通訊設備接地問題的探討與分析

師維 李赟

摘要：在通訊設備的設計中，為了確保整個通訊系統的可靠運行，必須使用EMC準則設計接地系統。本文主要運用EMC準則，對通訊設備接地系統的設計問題進行了探討和分析。

關鍵詞：接地;EMC;浪涌

一、接地系統的功能

當設備或系統的器件和單元能在其電磁環境中正常運行并不產生輻射，不危及或干擾其它器件、設備或系統時，則稱其達到了EMC要求。為了達到理想的EMC要求，需要進行兩種分析：在電磁環境中，一種具體器件的影響以及在整個系統中滿意功能的效果。當今，制造商和設計者擁有一系列的技術、產品、標準和建議來控制源于任何器件的電磁干擾（EMI）問題。不幸的是，一個系統即使完全由滿足EMC標準的部件組成，但仍然容易受到源于創建此通信系統的電纜線路和網絡連接產生的電磁干擾。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

正確的接地系統，應當使通信設備的所有部分，在任何時候都能通過提供的低阻抗途徑，均衡整個系統的能量并排泄入地，按正常規定公差保持在同一電位上。

三、接地原因

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。

四、不同的接地系統

通信設備可包括幾種不同的接地系統，例如交直流配電接地、屏蔽設備接地、射頻接地、參考地、雷電地等系統。同時這些系統必須包括不同的接地點，這些點包括邏輯地、框架地、電纜屏蔽地、機殼地和信號地等。

通常，接地系統的實施需要考慮兩種或三種主要規則，從以下規則中選取：（1）接地電阻應小于5歐姆;（2）應用星形配置;（3）地電位應相等;（4）避免地環路等。值得注意的是，在設計系統時，設計者往往會忽視更嚴重的電擊危害。他們常常等到產品成熟后再通過增加一些專用產品試圖克服這些不足，例如高級浪涌保護裝置（SPD）等，而不是在開始設計系統時就考慮這些問題。

這樣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。但是，利用一些基本EMC準則去設計接地系統有助于達到一個完整系統設計，它可保證不同電路信號的保真度。在此，必須考慮四個基本的設計方面。

1.噪聲控制

減小EMI需確認噪聲源（在內部還是在外部），耦合路徑（電磁干擾耦合到電路的路徑）和受影響的電路。如果已經弄清了這些問題，那么通過改變一個或多個元件就可減小干擾。然而，隨著現代通信系統復雜性的增加，通常不可能改變受影響的元件、通信設備或噪聲源，尤其當噪聲源位于系統外部時。在實際情況下，通常設計者沒有試圖全部地減小噪聲，而是尋找折中的解決方法，以使耦合到電路的全部噪聲不會引起干擾。在通信中，消除或減小EMI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，亦即信號的電平和帶寬、外界環境的電磁干擾或電路的實際布局等。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。

2.地電位

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，當分析包含這兩個電路和組成的整個電路時，就必須只有唯一的參考（物理）接地系統。

3.電磁場

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。例如，一段簡單的導線有可變的電阻、電容、電感特性，這是否會影響系統的功能，其依賴于導線的尺寸及承載頻率。電流總是伴隨著磁場，電壓總是伴隨著電場。在很多情況下，干擾問題是由于沒有考慮這些簡單的事實而引起的。

4.共模電流

當考慮一個電路的兩個導體（源/負載和線返回導體）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。在一些情況下，信號源和負載在不同的點直接到“地”，這時，對這兩個接地點來說，共模電流源的電位是不同的;在另一些情況下，由于承載共模電流的電路沒有連接材料而是通過寄生電容使環路在電路的一端連接到地，這樣，很明顯，共模電流是許多接地系統產生干擾問題的原因。因為“地”常作為返回通路或環路，所以這些現象被歸類為“地環路”。在解決這類問題時，要對電流進行詳盡的分析。

五、雷電防護

在影響通信系統的外界因素中，電擊被認為是最具破壞性的一種。因為中央通信系統通過大地延伸到遙遠的鄉村地區（此處維修電擊引起的破壞需要一些時間），因此尤其易受自然環境的影響。當電擊引起的直接或間接過載電流超過設備容許值時，會對電纜線路本身和它連接的設備產生嚴重的損壞。而保護外部電纜線路免受電擊損壞是一件令人煩惱的事情，應根據危險性分析采取保護措施。同時還應考慮到設備安裝所在房屋的結構、設備本身以及組網的電纜線路等。

另外，由于雷電引起的電平存在著高于純干擾電平的可能，此電平還有可能導致電路致命的毀壞，所以，雷電保護也包含在EMC領域中。

全面的EMC準則由于包括了雷電防護，很明顯EMC準則對可靠的通信系統的設計也是非常重要的。在通信系統的設計中，雷電保護可通過如下措施實施：（1）阻止雷電能量傳送到通信系統;（2）把過載降低到系統內加固元件可承受的最低水平。有用的技術包括：用埋地電纜代替架空電纜、屏蔽或使用浪涌保護裝置（SPD）。

六、通信中的干擾“故障點”

對電磁兼容的錯誤觀點會導致通信系統不可靠，引起通信中斷和頻繁的維修。下面我們就通信設計中電纜線路、地電極、浪涌保護三個方面中應注意的問題來進行討論。

1、電纜線路

通信設備必須遵循EMC標準的兩個要素，即它既不能是干擾者，也不能是敏感者;它既不能是電磁干擾源，也不能易受由此干擾引起故障的影響。可是，通信系統中應用的電纜線路（用于電源、信號、電話線等）會對電磁干擾提供幾個耦合路徑，其原因是因為它連接兩個接地點或在外界環境存在的電場和磁場中起到了天線的作用。在完成通信設施內部的電纜線路時，最困難的任務是對共模電流的模擬。這里介紹一個有效的方法是給其提供可供選擇的電流通路。由于電流總是走閉合磁通量最小的路徑，信號電纜可接近接地導體布放，同時，運用平行接地導體（即電纜托架應兩端接地）可將共模電流從差模電路、電纜及其屏蔽層中去掉。

2、地電極

在保護通信方面地電極所起著重要的作用。許多制造商傳統要求1～5歐的接地直流電阻，但這樣一個低的數值在理論上的依據仍不明顯。要做到符合這點要求，設計者必須認識到要考慮的一個首要的因素是安裝處土壤的電特性。在理想情況下，希望找到的地方土壤電導率低，并且不存在寄生的電源電流。如果這兩個條件具備，那么即使為此改變已計劃好的安裝路徑也是值得的，因為有效接地可以使通信系統更加可靠;另一方面，由于大地的低電導率對防止電擊損壞毫無作用，考慮到電擊產生的致命損壞，設計配置中還需要考慮可平衡電擊能量的結構問題。

3、浪涌保護器件

浪涌保護器件能限制瞬態電壓并使浪涌電流接觸不到敏感設備。現在，已有許多可利用的SPD，包括電壓擊穿器件（氣體放電管，避雷器）、限壓器件（金屬氧化物變阻器或雪崩結瞬態電壓抑制器）、帶寬限幅器件（濾波器）、隔離器件（光連接器、光耦合器或變壓器）等。對于任何應用，任一類型的SPD都具有它的優點和缺點：金屬氧化物變阻器（MOV），因其具有以低成本提供高的電流承載能力和好的電壓限制能力，所以運用比較廣泛，非常適合用在AC電源作主級和次級保護元件;對通信線路來說，由于氣體放電管在非導通條件下具有高的絕緣電阻和低的電容，并且具有高的電流承載能力，所以被廣泛用作主級保護器件使用;另外，在許多應用中，固態器件可以和氣體管結合使用，當需要高的電流承載時可以提供更快的響應時間。

4. 最佳浪涌保護器件的選擇標準

SPD的選擇是通訊設備設計中重要的設計步驟，因為其可組合到所有電纜線路而進入通信系統，以確保通過電源電纜、電話線路及天線電纜的過壓電平不會超過系統中設備容許的電平。那么，怎樣才能取得最佳的SPD的選擇呢？達到最優化的SPD組合涉及到下面幾個主要問題：本地區雷電發生的概率是多少？預計浪涌參數是多少？對所連接設備能承受的每一波形來說，最大的殘余電壓是多少？我們知道，SPD的通過電壓與它的響應時間有關：響應時間慢，其通過電壓就會變高。在處理快速瞬態變化時，響應時間是最重要的。但是，響應時間并不是唯一的考慮因素，還有連接導線上存在的感應電壓下降問題。在各種變阻器設計中，因為通過變阻器的流動能量也會受到變阻器鉗位電壓的影響，所以瞬變環境條件下低能量變化率并不一定存在著較小的幸存概率。這樣，保護器件的選擇不應僅僅基于響應時間和額定電壓，而且還應認真考慮具體環境。

七、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

（作者單位：海軍裝備部）