektrostatische Schirm Das magnetostatische Feld der magnetostatische Schirm Das quasistationäre elektromagnetische Feld der elektrodynamische Schirm Elektromagnetische Wellen: Absorption, Reflexion und Transmission Feldeinkopplung durch Öffnungen Beschreibung der Feldeinkopplung mit Ersatzdipolen Berechnung der Feldverteilung in perforierten Schirmen durch Dipol-Spiegelung...179

11 Inhalt XIII Schirmwirkung von Lochblechen und Drahtgeweben Einkopplung von Feldern durch lange Schlitze Theorie der Kabelschirmung Die Kopplungsimpedanz Die Kopplungsadmittanz Die Kopplungsdämpfung Kopplungsimpedanz und Kopplungsdämpfung versus Schirmdämpfung Praxis der elektromagnetischen Schirmung Materialien und Materialeigenschaften Materialien mit hoher Permeabilität zur Schirmung magnetostatischer Felder Materialien mit hoher elektrischer Leitfähigkeit zur Schirmung von magnetischen Wechselfeldern und elektromagnetischen Wellen Alternative Schirmungsmaterialien Materialstärke Leitfähigkeit, Permeabilität und Dielektrizität Oberflächenverhalten und Korrosionsbeständigkeit Komponenten der elektromagnetischen Schirmung HF-Dichtungen Durchführung elektrischer Leitungen durch Schirme Lichtwellenleiter-Durchführungen, Medienkonverter Wabenkamineinsätze Klebebänder Gehäuseschirmung Bauarten von Schirmgehäusen IP-Schutz Kontaktierung von Gehäuseteilen Magnetfeldschirmung Einfluss von Öffnungen Schirmung von Luftzuführungen Schirmung von Displays und Bedienelementen Stromversorgung von geschirmten Gehäusen und Schränken...301

12 XIV Inhalt 4.4 Raumschirmung Geschirmte Räume in Modulbauweise Architektonische Raumschirmung Geschweißte Schirmung Schirmung auf den Außenwänden von Gebäuden Geschirmte Zelte Schirmwirkung von Gebäuden Magnetfeldschirmung von Räumen und Kabeltrassen Planung von Raumschirmungsprojekten Kabelschirmung Allgemeines zur Kabelschirmung Koaxialkabel Twisted-Pair Kabel / Datenkabel Vergleich der Schirmwirkung unterschiedlicher Kabelschirme Erdverbindung von Kabelschirmen Geschirmte Steckverbinder Metallschläuche zur Schirmung von Kabeln und Kabelbündeln Messverfahren und Normen Messverfahren zur Bestimmung der Schirmdämpfung von Materialien (Intrinsic-Schirmdämpfung) Dual-Chamber-Box nach ASTM-Norm Transmission-Line-Holder nach ASTM bzw. NBS Norm Doppel-TEM-Zelle Genormte Verfahren zur Messung der Schirmdämpfung von Gehäusen DIN EN DIN EN VG Genormte Verfahren zur Messung der Schirmdämpfung von geschirmten Räumen IEEE MIL-STD DIN EN

13 Inhalt XV 5.4 Genormte Verfahren zur Messung der Einfügungsdämpfung von Filtern MIL-STD 220A CISPR Genormte Verfahren zur Messung der Schirmwirkung von Kabelschirmen, Schirmschläuchen und Verbindungssteckern Triaxialmethode Absorptions-Messwandlerzange Strominjektion (Paralleldrahtverfahren) Alternative Messverfahren Schirmdämpfungsmessungen von Gehäusen in Modenverwirbelungskammern Messung der Feldstärken an metallischen Oberflächen mit elektrisch kleinen Oberflächenstromsensoren Automatisierte Messung der Feldverteilung in Gehäusen Messung der Schirmdämpfung mit Strominjektion Anwendungen elektromagnetischer Schirme Der Schirm als EMV-Entstörmittel EMV-Normung HF-Schirmung zur Verbesserung des EMV- Verhaltens Schirmung quasistatischer Magnetfelder zur Verbesserung des EMV-Verhaltens Schirmung und Blitzschutz Einsatz elektromagnetischer Schirme zum Schutz des Menschen EMVU-Normung Maßnahmen zur Einhaltung von EMVU- Grenzwerten Einsatz elektromagnetischer Schirme in der Medizintechnik Elektromagnetische Schirmung zum Informationsschutz Abhörschutz Abstrahlschutz (TEMPEST)...465

14 XVI Inhalt Funktionsüberwachung der Raumschirmung Schutz gegen EMP und vorsätzliche elektromagnetische Beeinflussung Elektromagnetische Pulse (EMP) HPM- / EMP-Bedrohungsszenarien HPM- / EMP-Schutz Normung des EMP-Schutz Literaturverzeichnis Stichwortverzeichnis...495

15 1 Einleitung 1.1 Warum Schirmung? Vorkommen elektromagnetischer Felder Elektromagnetische Felder sind überall: Elektrische Antriebe, Hörfunk, Fernsehen, Mobilfunkgeräte, Mikrowellenöfen, Satellitenkommunikation alle diese Geräte bzw. Systeme benötigen elektromagnetische Felder um zu funktionieren und uns damit den Alltag und das Berufsleben zu erleichtern. In der Medizintechnik nutzen viele Diagnose- und Therapieverfahren elektromagnetischer Felder und retten damit täglich Leben (Beispiel Magnetresonanztomographie, MRT). Der Nutzen des Elektromagnetismus ist unbestritten. Unser hoher Lebensstandard ist das Ergebnis einer technisch-wirtschaftlichen Entwicklung, für die die Anwendung elektrischer Energie zur unverzichtbaren Grundlage geworden ist. Grundlage auch für neue Daten- und Kommunikationsnetze, die nicht nur unsere Infrastruktur revolutionieren, sondern auch unsere Gesellschaft. Mit zunehmender Verbreitung elektrischer Geräte dringen diese Tatsachen ins Bewusstsein der Öffentlichkeit vor. Allerdings wachsen bei manchen Menschen auch Befürchtungen, dass die Anwendungen des Elektromagnetismus auf Lebewesen, insbesondere auf den Menschen, schädlich wirken. Mit der zunehmenden Verbreitung elektromagnetischer Felder wird daher immer häufiger die Frage gestellt, wie deren Intensität verringert werden kann, mit anderen Worten, wie elektromagnetische Felder abgeschirmt werden können. Dabei herrschen oft unklare Vorstellungen über die Art des elektromagnetischen Feldes, seine Feldstärke und seinen zeitlichen Verlauf bzw. seine Frequenz. Die Frage der Dämpfung elektrischer oder magnetischer Felder bzw. Wel-