通訊設備接地問題的研究與分析

彭 節

陸軍工程大學軍械士官學校 湖北 武漢 430075

一、接地系統的功能

在通信設備的設計中,為了確保整個通信系統的可靠運行,必須嚴格遵守EMC準則。所謂EMC：就是ElectroMagneticCompatibility的縮寫,即電磁兼容。是指設備或系統在其電磁環境中符合要求運行并不對其環境中的任何設備產生無法忍受的電磁干擾的能力。因此,EMC包括兩個方面的要求：一方面是指設備在正常運行過程中對所在環境產生的電磁干擾不能超過一定的限值；另一方面是指設備對所在環境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度,即電磁敏感性。為了使配置的整個通信系統達到EMC 要求,就必須通過接地網絡與接地系統連接。由于電流要在通信電路內流動,而不能憑空消失,分流電流必須流向地面,這樣系統設計中電流到地的低阻抗通路極為重要。也就是說,在提供可靠的通信中,接地系統起到了重要的作用。

二、接地原理和原因

接地保護的基本原理是限制漏電設備對地的泄露電流,使其不超過某一安全范圍,一旦超過某一整定值保護器就能自動切斷電源。

設備的接地是常用來在人為環境中防止危險狀態的一種安全措施。而設計的低阻抗接地系統,則是為了降低通信和電子系統的噪聲,并對瞬態電壓提供保護,限制來自雷電、線路沖擊或偶然與高壓線路接觸時產生的過電壓,并且限制正常工作時的對地電壓,使設備能可靠地運行。接地原因主要有以下幾點：

1、為故障電流提供返回途徑,也就是說為雷擊和開關沖擊提供放電途徑,以保護通信設備。

2、保護人身,免受因機殼內部偶然碰地時引起的電擊。

3、防止設備上靜電荷的積累。

4、降低或消除機架和機殼上的射頻電壓。

5、為射頻電流提供均勻和穩定的導體。

6、穩定電路的對地電位。

三、不同的接地系統

電子設備“接地”通常有兩種含義：一種是“大地”(安全地)；另一種是“系統基準地”(信號地)。“接大地”是以地球的電位為基準,并以大地作為零電位,把電子設備的金屬外殼、電路基準點與大地相連,由于大地的電容非常大,一般認為大地的電勢為零。在弱電系統中的接地一般不是真實意義上與地球相連的接地。對于電力電子設備將地線直接接在大地上或者接在一個作為參考電位的導體上,這點的電壓為0V,當有電流通過該參考電位時,電路中其他各點的電壓高低都是以這點為基準的。接地方式多種多樣,我們常用到的有以下幾種：

1、安全接地：安全接地即將高壓設備的外殼與大地連接。一是防止機殼上積累電荷,產生靜電放電而危及設備和人身安全。如電腦機箱的接地。二是當設備的絕緣損壞而機殼帶電時,促使電源的保護動作而切斷電源,以便保護工作人員的安全。三是可以屏蔽設備巨大的電場,起到保護作用。

2、防雷接地：當電子設備被雷擊時,不論是直接雷擊還是感應雷擊,如果缺乏相應的保護,設備都有可能受到很大損害甚至報廢。為防止雷擊,我們一般在高處設置避雷針與大地相連,以防雷擊時危及設備和人員安全。

3、工作接地：它是為電路正常工作而提供的一個基準電位。這個基準電位一般設定為零。該基準電位可以設為電路系統中的某一點、某一段等。當該基準電位不與大地連接時,視為相對的零電位。但這種相對的零電位是不穩定的,它會隨著外界電磁場的變化而變化,使系統的參數發生變化,從而導致電路系統工作不穩定。當該基準電位與大地連接時,基準電位視為大地的零電位,而不會隨著外界電磁場的變化而變化。

4、屏蔽接地：屏蔽與接地應當配合使用,才能起到良好的屏蔽效果。當用完整的金屬屏蔽體將帶電導體包圍起來時,在屏蔽體的內側將感應出與帶電導體等量異種的電荷,外側出現與帶電導體等量的同種電荷,因此外側仍有電荷存在。如將金屬屏蔽體接地,外側電荷將流入大地,金屬外殼將不會存在電場。

系統設計者在開始設計時就要確定一些目標：必須提供電源系統參考電壓；必須使人免受電擊；進入到設備的錯誤能量必須在引起損壞之前就要消除；通過設置到地的低阻抗通路和避免地環路來達到減小電噪聲的目的；任一種電路都需要接地點等。對于通信系統,不存在一種技術能解決這些不同需求,并達到最佳EMC設計。

在通信中,解決EMC問題會涉及到耦合路徑和接地系統的重要功能。許多可變因素會影響噪聲與電路的耦合。鑒于這些變化沒有一種標準的解決方法,在許多條件下,就必須應用折中方案——也就是說為了阻止來自更嚴重噪聲源的耦合,設計者可允許存在某些可忽略的噪聲。

對于一個電路,必須只有一個參考地。因為兩個不同點不可能具有完全相同的電位,這樣兩個參考地就會導致噪聲。但是如果考慮兩個不同的電路并分別研究時,可以有兩個不同的參考地。不過,當分析包含兩個電路組成的整個電路時,就必須只有唯一的參考(物理)接地系統。

在低頻應用時,電路可被視為一個包括一些常用元件(如電阻、電容、電感)的等效電網絡。此種條件下,簡單的計算就可滿足要求。然而,當電路尺寸比波長小時,電路的輻射特性就不能忽視。

當考慮一個電路的兩個導體(源/負載和線返同導體)時,兩種電流的流向是不同的。首先,差模涉及有用信號,即電流通過一個導體從源流向負載,并通過另一個導體返回。在共模條件下,電流在兩個導體上以相同的方向流動,并通過第三個導體(實際上為地)返回。很明顯,共模電流是許多接地系統產生干擾問題的原因。

四、結論

在現代通信系統中,一個設計良好的接地系統對獲得EMC 是至關重要的。對于一個給定的復雜的現代通信系統和所涉及的設備范圍,通過一個簡單的技術方法并不能獲得可靠的保護。如上所述,一個有效的干擾控制計劃應系統地注意到關鍵的敏感性以及與整個通信系統有關的一些可變的設計參數。