電子系統EMC設計中的同軸線接地方法研究

符偉杰 ，褚澤帆 ，韓繼偉

（1.水利部南京水利水文自動化研究所江蘇南京210012；2.水利部水文水資源監控工程技術研究中心江蘇南京210012）

同軸線的工作頻率范圍寬，可以從直流至甚高頻段，因此在各種電子設備以及通信、視頻傳輸等場合得到廣泛應用。同軸線如能正確使用的話，可以使電場和磁場全部被限制在內外導體間的介質區域內，從而大大地減小對外的輻射損耗，同時也屏蔽了外界的干擾。

在信號傳輸和電子設備中，接地是保證良好電磁兼容性能和干擾抑制的重要手段，在不同工作環境下，同軸線的不同接地方式對信號傳輸和干擾抑制都會產生很大影響，在EMC（電磁兼容性）設計中如能把同軸線接地和屏蔽正確地配合使用，對實現電子設備的電磁兼容性將起著事半功倍的作用，反之，則會影響信號傳輸質量或電子設備的正常工作，下面首先對同軸線傳輸信號時的電路作出分析，再針對不同情況下同軸線的接地方式進行研究分析，闡明在不同電磁環境下不同接地方式對傳輸影響的發生機理，文章最后分析了低阻抗地線設計的關鍵技術點，并給出了相應結論。

1 傳輸高頻信號時的接地方法

1.1 f＜1 MHz或同軸線長度小于波長的1/20

如圖1所示，電路1和2之間通過同軸線連接，電路1、2的機箱外殼和同軸線的屏蔽層在兩端分別接地，此時所傳輸信號頻率或外界干擾信號頻率小于1 MHz或同軸線長度小于信號波長的1/20，內外導體間的分布電容影響和集膚效應不明顯，其等效電路可簡化為如圖2所示。

圖1 電路間用同軸線傳輸信號

圖2 電路間同軸線傳輸信號的等效電路

RL為負載，同軸線的內外圈電阻為Rc1、Rc2，內、外導體的自感和互感分別為L1、L2和M，Ug為地線中等效干擾電壓；由于Rc1和RL串聯，一般Rc1＜＜RL，可略去，另外對同軸線來說，L1、L2和M大小有差別，但和Rc2比起來，這些差別的影響可以忽略，為簡化計算，可設L1=L2=M=L，通過計算可以得出同軸線的截止頻率。

一般Rc2也很小，所以同軸線的截止頻率fc一般在0.6～2 kHz范圍內。

根據圖2等效電路，按疊加原理，可先不考慮Ug的影響（即將Ug短路），Is為信號電流，Ig為經地線流回信號源的電流。可得出在信號Us的作用下，Ig和Us的關系為：

即Ig隨著f/fc比值增大而減小，也就是說隨著信號頻率的增加，流經地線的電流越來越小，當f/fc趨向無窮大時，Ig為0，即信號電流回程不再流經兩電路單元間的地線，只在同軸線的內外導體間流過。換句話說，當傳輸信號頻率遠大于同軸線的截止頻率時，電路單元間設備和同軸線屏蔽層采用兩端接地時，可以避免高頻信號經地線對其它電路單元產生干擾。一般認為，當f≥5fc時，同軸線屏蔽層兩端接地就起到了抑制干擾的作用。

同理在計算地線中干擾信號Ug的影響時，可將Us短路，只考慮干擾信號Ug的作用，此時由Ug在負載RL上產生的電壓Un為

這和公式（2）完全相同，即表明當外界干擾信號的頻率遠高于同軸線的截止頻率fc時，例如當f≥5fc時，在同軸線屏蔽層兩端接地的情況下，能傳導到負載RL上的干擾電壓不到源電壓的0.2，地線中的外界干擾被有效抑制。

綜上所述，在所傳輸信號頻率或外界干擾信號頻率小于1 MHz或同軸線長度小于信號波長1/20的前提下，當同軸線傳輸的信號頻率f＞＞5fc時，同軸線屏蔽層兩端接地，則信號電流只在內、外導體中流過，不流經地線，因此消除了對其它電路的干擾。反之，當地線中干擾電壓的頻率f＞＞5fc時，干擾電流只在地線與外導體中流過，不流經內導體和負載RL，這就抑制了地線中的干擾。同時，同軸線屏蔽層的接地實現了電屏蔽，能有效地抑制外界對內導體的電場干擾。

1.2 f＞1MHz時

當同軸線傳輸的信號頻率f大于1 MHz時，由于集膚效應的作用，使信號電流沿同軸線芯線的外表面流動，返回電流則集中在同軸線屏蔽層的內表面流動。而干擾所產生的噪聲電流則只在屏蔽層外表面通過，為了避免同軸線屏蔽層出現高電平的噪聲電壓后通過分布電容耦合到芯線上，此時同軸線屏蔽層應多點接地，以保證其外表面有最低的地電位，從而保證信號的傳輸和抑制外界干擾。

1.3 同軸線長度大于波長的1/20時

當同軸線長度大于波長的1/20時，此時已不能再把同軸線看作是集總式的，而是必須用分布于整個長度的電路參數來描述其自身的特性。根據傳輸線理論，設同軸線傳輸線上的一個微分段長度為?x，圖 3為其等效電路。其中：R0、L0、G0和C0分別為該段同軸線內外導體或導體間的電阻、電感、電導和電容。

圖3 同軸線微分單元的等效電路

通過計算，可以得到

由此可知，此時線上的電壓、電流都可分解為入射波和反射波。式中A和B是由邊界條件決定的常數，傳播常數。

對同軸線來說，特性阻抗

其中μ為磁導率，ε為介電常數，σ為電導率，f為所傳輸信號頻率。

因同軸線自身特性阻抗和同軸線終端電阻不可能完全匹配，會有部分能量被反射。此時同軸線上的電壓電流都是由入射波和反射波疊加而成，即形成駐波。駐波的波節和波峰空間上差開λ/4，對電壓駐波和電流駐波來說，其瞬時值的時間相位也不同，差π/2，即此時對被傳輸信號或干擾信號來說，能量在同軸線上以駐波形式來回振蕩。

此時，為了減小同軸線分布參數對傳輸的影響，同軸線屏蔽層需多點接地，為了避免上述的λ/4效應，防止屏蔽層上出現振蕩的駐波，屏蔽層一般應每隔0.05～0.1λ的間隔接地一次。

2 傳輸低頻信號時的接地方法

根據前述，當同軸線傳輸信號的頻率遠大于其截止頻率時，在屏蔽層兩端接地的情況下，信號返回電流幾乎全部流經屏蔽層，流入地線的很少，由于芯線電流與屏蔽層中的電流大小相等、方向相反，因此在屏蔽層外的漏磁場就相互抵消。但在傳輸低頻信號時，信號返回電流則幾乎全部從地線流過，此時，屏蔽層對磁場的抑制能力很差。

要使同軸線在傳輸低頻信號時對磁場干擾仍有衰減作用，則屏蔽層只能一端接地，如圖4和5所示。

圖4 信號源端接地

其接地點既可選在信號源端，也可選在負載端。無論哪種情況，通過屏蔽層的電流與內導體中的電流大小相等方向相反，因此在屏蔽層外圍產生的磁場能相互抵消，起到了對磁場干擾的抑制作用。另外，因只有一端接地，接地線不構成地環路，即使有交變磁場穿過時，也不會產生感應電勢，從而抑制了磁場干擾。

因此，在低頻電路和電纜長度遠小于波長時，特別在集膚效應還不明顯的情況下，同軸線采用一端接地為好。

圖5 負載端接地

3 寬頻帶電路中的接地方法

在傳輸信號覆蓋低頻到高頻的寬頻帶電路中，傳輸低頻信號時要求同軸線屏蔽層一點接地，但傳輸高頻信號時又要求電纜屏蔽層多點接地，該如何解決。此時可采用混合接地，如圖6所示。

圖6 寬頻帶電路的接地方法

圖6中，信號源的機箱和信號源端的同軸線屏蔽層接地，負載端的機箱和同軸線屏蔽層則通過高頻電容接地，這樣的連接方式，在傳輸低頻信號時，負載端的機箱和電纜屏蔽層對地是高阻抗，可視作不接地，全系統只有信號源端接地，屬于單點接地，對干擾信號有很好的抑制作用。當傳輸高頻信號時，負載端對地電容把高頻信號旁路到地，從而構成高頻時兩點接地，同樣可以抑制干擾。

4 低阻抗地線的設計

除了接地方法，接地線本身對干擾抑制效果的影響也很大，地線中的干擾電壓除與流過地線的電流有關外，還與地線的阻抗有關。地線阻抗包括電阻和電抗分量，即

其中電阻Rg的表達式為

l為接地線長度，σ為地線電導率，a為地線等效半徑，S為地線的有效載流面積，在直流情況下，因為電流在地線截面上是均勻分布的，所以地線的有效載流面積就是它的幾何截面積，但是對于交變電流甚至射頻電流來說，由于集膚效應，電流集中于導體表面，使地線的有效載流面積小于，甚至遠小于導體的幾何截面積，此時，其射頻電阻為

μr為介質的相對磁導率，σr為介質的相對電導率，f為傳輸信號的頻率，在截面積相同情況下，矩形截面的周長大于圓截面，且矩形截面的寬厚比越大，則截面周長越長，其等效半徑a也就越大，根據公式（11）可知，當等效半徑a變大時，射頻電阻RRF將下降，所以設備地線一般宜采用扁的銅帶。

再來看地線的電感Lg，矩形銅直導體的電感為

ω為矩形導體橫截面的寬度，t為矩形導體橫截面的厚度，l為導體長度。上式表明當導體截面積不變時，導體寬厚比大，則電感量Lg就小，所以，無論是為了降低地線的射頻電阻還是減小地線的電感，都應該盡量用寬厚比大的扁銅帶來制作地線，而且長度也要盡量短，這樣才能形成低阻抗的地線。

5 結束語

總之，同軸線在電子系統中應用廣泛，為了保證其良好的電磁兼容性能，需從同軸線的傳輸特性入手，結合所需傳輸的信號或需抑制的干擾的特點，選擇合適的接地方式，并制作好低阻抗的接地線，這樣才能達到較好的傳輸性能和干擾屏蔽效果。

[1]TB 10180-2016鐵路防雷及接地工程技術規范[S].中國鐵道出版社，2016.

[2]GB/T 19286-2015電信網絡設備的電磁兼容性要求及測量方法[S].中國標準出版社，2016.

[3]王曉靜，葉明，馬燕.平行互連線間串擾問題的研究[J].電子測量技術，2015（1）:1-6.

[4]張娟利.網絡間的串擾分析和仿真[J].興義民族師范學院學報，2012（3）:113-117.

[5]花云昌，原野.雙扭絞屏蔽線的屏蔽性能分析[J].科技創新導報，2012（23）:15-17.

[6]劉光平.對六類網絡布線系統性能測試的分析[J].南通職業大學學報，2012，26（4）:89-92.

[7]呂士斌，梁雪松.電磁兼容設計中接地技術的探討[J].艦船電子對抗，2012，35（6）:113-116.

[8]王曉東，蔡虎，唐振紅.醫用電氣設備電磁兼容設計中接地方法研究[J].中國科技縱橫，2016（2）:182-185.

[9]李雙力.關于PCB電磁兼容設計中的電源和接地方法探討[J].電子測試，2016（2）:125-126.

[10]周國清.電子設備中基于接地與屏蔽的電磁兼容設計中[J].西南大學學報自然科學版，2014（8）:185-188.

[11]呂景峰，陳玲香.電子設備結構設計中的電磁兼容性[J].電子世界，2013（12）:163-165.

[12]竇木輝.電子設備結構設計中的電磁兼容設計[J].電子技術與軟件工程，2013（17）：155-156.

[13]雷鳴文，雷謹.電磁兼容（EMC）系統設計中接地方案理念探討[J].機房技術與管理，2013（1）:18-21.

[14]劉滿堂，尋遠，劉悅.艦船通信系統電磁兼容性設計技術[J].電訊技術，2012，52（8）:1359-1363.

[15]劉湘春，奚秀娟.水面艦船電磁兼容性數字化設計方法[J].中國艦船研究，2012，7（1）:1-6.

[16]高鑫，何方敏.寬帶干擾信號消除分析[J].通信技術，2016，49（8）:975-979.

[17]LEI Yong-liang，LEI Zhen-ya，LV Zhi-qing，et al.EMC Analysis for Multi-point Grounding Cable of Aircraft[C]//2014 3rd Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation.

[18]ZHANG Bo-yuan，ZOU Jun.Ground Admittance of an Underground Insulated Conductorand its Characteristic in Lightning Induced Disturbance Problems.IEEE Transactions On Electronmagnetic Compatibility[S].2017.

[19]GU Jun，XIE Yan-zhao，QIU Ai-ci.Calculation of lightning Induced Voltages on overhead lines Using an Analytical Fitting Representation of electric fields. IEEE Transactions On Electronmagnetic Compatibility[S].2017.