電子系統(tǒng)EMC設(shè)計(jì)中的同軸線接地方法研究

符偉杰 ，褚澤帆 ，韓繼偉

（1.水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所江蘇南京210012；2.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心江蘇南京210012）

同軸線的工作頻率范圍寬，可以從直流至甚高頻段，因此在各種電子設(shè)備以及通信、視頻傳輸?shù)葓?chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。同軸線如能正確使用的話，可以使電場(chǎng)和磁場(chǎng)全部被限制在內(nèi)外導(dǎo)體間的介質(zhì)區(qū)域內(nèi)，從而大大地減小對(duì)外的輻射損耗，同時(shí)也屏蔽了外界的干擾。

在信號(hào)傳輸和電子設(shè)備中，接地是保證良好電磁兼容性能和干擾抑制的重要手段，在不同工作環(huán)境下，同軸線的不同接地方式對(duì)信號(hào)傳輸和干擾抑制都會(huì)產(chǎn)生很大影響，在EMC（電磁兼容性）設(shè)計(jì)中如能把同軸線接地和屏蔽正確地配合使用，對(duì)實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的電磁兼容性將起著事半功倍的作用，反之，則會(huì)影響信號(hào)傳輸質(zhì)量或電子設(shè)備的正常工作，下面首先對(duì)同軸線傳輸信號(hào)時(shí)的電路作出分析，再針對(duì)不同情況下同軸線的接地方式進(jìn)行研究分析，闡明在不同電磁環(huán)境下不同接地方式對(duì)傳輸影響的發(fā)生機(jī)理，文章最后分析了低阻抗地線設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，并給出了相應(yīng)結(jié)論。

1 傳輸高頻信號(hào)時(shí)的接地方法

1.1 f＜1 MHz或同軸線長(zhǎng)度小于波長(zhǎng)的1/20

如圖1所示，電路1和2之間通過同軸線連接，電路1、2的機(jī)箱外殼和同軸線的屏蔽層在兩端分別接地，此時(shí)所傳輸信號(hào)頻率或外界干擾信號(hào)頻率小于1 MHz或同軸線長(zhǎng)度小于信號(hào)波長(zhǎng)的1/20，內(nèi)外導(dǎo)體間的分布電容影響和集膚效應(yīng)不明顯，其等效電路可簡(jiǎn)化為如圖2所示。

圖1 電路間用同軸線傳輸信號(hào)

圖2 電路間同軸線傳輸信號(hào)的等效電路

RL為負(fù)載，同軸線的內(nèi)外圈電阻為Rc1、Rc2，內(nèi)、外導(dǎo)體的自感和互感分別為L(zhǎng)1、L2和M，Ug為地線中等效干擾電壓；由于Rc1和RL串聯(lián)，一般Rc1＜＜RL，可略去，另外對(duì)同軸線來說，L1、L2和M大小有差別，但和Rc2比起來，這些差別的影響可以忽略，為簡(jiǎn)化計(jì)算，可設(shè)L1=L2=M=L，通過計(jì)算可以得出同軸線的截止頻率。

一般Rc2也很小，所以同軸線的截止頻率fc一般在0.6～2 kHz范圍內(nèi)。

根據(jù)圖2等效電路，按疊加原理，可先不考慮Ug的影響（即將Ug短路），Is為信號(hào)電流，Ig為經(jīng)地線流回信號(hào)源的電流?？傻贸鲈谛盘?hào)Us的作用下，Ig和Us的關(guān)系為：

即Ig隨著f/fc比值增大而減小，也就是說隨著信號(hào)頻率的增加，流經(jīng)地線的電流越來越小，當(dāng)f/fc趨向無窮大時(shí)，Ig為0，即信號(hào)電流回程不再流經(jīng)兩電路單元間的地線，只在同軸線的內(nèi)外導(dǎo)體間流過。換句話說，當(dāng)傳輸信號(hào)頻率遠(yuǎn)大于同軸線的截止頻率時(shí)，電路單元間設(shè)備和同軸線屏蔽層采用兩端接地時(shí)，可以避免高頻信號(hào)經(jīng)地線對(duì)其它電路單元產(chǎn)生干擾。一般認(rèn)為，當(dāng)f≥5fc時(shí)，同軸線屏蔽層兩端接地就起到了抑制干擾的作用。

同理在計(jì)算地線中干擾信號(hào)Ug的影響時(shí)，可將Us短路，只考慮干擾信號(hào)Ug的作用，此時(shí)由Ug在負(fù)載RL上產(chǎn)生的電壓Un為

這和公式（2）完全相同，即表明當(dāng)外界干擾信號(hào)的頻率遠(yuǎn)高于同軸線的截止頻率fc時(shí)，例如當(dāng)f≥5fc時(shí)，在同軸線屏蔽層兩端接地的情況下，能傳導(dǎo)到負(fù)載RL上的干擾電壓不到源電壓的0.2，地線中的外界干擾被有效抑制。

綜上所述，在所傳輸信號(hào)頻率或外界干擾信號(hào)頻率小于1 MHz或同軸線長(zhǎng)度小于信號(hào)波長(zhǎng)1/20的前提下，當(dāng)同軸線傳輸?shù)男盘?hào)頻率f＞＞5fc時(shí)，同軸線屏蔽層兩端接地，則信號(hào)電流只在內(nèi)、外導(dǎo)體中流過，不流經(jīng)地線，因此消除了對(duì)其它電路的干擾。反之，當(dāng)?shù)鼐€中干擾電壓的頻率f＞＞5fc時(shí)，干擾電流只在地線與外導(dǎo)體中流過，不流經(jīng)內(nèi)導(dǎo)體和負(fù)載RL，這就抑制了地線中的干擾。同時(shí)，同軸線屏蔽層的接地實(shí)現(xiàn)了電屏蔽，能有效地抑制外界對(duì)內(nèi)導(dǎo)體的電場(chǎng)干擾。

1.2 f＞1MHz時(shí)

當(dāng)同軸線傳輸?shù)男盘?hào)頻率f大于1 MHz時(shí)，由于集膚效應(yīng)的作用，使信號(hào)電流沿同軸線芯線的外表面流動(dòng)，返回電流則集中在同軸線屏蔽層的內(nèi)表面流動(dòng)。而干擾所產(chǎn)生的噪聲電流則只在屏蔽層外表面通過，為了避免同軸線屏蔽層出現(xiàn)高電平的噪聲電壓后通過分布電容耦合到芯線上，此時(shí)同軸線屏蔽層應(yīng)多點(diǎn)接地，以保證其外表面有最低的地電位，從而保證信號(hào)的傳輸和抑制外界干擾。

1.3 同軸線長(zhǎng)度大于波長(zhǎng)的1/20時(shí)

當(dāng)同軸線長(zhǎng)度大于波長(zhǎng)的1/20時(shí)，此時(shí)已不能再把同軸線看作是集總式的，而是必須用分布于整個(gè)長(zhǎng)度的電路參數(shù)來描述其自身的特性。根據(jù)傳輸線理論，設(shè)同軸線傳輸線上的一個(gè)微分段長(zhǎng)度為?x，圖 3為其等效電路。其中：R0、L0、G0和C0分別為該段同軸線內(nèi)外導(dǎo)體或?qū)w間的電阻、電感、電導(dǎo)和電容。

圖3 同軸線微分單元的等效電路

通過計(jì)算，可以得到

由此可知，此時(shí)線上的電壓、電流都可分解為入射波和反射波。式中A和B是由邊界條件決定的常數(shù)，傳播常數(shù)。

對(duì)同軸線來說，特性阻抗

其中μ為磁導(dǎo)率，ε為介電常數(shù)，σ為電導(dǎo)率，f為所傳輸信號(hào)頻率。

因同軸線自身特性阻抗和同軸線終端電阻不可能完全匹配，會(huì)有部分能量被反射。此時(shí)同軸線上的電壓電流都是由入射波和反射波疊加而成，即形成駐波。駐波的波節(jié)和波峰空間上差開λ/4，對(duì)電壓駐波和電流駐波來說，其瞬時(shí)值的時(shí)間相位也不同，差π/2，即此時(shí)對(duì)被傳輸信號(hào)或干擾信號(hào)來說，能量在同軸線上以駐波形式來回振蕩。

此時(shí)，為了減小同軸線分布參數(shù)對(duì)傳輸?shù)挠绊?，同軸線屏蔽層需多點(diǎn)接地，為了避免上述的λ/4效應(yīng)，防止屏蔽層上出現(xiàn)振蕩的駐波，屏蔽層一般應(yīng)每隔0.05～0.1λ的間隔接地一次。

2 傳輸?shù)皖l信號(hào)時(shí)的接地方法

根據(jù)前述，當(dāng)同軸線傳輸信號(hào)的頻率遠(yuǎn)大于其截止頻率時(shí)，在屏蔽層兩端接地的情況下，信號(hào)返回電流幾乎全部流經(jīng)屏蔽層，流入地線的很少，由于芯線電流與屏蔽層中的電流大小相等、方向相反，因此在屏蔽層外的漏磁場(chǎng)就相互抵消。但在傳輸?shù)皖l信號(hào)時(shí)，信號(hào)返回電流則幾乎全部從地線流過，此時(shí)，屏蔽層對(duì)磁場(chǎng)的抑制能力很差。

要使同軸線在傳輸?shù)皖l信號(hào)時(shí)對(duì)磁場(chǎng)干擾仍有衰減作用，則屏蔽層只能一端接地，如圖4和5所示。

圖4 信號(hào)源端接地

其接地點(diǎn)既可選在信號(hào)源端，也可選在負(fù)載端。無論哪種情況，通過屏蔽層的電流與內(nèi)導(dǎo)體中的電流大小相等方向相反，因此在屏蔽層外圍產(chǎn)生的磁場(chǎng)能相互抵消，起到了對(duì)磁場(chǎng)干擾的抑制作用。另外，因只有一端接地，接地線不構(gòu)成地環(huán)路，即使有交變磁場(chǎng)穿過時(shí)，也不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，從而抑制了磁場(chǎng)干擾。

因此，在低頻電路和電纜長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí)，特別在集膚效應(yīng)還不明顯的情況下，同軸線采用一端接地為好。

圖5 負(fù)載端接地

3 寬頻帶電路中的接地方法

在傳輸信號(hào)覆蓋低頻到高頻的寬頻帶電路中，傳輸?shù)皖l信號(hào)時(shí)要求同軸線屏蔽層一點(diǎn)接地，但傳輸高頻信號(hào)時(shí)又要求電纜屏蔽層多點(diǎn)接地，該如何解決。此時(shí)可采用混合接地，如圖6所示。

圖6 寬頻帶電路的接地方法

圖6中，信號(hào)源的機(jī)箱和信號(hào)源端的同軸線屏蔽層接地，負(fù)載端的機(jī)箱和同軸線屏蔽層則通過高頻電容接地，這樣的連接方式，在傳輸?shù)皖l信號(hào)時(shí)，負(fù)載端的機(jī)箱和電纜屏蔽層對(duì)地是高阻抗，可視作不接地，全系統(tǒng)只有信號(hào)源端接地，屬于單點(diǎn)接地，對(duì)干擾信號(hào)有很好的抑制作用。當(dāng)傳輸高頻信號(hào)時(shí)，負(fù)載端對(duì)地電容把高頻信號(hào)旁路到地，從而構(gòu)成高頻時(shí)兩點(diǎn)接地，同樣可以抑制干擾。

4 低阻抗地線的設(shè)計(jì)

除了接地方法，接地線本身對(duì)干擾抑制效果的影響也很大，地線中的干擾電壓除與流過地線的電流有關(guān)外，還與地線的阻抗有關(guān)。地線阻抗包括電阻和電抗分量，即

其中電阻Rg的表達(dá)式為

l為接地線長(zhǎng)度，σ為地線電導(dǎo)率，a為地線等效半徑，S為地線的有效載流面積，在直流情況下，因?yàn)殡娏髟诘鼐€截面上是均勻分布的，所以地線的有效載流面積就是它的幾何截面積，但是對(duì)于交變電流甚至射頻電流來說，由于集膚效應(yīng)，電流集中于導(dǎo)體表面，使地線的有效載流面積小于，甚至遠(yuǎn)小于導(dǎo)體的幾何截面積，此時(shí)，其射頻電阻為

μr為介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率，σr為介質(zhì)的相對(duì)電導(dǎo)率，f為傳輸信號(hào)的頻率，在截面積相同情況下，矩形截面的周長(zhǎng)大于圓截面，且矩形截面的寬厚比越大，則截面周長(zhǎng)越長(zhǎng)，其等效半徑a也就越大，根據(jù)公式（11）可知，當(dāng)?shù)刃О霃絘變大時(shí)，射頻電阻RRF將下降，所以設(shè)備地線一般宜采用扁的銅帶。

再來看地線的電感Lg，矩形銅直導(dǎo)體的電感為

ω為矩形導(dǎo)體橫截面的寬度，t為矩形導(dǎo)體橫截面的厚度，l為導(dǎo)體長(zhǎng)度。上式表明當(dāng)導(dǎo)體截面積不變時(shí)，導(dǎo)體寬厚比大，則電感量Lg就小，所以，無論是為了降低地線的射頻電阻還是減小地線的電感，都應(yīng)該盡量用寬厚比大的扁銅帶來制作地線，而且長(zhǎng)度也要盡量短，這樣才能形成低阻抗的地線。

5 結(jié)束語(yǔ)

總之，同軸線在電子系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，為了保證其良好的電磁兼容性能，需從同軸線的傳輸特性入手，結(jié)合所需傳輸?shù)男盘?hào)或需抑制的干擾的特點(diǎn)，選擇合適的接地方式，并制作好低阻抗的接地線，這樣才能達(dá)到較好的傳輸性能和干擾屏蔽效果。

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