电子系统EMC设计中的同轴线接地方法研究

符伟杰 ，褚泽帆 ，韩继伟

（1.水利部南京水利水文自动化研究所江苏南京210012；2.水利部水文水资源监控工程技术研究中心江苏南京210012）

同轴线的工作频率范围宽，可以从直流至甚高频段，因此在各种电子设备以及通信、视频传输等场合得到广泛应用。同轴线如能正确使用的话，可以使电场和磁场全部被限制在内外导体间的介质区域内，从而大大地减小对外的辐射损耗，同时也屏蔽了外界的干扰。

在信号传输和电子设备中，接地是保证良好电磁兼容性能和干扰抑制的重要手段，在不同工作环境下，同轴线的不同接地方式对信号传输和干扰抑制都会产生很大影响，在EMC（电磁兼容性）设计中如能把同轴线接地和屏蔽正确地配合使用，对实现电子设备的电磁兼容性将起着事半功倍的作用，反之，则会影响信号传输质量或电子设备的正常工作，下面首先对同轴线传输信号时的电路作出分析，再针对不同情况下同轴线的接地方式进行研究分析，阐明在不同电磁环境下不同接地方式对传输影响的发生机理，文章最后分析了低阻抗地线设计的关键技术点，并给出了相应结论。

1 传输高频信号时的接地方法

1.1 f＜1 MHz或同轴线长度小于波长的1/20

如图1所示，电路1和2之间通过同轴线连接，电路1、2的机箱外壳和同轴线的屏蔽层在两端分别接地，此时所传输信号频率或外界干扰信号频率小于1 MHz或同轴线长度小于信号波长的1/20，内外导体间的分布电容影响和集肤效应不明显，其等效电路可简化为如图2所示。

图1 电路间用同轴线传输信号

图2 电路间同轴线传输信号的等效电路

RL为负载，同轴线的内外圈电阻为Rc1、Rc2，内、外导体的自感和互感分别为L1、L2和M，Ug为地线中等效干扰电压；由于Rc1和RL串联，一般Rc1＜＜RL，可略去，另外对同轴线来说，L1、L2和M大小有差别，但和Rc2比起来，这些差别的影响可以忽略，为简化计算，可设L1=L2=M=L，通过计算可以得出同轴线的截止频率。

一般Rc2也很小，所以同轴线的截止频率fc一般在0.6～2 kHz范围内。

根据图2等效电路，按叠加原理，可先不考虑Ug的影响（即将Ug短路），Is为信号电流，Ig为经地线流回信号源的电流。可得出在信号Us的作用下，Ig和Us的关系为：

即Ig随着f/fc比值增大而减小，也就是说随着信号频率的增加，流经地线的电流越来越小，当f/fc趋向无穷大时，Ig为0，即信号电流回程不再流经两电路单元间的地线，只在同轴线的内外导体间流过。换句话说，当传输信号频率远大于同轴线的截止频率时，电路单元间设备和同轴线屏蔽层采用两端接地时，可以避免高频信号经地线对其它电路单元产生干扰。一般认为，当f≥5fc时，同轴线屏蔽层两端接地就起到了抑制干扰的作用。

同理在计算地线中干扰信号Ug的影响时，可将Us短路，只考虑干扰信号Ug的作用，此时由Ug在负载RL上产生的电压Un为

这和公式（2）完全相同，即表明当外界干扰信号的频率远高于同轴线的截止频率fc时，例如当f≥5fc时，在同轴线屏蔽层两端接地的情况下，能传导到负载RL上的干扰电压不到源电压的0.2，地线中的外界干扰被有效抑制。

综上所述，在所传输信号频率或外界干扰信号频率小于1 MHz或同轴线长度小于信号波长1/20的前提下，当同轴线传输的信号频率f＞＞5fc时，同轴线屏蔽层两端接地，则信号电流只在内、外导体中流过，不流经地线，因此消除了对其它电路的干扰。反之，当地线中干扰电压的频率f＞＞5fc时，干扰电流只在地线与外导体中流过，不流经内导体和负载RL，这就抑制了地线中的干扰。同时，同轴线屏蔽层的接地实现了电屏蔽，能有效地抑制外界对内导体的电场干扰。

1.2 f＞1MHz时

当同轴线传输的信号频率f大于1 MHz时，由于集肤效应的作用，使信号电流沿同轴线芯线的外表面流动，返回电流则集中在同轴线屏蔽层的内表面流动。而干扰所产生的噪声电流则只在屏蔽层外表面通过，为了避免同轴线屏蔽层出现高电平的噪声电压后通过分布电容耦合到芯线上，此时同轴线屏蔽层应多点接地，以保证其外表面有最低的地电位，从而保证信号的传输和抑制外界干扰。

1.3 同轴线长度大于波长的1/20时

当同轴线长度大于波长的1/20时，此时已不能再把同轴线看作是集总式的，而是必须用分布于整个长度的电路参数来描述其自身的特性。根据传输线理论，设同轴线传输线上的一个微分段长度为∆x，图 3为其等效电路。其中：R0、L0、G0和C0分别为该段同轴线内外导体或导体间的电阻、电感、电导和电容。

图3 同轴线微分单元的等效电路

通过计算，可以得到

由此可知，此时线上的电压、电流都可分解为入射波和反射波。式中A和B是由边界条件决定的常数，传播常数。

对同轴线来说，特性阻抗

其中μ为磁导率，ε为介电常数，σ为电导率，f为所传输信号频率。

因同轴线自身特性阻抗和同轴线终端电阻不可能完全匹配，会有部分能量被反射。此时同轴线上的电压电流都是由入射波和反射波叠加而成，即形成驻波。驻波的波节和波峰空间上差开λ/4，对电压驻波和电流驻波来说，其瞬时值的时间相位也不同，差π/2，即此时对被传输信号或干扰信号来说，能量在同轴线上以驻波形式来回振荡。

此时，为了减小同轴线分布参数对传输的影响，同轴线屏蔽层需多点接地，为了避免上述的λ/4效应，防止屏蔽层上出现振荡的驻波，屏蔽层一般应每隔0.05～0.1λ的间隔接地一次。

2 传输低频信号时的接地方法

根据前述，当同轴线传输信号的频率远大于其截止频率时，在屏蔽层两端接地的情况下，信号返回电流几乎全部流经屏蔽层，流入地线的很少，由于芯线电流与屏蔽层中的电流大小相等、方向相反，因此在屏蔽层外的漏磁场就相互抵消。但在传输低频信号时，信号返回电流则几乎全部从地线流过，此时，屏蔽层对磁场的抑制能力很差。

要使同轴线在传输低频信号时对磁场干扰仍有衰减作用，则屏蔽层只能一端接地，如图4和5所示。

图4 信号源端接地

其接地点既可选在信号源端，也可选在负载端。无论哪种情况，通过屏蔽层的电流与内导体中的电流大小相等方向相反，因此在屏蔽层外围产生的磁场能相互抵消，起到了对磁场干扰的抑制作用。另外，因只有一端接地，接地线不构成地环路，即使有交变磁场穿过时，也不会产生感应电势，从而抑制了磁场干扰。

因此，在低频电路和电缆长度远小于波长时，特别在集肤效应还不明显的情况下，同轴线采用一端接地为好。

图5 负载端接地

3 宽频带电路中的接地方法

在传输信号覆盖低频到高频的宽频带电路中，传输低频信号时要求同轴线屏蔽层一点接地，但传输高频信号时又要求电缆屏蔽层多点接地，该如何解决。此时可采用混合接地，如图6所示。

图6 宽频带电路的接地方法

图6中，信号源的机箱和信号源端的同轴线屏蔽层接地，负载端的机箱和同轴线屏蔽层则通过高频电容接地，这样的连接方式，在传输低频信号时，负载端的机箱和电缆屏蔽层对地是高阻抗，可视作不接地，全系统只有信号源端接地，属于单点接地，对干扰信号有很好的抑制作用。当传输高频信号时，负载端对地电容把高频信号旁路到地，从而构成高频时两点接地，同样可以抑制干扰。

4 低阻抗地线的设计

除了接地方法，接地线本身对干扰抑制效果的影响也很大，地线中的干扰电压除与流过地线的电流有关外，还与地线的阻抗有关。地线阻抗包括电阻和电抗分量，即

其中电阻Rg的表达式为

l为接地线长度，σ为地线电导率，a为地线等效半径，S为地线的有效载流面积，在直流情况下，因为电流在地线截面上是均匀分布的，所以地线的有效载流面积就是它的几何截面积，但是对于交变电流甚至射频电流来说，由于集肤效应，电流集中于导体表面，使地线的有效载流面积小于，甚至远小于导体的几何截面积，此时，其射频电阻为

μr为介质的相对磁导率，σr为介质的相对电导率，f为传输信号的频率，在截面积相同情况下，矩形截面的周长大于圆截面，且矩形截面的宽厚比越大，则截面周长越长，其等效半径a也就越大，根据公式（11）可知，当等效半径a变大时，射频电阻RRF将下降，所以设备地线一般宜采用扁的铜带。

再来看地线的电感Lg，矩形铜直导体的电感为

ω为矩形导体横截面的宽度，t为矩形导体横截面的厚度，l为导体长度。上式表明当导体截面积不变时，导体宽厚比大，则电感量Lg就小，所以，无论是为了降低地线的射频电阻还是减小地线的电感，都应该尽量用宽厚比大的扁铜带来制作地线，而且长度也要尽量短，这样才能形成低阻抗的地线。

5 结束语

总之，同轴线在电子系统中应用广泛，为了保证其良好的电磁兼容性能，需从同轴线的传输特性入手，结合所需传输的信号或需抑制的干扰的特点，选择合适的接地方式，并制作好低阻抗的接地线，这样才能达到较好的传输性能和干扰屏蔽效果。

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