雷達(dá)設(shè)備的接地技術(shù)分析與探討

摘""要：雷達(dá)是利用電磁波探測目標(biāo)的復(fù)雜電子設(shè)備，電磁兼容是雷達(dá)設(shè)備的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。接地技術(shù)是雷達(dá)設(shè)備中的重要內(nèi)容，保障了雷達(dá)設(shè)備的可靠運(yùn)行。該文討論了雷達(dá)設(shè)備電磁兼容性的接地技術(shù)，闡述了保護(hù)接地、系統(tǒng)基準(zhǔn)地和屏蔽接地的內(nèi)容，分析了單點(diǎn)、多點(diǎn)、混合和懸浮接地的特點(diǎn)，并研究了實(shí)際雷達(dá)設(shè)備的接地技術(shù)設(shè)計(jì)原則和接地電阻計(jì)算，探討了多級(jí)電路接地和地環(huán)路干擾抑制特點(diǎn)，論述了接地技術(shù)的重要性。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)""電磁兼容性""接地技術(shù)""屏蔽""干擾

中圖分類號(hào)：TN952""""""文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Analysis"and"Discussion"of"Grounding"Technology"for"Radar"Equipment

LIU"Aidong""JIN"Xin*

（Unit"92664，"Qingdao，"Shandong"Province，"264000"China）

Abstract："The"radar"is"a"complex"electronic"device"that"uses"electromagnetic"waves"to"detect"targets，"and"the"electromagnetic"compatibility"is"a"key"indicator"of"radar"equipment."Grounding"technology"is"an"important"content"in"radar"equipment，"which"guarantees"the"reliable"operation"of"radar"equipment."This"paper"discusses"the"grounding"technology"of"the"electromagnetic"compatibility"of"radar"equipment，"expounds"the"contents"of"protective"grounding，"system"reference"grounding"and"shield"grounding，"analyzes"the"characteristics"of"thenbsp;single-point，"multi-point，"hybrid"and"suspended"grounding，"also"studies"the"design"principles"of"the"grounding"technology"and"the"calculation"of"the"grounding"resistance"of"actual"radar"equipment，"explores"the"characteristics"of"the"multi-level"circuit"grounding"and"the"interference"and"suppression"of"the"ground"loop，"and"discusses"the"importance"of"grounding"technology.

Key"Words："Radar;"Electromagnetic"compatibility;"Grounding"technique;"Shield;"Interference

電子技術(shù)的高速發(fā)展已讓世界進(jìn)入了信息時(shí)代，雷達(dá)設(shè)備變得越來越多且越來越復(fù)雜，電磁環(huán)境越來越惡劣。雷達(dá)是英文Radar的簡稱，是Radio"Detection"and"Ranging的縮寫，意思是“無線電探測和測距”，即采用無線電的方法發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測定目標(biāo)的空間位置。雷達(dá)是利用電磁波探測目標(biāo)的復(fù)雜電子設(shè)備，電磁兼容性是雷達(dá)設(shè)備的一個(gè)非常重要的質(zhì)量指標(biāo)，它不僅關(guān)系到自身設(shè)備的工作可靠性和使用安全性，還影響到相鄰電子設(shè)備的正常工作。因此，開發(fā)人員對(duì)雷達(dá)設(shè)備電磁兼容性的設(shè)計(jì)是非常重要的，通常采用屏蔽和接地來實(shí)現(xiàn)。

理論與試驗(yàn)研究表明，任何電磁干擾的產(chǎn)生必須具有3個(gè)條件：首先應(yīng)有干擾源，其次有傳播途徑（或通道），最后還須有敏感器件；此3個(gè)條件稱為電磁干擾三要素[1]。為分析和設(shè)計(jì)電子設(shè)備的電磁兼容性，應(yīng)從這3個(gè)方面入手采取有效措施：抑制干擾源；消除或減弱干擾耦合；增強(qiáng)敏感設(shè)備抗干擾能力[2]。經(jīng)常用到的有濾波技術(shù)、屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)、搭接技術(shù)和合理布線等，其中接地技術(shù)就是將電子設(shè)備的合理點(diǎn)位與地相連，是防止電磁干擾的重要方法，能有效提高電子設(shè)備的電磁兼容性[3]。

雷達(dá)設(shè)備中的接地方式一般有兩種類型，即保護(hù)類型接地和系統(tǒng)設(shè)備基準(zhǔn)地，接地也就是將設(shè)備與另一個(gè)零點(diǎn)位導(dǎo)體搭接在一起。接大地就是以大地的電位為基準(zhǔn)點(diǎn)，把雷達(dá)設(shè)備機(jī)殼與屏蔽層與大地相連，由于大地電容非常大，一般認(rèn)為大地的電勢(shì)為零，以保護(hù)設(shè)備和人身安全。信號(hào)接地是電路系統(tǒng)中作為電信號(hào)基準(zhǔn)電位的地線，以消除外界或其他設(shè)備對(duì)雷達(dá)設(shè)備的干擾[1]。

1""接地類型

1.1""保護(hù)接地

保護(hù)接地是防止機(jī)殼或屏蔽層上由于電荷積累、電壓上升造成人身傷害，或引起火花放電，導(dǎo)致設(shè)備損壞。

1.1.1"設(shè)備安全接地

為避免高壓直接接觸電子設(shè)備外殼或用電設(shè)備在使用中會(huì)由于絕緣老化、磨損、浸水、潮濕等原因?qū)е聨щ妼?dǎo)線或部件與機(jī)殼之間漏電，防止人體觸及機(jī)殼而致傷亡事件，任何高壓電氣設(shè)備、電子設(shè)備的機(jī)殼、底座均需要將機(jī)殼與大地相連接。

1.1.2"防雷保護(hù)接地

防雷保護(hù)接地是將系統(tǒng)設(shè)備線路利用均壓環(huán)與扁鐵等電位體相連接，將雷擊電流從避雷針引入地線，避免雷擊電流竄入系統(tǒng)設(shè)備信號(hào)接地環(huán)，實(shí)現(xiàn)雷電防護(hù)，確保系統(tǒng)設(shè)備和人身安全[4]。防雷保護(hù)接地線通常是鍍鋅扁鋼，或者50"mm2銅芯線作地線，確保能夠耐受瞬時(shí)雷擊電流。

1.2""系統(tǒng)設(shè)備基準(zhǔn)地

系統(tǒng)設(shè)備基準(zhǔn)地是為電子系統(tǒng)設(shè)備中電路穩(wěn)定工作而提供的一個(gè)基準(zhǔn)電位，它是一種抑制干擾、保證電路正常工作性能穩(wěn)定的關(guān)鍵，一般情況分為3類[5]。

1.2.1模擬地

模擬電路是含有放大器、A/D變換器、運(yùn)算器、振蕩器等器件的電路，能夠?qū)崿F(xiàn)模擬信號(hào)的放大、變換、處理等功能。模擬地就是模擬電路的接地端。由于模擬電路的放大、處理功能導(dǎo)致該電路易受到電磁干擾，同時(shí)滋生電磁干擾。故模擬地的接地點(diǎn)位和接地線的布局要設(shè)計(jì)合理，避免相互影響。

1.2.2"數(shù)字地

數(shù)字電路是含有各種邏輯門、觸發(fā)器等器件的電路，以二進(jìn)制邏輯代數(shù)為基礎(chǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算等處理功能，按功能分為組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路。數(shù)字地是數(shù)字電路的接地端。數(shù)字電路通常在脈沖狀態(tài)下工作，脈沖的前沿、后沿或高頻脈沖都會(huì)對(duì)其他電路產(chǎn)生電磁干擾，因此數(shù)字地的接地點(diǎn)位和接地線的布局亦要設(shè)計(jì)合理。

1.2.3"信號(hào)源地

電源電路是含有變壓器、整流器、濾波器等器件的電路，通常是將交流電變換成直流電，為其他電子設(shè)備提供電能。電源地是電源電路零電位的接地端。電源通常供電多個(gè)單元，而各單元要求的供電性質(zhì)和參數(shù)通常都不一樣，所以既要保證電源穩(wěn)定工作，又要保證其他單元電路工作正常，電源地的接地點(diǎn)位和接地線的布局同樣要設(shè)計(jì)合理[6]。

1.3""屏蔽接地

屏蔽接地是雷達(dá)設(shè)備為防止外部或內(nèi)部電磁場的干擾而對(duì)屏蔽設(shè)備進(jìn)行的接地，主要采取金屬隔離的原理來防止電磁干擾由內(nèi)向外感應(yīng)和輻射傳播，形成電磁隔離。屏蔽接地是抑制電磁干擾的有效措施，屏蔽體一般由導(dǎo)電或?qū)Т挪牧献龀傻慕饘俳Y(jié)構(gòu)外殼構(gòu)成。電磁屏蔽通常分為兩種：一是靜電屏蔽，用于防止靜電場或恒定磁場的影響，把金屬屏蔽體上的靜電干擾信號(hào)引導(dǎo)入地，減少分布電容的寄生耦合，確保人身安全；二是電磁屏蔽，用于遏制高頻電磁場的影響，使電磁場在屏蔽體內(nèi)渦流，并在屏蔽體和被保護(hù)設(shè)備空間的表面上產(chǎn)生反射，降低電磁場的場強(qiáng)值，達(dá)到屏蔽效果[7]。

屏蔽與接地必須配合使用，才能達(dá)到屏蔽效果。以靜電屏蔽為例，如圖1所示。

將金屬屏蔽體或金屬罩把帶正電導(dǎo)體A包起來（見圖1（b）），金屬屏蔽體內(nèi)側(cè)就會(huì)感應(yīng)出與導(dǎo)體A等量負(fù)電荷，金屬屏蔽體外側(cè)感應(yīng)出等量正電荷。如果將導(dǎo)體A和屏蔽體B當(dāng)成一個(gè)整體，則該空間的電力線分布與圖1（a）相同，這時(shí)候并沒有起到屏蔽效果；只有將屏蔽體接地，外側(cè)感應(yīng)出的正電荷將被引入地線，屏蔽體的外電場就會(huì)消失，導(dǎo)體A就被屏蔽起來，實(shí)現(xiàn)了屏蔽效果。因此屏蔽的兩個(gè)特點(diǎn)就是完整的金屬導(dǎo)電屏蔽體和良好接地線。

2""接地方式

按前文所述，接地可分為模擬地、數(shù)字地、電源地等，它們的接地也是分類布局，不能直接相連。在同類信號(hào)中，接地的連接方式也多有不同，大致有4種接地方式：單點(diǎn)接地方式、多點(diǎn)接地方式、混合接地方式和懸浮接地方式[8]。

2.1""單點(diǎn)接地方式

單點(diǎn)接地方式，顧名思義只有一個(gè)接地點(diǎn)位，所有設(shè)備電路的地線都必須連到該接地點(diǎn)，以該點(diǎn)作為共同參考點(diǎn)（面）。根據(jù)連接特點(diǎn)又分為串聯(lián)單點(diǎn)接地（見圖2）與并聯(lián)單點(diǎn)接地（見圖3）。

串聯(lián)單點(diǎn)接地是雷達(dá)電子設(shè)備各電路共用一條地線，但該方式會(huì)使接地阻抗串聯(lián)增大，產(chǎn)生公共阻抗干擾，增大噪聲和電路干擾，不太合適。但是這種方式結(jié)構(gòu)簡單，各設(shè)備電路接地引線較短，電阻小，所以在雷達(dá)電子設(shè)備機(jī)柜中依然常用。采用此接地方式時(shí)應(yīng)注意兩個(gè)事項(xiàng)：一是各接地線盡可能短且粗；二是電壓最低、電流最小的電路放最近的地方，以免受其他大電流電路干擾。

并聯(lián)單點(diǎn)接地指在設(shè)備中只定義一個(gè)接地參考點(diǎn)，系統(tǒng)中其他設(shè)備地線并聯(lián)接入該參考點(diǎn)，各電路相互獨(dú)立，互不影響。此接地方式低頻時(shí)效果明顯，但在高頻時(shí)，由于相鄰地線產(chǎn)生耦合，導(dǎo)致線間耦合增強(qiáng)，引起耦合干擾。并聯(lián)單點(diǎn)接地通常在頻率時(shí)才使用[8]。

2.2""多點(diǎn)接地方式

多點(diǎn)接地方式是指各單元電路的接地點(diǎn)采用就近原則直接獨(dú)立連接在接地參考面。優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡單方便，接地線短，高頻駐波問題明顯減弱，它是高頻信號(hào)電路比較實(shí)用的接地方式，適合工作頻率10"MHz以上的高頻電路。缺點(diǎn)是形成多種地線回路，增加單回路干擾，這會(huì)加劇設(shè)備內(nèi)低頻率電路的不良影響[8]。

2.3""混合接地方式

混合接地方式就是單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地相結(jié)合的方案。在雷達(dá)電子設(shè)備中，既有高頻信號(hào)，也有低頻信號(hào)，針對(duì)上述特點(diǎn)應(yīng)分別設(shè)計(jì)：單點(diǎn)接地適用低頻電路，多點(diǎn)接地適用高頻部分。這種接地技術(shù)稱為混合接地技術(shù)[8]。

實(shí)際電路系統(tǒng)往往比較復(fù)雜，多種頻率信號(hào)并存，因此廣泛應(yīng)用混合接地系統(tǒng)。

2.4""懸浮接地方式

懸浮接地俗稱為浮地，即將信號(hào)地與安全接地相隔離。這種浮地連接可避免地回路的干擾電流直接耦合到設(shè)備電路和信號(hào)電路。缺點(diǎn)是由于其不與大地真實(shí)連接，電路容易產(chǎn)生靜電積累，達(dá)到一定程度后會(huì)使操作容易遭電擊并損壞設(shè)備。其次電路還受寄生電容影響，使電路地電位升高，還增加了感應(yīng)干擾，因此懸浮接地需要進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)和精確的計(jì)算，以確保其安全性。

3""實(shí)際雷達(dá)設(shè)備的接地技術(shù)設(shè)計(jì)

在實(shí)際雷達(dá)設(shè)備中，接地設(shè)計(jì)包括接地方式選擇、接地位置選擇、地回路干擾抑制和接地工藝等方面，通過綜合設(shè)計(jì)確保雷達(dá)設(shè)備中各部分電路公共地回路的接地平面的低阻抗，盡可能地降低因接地引入的耦合干擾。

3.1""接地設(shè)計(jì)所遵循的原則

雷達(dá)是依據(jù)目標(biāo)反射的微弱電磁信號(hào)分析處理得到目標(biāo)的方位、距離等參數(shù)，需要更強(qiáng)的抗電磁干擾性能。結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)和應(yīng)用效果，在接地方面，總的設(shè)計(jì)思路主要有4個(gè)要點(diǎn)：地線應(yīng)盡可能短而粗，以減少地線電阻，降低地線干擾電壓；正確選擇信號(hào)線，合理布局，以減少互耦；多種地線各行其道，互不干涉，以最大程度減少相互間的影響；安全接地要有接地樁或接地柵網(wǎng)。

3.2""接地電阻

接地的目的是雷達(dá)設(shè)備與地有一低阻抗的通路，因此接地好壞取決于接地電阻，其阻值越小越好，根據(jù)法規(guī)要求設(shè)備防雷接地電阻小于10"Ω，安全接地電阻小于4"Ω。接地電阻類似于分布電阻，由接地極電阻、接地銅線電阻和雜散電阻構(gòu)成，接地電阻的大小與接地裝置、接地土壤及環(huán)境因素有關(guān)，所以降低接地電阻的方法：一是減小接地線電阻，盡量選擇短且截面積大的多股銅芯線；二是減小接地極電阻，即將螺栓與接地線、接地體固定連接；三是增大接地極的面積和增強(qiáng)土壤的導(dǎo)電率，如可以添加接地柵網(wǎng)以及向土壤中加入降阻劑。

接地電阻可使用專門的接地電阻測試儀來測定，也可通過理論計(jì)算來估計(jì)。從理論計(jì)算得到的數(shù)據(jù)也可以作為設(shè)計(jì)接地體長度、直徑和埋入深度的依據(jù)。對(duì)單根垂直圓形接地棒，其接地電阻為[2]：

R"="0."366（ρ/l）"lg（3l/d）

式中：d為接地棒的直徑；L為接地棒的長度；ρ為土壤的電阻率。

不同材料不同形狀的接地體的接地電阻計(jì)算公式是不同的，可根據(jù)需要查閱相關(guān)資料。

3.3""多級(jí)電路的接地

多級(jí)電路是雷達(dá)電路中廣泛應(yīng)用的電路，接地問題是非常關(guān)鍵的，主要是避免各級(jí)電路之間通過公共阻抗引起的干擾[9]。因此要做到以下幾點(diǎn)。

⑴"低頻單元電路應(yīng)采用單點(diǎn)接地方式（頻率低于1"MHz）。

⑵"高頻單元電路應(yīng)采用多點(diǎn)接地方式（頻率高于10"MHz），低高頻混合電路通常使用混合接地方法。在雷達(dá)多級(jí)高頻電路中，由于高頻電流線和地線之間的寄生電容耦合，接地面上的感應(yīng)高頻電流較大，因此各單元電路要按先后次序排列，且接地線要直線布置，避免地電流的重疊，此結(jié)構(gòu)常稱為“直尺結(jié)構(gòu)”。

⑶"各單元電路的接地點(diǎn)最終會(huì)匯總到一個(gè)公共接地點(diǎn)，特別是串聯(lián)單點(diǎn)接地方式，各單元電路的接地必須遵循特定連接順序，電流須滿足從小到大的方向進(jìn)行匯流。

⑷"盡可能避免環(huán)形地回路，若電路中包含接地回路，其缺點(diǎn)一是將大功率電路電流信號(hào)進(jìn)入小信號(hào)單元電路，干擾其工作狀態(tài)；二是地線回路容易受到電磁干擾，影響其穩(wěn)定工作。

⑸"必須保持屏蔽電流的暢通，若屏蔽接地不良或屏蔽層與接地線連接不暢，則會(huì)引起更大的干擾。

3.4""地環(huán)路干擾的抑制

當(dāng)電路的兩端都接地時(shí)很容易構(gòu)成接地閉環(huán)回路。實(shí)際上，只要電路中存在多點(diǎn)接地，這種地環(huán)路就無法消除。為了最大限度地抑制接地環(huán)路帶來的干擾，應(yīng)該盡可能減少接地環(huán)面積，除此之外，還需要采用特殊技術(shù)措施如隔離變壓器、中和變壓器、光電耦合器、差分放大器和浮地等方法進(jìn)一步抑制地環(huán)路干擾[6]。

例如浮地，即將雷達(dá)設(shè)備與公共接地基準(zhǔn)點(diǎn)或接地回路公共導(dǎo)線進(jìn)行電隔離，消除各級(jí)電路之間的間接地電位差干擾。浮地的效果取決于是否真正達(dá)到浮地隔離。實(shí)際上，要做到完全隔離，在很多情況下是很困難的。

4""結(jié)語

在電子設(shè)備中地線涉及面很廣，設(shè)備越復(fù)雜，地線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)越重要，接地技術(shù)是抑制電磁干擾的重要方法。在雷達(dá)設(shè)備的設(shè)計(jì)與使用中采用了上述方法，取得良好效果。但是在裝備使用過程中，曾經(jīng)出現(xiàn)浮地不浮的故障現(xiàn)象，導(dǎo)致本振分機(jī)無法輸出穩(wěn)態(tài)信號(hào)。鑒于此，對(duì)雷達(dá)設(shè)備接地技術(shù)進(jìn)行了充分研究，有助于理解雷達(dá)設(shè)備接地的概念和方式，提高裝備綜合保障能力。

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