《電磁兼容原理與技術》課件第7章

第7章接地技術

7.1電子設備接地的目的7.2接地系統7.3安全地線7.4地線中的干擾7.5低阻抗地線的設計7.6阻隔地環(huán)路干擾的措施7.7屏蔽電纜的接地7.8附加實例習題7.1電子設備接地的目的在電子設備中,接地是抑制電磁噪聲和防止干擾的重要手段之一。在設計中如果能把接地和屏蔽正確地配合使用,則對實現電子設備的電磁兼容性將起到事半功倍的作用。電子設備中各類電路均有電位基準,對于一個理想的接地系統來說,各部分的電位基準都應保持零電位。設備內所有的基準電位點通過導體連接在一起,該導體就是設備內部的地線。電子電路的地線除了提供電位基準之外,還可作為各級電路之間信號傳輸的返回通路和各級電路的供電回路?！暗亍笨梢允侵复蟮?陸地使用的電子設備通常以地球的電位作為基誰,并以大地作為零電位?！暗亍币部梢允请娐废到y中某一電位基準點,并設該點電位為相對零電位,但不是大地零電位。例如,電子電路往往以設備的金屬底座、機架、機箱等作為零電位或“地”電位,但金屬底座與機架、機箱有時不一定和大地相連接,即設備內部的“地”電位不一定與大地電位相同。通常,為了防止雷擊對設備和操作人員造成危險,將設備的機架、機箱等金屬結構與大地相連。電子設備的“地”與大地連接有如下作用:

(1)提高電子設備電路系統工作的穩(wěn)定性。電子設備若不與大地連接,它相對于大地將呈現一定的電位,該電位會在外界干擾場的作用下變化,從而導致電路系統工作不穩(wěn)定。如果將電子設備的“地”與大地相連接,使它處于真正的零電位,就能有效地抑制干擾。

(2)泄放機箱上積累的靜電電荷,避免靜電高壓導致設備內部放電而造成干擾。

(3)為設備和操作人員提供安全保障。7.2接地系統有許多接地的方法,它們的使用常常依賴于所要實現的目標或正在開發(fā)的系統的功能。不考慮安全接地,僅從電路參考點的角度考慮,接地可分為懸浮地、單點接地、多點接地和混合接地。7.2.1懸浮地對電子產品而言,懸浮地是指設備的地線在電氣上與參考地及其他導體相絕緣,即設備懸浮地。另一種情況是在有些電子產品中,為了防止機箱上的騷擾電流直接耦合到信號電路,有意使信號地與機箱絕緣,即單元電路懸浮地。圖7-1分別給出了這兩種懸浮地。圖7-1懸浮地懸浮地容易產生靜電積累和靜電放電,在雷電環(huán)境下,還會在機箱和單元電路間產生飛弧,甚至使操作人員遭到電擊。當設備懸浮地,電網相線與機箱短路時,有可能引起觸電,所以懸浮地不宜用于通信系統和一般電子產品。7.2.2單點接地單點接地是為許多接在一起的電路提供共同參考點的方法。并聯單點接地最簡單,它沒有共阻抗耦合和低頻地環(huán)路的問題。如圖7-2所示,每一個電路模塊都接到一個單點地上,每一個子單元在同一點與參考點相聯,地線上其他部分的電流不會耦合進電路。這種結構在1MHz以下能很好工作,但當頻率升高時,由于接地的阻抗較大,因此電路上會產生較大的共模電壓。當地線的長度超過1/4波長時,電路實際上與地是隔開的。單點接地要求電路的每部分只接地一次,并都是接在同一點上,該點常常以大地為參考。由于只存在一個參考點,因此可以相信沒有地回路存在,因而也就沒有騷擾問題。圖7-2并聯單點接地并聯單點接地的一種改進方式是將具有類似特性的電路連接在一起,然后將每一個公共點連接到單點地,如圖7-3所示。這樣既單點接地又可以避免共阻抗耦合,且使高頻電路有良好的局部接地。為了減少共阻抗耦合,騷擾最大的電路應最靠近公共點。當一個模塊中有一個以上的地時,它們應該通過背對背二極管連接到一起,避免當電路斷開時造成電路損壞。圖7-3改進的并聯單點接地低頻設備信號地線的鋪設,應力求減小地線的長度。如果有兩個以上獨立的低頻電路單元或插箱裝入機柜時,應安裝一條與機架絕緣的接地母線,每個單元或插箱的信號地線通過搭接條連接到該接地母線上,如圖7-4所示。為了保證足夠的機械強度和低阻抗通路,應選用長寬比小的搭接條,并帶絕緣,以避免與機柜或插箱等短接。圖7-4裝有接地母線的機柜7.2.3多點接地多點接地如圖7-5所示。從圖中可以看到,設備中的內部電路都以機殼為參考點,而所有機殼又以地為參考點。有一個安全地把所有的機殼連在一起,然后再與地或輔助信號地相連。這種接地結構的原理在于為許多并聯路徑提供了到地的低阻抗通路,并且在系統內部接地很簡單。只要連接公共參考點的任何導體的長度小于騷擾波長的幾分之一,多點接地的效果都很好。圖7-5多點接地系統多點接地能夠避免單點接地在高頻時的問題。在數字電路和高頻大信號電路中必須使用多點接地。模塊和電路通過許多短線(<0.1λ)連接起來,以減少地阻抗產生的共模電壓。同樣,子單元通過許多短線與機架、地平面或其他低阻抗導體連接起來。這種方式不適合敏感模擬電路,因為這樣連接形成的環(huán)路容易受到磁場的影響。在這種結構中,要避免50Hz交流電產生的騷擾是十分困難的。多點接地的子系統在整個系統中,可以與其他子系統單點接地。7.2.4混合接地混合接地既包含了單點接地的特性,也包含了多點接地的特性。例如,系統內的電源需要單點接地,而射頻部分則需要多點接地?；旌辖拥厥褂秒娍剐云骷菇拥叵到y在低頻和高頻時呈現不同的特性,這在寬帶敏感電路中是必要的。在圖7-6中,一條較長的電纜的屏蔽外層通過電容接到機殼上,避免射頻駐波的產生。由于電容對低頻和直流有較高的阻抗,因此能夠避免兩模塊之間的地環(huán)路形成。圖7-6混合接地在使用電抗元件作接地系統的一部分時,應注意寄生諧振現象,這種諧振會使騷擾增強。例如,當在一條自感為0.1μH的電纜上使用電容量為0.1μF的電容器時,將在1.6MHz處產生諧振。在這個頻率上,電纜的屏蔽層根本沒有接地。當將直流地和射頻地分開時,將每個子系統的直流地通過10～100nF的電容器聯到射頻地上,這兩種地應在一點有低阻抗連接起來,連接點應選在最高翻轉速度(di/dt)的信號存在的點。圖7-7為電子設備的混合接地,它把設備的地線分成兩大類:電源地與信號地。設備中各部分的電源地線都接到電源總地線上,所有信號地都接到信號總地線上。兩根總地線最后匯集到公共的參考地。圖7-7電子設備的混合接地7.2.5大系統接地

大系統之所以不好處理,是因為系統中的距離在較高頻率上往往與波長接近,這可以通過在機箱內使用屏蔽電纜或將電纜靠近機箱壁來克服。電纜和機箱之間的寄生電容能夠在高頻時提供一個低阻抗接地,而機箱的作用是接地平面。復雜電子設備中往往包含有多種電子電路和各種電機、電器等元部件。這時地線應分組鋪設,除應按電源電壓分組外,還應分為信號地線(包括數字地線、模擬地線、高頻地線、低頻地線、高速地線、低速地線、高電平地線、低電平地線等)、噪聲地線(騷擾源地線)和金屬件地線(機殼地)等,如圖7-8所示。其中,信號標志部分屬于高電平騷擾源,容易對其他電路產生騷擾,所以單獨設噪聲地5;保持、比較、折疊等皆為低電平模擬電路,對騷擾敏感,故單獨設信號地2;發(fā)話路與收話路分別設信號地1和信號地4,以免高電平地線與低電平地線之間產生共地阻抗耦合;插箱內屏蔽盒與插箱絕緣,通過多芯連接器接入信號地線;每個插箱與機架之間僅有一點相連接,機架設金屬件地6;整個設備各類地線匯集于一點接參考地。圖7-8大系統接地因此,地線系統的設計步驟如下:

·分析設備內各類部件的騷擾特性和敏感特性;

·搞清楚設備內各類電路的工作電平、信號種類和電源電壓;

·將地線分類、劃組;

·畫出總體布局框圖;

·排出地線網。最后,還應指出,大系統除了安全地以外至少應有兩個分開的地,即電路地和機殼地,這些地應僅在電源處相連。如圖7-9所示,機箱為高頻提供了一個很好的回路,電路地應通過一個10～100nF的電容器與機殼相連,各個單元的安全地可以連到金屬件上。金屬件之間必須有可靠的搭接,對于接地而言,鉸鏈連接、滑動連接和臨時性的連接都不能滿足要求。對于永久性的搭接,最理想的是焊接,當確認接觸面上沒有油漆或其他影響導電性的物質時,也可以用螺釘連接或鉚接。對于滑動的部件,可以用單獨的短連接條實現搭接。圖7-9機架系統的接地7.3安全地線7.3.1設置安全地線的意義電子設備之所以要設置安全地線,是基于下列三個原因:

(1)當絕緣被破壞時,安全地線能起保護作用。在交流電網供電的電子設備中,如果機箱不接大地,一旦電源與設備機箱間的絕緣被破壞,或電源變壓器初級繞組與鐵芯間的絕緣被擊穿,如圖7-10所示,設備機箱就會帶上電網電壓,對操作人員的安全構成威脅。圖7-10機箱因絕緣擊穿帶電

(2)防止設備感應帶電而造成電擊。對于一些機箱不接地的高頻、高壓大功率電子設備,其內部的高頻、高壓電路與機箱間總存在雜散耦合阻抗,如圖7-11所示,因而會使機箱上感應出危險的高頻高電壓,此電壓值為

(7-1)

式中,Uf為機箱上的感應電壓(V);Z1為高壓部件與機箱間的雜散阻抗(Ω);Z2為機箱與大地間的阻抗(Ω);U1為高壓部件的電壓值(V)。圖7-11機箱因雜散阻抗帶電電子設備的機箱帶有上述電壓后,對操作和維修人員將構成威脅。一般人體能感覺到刺激的電流值大約是1mA;當人體通過的電流值為5～20mA時,肌肉就產生收縮抽搐現象,使人體不能自離電線;當電流達數十毫安以上時,將使心肌喪失擴張和收縮能力,直至死亡。當設備機箱或按鍵上的電壓超過規(guī)定的電壓后,就有觸電的危險。為了保證操作和維修人員的安全,應把設備的機箱或底座等金屬件與大地連接。以圖7-10為例,如果機箱已接大地,在電源線及變壓器等器材的絕緣被擊穿時,電源線中通過的大電流首先將保險絲熔斷,使設備的機箱與電網脫離。注意,保險絲一定要串聯在電網的相線中,中線串入保險仍不能排除觸電危險。對于圖7-11所示的情況,機箱接大地后,Z2＝0,則Uf＝0,這就消除了對人產生電擊的可能。若機箱內有一強干擾源,將機箱接大地,還可抑制其電磁能量的輻射。

(3)防止雷擊事故。電子設備受雷擊可分為兩種情況,即直接雷擊和感應雷擊。夏日的雷云往往帶有大量電荷,當雷云接近電子設施上空時,它可能通過電子設施對大地放電。雷電的放電電流達數千安,可在瞬間將電子設施或其他設備完全燒毀。防止直接雷擊的有效辦法是采用具有良好接地裝置的避雷針。若電子設備為懸浮的不接地系統,雷云接近設備上空時可能在設備中感應產生大量電荷。當雷云通過其他物體放電后,在電子設備上感應的電荷可能對地或其他設備形成放電,導致電子設備故障或損壞。設備接地后,機箱上感應的電荷將隨之流入大地,不會導致因電荷大量積聚而產生高壓。7.3.2設置安全接地的方法

由上述分析表明,為防止電子設備機箱帶電或免遭雷擊,都需接地。因此在進行電子設備機箱結構設計時,必須在機箱上設置接地端子。對于小型電子設備,機箱的接地可直接經安全電源插座中的接地插孔連接到大地。

1.單相供電為便于電子設備的機箱與安全地線連接,試驗室或安裝電子設備的工作室常采用單相三線制供電,如圖7-12所示。圖中相線是Y形三相供電系統中任一相,中線即Y形供電系統的回線,而安全地線就是機箱接入大地的導線。正常工作時,安全地線不通過電流,無電壓降,與之相連接的機箱都是“地”電位。功率不太大的電氣、電子設備,安全地線不一定與配電房的中線接地樁相接,可在試驗室就近埋入接地樁,供安全地線接地用。圖7-12單相三線制供電線路

2.三相供電

當設備采用三相供電時,安全地線的設置有下述兩種方案可供選擇。

(1)三相五線制。設備的金屬機箱及其金屬件的接地線除通過接地樁就近接大地外,再引一根地線到變壓器或發(fā)電機中心點與三相電源的零線相接,如圖7-13所示。這里三相不平衡電流不會通過設備地線,既保證了設備安全,也有利于消除工頻附加干擾。圖7-13三相五線制接地系統示意圖

(2)三相四線-五線制。有些場所無法專設一根地線至供電變壓器或發(fā)電機,這時可采用圖7-14所示的三相四線-五線制接地系統。把設備機箱的接地線接入地樁后,再在總線入口處與電源零線端接,這樣可兼顧安全,并防止三相不平衡電流引起的工頻干擾。圖7-14三相四線—五線制接地系統示意圖7.3.3接地裝置

接地裝置是指埋入地下的板、棒、管、線等導電體,要求它們具有良好的抗腐蝕性及小的接地電阻。不同的設施和場所對接地電阻有不同要求,例如,電磁屏蔽室的接地電阻一般應小于4Ω。對于雷電保護的接地電阻一般應小于10Ω,但以地下管線等電位搭接為前提?？梢酝ㄟ^以下方法安裝接地裝置。

(1)埋設銅板:將鋼板或用扁銅條圍成框埋入地下,然后用多股鋼線或銅帶引出地面與試驗室地線連接。

(2)打入地樁:將包銅鋼棒(管)打入地下2米左右作為接地樁。當一根樁的接地電阻太大時,可用多根同樣粗的鋼棒打入地下,再用導體并聯連接成一體,連接導體與地樁應采用熔焊接頭。為進一步減小接地電阻,可在地樁周圍埋入降阻劑。最簡單的降阻劑是木炭,以及土、水、鹽混合的漿土。但這種漿土易受到雨水和地下水的沖刷,其降阻效果不能長久?，F在有一種降阻劑是在電介質的水溶液中加入滯留劑,從而在地樁周圍形成凝膠狀或固體物質,使其降阻效果持久不變。

(3)鉆孔法:用鉆機直接往地下打孔,一般深度為10～30m,孔徑為6cm左石,然后把與孔深等長的接地棒埋入。對一般土壤,深度為5～15m時,其接地電阻可小于10Ω。

(4)埋設導線:在地面挖深0.6～1米、長幾十米的溝,在溝內埋入銅導線,且在導線周圍填入上述降阻劑,這對山區(qū)或凍土地帶臨時鋪設地線比較方便。

(5)地下管道:城市中的地下水管網是一種簡單方便的接地裝置,其接地電阻可小于3Ω。一般僅能利用地下管道作為輔助接地裝置,必須以專門埋設的接地樁為主。而且還應注意到,當接地線中有直流電流時,管道材料會加速電化學腐蝕。7.4地線中的干擾7.4.1地阻抗干擾地電流在地線阻抗上引起的干擾可用圖7-15說明。圖中U1為干擾電路1中的干擾源電壓,U2為受干擾電路2中的信號電壓,Zg為兩電路之間的公共阻抗。下面分析電壓U1在受干擾電路負載RL2上的干擾響應。圖7-15公共地阻抗引起的干擾根據電路1和電路2兩個回路寫出下列方程:(7-2)由于僅討論電路1對電路2的干擾,I2在公共阻抗Zg上的作用不予考慮,則式(7-2)可簡化為(7-3)一般則

Ug在電路2負載RL2上形成的騷擾電壓Un為可得(7-4)(7-5)將式(7-4)帶入式(7-5)中，可得

(7-6)

可見,電路2負載RL2上的噪聲電壓Un是干擾電壓U1、公共地線阻抗Zg及負載RL2的函數。7.4.2地環(huán)路干擾電子設備中的地線如人體的血管,分布到設備內部的各級電路單元,難免會與其他線路構成環(huán)路。如在不對稱饋電的信號電路中,地線與信號線可構成環(huán)路,當地線作為直流供電電源的饋線之一時,它與另一電源線也會構成環(huán)路,地線本身也可能構成環(huán)路。當交變磁場與這些環(huán)路交連時,環(huán)路中產生的感應電勢就有可能疊加到傳輸信號上形成干擾。圖7-16為兩個級連的電路單元,其中cd是信號傳輸線,地線ab既是信號的返回通路,又是電源饋線之一。由圖可見,電源的正極饋線與地線在電路1和電路2間構成一個環(huán)路aa′b′b,信號線cd與地線在電路1和電路2間又構成另一環(huán)路cdba。當交變磁場穿過這些環(huán)路時,環(huán)路中產生的感應電勢為

(7-7)式中,ei為環(huán)路中的感應電勢(V);S為環(huán)路在磁場垂直方向上的投影面積(m2);B為穿過環(huán)路的磁通密度(T,1T=V·s/m2)。由圖7-16可見,地環(huán)路中的感應電勢ei與傳輸信號電壓串聯后輸送到下一級電路的輸入端,造成干擾。要減小地環(huán)路干擾,就得減小地環(huán)路面積,最好在線路布局時避免構成地環(huán)路。圖7-16級連的兩電路單元7.4.3地線中的等效干擾電動勢

綜上所述,從電磁兼容性的角度出發(fā),地線已不能看成是等電位的。假設某一段地線的電阻為Rg,電感為Lg,流過的電流為ig,則在這段地線上產生的壓降為(7-8)假設這段地線與電源正極饋線(或信號線)構成的環(huán)路面積為S,則在這段地線上產生的總的干擾電動勢為(7-9)

可見在分析地線給電路所造成的干擾時,只需在地線中加一等效干擾電動勢eg,如圖7-17所示。圖7-17地線中的等效干擾電勢總之,地線干擾是造成設備(或系統)內部各單元之間耦合的重要因素之一。如何抑制地線干擾是電磁兼容性設計的一個重要課題。根據地線中干擾形成的機理,減小地線干擾的措施可歸納為:減小地線阻抗和電源饋線阻抗;正確選擇接地方式和阻隔地環(huán)路。7.5低阻抗地線的設計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Zg包括電阻分量Rg和電感分量Lg,可記為(7-10)7.5.1導體的射頻電阻圓形截面導體的低頻電阻表達式為(7-11)

式中,l為導體的長度(m);σ為導體的電導率(S/m);a為導體的半徑(m);S為導體的橫截面積(m2)。式(7-11)中導體的橫截面積應理解為有效載流面積。在直流情況下,電流在導體截面上均勻分布,導體的橫截面積就是它的幾何截面積。但對于射頻電流,由于集膚效應,導體的有效載流面積將遠小于導體的幾何截面積,即導體的射頻電阻高于直流電阻。(7-12(b))

1.實心圓截面導體的射頻電阻如果集膚深度遠小于導體的半徑a,則單位長度的射頻電阻為(7-12(a))

式中,δ為集膚效應(m),。將及σ=σr,σCu=5.82×107σr代入式(7-12(a)),可得圖7-18表示了孤立圓截面直導體的射頻與直流電阻之比(RRf/Rdc)和頻率、直徑的關系,圖中橫坐標參變量為(7-13(a))

式中,Rdc為長1cm的圓導體直流電阻(Ω);f為導體中電流的頻率(Hz)。對銅導體而言,參變量x可簡化為(7-13(b))

式中,d為銅導體的直徑(mm)。圖7-18孤立圓直導體的射頻電阻與直流電阻之比和頻率、直徑的關系由圖7-18和式(7-13(b))可見,當參變量x較小,集膚效應可忽略時,RRf等于Rdc。隨著頻率升高,導體半徑愈大,集膚效應愈明顯。在工程上用相互絕緣的多股漆包線代替單根導線繞制射頻電感線圈,以延緩射頻電阻的增長。

2.矩形截面的射頻電阻若導體橫截面不呈圓形,式(7-12)中的半徑a可按下式求得:

(7-14)橫截面周長在截面積相同的情況下,截面的周長與截面形狀有關。式(7-14)表明改變截面形狀可以改變導體的等效半徑。如圖7-19所示為三種形狀不同的橫截面。在截面積相等的條件下,矩形截面的周長大于圓截面,而且寬厚比越大,截面周長越長,其等效半徑也越大。由式(7-13)可知,導體等效半徑增大將導致射頻電阻下降,設備地線和搭接條采用扁銅帶的原因就在于此。圖7-19導體的三種常用截面形狀7.5.2導體的電感圓截面銅直導體的電感可按下式求得式中,l為導體的長度(cm);d為導體的直徑(cm)。矩形銅直導體的電感為

式中,w為矩形導體橫截面的寬度(cm);t為矩形導體橫截面的厚度(cm)。(7-15)(7-16)式(7-16)表明在截面積一定的情況下,增加寬度可減小導體的電感量。因此,無論從導體的射頻電阻還是電感方面考慮,采用寬/厚比值大的扁銅帶制作地線都是合理的。7.5.3實心接地平面的阻抗在電子設備,特別是高頻電子設備中,往往把設備或電子電路的金屬底座作為接地平面(相當于地線)使用。這種實心平面狀地線(如圖7-20所示)可按下式近似計算其表面阻抗:(7-17)圖7-20平面狀地線式中,l為接地平面上兩點間的距離(m);λ為工作波長;b為接地平面的寬度。射頻表面電阻Rf按下式計算:(7-18)7.5.4低阻抗電源饋線電子設備內部多個電路單元往往共用同一直流供電電源。為避免共用電源成為電路間的噪聲耦合通道,希望負載中通過的任何交流電流在直流供電線上都不產生顯著響應電壓,為此應盡可能降低電源饋線的阻抗。電源饋線的特性阻抗ZC為(7-19)

式中,L0為電源饋線的分布電感(H/m);C0為電源饋線的分布電容(F/m)。當負載電流突變時,負載兩端瞬時電壓變化值為ΔUL=ΔILZC

此瞬態(tài)電壓波動極為有害。減小電源饋線的特性阻抗,就可減小饋線上的瞬態(tài)壓降。為此需減小饋線的分布電感,增加分布電容,采用長寬比小的扁導體,在滿足耐壓條件下,盡量減小正負饋線的間距。低阻抗饋線還可減小饋線的環(huán)路面積,有利于抑制地環(huán)路干擾。圖7-21為集成電路用低阻抗電源線的饋線結構。圖7-21集成電路用低阻抗電源線7.6阻隔地環(huán)路干擾的措施在圖7-22中,電路單元1輸出信號電壓US,經信號線輸至電路單元2,再由地線構成信號電流回路,結果信號線和地線構成地環(huán)路。設地線中等效干擾電壓為Ug,則電路2的輸入電壓為US+Ug。為有效地傳輸信號、抑制干擾,就需采取措施使信號US能順利地傳輸至電路2,而地線中的干擾Ug在傳輸至電路2時受到阻擋。這種措施稱為阻隔地環(huán)路。圖7-22電路間的地環(huán)路干擾7.6.1變壓器耦合圖7-23表示了采用變壓器阻隔地環(huán)路干擾的措施及其等效電路。電路1的信號經變壓器耦合至電路2,而地線中干擾電壓的回路被變壓器隔斷。假定電路1的內阻為0,變壓器繞組間的分布電容為C,電路2的輸入內阻為RL,Ug在RL上的響應電壓為Un。由于只分析變壓器阻隔地環(huán)路的能力,因為按電路分析中的疊加原理,可以不考慮信號電壓US,即將信號電壓短路。由交流電路的歐姆定律可得取上述復數之模得(7-20)圖7-23采用變壓器阻隔地環(huán)路當直接由信號線傳輸時,地線中的干擾電壓Ug全部加到RL上。采用變壓器后,加到RL上的電壓減為Un,所以式(7-20)表示了變壓器減小干擾的能力。圖7-24的曲線表示變壓器抑制干擾的能力與頻率、分布電容和輸入內阻間的關系。在輸入內阻和地線中干擾電壓的頻率確定之后,為提高抑制地線干擾能力,只有減小變壓器繞組間的分布電容C或減小電路2的輸入內阻RL。圖7-24變壓器抑制干擾的能力7.6.2縱向扼流圈(中和變壓器)傳輸信號當傳輸的信號中含有直流分量時,變壓器失效,而應采用如圖7-25(a)所示的縱向扼流圈。扼流圈兩個繞組的繞向與匝數都相同(雙線并繞)。信號電流在兩個繞組流過時,產生的磁場恰好抵消,見圖7-25(b),它可幾乎無損耗地傳輸信號。當地線等效干擾電壓Ug所引起的干擾電流(亦稱縱向電流)流經兩個繞組時,產生的磁場同相疊加,扼流圈對干擾電流呈現較大的感抗,見圖7-25(c),起到抑制地線干擾的作用。需注意的是,只有當工作頻率高到一定程度時,縱向扼流圈兩個繞組之間的磁耦合才足以迫使信號返回電流流回次級繞組。圖7-25縱向扼流圈阻隔地環(huán)路干擾縱向扼流圈等效電路US表示需傳輸的信號電壓,Ug表示地線中的干擾電壓,RC1、RC2為連接線電阻,RL為負載。對縱向扼流圈而言,L1=L2=M=L。用電路理論的疊加原理分別討論信號電壓US和干擾電壓Ug在電路負載上的響應,即可求出縱向扼流圈對干擾的抑制能力。經分析,存在如下關系:(7-21)表明負載上的信號電壓近似于信號源電壓,即縱向扼流圈對信號幾乎是無損耗傳輸。(7-22)

式中,fC=RC2/(2πL)是縱向扼流圈自身參數確定的截止頻率,其物理意義為:當傳輸頻率等于截止頻率時,信號電流將有70％流過地線。設Ug負載RL的響應為Un,經分析同樣可得(7-23)圖7-26是按上式繪制的縱向扼流圈對干擾的抑制特性。當f>5fC時,地線中的干擾在負載上所反映的電壓僅為20％,表明縱向扼流圈對地線干擾起到了有效的抑制作用。縱向扼流圈有以下特點:

(1)既能傳輸交流信號,又可傳輸直流信號;

(2)對地線中高頻干擾的抑制能力強;

(3)可有效地抑制線路中所傳輸的高頻信號對其他電路單元的干擾。圖7-26縱向扼流圈對地線干擾的抑制7.6.3電路單元間用同軸電纜傳輸信號兩電路單元間的信號傳輸采用同軸電纜(見圖7-27),能有效地抑制地環(huán)路干擾,其等效電路與縱向扼流圈類似。圖7-27同軸電纜傳輸信號及其等效電路從電磁場的概念講,由于高頻時的集膚效應,信號電流只沿同軸電纜內導體的外表面和外導體的內表面流過,理想的同軸電纜不應出現能量泄漏。實際上同軸電纜屏蔽層存在電氣上的不連續(xù),總有一些能量外泄,外界干擾同樣也可能有部分串入同軸電纜內部。單層屏蔽同軸電纜的截止頻率為0.6～2kHz,雙層屏蔽同軸電纜的截止頻率為0.5～0.7kHz,屏蔽效能通常小于60dB。7.6.4光耦合器切斷兩電路單元間地環(huán)路的有效方法是采用光耦合器(見圖7-28)。電路1的信號電流使發(fā)光二極管的發(fā)光強弱隨它而變化,這樣就把電路1的信號電流變成強弱不同的光信號。再由電路2前的光電三極管把強弱不同的光信號轉化成相應的電流,實現電路間的信號傳輸。發(fā)光二極管和光電三極管通常封裝在一起構成光耦合器。這種光耦合器可把兩電路間的地環(huán)路完全隔斷,有效地抑制地線干擾。它適用于傳輸數字信號,如固態(tài)繼電器內部借助它隔離負載對控制信號的干擾。使用光耦合器時,電路1和電路2必須分別供電,以避免電源饋線在同一電源變壓器中構成新的干擾耦合途徑。光耦合器中電流與發(fā)光強度的線性關系較差,傳輸模擬信號易產生失真,應用受到限制。圖7-28斷開地環(huán)路的光耦合器7.6.5光纜傳輸信號光纜傳輸信號已被成功地用于通信等領域。用光纜代替電子系統內的普通信號線纜,可免除外界的電磁干擾和電磁脈沖的影響,提供良好的電氣隔離,有利于傳輸數據的保密。與同軸電纜和雙絞線相比,光纜的損耗小得多,特別在遠距離傳輸時。光纜傳輸信號的原理如圖7-29所示。用發(fā)光二極管或固態(tài)激光器件把電信號轉化成光信號后注入光纖電纜,在接收端,光電二極管將探測到的光信號還原為電信號。在電磁兼容性測試領域常用光纜作為強電磁場環(huán)境下信號的傳輸線。又如電磁場傳感器所檢測到的微弱電信號在傳輸到測量儀的過程中易受環(huán)境電磁場干擾,出入屏蔽室的信號線和監(jiān)控線會導致屏蔽室屏蔽效能的下降,都可用光纜取代傳統信號電纜。在核電磁脈沖試驗中光纜更是必不可少的器材。圖7-29光纜傳輸原理7.6.6用差分放大器減小由地電位差引起的干擾地線總有一定的阻抗,地線電流會在信號電路兩接地點之間產生電位差Ug,該電位差會在非平衡輸入的放大器負載上輸出一個放大了的干擾電壓。而在平衡輸入的差分放大器負載上(見圖7-30),Ug所引起的干擾電壓基本被抵消,達到了抑制共模干擾的目的。圖7-30差分放大器抑制共模干擾7.7屏蔽電纜的接地屏蔽電纜由絕緣導線外面再包一層金屬薄膜即屏蔽層構成。屏蔽層通常是金屬編織網或金屬箔。如果屏蔽層是金屬管,則成為同軸電纜。屏蔽電纜的屏蔽層只有在接地以后才能起到屏蔽作用。7.7.1屏蔽層接地產生的電場屏蔽

兩根平行導線之間的電場耦合會產生串擾,如圖7-31所示。設其中一根為屏蔽電纜,并接在敏感電路中,則源電路導線對屏蔽電纜屏蔽層的耦合電容為Cms,而屏蔽層對芯線的耦合電容為CS,屏蔽層對地的耦合電容為C2S?？梢?源導線上的騷擾電壓U1會通過Cms耦合到屏蔽層上,再通過CS耦合到芯線上。如果屏蔽層接地,C2S被短路,則U1通過Cms,被屏蔽層短路至地,不能再耦合到芯線上,從而起到了電場屏蔽的作用。屏蔽層的接地點通常選在屏蔽電纜的一端,稱單端接地。如果屏蔽層不接地,由于其面積比普通導線大,耦合電容也大,產生的耦合量也大,將比不用屏蔽電纜時產生更大的電場輻合,這是需要注意的。此外,當頻率較高或電纜較長時,還應每隔λ/10的距離接一次地。圖7-31屏蔽電纜的電場屏蔽7.7.2屏蔽層接地產生的磁場屏蔽設屏蔽層中流有均勻的軸向電流IS,如圖7-32所示,則磁力線在管外,屏蔽層電感可表示為(7-24)圖7-32屏蔽層和芯線的磁耦合式中,Φ為IS產生的全部磁通。由于磁通Φ同樣包圍著芯線,根據互感的定義,屏蔽層和芯線之間的互感應為(7-25)

故M=LS

(7-26)設US是騷擾電壓源,電流I1流過芯線,如圖7-33所示。LS和rS分別為屏蔽層的電感和電阻。如果屏蔽層不接地或只有一端接地,屏蔽層上無電流通過,電流經地面返回屏蔽層不起作用。當屏蔽層兩端接地,接地點為A點和B點,I1在A點將分兩路到達B點,再回到源端,屏蔽層中的電流IS為(7-27)圖7-33屏蔽電纜的磁場屏蔽由式(7-26)有(7-28)

式中,ω0=rS/LS為屏蔽層截止頻率。當ω≥ω0時,IS=I1,IG≈0,I1幾乎全部經由屏蔽層流回源端,屏蔽層外由I1和回流產生的磁場大小相等,方向相反