3.4　地線阻抗問題

根據地線就是信號電流的回流路徑的定義，地線電流的頻率與信號電流是相同的。對于高頻電流，導線的阻抗不僅僅是直流電阻這么簡單，下面通過兩種情況分析地線的阻抗：一種是單根導體的阻抗，這可以說明電流流過導體時所產生的電壓降；另一種是電流回路的阻抗，這關系到確定真正的地線電流路徑的問題。

3.4.1　導線阻抗

導線的阻抗由電阻部分和內電感產生的感抗部分構成，因為任何導體都含有內電感成分（應該和我們通常講的外電感區別開。外電感是導體所包圍的面積的函數，是指電流回路的電感）。

（1）電阻成分　導體的電阻成分由直流電阻RDC和交流電阻RAC兩部分組成。直流電阻的阻值為

RDC=ρS/A

式中，ρ為導體材料的電阻率，Ω·mm2/m（常用的電阻率有：銅的電阻率為1.7×10-3Ω·mm2/m，鋼的電阻率為1.7×10-3Ω·mm2/m，鋁的電阻率為2.8×10-3Ω·mm2/m）；S為電流流過導體的長度，m；A為電流流過導體的截面面積，mm2。

在電磁兼容分析中，交流信號是我們更為關心的。對于交流信號來講，由于趨膚效應，交變電流會集中在導體的表面，從而導致電流的有效截面積減小，電阻增加。直流電阻和交流電阻的換算關系如下：

RAC=0.076 r?1/2RDC

式中，r為導線的半徑，cm；RDC為導線的直流電阻，Ω；?為流過導線的交變電流頻率，Hz。

導體截面的半徑越大，交流電阻越小。因為導體截面的半徑越大，意味著導體的表面積越大。對于任意截面形狀的導體，r=截面周長/（2π）（cm）。

（2）電感成分　內電感與導體所包圍的面積無關，圓截面導體的內電感如下：

L=0.2S [ln(4.5/d) -1] (μH)

式中,S為導體長度，m；d為導體直徑，m。

從上式可知，導體的電感與導體橫截面的直徑關系并不是很密切，與導體的長度卻有著密切的關系，導線電感一般可用1μH/m的數值來估算。不同直徑的圓形導體的阻抗見表3-1。但是當頻率較高時，導體的阻抗與導線直徑關系就不像頻率較低時那么明顯了。這是因為當頻率較低時，電阻成分起著主要作用；而頻率較高時，電感的感抗部分起了主要作用。

由于上述的導體阻抗特性，因此在頻率較高時，增加導體的截面積并不能明顯地降低導體的阻抗。在實際工程中，可以通過縮短導體長度的方法來降低高頻阻抗。另外，把多根導線并聯起來，并且相隔一定的距離，可以降低并聯導線的總體阻抗。

片狀導體（導體寬度與導體厚度之比最小為10∶1）的電感計算方法為：

L=0.2S [ln (2S/W) +0.5+0.2S/W ] (μH)

式中，S為導體長度，m；W為寬度直徑，m。

如果S/W＜4，公式可以化簡為

L=0.2Sln(2S/W)

對于單位長度的導體，S=1，則金屬片的電感為L=0.2ln（2/W），而圓形導體的電感為L=0.2 [ln（4.5/d）-1]，W ＞＞d，因此，片狀導體的電感要小于圓形截面的導體。另外，當截面積一定時，片狀導體高頻時的電阻更小，這是因為片狀導體截面的周長大于圓形導體截面的周長，相比圓形導體片狀導體的表面積更大。因此，片狀導體更加適合高頻電流，所以在實際工程中經常用金屬片來作為地線。但是，隨著導體的長度增加，這種差別逐漸減小。為了獲得片狀導體的這種好處，應控制S/W＜10。

3.4.2　信號回路阻抗

對于減小地線導致的噪聲問題，地線的設計是十分關鍵的，地線電流應該處于受控狀態。因此，當有多條地線存在時，電流取什么路徑作為回路，成了一個十分棘手的問題。我們必須清楚電流回路的阻抗與什么有關系，才能徹底搞清楚這個問題。

電流回路的阻抗由兩部分組成，即導線的電阻和環境電感形成的感抗，如圖3-5所示，當頻率較低時，感抗很小，回路的阻抗主要是導體的電阻。隨著頻率的升高，電感的感抗所占比重越來越大，回路的阻抗主要是電感部分，回路的電感越大，阻抗越高。

回路中的電感與導線的內電感不同，導線的內電感與導線周圍的磁通是沒有關系的，而回路中的電感為Ф/I，其中Ф表示回路的磁通量，I表示回路中的電流。這樣，回路的面積越大，則回路所包圍的磁通量越大，電感量也越大。

通過圖3-6所示的試驗來加深對電流回路阻抗的理解。

（1）試驗設備　同軸電纜的一端接頻率可調信號發生器，另一端接電阻負載。同軸電纜金屬編織層的兩端用一根電阻和內電感很小的短粗的銅線連接起來。這時，流過負載的電流可以分別通過同軸電纜的外皮和短粗的銅線，兩個路徑返回到信號源。然后，在銅線上套一個電流卡鉗，用示波器來監視銅線中電流的大小。

（2）試驗現象　將信號源的輸出頻率從低往高調，并適當調節信號幅值，使輸出電流保持不變。觀察銅線中電流的變化，可以發現：在頻率低于1kHz時，幾乎所有的電流都是通過銅線回到信號源的，隨著頻率的升高，銅線中的電流越來越小，直到最后銅線中幾乎沒有電流了。這個現象說明，當頻率較高時，電流幾乎全部從同軸電纜的外屏蔽層流回信號源。

（3）試驗釋疑　由同軸電纜芯線與短粗銅線構成的回路雖然電阻很小，但是由于回路面積很大的原因，電感很大，對于高頻電流來講具有較大的感抗；而由同軸電纜芯線與外皮構成的回路雖然具有較大的電阻，但由于電流回路面積非常小（幾乎為零），因此電感很小，對于高頻電流阻抗很小。當電流的頻率較低時，由于回路的阻抗主要由電阻成分來決定，短粗銅線構成的回路阻抗較低，電流從這個路徑流回信號源；隨著電流頻率的升高，感抗成為決定回路阻抗的主要因素，同軸電纜的芯線與外皮構成的回路阻抗相對較小，電流主要從同軸電纜外皮流回信號源。

這個實驗說明，看似阻抗小的路徑阻抗卻不一定小，按常理設計的地線電流路徑不一定就是實際的地線電流路徑。