（接上期）
3 接地技术
接地是为了泄放电荷或建立电路基准电平而设置的一种导线连接。在电子电气设备或系统中，接地是抑制电磁噪声和防止干扰的重要方法，在设计中如能把接地和屏蔽正确地配合使用，将对电子设备的电磁兼容性起到重要作用。
3.1 基本概念
3.1.1 接地功能
接地是电子电气设备（系统）的重要组成部分，通常要完成以下几个方面的功能：
① 接地往往被视同良好的导电表面，导电表面的电位被看作是零电位，并作为各种电压信号的比较基准。
② 接地表面可用来作为各种信号电路返回电流的回流通道，接地平面也可作为电源回路的一部分。即一方面作为零电位基准，一方面又作为电源的强电流返回通道。
③ 接地用来配合各种屏蔽的系统功能，用来容纳来自各种频率产生的干扰电流所需的电流通道。
④ 接地用来作为零电位基准，用来连接裸露的设备金属外壳以保护操作人员不受到伤害。
但是接地系统是一个十分复杂的技术，与电气、电子系统的具体结构有关系，与所要防护或工作的电流频率、波形有密切关系，与构成“地”的材质和电磁特性有关，更与接地元件及工艺有关。在各种行业中都有针对接地的规范。本章不准备探讨这方面的问题，下面将讨论由于接地不当而产生的电磁干扰问题。
3.1.2 接地产生的电磁干扰
①接地引入干扰的第一个原因是由于接地回路难以孤立完成，至少要有连接导线和导电平面。当接地平面上有来自不同源的电流流过时，由于接地回路存在阻抗就会产生电压降，此电压降与接地回路上的电流成正比。这个电压就是造成干扰的干扰电动势。通常称它为公共阻抗效应。
②接地引入干扰的第二个原因就是接地回路本身，因为在外界电磁波的作用下接地回路会产生感应干扰电动势。
总之，接地母线电阻越大，接地回路的面积越大，接地导线的复阻抗越大，那么接地回路产生的干扰就越大。为了避免由接地回路引入干扰，应遵守以下几个原则。
3.1.3 接地应遵守的原则
① 接地导线及公共母线的阻抗应该是最小的。接地导线应具有最小的有功阻抗和有最小的自感。接地导线的长度应尽量地短，要比波长小得多。在实际设计中通常要求接地导线的长度le<<                  0.02λ。
② 接地导线应采用横截面为管形的接地线。管形接地线同其它具有同样截面积的导线相比，具有最小的阻抗。
③ 接地线的电气连接质量非常重要。因此，首先要保证接地连接点有最小的接触电阻。其次，要确保在气候以及机械振动的影响下仍能可靠地接触。再次，应该防止连接点处形成氧化层，避免产生非线性效应。最后，为防止腐蚀产生，连接材料要相互配合好。在布线时应尽量避免利用公共导线。
④ 接地方式
最典型的有单点串联接地，一点并联接地和各点接地几种方式。
单点串联接地最简单但干扰电平最大。干扰的大小取决于沿接地电路公共段流过的电流。一点并联接地克服了单点串联接地的缺点，但相应地接地导线长度会增加不少，就难以保证接地段的低阻抗，同时由于接地导线间的电磁耦合，也会增加干扰。多点接地可以最短的导线接地所以没有上述缺点，但是容易形成接地回路，在这种情况下的接地回路效应很大，会由于接地回路面积大而引入很大的电感耦合型干扰，所以必须采取专门的措施来消除。实际的接地方案要综合考虑所有的因素和效果，通常在低频时多用单点接地；而在高频时倾向于采用多点接地。基于低频屏蔽的电流对消原理，用作电源电路返回电流用的接地线，和用作信号电路返回电流用的接地线要各自采用独立的地线。
3.2 耦合途径
3.2.1 公共地阻抗耦合
将涉及到有电流流过的公共阻抗。如电源输出阻抗的公共回线、地平面或安全接地线所产生的电压耦合。这种耦合导致产生共模电压和共模电流并流入电路的信号电缆。共模电压在受害负载输入端，部分转化为差模电压。
图3.2说明，由地电流Ig流过地阻抗Zg时产生共模电压Vi的过程，此时Vi=IgZg。若按所示的电路接地（也就是纽子开关闭合），使信号参考点C连接到1号机箱的机壳B，和负载参考点F连接至2号机箱的机壳G，则在该电路的C与F点之间出现电压Vi。此电压Vi对信号电缆的两根线是“公共的”，从而引起I1与I2电流在两条信号线路中流动。由于I1与I2流过路径的阻抗不相等，正是由于阻抗的不平衡在负载两端上产生了共模电压V0。V0/Vi之比被称为地回路耦合。
3.2.2 电磁场耦合到小型回路的数学模型
关于电磁波的物理概念可以简述如下：众所周知所有电磁波都由电场和磁场这两个基本分量组成，波的传播方向垂直于这两个分量所在的平面，电场E和磁场H之间的相对幅度取决于电磁波离源的距离和源本身的性质，E/H之比称作波阻抗ZW。如果源包含的电流比电压大，如由环、变压器、或电源线产生的源，这种源称作电流的、磁场的、或低阻源即E/H很小，所产生的波称作磁场；反之如果源工作在很少的电流而电压较高时，源的阻抗就高，这种源称作电压的，所产生的波称作电场。但当离源的距里较远之后，无论源的性质如何，E/H之比趋于一个常数377Ω，出现这种情况，电磁波被称作平面波，超过这一点，所有的波都将失去它们的原有外形，不再是球形表面而变成一个平面，这时的场称作远场；反之称作近场。
在此我们关心的是电磁波辐射到小型回路时的数学模型，但要分成两个部分分解，第一个部分是辐射即辐射到小型回路的电磁波场强；第二个部分是感应即小型回路耦合到的电磁波场强。
1)辐射
设偶极子（其上电流等幅同相，长度d << λ的一个电流元Id ），位于球坐标原点、沿Z轴方向，见图3.3(a)。          
可求得偶极子产生的电场为：
(1)       
可求得小电流环产生的电场为：
       (2)         
2)感应
虽然我们可以求得开路直导线和电流环路产生的电磁场，但在实际应用中往往不是纯粹的开路直导线和理想的电流环，大部分电路结构往往处于两者之间，在近场按直导线预测电场则高于实际值，而按电流环预测磁场则低于实际值，为此需要作必要的修正。
为了导出小型回路感应辐射电场的近似预测公式，在这里只讨论垂直于电流轴方向和垂直电流环方向(θ=π/2)的场。对于小型回路的远场如端接阻抗Z>377Ω，则可把小型回路等效为由二个平行放置的电流元所组成的二元天线阵，见图3.3。
若取二个电流元的中点为座标原点，则当θ=π/2时，感应的远场辐射总场为：

(3)
式中：Eθ取自式(1)， k =传播常数，r =离源的距离
由于：s << λ，则                  
代入，忽略1/r高次项后得                               
(4)
式中：A=ls回路面积，U =回路电压，Z =回路阻抗
若Z<377Ω，则可把回路视同电流环，那么远场，同样可获得感应的辐射电场：
(5)
换句话说，小型回路在不同的条件下可等效为电压源或电流源。
对于近场，如端接阻抗Z>377Ω，同样可把小型回路等为二元天线阵，把式(1)、(4)代入式(3)中，只保留1/r3项时可得近场感应的辐射电场为：

(6)
对于近场，如端接阻抗Z>377Ω，可用小电流环的辐射模式，由(2)式取1/r2项可得近场感应的辐射电场为           
(7)
图3.4给出小型回路在不同的Z时，r=1m 和 r=3m处感应的辐射电场随频率的变化曲线。
3.2.3 电磁场对线及地回路的耦合
场对线的耦合可分为两个部分，其一是场对线的共模耦合；其二是场对线的差模耦合。
1)场对线的共模耦合
其耦合通路为地回路耦合。共模耦合将电场或磁场转化成图3.5 (a)所示的共模电压。
如果导线受到与导线平行的电场耦合，导线上感应的开路电压为：
(8)
式中：=导线上感应的电场矢量，l =导线长度
当电磁场的入射方向在回路的平面内，且导线与电场平行，则：
(9)
如果电磁场的入射方向与回路平面的夹角为 ，入射电场矢量与导线l的夹角为θ ，则式(9)变为：
(10)
感应电压对于两条受害电缆所产生的共模电流I1与I2起到潜在的电磁干扰源的作用。往往由于I1与I2流过路径的阻抗不相等，所以通过地回路耦合将共模电压 转变成下级放大器或逻辑电路输入端上的差模电压V0，这样它就构成了潜在的电磁干扰威胁。
2)场对线的差模耦合
对于图3.5(b)所示的场对线的差模耦合，可利用式(10)，只要将h换成b/2，则在同样条件下获得差模耦合电压：
(11)
3.2.4 地回路耦合(GLC)
通过以上分析地回路耦合产生于公共地阻抗和通过传输线构成场对地回路的耦合等，地回路耦合产生的共模干扰电压又通过各种接地回路反馈到受害电路的输入端，形成地回路的干扰。地回路耦合与共模抑制密切相关，它定义为：
(12)
式中：
V0 =在受害输入端产生的电压。
Vi =共模电压。
由于受害系统有不平衡系统和平衡系统之分，所以应分别加以分析。
1)不平衡系统
关于不平衡系统地回路耦合的分析，可以通过参数A/t进行，A/t用来比拟图3.6中对地的等效电容Cp，比拟相当于由面积为A、间距为t的两块平行金属板构成的空气电容Cp（空气介电常数=8.85×10-12法/米），这两块平行金属板是由地平面（如金属外壳）和位于它之上的信号参考平面（如印刷电路板）构成的。当B、E都接地时，A/t=∞，地回路耦合处于最坏情况，在低频时共模电压Vi()被ZS和ZL分压，若ZS=ZL，则V0=Vi/2相当于-6dB的地回路耦合。所以GLC=-6dB，见图3.7。因此低阻抗的地回路耦合是非常不利的。显然要减小低频时的地回路耦合惟有使信号和/或负载参考平面浮地（不接地），这时由于地回路阻抗的增加，导致V0的大大下降；这时对地电容Cp成为地回路的一部分。不平衡系统地回路耦合随频率变化的曲线见图3.7。
当信号和负载参考平面的一端或两端浮地时，由于寄生电容Cp的阻抗减小，地回路耦合将随频率的升高而增加，但随频率的继续升高，由于电缆的串联电感和并联电容的影响，地回路耦合反到下降了，但用此频域时必须谨慎从事，因为随着频率的升高，电缆长度超过1/4~1/2波长时，会发生振荡传输特性，见图3.8。振荡的最大值和最小值取决电缆参数、电缆长度和电路阻抗，电缆参数应包含每单位长度的电感、电容、电阻和电导，而这些电缆参数随电缆的型号、信号源、负载阻抗而变，所以必须按各种应用场合确定。图3.7曲线可作为高频地回路耦合的参考。
2)平衡系统
全面降低地回路耦合的方法是在信号端和负载端采用阻抗平衡电路来实现，这种阻抗平衡电路往往通过差分电路驱动和平衡接收来完成，如图3.9所示电路。
（续下期）