電磁屏蔽暗室中的接地設(shè)計

郭 浩，張部生，梁 婷

(中國人民解放軍63880部隊 技術(shù)部，河南 洛陽471003)

隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，電磁屏蔽暗室的要求日益增加，暗室試驗期間的電磁環(huán)境越來越復(fù)雜。為使暗室系統(tǒng)能穩(wěn)定工作并抑制電磁干擾，良好的接地技術(shù)是保障系統(tǒng)安全和電磁兼容性能的基礎(chǔ)，同時也避免了由于接地不良或不當(dāng)所構(gòu)成的新干擾源。

接地技術(shù)起源于強(qiáng)電技術(shù)，由于電壓高、功率大，容易危及人身安全，需要將電網(wǎng)的零線和各種電氣設(shè)備的外殼通過導(dǎo)線接地，使之與大地等電位，以確保人身安全。現(xiàn)在電子設(shè)備和系統(tǒng)的接地同時也滿足抑制干擾的需要［1］。不合理或不良的接地，將會使暗室測試系統(tǒng)工作受到干擾，影響測試的正常運(yùn)行。良好正確的接地是保障系統(tǒng)電磁兼容性能的重要環(huán)節(jié)，可降低或消除各種形式的干擾，從而保證其可靠穩(wěn)定的工作。本文就系統(tǒng)接地設(shè)計的原則和電磁屏蔽暗室工程中的實踐進(jìn)行初步探討，得出幾點實用的設(shè)計指導(dǎo)原則。

1 接地技術(shù)的意義及分類

接地技術(shù)是防止電磁干擾、增加電子設(shè)備兼容能力、提高設(shè)備可靠性的重要方法。設(shè)備或系統(tǒng)的接地，其目的有兩個:一是為設(shè)備或系統(tǒng)提供一個信號電壓的公共參考點;二是為了人身和設(shè)備的安全［2］。在電路設(shè)計中有90%左右的電磁兼容問題是由于接地不當(dāng)造成的。如果設(shè)計之初就考慮布局與地線問題，可使電磁干擾問題得到有效的預(yù)防。實際使用中電磁屏蔽效果在較大程度上依賴于屏蔽體的結(jié)構(gòu)與接地設(shè)計，接地不當(dāng)就會引起電磁干擾。所以，電子電氣系統(tǒng)設(shè)計時，必須重視接地技術(shù)設(shè)計和處理［3］。

根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，通常電路和用電設(shè)備的接地按其功能分為兩大類:安全接地和信號接地［4］。

安全接地是為使操作人員不發(fā)生觸電危險而采取的一種積極措施，其主要是采用低阻抗的導(dǎo)體將用電設(shè)備外殼連到大地上，使操作人員不會因漏電或故障放電而發(fā)生觸電危險。主要包括設(shè)備接零保護(hù)、防雷接地等。

信號接地就是在系統(tǒng)和設(shè)備中，采用低阻抗的導(dǎo)線為各種電路提供具有共同參考電位的信號返回通路，使流經(jīng)該地線的各種信號電流互不影響。信號接地不一定與大地等電位。在多數(shù)情況下，安全接地點不適合用做信號接地點，因為這樣會使噪聲問題更加復(fù)雜。

2 接地方式

從系統(tǒng)電位參考點角度考慮，接地方式可分為單點接地、多點接地和混合接地等［5］。

2.1 單點接地

在一個線路中，只有一個物理點被定義為接地參考點，而所有電路的信號地線均連接在參考點上。如圖1所示，單點接地還可分為串聯(lián)和并聯(lián)形式。單點接地沒有地環(huán)路和公共阻抗耦合，因而，可避免電磁騷擾。當(dāng)接地線的長度遠(yuǎn)小于電路工作波長，可采用單點接地，即單點接地方式在低頻時工作更好。如低頻信號電纜的屏蔽層只要單點接地，而高頻電纜則需在屏蔽層兩端接地。

圖1 單點接地的布置圖

2.2 多點接地

在多點接地方式中，每一設(shè)備均嚴(yán)格地搭接至牢固的接地導(dǎo)電面，然后將該面接大地以保證安全，如圖2所示。多點接地在高頻時運(yùn)轉(zhuǎn)更好，這種接地方式的尺寸大于工作頻率波長。在高頻時，各連接系統(tǒng)在不同點有不同電位，這些系統(tǒng)需要在多點接地至零參考電位。高頻時寄生容抗代表一個低阻抗通道，而子系統(tǒng)間共模電流再次流動或形成不等電位。

2.3 混合接地

在混合接地配置方式中，在低頻時是單點地，高頻時是多點地。圖3所示，這種接地方式的電路，其中激勵電路與傳感電路的底殼位置要接地，而同軸電纜的屏蔽體應(yīng)在兩端連至底殼接地。此處一個對地的電容可代替低頻電流環(huán)路。在高頻時，電容則產(chǎn)生低阻抗即電纜屏蔽體被接地。因此這一電路可同時實現(xiàn)低頻時的單點接地和高頻時的多點接地。

2.4 浮動接地

浮動信號接地系統(tǒng)要與設(shè)備室、建筑物、大地以及其他導(dǎo)電體在電氣上進(jìn)行隔斷，以免除接地系統(tǒng)中存在的噪聲電流耦合環(huán)，不讓其在信號電路中流動，如圖4所示。其優(yōu)點是接地阻抗較大，直流地環(huán)路電流小，減小高頻干擾的地環(huán)路干擾，不易受大地電性能的影響;缺點是受寄生電容影響在頻率較高時會提供較低的阻抗，不能有效減小高頻地環(huán)路電流，導(dǎo)致地電位變動，增加對模擬電路的差模干擾，產(chǎn)生靜電積累而導(dǎo)致靜電放電，造成靜電擊穿或強(qiáng)烈的干擾。浮地的效果取決于浮地絕緣電阻、寄生電容和信號頻率。

圖4 浮動信號接地圖

3 暗室中的接地處理

電磁屏蔽暗室用于電磁兼容測試以及電子裝備仿真試驗等領(lǐng)域，在硬件和軟件上采取大量的抗干擾措施。所以，一般不需要采取特別的抗干擾措施便可直接使用。但是，暗室長期處于強(qiáng)電磁場、強(qiáng)干擾的環(huán)境下，為保證系統(tǒng)在這樣惡劣的環(huán)境下安全可靠地進(jìn)行測試工作，避免誤動作，必須采取良好的接地措施。

電磁屏蔽暗室試驗具有自身的特點:頻帶寬、測試信號中有微弱信號、容易受到干擾。因此，必須對接地提出相比一般電子實驗室更高的要求:(1)接地電阻較小，一般要求＜4Ω。(2)整個接地裝置要有良好的高頻特性，以滿足高頻信號和沖擊信號接地的要求。(3)接地線有效導(dǎo)電面積較大，能夠滿足沖擊電壓、沖擊電流試驗的要求。

3.1 配電系統(tǒng)接地

設(shè)備的接地是保證電路無干擾工作的主要環(huán)節(jié)。配電設(shè)計中，試驗區(qū)和操作控制室采用獨立的供電系統(tǒng)，并使用不同相電源，經(jīng)過各自濾波器，避免控制室內(nèi)的干擾信號通過電源線傳入暗室內(nèi)。

接地裝置由接地線和接地體組成。在相同幾何截面積的條件下，矩形截面的周長大于圓截面，且寬厚比越大，則截面周長越大，其等效半徑也越大。所以，接地線采用高頻性能最好的扁銅帶。接地平板應(yīng)用紫銅板，其最小厚度為0.25 mm，接地平板與屏蔽室殼體搭接，直流搭接電阻不應(yīng)超過3 mΩ，兩個搭接點之間間距不應(yīng)超過80 cm。

建筑物中的鋼筋骨架、金屬結(jié)構(gòu)件和上下金屬管道等可用作自然接地體。在建筑物設(shè)計及建造過程中應(yīng)充分考慮采用自然接地體，并作一些相應(yīng)的特殊處理，但自然接地體一般達(dá)不到暗室接地的要求，通常要埋設(shè)人工接地體。

3.2 屏蔽接地

考慮屏蔽接地問題時，需考慮兩個方面的問題:一是系統(tǒng)的自兼容問題;二是由于外部干擾耦合進(jìn)地回路所導(dǎo)致的問題。將系統(tǒng)屏蔽，并將屏蔽體接大地，既能限制內(nèi)部電磁波向外輻射，也能阻擋外部電磁波向內(nèi)輻射，抑制空間傳播電磁干擾。

接地技術(shù)是解決這兩個問題的重要手段。暗室的屏蔽接地主要采取以下措施:(1)暗室屏蔽殼體上多點與建筑地相連，屏蔽體接地電阻＜0.5Ω。(2)暗室屏蔽殼體的多點接地是通過屏蔽體的鋼柱、地面鋼板、側(cè)面支撐及頂部吊點等鋼結(jié)構(gòu)件與母體建筑物錨筋、埋鐵等進(jìn)行廣泛連接的方式來實現(xiàn)的。(3)暗室設(shè)置了多個電源濾波器，為泄放濾波器的漏電流，在電源濾波器所在位置設(shè)置接地塊，與屏蔽地線相接。(4)接地網(wǎng)由外系統(tǒng)提供，接地電纜設(shè)置到暗室大門的北側(cè)。接地網(wǎng)的接地電阻＜0.5Ω。另外，外系統(tǒng)提供的預(yù)埋鐵也應(yīng)與接地網(wǎng)良好連接。(5)暗室接地系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)與建筑防雷保護(hù)地截然隔開。

3.3 設(shè)備信號接地

測試所需的大量設(shè)備信號通過接地濾波器引入室內(nèi)。在暗室實驗區(qū)和操作平臺電纜溝內(nèi)設(shè)接地端，在試驗維護(hù)區(qū)內(nèi)，根據(jù)測試設(shè)備需設(shè)置對應(yīng)的接地。

3.4 電纜的屏蔽層接地

屏蔽線有用于低頻設(shè)備的單芯、兩芯及多芯的普通屏蔽線，雙絞屏蔽線和用于高頻設(shè)備的同軸電纜等。由于其使用環(huán)境、條件及傳輸信號的不同，因此在實施屏蔽時的接地方式也不同［6］。

用于低頻設(shè)備測試連接的屏蔽線通常采用單點接地方式。接地點應(yīng)當(dāng)與電路的接地點一致。對于多層屏蔽電纜，每個屏蔽層應(yīng)在一點接地，各屏蔽層應(yīng)相互絕緣。如果此時采用的屏蔽線的屏蔽層有兩個以上接地點時，有可能通過屏蔽層構(gòu)成噪聲地線回路而產(chǎn)生噪聲電流，從而在屏蔽芯線上產(chǎn)生噪聲電壓。

對高頻電路電纜的屏蔽層接地，應(yīng)采用多點接地的方式。若實現(xiàn)困難至少應(yīng)將屏蔽層兩端接地。電纜屏蔽層的兩端接地是連接屏蔽線的一種實用的接地方法。在長電纜傳輸信號的場合，電纜屏蔽層應(yīng)采用多點接地，確保兩接地點間的電纜長度超過信號波長的1/4，以減少接地阻抗和防止電纜傳輸中的反射干擾。

4 工程設(shè)計

以上述分析作為指導(dǎo)原則，根據(jù)國內(nèi)某電磁屏蔽暗室的工程研制及使用經(jīng)驗，為使暗室效能達(dá)到最佳狀態(tài)，對暗室的接地系統(tǒng)建議從以下幾點綜合考慮:(1)研究選擇寬帶接地方法。分析在不同頻率點上單點或多點接對屏蔽室接地效能的影響有何不同，選擇合適的接地方式。(2)研究選擇接地點的位置。接地面應(yīng)是零電位，其作為設(shè)備/系統(tǒng)中各電路任何位置所有電信號的公共電位參考點。信號地、電源地和安全地等都應(yīng)有各自獨立的接地系統(tǒng)以防相互竄擾。分析在暗室的不同位置接地時的接地效果及其影響。(3)考慮接地線規(guī)格的選擇帶來的影響。接地線、接地面應(yīng)采用低阻抗材料制成，并具有足夠的寬度和厚度，接地線應(yīng)短而粗、接地面的面積應(yīng)盡可能大，以保證在所有頻率上它的兩邊之間均呈現(xiàn)低阻抗。(4)考慮后期增加設(shè)備的接地影響。對后期建設(shè)時可能出現(xiàn)較大的瞬態(tài)電流電路，要建立單獨的接地系統(tǒng)，以減少對其他電路的瞬時耦合影響。(5)平時維護(hù)。定期檢查各種電器設(shè)備的接地裝置和觸電保護(hù)器，各種設(shè)備的電源線應(yīng)架空設(shè)置。臨時電源線的安裝應(yīng)符合正式電源安裝的規(guī)定。并應(yīng)隨時檢查電源線是否與其他物體相碰、絕緣是否良好。

5 結(jié)束語

為了設(shè)備和人身的安全以及測試正?？煽康倪\(yùn)行必須研究接地技術(shù)。本文重點就暗室系統(tǒng)中的接地設(shè)計方面進(jìn)行了研究，提出了有效的抗干擾措施，確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。接地技術(shù)是電磁兼容中的重要技術(shù)之一，應(yīng)當(dāng)充分重視對接地技術(shù)的研究。另外，實踐中尚缺乏一套能有效對接地系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和測試、對接地效能進(jìn)行評估的標(biāo)準(zhǔn)體系。

［1］ 王晨榮.接地中的地環(huán)路干擾及其抑制措施［J］.艦船電子工程，2008，28(7):183－187.

［2］ 蘇曉華，聞映紅.電子設(shè)備的接地技術(shù)［J］.安全與電磁兼容，2004(1):39－42.

［3］ 中國人民解放軍總裝備部軍事訓(xùn)練教材編輯工作委員會.電磁兼容技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2005.

［4］ 蔡仁剛.電磁兼容原理設(shè)計和預(yù)測技術(shù)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1997.

［5］ 丁忠校.視頻監(jiān)控系統(tǒng)的接地問題探討［J］.中國有線電視，2007，(11):1031－1033.

［6］ 漢澤西，李彪，郭正虹.接地抗干擾技術(shù)的探討［J］.測控技術(shù)，2007(12):74－77.