Плоская Земля и Токопроводящие Поверхности в Электротехнике

Введение

Электрически проводящая поверхность, обычно соединенная с электрическим заземлением.

В электротехнике плоскость заземления — это электрически проводящая поверхность, обычно соединенная с электрическим заземлением. Этот термин имеет два различных значения в разных областях электротехники. В теории антенн плоскость заземления — это проводящая поверхность, большая по сравнению с длиной волны, например, Земля, которая соединена с заземляющим проводом передатчика и служит отражающей поверхностью для радиоволн. В печатных платах плоскость заземления — это большая область медной фольги на плате, соединенная с клеммой заземления источника питания и служащая обратным путем для тока от различных компонентов на плате.

Теория радиоантенны

В телекоммуникациях, земляная плоскость – это плоская или почти плоская горизонтальная проводящая поверхность, которая служит частью антенны для отражения радиоволн от других антенных элементов. Земляная плоскость не обязательно должна быть заземлена, чтобы использоваться в качестве отражающей поверхности для радиоволн. Форма и размер земляной плоскости играют важную роль в определении её характеристик излучения, включая усиление. Для функционирования в качестве земляной плоскости, проводящая поверхность должна иметь радиус, равный как минимум четверти длины волны радиоволн. В антеннах низких частот, таких как мачтовые излучатели, используемые для вещательных антенн, сама Земля (или водоём, например, солёное болото или океан) используется в качестве земляной плоскости. Для антенн высоких частот в диапазонах VHF или UHF земляная плоскость может быть меньше, и в качестве земляных плоскостей используются металлические диски, экраны и провода. На верхних частотах VHF и UHF металлическая обшивка автомобиля или самолёта может служить земляной плоскостью для штыревых антенн, выступающих из неё. В микрополосковых антеннах и печатных монопольных антеннах область медной фольги на противоположной стороне печатной платы служит в качестве земляной плоскости. Земляная плоскость не обязательно должна быть сплошной поверхностью. В конструкции антенны земляной плоскости штыревая антенна, "плоскость" состоит из нескольких проводов длиной λ, расходящихся от основания четвертьволнового штыря. Радиоволны от антенного элемента, отражающиеся от земляной плоскости, кажутся исходящими от зеркального изображения антенны, расположенного на другой стороне земляной плоскости. В монопольной антенне диаграмма излучения монополя в сочетании с виртуальной "зеркальной антенной" создаёт эффект двухэлементного диполя с центральным питанием. Таким образом, монополь, установленный над идеальной земляной плоскостью, имеет диаграмму излучения, идентичную диаграмме дипольной антенны. Линия питания от передатчика или приёмника подключается между нижним концом монопольного элемента и земляной плоскостью. Земляная плоскость должна обладать хорошей проводимостью; любое сопротивление в земляной плоскости включено последовательно с антенной и приводит к рассеиванию мощности передатчика.

In telecommunication, a ground plane is a flat or nearly flat horizontal conducting surface that serves as part of an antenna, to reflect the radio waves from the other antenna elements. The plane does not necessarily have to be connected to ground to be used as a reflecting surface for radio waves. Ground plane shape and size play major roles in determining its radiation characteristics including gain. To function as a ground plane, the conducting surface must be at least a quarter of the wavelength of the radio waves in radius. In lower frequency antennas, such as the mast radiators used for broadcast antennas, the Earth itself (or a body of water such as a salt marsh or ocean) is used as a ground plane. For higher frequency antennas, in the VHF or UHF range, the ground plane can be smaller, and metal disks, screens and wires are used as ground planes. At upper VHF and UHF, the metal skin of a car or aircraft can serve as a ground plane for whip antennas projecting from it. In microstrip antennas and printed monopole antennas an area of copper foil on the opposite side of a printed circuit board serves as a ground plane. The ground plane need not be a continuous surface. In the ground plane antenna style whip antenna, the "plane" consists of several wires λ long radiating from the base of a quarter wave whip antenna. The radio waves from an antenna element that reflect off a ground plane appear to come from a mirror image of the antenna located on the other side of the ground plane. In a monopole antenna, the radiation pattern of the monopole plus the virtual "image antenna" make it appear as a two element center fed dipole antenna. So a monopole mounted over an ideal ground plane has a radiation pattern identical to a dipole antenna. The feedline from the transmitter or receiver is connected between the bottom end of the monopole element and the ground plane. The ground plane must have good conductivity; any resistance in the ground plane is in series with the antenna, and serves to dissipate power from the transmitter.

Печатные платы

Плоскость заземления на печатной плате (PCB) представляет собой большую область или слой медной фольги, соединенный с точкой заземления схемы, обычно с одним из выводов источника питания. Она служит обратным путем для тока от множества различных компонентов. Плоскость заземления обычно делают максимально большой, покрывая большую часть площади печатной платы, не занятую проводниками. В многослойных платах она часто представляет собой отдельный слой, покрывающий всю плату. Это упрощает трассировку, позволяя конструктору заземлять любой компонент без необходимости прокладывать дополнительные проводники; выводы компонентов, требующие заземления, подключаются непосредственно через отверстие в плате к плоскости заземления на другом слое. Большая площадь меди также проводит большие возвратные токи от множества компонентов без значительных падений напряжения, обеспечивая, чтобы заземление всех компонентов находилось на одном и том же опорном потенциале. В цифровых и радиочастотных печатных платах основная причина использования больших плоскостей заземления – снижение электрического шума и помех из-за контуров заземления и предотвращение перекрестных наводок между соседними проводниками. При переключении состояния цифровых схем через заземляющую цепь протекают большие импульсы тока. Если проводники питания и заземления имеют значительное сопротивление, падение напряжения на них может создавать импульсы напряжения шума, которые нарушают работу других частей схемы (провалы напряжения заземления). Большая проводящая площадь плоскости заземления имеет гораздо меньшее сопротивление, чем проводник, поэтому импульсы тока вызывают меньше помех. Кроме того, плоскость заземления под проводниками печатной платы может уменьшить перекрестные наводки между соседними проводниками. Когда два проводника проходят параллельно, электрический сигнал в одном может наводиться на другой посредством электромагнитной индукции через линии магнитного поля, связывающие их; это явление называется перекрестными наводками. При наличии плоскости заземления под ними она образует линию передачи вместе с проводником. Возвратные токи противоположного направления протекают через плоскость заземления непосредственно под проводником. Это ограничивает большую часть электромагнитных полей областью вблизи проводника и, следовательно, уменьшает перекрестные наводки. В многослойных платах часто используется плоскость питания в дополнение к плоскости заземления для распределения постоянного напряжения к активным устройствам. Две противоположные области меди образуют большой плоский конденсатор, который предотвращает проникновение шума с одной схемы на другую через источник питания. Плоскости заземления иногда разделяют и соединяют тонким проводником. Это позволяет разделить аналоговые и цифровые секции платы или входы и выходы усилителей. Тонкий проводник имеет достаточно низкое сопротивление, чтобы поддерживать обе стороны близкими к одному и тому же потенциалу, при этом предотвращая проникновение заземляющих токов с одной стороны на другую, что может вызвать контур заземления.

A ground plane on a printed circuit board (PCB) is a large area or layer of copper foil connected to the circuit's ground point, usually one terminal of the power supply. It serves as the return path for current from many different components. A ground plane is often made as large as possible, covering most of the area of the PCB which is not occupied by circuit traces. In multilayer PCBs, it is often a separate layer covering the entire board. This serves to make circuit layout easier, allowing the designer to ground any component without having to run additional traces; component leads needing grounding are routed directly through a hole in the board to the ground plane on another layer. The large area of copper also conducts the large return currents from many components without significant voltage drops, ensuring that the ground connection of all the components are at the same reference potential. In digital and radio frequency PCBs, the major reason for using large ground planes is to reduce electrical noise and interference through ground loops and to prevent crosstalk between adjacent circuit traces. When digital circuits switch state, large current pulses flow from the active devices (transistors or integrated circuits) through the ground circuit. If the power supply and ground traces have significant impedance, the voltage drop across them may create noise voltage pulses that disturb other parts of the circuit (ground bounce). The large conducting area of the ground plane has much lower impedance than a circuit trace, so the current pulses cause less disturbance. In addition, a ground plane under printed circuit traces can reduce crosstalk between adjacent traces. When two traces run parallel, an electrical signal in one can be coupled into the other through electromagnetic induction by magnetic field lines from one linking the other; this is called crosstalk. When a ground plane layer is present underneath, it forms a transmission line with the trace. The oppositely directed return currents flow through the ground plane directly beneath the trace. This confines most of the electromagnetic fields to the area near the trace and consequently reduces crosstalk. A power plane is often used in addition to a ground plane in a multilayer circuit board, to distribute DC power to the active devices. The two facing areas of copper create a large parallel plate decoupling capacitor that prevents noise from being coupled from one circuit to another through the power supply. Ground planes are sometimes split and then connected by a thin trace. This allows the separation of analog and digital sections of a board or the inputs and outputs of amplifiers. The thin trace has low enough impedance to keep the two sides very close to the same potential while keeping the ground currents of one side from coupling into the other side, causing ground loop.