通讯设备接地问题的探讨与分析

师维 李赟

摘要：在通讯设备的设计中，为了确保整个通讯系统的可靠运行，必须使用EMC准则设计接地系统。本文主要运用EMC准则，对通讯设备接地系统的设计问题进行了探讨和分析。

关键词：接地;EMC;浪涌

一、接地系统的功能

当设备或系统的器件和单元能在其电磁环境中正常运行并不产生辐射，不危及或干扰其它器件、设备或系统时，则称其达到了EMC要求。为了达到理想的EMC要求，需要进行两种分析：在电磁环境中，一种具体器件的影响以及在整个系统中满意功能的效果。当今，制造商和设计者拥有一系列的技术、产品、标准和建议来控制源于任何器件的电磁干扰（EMI）问题。不幸的是，一个系统即使完全由满足EMC标准的部件组成，但仍然容易受到源于创建此通信系统的电缆线路和网络连接产生的电磁干扰。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

正确的接地系统，应当使通信设备的所有部分，在任何时候都能通过提供的低阻抗途径，均衡整个系统的能量并排泄入地，按正常规定公差保持在同一电位上。

三、接地原因

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。

四、不同的接地系统

通信设备可包括几种不同的接地系统，例如交直流配电接地、屏蔽设备接地、射频接地、参考地、雷电地等系统。同时这些系统必须包括不同的接地点，这些点包括逻辑地、框架地、电缆屏蔽地、机壳地和信号地等。

通常，接地系统的实施需要考虑两种或三种主要规则，从以下规则中选取：（1）接地电阻应小于5欧姆;（2）应用星形配置;（3）地电位应相等;（4）避免地环路等。值得注意的是，在设计系统时，设计者往往会忽视更严重的电击危害。他们常常等到产品成熟后再通过增加一些专用产品试图克服这些不足，例如高级浪涌保护装置（SPD）等，而不是在开始设计系统时就考虑这些问题。

这样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。但是，利用一些基本EMC准则去设计接地系统有助于达到一个完整系统设计，它可保证不同电路信号的保真度。在此，必须考虑四个基本的设计方面。

1.噪声控制

减小EMI需确认噪声源（在内部还是在外部），耦合路径（电磁干扰耦合到电路的路径）和受影响的电路。如果已经弄清了这些问题，那么通过改变一个或多个元件就可减小干扰。然而，随着现代通信系统复杂性的增加，通常不可能改变受影响的元件、通信设备或噪声源，尤其当噪声源位于系统外部时。在实际情况下，通常设计者没有试图全部地减小噪声，而是寻找折中的解决方法，以使耦合到电路的全部噪声不会引起干扰。在通信中，消除或减小EMI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，亦即信号的电平和带宽、外界环境的电磁干扰或电路的实际布局等。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。

2.地电位

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，当分析包含这两个电路和组成的整个电路时，就必须只有唯一的参考（物理）接地系统。

3.电磁场

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。例如，一段简单的导线有可变的电阻、电容、电感特性，这是否会影响系统的功能，其依赖于导线的尺寸及承载频率。电流总是伴随着磁场，电压总是伴随着电场。在很多情况下，干扰问题是由于没有考虑这些简单的事实而引起的。

4.共模電流

当考虑一个电路的两个导体（源/负载和线返回导体）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。在一些情况下，信号源和负载在不同的点直接到“地”，这时，对这两个接地点来说，共模电流源的电位是不同的;在另一些情况下，由于承载共模电流的电路没有连接材料而是通过寄生电容使环路在电路的一端连接到地，这样，很明显，共模电流是许多接地系统产生干扰问题的原因。因为“地”常作为返回通路或环路，所以这些现象被归类为“地环路”。在解决这类问题时，要对电流进行详尽的分析。

五、雷电防护

在影响通信系统的外界因素中，电击被认为是最具破坏性的一种。因为中央通信系统通过大地延伸到遥远的乡村地区（此处维修电击引起的破坏需要一些时间），因此尤其易受自然环境的影响。当电击引起的直接或间接过载电流超过设备容许值时，会对电缆线路本身和它连接的设备产生严重的损坏。而保护外部电缆线路免受电击损坏是一件令人烦恼的事情，应根据危险性分析采取保护措施。同时还应考虑到设备安装所在房屋的结构、设备本身以及组网的电缆线路等。

另外，由于雷电引起的电平存在着高于纯干扰电平的可能，此电平还有可能导致电路致命的毁坏，所以，雷电保护也包含在EMC领域中。

全面的EMC准则由于包括了雷电防护，很明显EMC准则对可靠的通信系统的设计也是非常重要的。在通信系统的设计中，雷电保护可通过如下措施实施：（1）阻止雷电能量传送到通信系统;（2）把过载降低到系统内加固元件可承受的最低水平。有用的技术包括：用埋地电缆代替架空电缆、屏蔽或使用浪涌保护装置（SPD）。

六、通信中的干扰“故障点”

對电磁兼容的错误观点会导致通信系统不可靠，引起通信中断和频繁的维修。下面我们就通信设计中电缆线路、地电极、浪涌保护三个方面中应注意的问题来进行讨论。

1、电缆线路

通信设备必须遵循EMC标准的两个要素，即它既不能是干扰者，也不能是敏感者;它既不能是电磁干扰源，也不能易受由此干扰引起故障的影响。可是，通信系统中应用的电缆线路（用于电源、信号、电话线等）会对电磁干扰提供几个耦合路径，其原因是因为它连接两个接地点或在外界环境存在的电场和磁场中起到了天线的作用。在完成通信设施内部的电缆线路时，最困难的任务是对共模电流的模拟。这里介绍一个有效的方法是给其提供可供选择的电流通路。由于电流总是走闭合磁通量最小的路径，信号电缆可接近接地导体布放，同时，运用平行接地导体（即电缆托架应两端接地）可将共模电流从差模电路、电缆及其屏蔽层中去掉。

2、地电极

在保护通信方面地电极所起着重要的作用。许多制造商传统要求1～5欧的接地直流电阻，但这样一个低的数值在理论上的依据仍不明显。要做到符合这点要求，设计者必须认识到要考虑的一个首要的因素是安装处土壤的电特性。在理想情况下，希望找到的地方土壤电导率低，并且不存在寄生的电源电流。如果这两个条件具备，那么即使为此改变已计划好的安装路径也是值得的，因为有效接地可以使通信系统更加可靠;另一方面，由于大地的低电导率对防止电击损坏毫无作用，考虑到电击产生的致命损坏，设计配置中还需要考虑可平衡电击能量的结构问题。

3、浪涌保护器件

浪涌保护器件能限制瞬态电压并使浪涌电流接触不到敏感设备。现在，已有许多可利用的SPD，包括电压击穿器件（气体放电管，避雷器）、限压器件（金属氧化物变阻器或雪崩结瞬态电压抑制器）、带宽限幅器件（滤波器）、隔离器件（光连接器、光耦合器或变压器）等。对于任何应用，任一类型的SPD都具有它的优点和缺点：金属氧化物变阻器（MOV），因其具有以低成本提供高的电流承载能力和好的电压限制能力，所以运用比较广泛，非常适合用在AC电源作主级和次级保护元件;对通信线路来说，由于气体放电管在非导通条件下具有高的绝缘电阻和低的电容，并且具有高的电流承载能力，所以被广泛用作主级保护器件使用;另外，在许多应用中，固态器件可以和气体管结合使用，当需要高的电流承载时可以提供更快的响应时间。

4. 最佳浪涌保护器件的选择标准

SPD的选择是通讯设备设计中重要的设计步骤，因为其可组合到所有电缆线路而进入通信系统，以确保通过电源电缆、电话线路及天线电缆的过压电平不会超过系统中设备容许的电平。那么，怎样才能取得最佳的SPD的选择呢？达到最优化的SPD组合涉及到下面几个主要问题：本地区雷电发生的概率是多少？预计浪涌参数是多少？对所连接设备能承受的每一波形来说，最大的残余电压是多少？我们知道，SPD的通过电压与它的响应时间有关：响应时间慢，其通过电压就会变高。在处理快速瞬态变化时，响应时间是最重要的。但是，响应时间并不是唯一的考虑因素，还有连接导线上存在的感应电压下降问题。在各种变阻器设计中，因为通过变阻器的流动能量也会受到变阻器钳位电压的影响，所以瞬变环境条件下低能量变化率并不一定存在着较小的幸存概率。这样，保护器件的选择不应仅仅基于响应时间和额定电压，而且还应认真考虑具体环境。

七、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

（作者单位：海军装备部）