通讯设备接地问题的研究与分析

彭 节

陆军工程大学军械士官学校 湖北 武汉 430075

一、接地系统的功能

在通信设备的设计中,为了确保整个通信系统的可靠运行,必须严格遵守EMC准则。所谓EMC：就是ElectroMagneticCompatibility的缩写,即电磁兼容。是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。因此,EMC包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；另一方面是指设备对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度,即电磁敏感性。为了使配置的整个通信系统达到EMC 要求,就必须通过接地网络与接地系统连接。由于电流要在通信电路内流动,而不能凭空消失,分流电流必须流向地面,这样系统设计中电流到地的低阻抗通路极为重要。也就是说,在提供可靠的通信中,接地系统起到了重要的作用。

二、接地原理和原因

接地保护的基本原理是限制漏电设备对地的泄露电流,使其不超过某一安全范围,一旦超过某一整定值保护器就能自动切断电源。

设备的接地是常用来在人为环境中防止危险状态的一种安全措施。而设计的低阻抗接地系统,则是为了降低通信和电子系统的噪声,并对瞬态电压提供保护,限制来自雷电、线路冲击或偶然与高压线路接触时产生的过电压,并且限制正常工作时的对地电压,使设备能可靠地运行。接地原因主要有以下几点：

1、为故障电流提供返回途径,也就是说为雷击和开关冲击提供放电途径,以保护通信设备。

2、保护人身,免受因机壳内部偶然碰地时引起的电击。

3、防止设备上静电荷的积累。

4、降低或消除机架和机壳上的射频电压。

5、为射频电流提供均匀和稳定的导体。

6、稳定电路的对地电位。

三、不同的接地系统

电子设备“接地”通常有两种含义：一种是“大地”(安全地)；另一种是“系统基准地”(信号地)。“接大地”是以地球的电位为基准,并以大地作为零电位,把电子设备的金属外壳、电路基准点与大地相连,由于大地的电容非常大,一般认为大地的电势为零。在弱电系统中的接地一般不是真实意义上与地球相连的接地。对于电力电子设备将地线直接接在大地上或者接在一个作为参考电位的导体上,这点的电压为0V,当有电流通过该参考电位时,电路中其他各点的电压高低都是以这点为基准的。接地方式多种多样,我们常用到的有以下几种：

1、安全接地：安全接地即将高压设备的外壳与大地连接。一是防止机壳上积累电荷,产生静电放电而危及设备和人身安全。如电脑机箱的接地。二是当设备的绝缘损坏而机壳带电时,促使电源的保护动作而切断电源,以便保护工作人员的安全。三是可以屏蔽设备巨大的电场,起到保护作用。

2、防雷接地：当电子设备被雷击时,不论是直接雷击还是感应雷击,如果缺乏相应的保护,设备都有可能受到很大损害甚至报废。为防止雷击,我们一般在高处设置避雷针与大地相连,以防雷击时危及设备和人员安全。

3、工作接地：它是为电路正常工作而提供的一个基准电位。这个基准电位一般设定为零。该基准电位可以设为电路系统中的某一点、某一段等。当该基准电位不与大地连接时,视为相对的零电位。但这种相对的零电位是不稳定的,它会随着外界电磁场的变化而变化,使系统的参数发生变化,从而导致电路系统工作不稳定。当该基准电位与大地连接时,基准电位视为大地的零电位,而不会随着外界电磁场的变化而变化。

4、屏蔽接地：屏蔽与接地应当配合使用,才能起到良好的屏蔽效果。当用完整的金属屏蔽体将带电导体包围起来时,在屏蔽体的内侧将感应出与带电导体等量异种的电荷,外侧出现与带电导体等量的同种电荷,因此外侧仍有电荷存在。如将金属屏蔽体接地,外侧电荷将流入大地,金属外壳将不会存在电场。

系统设计者在开始设计时就要确定一些目标：必须提供电源系统参考电压；必须使人免受电击；进入到设备的错误能量必须在引起损坏之前就要消除；通过设置到地的低阻抗通路和避免地环路来达到减小电噪声的目的；任一种电路都需要接地点等。对于通信系统,不存在一种技术能解决这些不同需求,并达到最佳EMC设计。

在通信中,解决EMC问题会涉及到耦合路径和接地系统的重要功能。许多可变因素会影响噪声与电路的耦合。鉴于这些变化没有一种标准的解决方法,在许多条件下,就必须应用折中方案——也就是说为了阻止来自更严重噪声源的耦合,设计者可允许存在某些可忽略的噪声。

对于一个电路,必须只有一个参考地。因为两个不同点不可能具有完全相同的电位,这样两个参考地就会导致噪声。但是如果考虑两个不同的电路并分别研究时,可以有两个不同的参考地。不过,当分析包含两个电路组成的整个电路时,就必须只有唯一的参考(物理)接地系统。

在低频应用时,电路可被视为一个包括一些常用元件(如电阻、电容、电感)的等效电网络。此种条件下,简单的计算就可满足要求。然而,当电路尺寸比波长小时,电路的辐射特性就不能忽视。

当考虑一个电路的两个导体(源/负载和线返同导体)时,两种电流的流向是不同的。首先,差模涉及有用信号,即电流通过一个导体从源流向负载,并通过另一个导体返回。在共模条件下,电流在两个导体上以相同的方向流动,并通过第三个导体(实际上为地)返回。很明显,共模电流是许多接地系统产生干扰问题的原因。

四、结论

在现代通信系统中,一个设计良好的接地系统对获得EMC 是至关重要的。对于一个给定的复杂的现代通信系统和所涉及的设备范围,通过一个简单的技术方法并不能获得可靠的保护。如上所述,一个有效的干扰控制计划应系统地注意到关键的敏感性以及与整个通信系统有关的一些可变的设计参数。