3.4　地线阻抗问题

根据地线就是信号电流的回流路径的定义，地线电流的频率与信号电流是相同的。对于高频电流，导线的阻抗不仅仅是直流电阻这么简单，下面通过两种情况分析地线的阻抗：一种是单根导体的阻抗，这可以说明电流流过导体时所产生的电压降；另一种是电流回路的阻抗，这关系到确定真正的地线电流路径的问题。

3.4.1　导线阻抗

导线的阻抗由电阻部分和内电感产生的感抗部分构成，因为任何导体都含有内电感成分（应该和我们通常讲的外电感区别开。外电感是导体所包围的面积的函数，是指电流回路的电感）。

（1）电阻成分　导体的电阻成分由直流电阻RDC和交流电阻RAC两部分组成。直流电阻的阻值为

RDC=ρS/A

式中，ρ为导体材料的电阻率，Ω·mm2/m（常用的电阻率有：铜的电阻率为1.7×10-3Ω·mm2/m，钢的电阻率为1.7×10-3Ω·mm2/m，铝的电阻率为2.8×10-3Ω·mm2/m）；S为电流流过导体的长度，m；A为电流流过导体的截面面积，mm2。

在电磁兼容分析中，交流信号是我们更为关心的。对于交流信号来讲，由于趋肤效应，交变电流会集中在导体的表面，从而导致电流的有效截面积减小，电阻增加。直流电阻和交流电阻的换算关系如下：

RAC=0.076 rƒ1/2RDC

式中，r为导线的半径，cm；RDC为导线的直流电阻，Ω；ƒ为流过导线的交变电流频率，Hz。

导体截面的半径越大，交流电阻越小。因为导体截面的半径越大，意味着导体的表面积越大。对于任意截面形状的导体，r=截面周长/（2π）（cm）。

（2）电感成分　内电感与导体所包围的面积无关，圆截面导体的内电感如下：

L=0.2S [ln(4.5/d) -1] (μH)

式中,S为导体长度，m；d为导体直径，m。

从上式可知，导体的电感与导体横截面的直径关系并不是很密切，与导体的长度却有着密切的关系，导线电感一般可用1μH/m的数值来估算。不同直径的圆形导体的阻抗见表3-1。但是当频率较高时，导体的阻抗与导线直径关系就不像频率较低时那么明显了。这是因为当频率较低时，电阻成分起着主要作用；而频率较高时，电感的感抗部分起了主要作用。

由于上述的导体阻抗特性，因此在频率较高时，增加导体的截面积并不能明显地降低导体的阻抗。在实际工程中，可以通过缩短导体长度的方法来降低高频阻抗。另外，把多根导线并联起来，并且相隔一定的距离，可以降低并联导线的总体阻抗。

片状导体（导体宽度与导体厚度之比最小为10∶1）的电感计算方法为：

L=0.2S [ln (2S/W) +0.5+0.2S/W ] (μH)

式中，S为导体长度，m；W为宽度直径，m。

如果S/W＜4，公式可以化简为

L=0.2Sln(2S/W)

对于单位长度的导体，S=1，则金属片的电感为L=0.2ln（2/W），而圆形导体的电感为L=0.2 [ln（4.5/d）-1]，W ＞＞d，因此，片状导体的电感要小于圆形截面的导体。另外，当截面积一定时，片状导体高频时的电阻更小，这是因为片状导体截面的周长大于圆形导体截面的周长，相比圆形导体片状导体的表面积更大。因此，片状导体更加适合高频电流，所以在实际工程中经常用金属片来作为地线。但是，随着导体的长度增加，这种差别逐渐减小。为了获得片状导体的这种好处，应控制S/W＜10。

3.4.2　信号回路阻抗

对于减小地线导致的噪声问题，地线的设计是十分关键的，地线电流应该处于受控状态。因此，当有多条地线存在时，电流取什么路径作为回路，成了一个十分棘手的问题。我们必须清楚电流回路的阻抗与什么有关系，才能彻底搞清楚这个问题。

电流回路的阻抗由两部分组成，即导线的电阻和环境电感形成的感抗，如图3-5所示，当频率较低时，感抗很小，回路的阻抗主要是导体的电阻。随着频率的升高，电感的感抗所占比重越来越大，回路的阻抗主要是电感部分，回路的电感越大，阻抗越高。

回路中的电感与导线的内电感不同，导线的内电感与导线周围的磁通是没有关系的，而回路中的电感为Ф/I，其中Ф表示回路的磁通量，I表示回路中的电流。这样，回路的面积越大，则回路所包围的磁通量越大，电感量也越大。

通过图3-6所示的试验来加深对电流回路阻抗的理解。

（1）试验设备　同轴电缆的一端接频率可调信号发生器，另一端接电阻负载。同轴电缆金属编织层的两端用一根电阻和内电感很小的短粗的铜线连接起来。这时，流过负载的电流可以分别通过同轴电缆的外皮和短粗的铜线，两个路径返回到信号源。然后，在铜线上套一个电流卡钳，用示波器来监视铜线中电流的大小。

（2）试验现象　将信号源的输出频率从低往高调，并适当调节信号幅值，使输出电流保持不变。观察铜线中电流的变化，可以发现：在频率低于1kHz时，几乎所有的电流都是通过铜线回到信号源的，随着频率的升高，铜线中的电流越来越小，直到最后铜线中几乎没有电流了。这个现象说明，当频率较高时，电流几乎全部从同轴电缆的外屏蔽层流回信号源。

（3）试验释疑　由同轴电缆芯线与短粗铜线构成的回路虽然电阻很小，但是由于回路面积很大的原因，电感很大，对于高频电流来讲具有较大的感抗；而由同轴电缆芯线与外皮构成的回路虽然具有较大的电阻，但由于电流回路面积非常小（几乎为零），因此电感很小，对于高频电流阻抗很小。当电流的频率较低时，由于回路的阻抗主要由电阻成分来决定，短粗铜线构成的回路阻抗较低，电流从这个路径流回信号源；随着电流频率的升高，感抗成为决定回路阻抗的主要因素，同轴电缆的芯线与外皮构成的回路阻抗相对较小，电流主要从同轴电缆外皮流回信号源。

这个实验说明，看似阻抗小的路径阻抗却不一定小，按常理设计的地线电流路径不一定就是实际的地线电流路径。