home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Ham Radio / Ham Radio CD-ROM (Emerald Software) (1995).ISO / tech / ground / ground.tut
Text File  |  1990-08-21  |  7KB  |  140 lines
  1.  
  2. Article 22263 in rec.ham-radio:
  3. From: gary@ke4zv.UUCP (Gary Coffman)
  4. Subject: A primer on grounding
  5. Summary: Broadcast quality ground systems
  6. Keywords: Lightning, RF, Grounds
  7. Message-ID: <827@ke4zv.UUCP>
  8. Date: 3 Jul 90 18:18:38 GMT
  9. Reply-To: gary@ke4zv.UUCP (Gary Coffman)
  10. Followup-To: Rec.ham-radio
  11. Organization: Gannett Technologies Group
  12. Lines: 123
  13.  
  14.  
  15.              Grounding Techniques for Radio Installations
  16.                        by Gary Coffman KE4ZV
  17.  
  18. There are three main reasons to ground radio equipment.
  19.  
  20.     1. Safety grounding to protect operators from accidental
  21.        electrical shock.
  22.     2. RF grounding to prevent spurious and harmonic radiation
  23.        and to enhance antenna efficency.
  24.     3. Lightning protection.
  25.  
  26. Each of these require different grounding technique. A careful analysis
  27. of the ground methods used is required to determine if all three
  28. objectives are met.
  29.  
  30. Safety grounding is in many ways the easiest criteria to meet. Simply
  31. bonding all equipment cabinets to the power company ground with conductors
  32. of low resistance and adequate current carrying capacity to blow the
  33. circuit breakers will meet safety requirements.
  34.  
  35. Effective RF grounding is often much harder to achieve. The ground
  36. path must not offer any significant impedance at the frequencies of
  37. interest. Since the frequencies of interest are often octaves apart,
  38. this is challenging. The frequencies of interest are the fundamental
  39. frequency of the transmitter, the harmonic frequencies of the transmitter,
  40. and any spurious frequencies the transmitter may generate. The latter
  41. is usually the toughest.
  42.  
  43. Grounding for lightning protection is difficult due both to the
  44. magnitudes of the voltages and currents involved and to the fact
  45. that the lightning waveform is a step function and has considerable
  46. RF energy.
  47.  
  48. Probably the WORST problem one faces in designing an effective
  49. grounding system is the prevention of GROUND LOOPS. Ground loops
  50. will cause unintended currents to flow in circuitry, often with
  51. disasterous effects. Either damage or degraded operation will
  52. inevitably be the result of a ground loop.
  53.  
  54. The best method of securing a good ground for a radio installation
  55. is to use a GROUND WINDOW. The ground window technique requires
  56. that every cable that enters or leaves the radio room pass through
  57. one small area where all ground connections are made.
  58.  
  59. The power company ground must be bonded to the ground window and
  60. surge suppressors such as those marketed by Lightning Protection
  61. Associates should be installed in series with the hot wires. Note
  62. that simple shunt protectors will not be sufficient to protect the
  63. equipment in the event of a direct lightning strike. Series protectors
  64. are designed to open the circuit under severe overload.
  65.  
  66. All coaxial cables must have their shields attached to the ground
  67. window and have their inner conductors clamped with an arc cartridge
  68. designed to fail shorted. In addition the inner conductor should
  69. be fused in a manner that will open the line when the arc cartridge
  70. fails.
  71. +
  72. Telephone cables must enter through the ground window and have their
  73. leads clamped with MOVs and arc cartridges that are designed to fail
  74. shorted. In addition all leads must be fused in a manner that will
  75. open the line when the arc cartridge fails.
  76.  
  77. Each piece of equipment in the radio room must be attached to the
  78. ground window by a wide heavy strap installed so as to be as short
  79. and straight as possible. Neatness definitely does not count here.
  80. Don't "dress" the ground cable, make it short and direct. Do not
  81. "daisy chain" grounds. Make sure that the only path  from one
  82. piece of equipment to another is via the ground window. This means
  83. that interconnecting shielded cables should go from the equipment
  84. out to the ground window, have the shield bonded to the ground
  85. window, then return to the next piece of equipment. This is the
  86. only sure way to prevent circulating ground currents.
  87.  
  88. Now that every piece of equipment in the radio room is at the same 
  89. potential as the ground window, the ground window must be brought
  90. to true earth ground. This is fairly easy for DC and low frequency 
  91. AC, just make sure the cable is heavy enough to have the smallest 
  92. possible voltage drop across it. For RF, inductance and resonance 
  93. effects must be considered as well as skin effect. A wide flat copper 
  94. strap that is routed as straight as possible to earth ground is 
  95. preferred. For maximum lightning protection, the ground strap must 
  96. never travel upward because the space charge will resist the current 
  97. flow. Sharp bends will act as single turn inductances and should be 
  98. avoided. Since a single ground cable will exhibit resonance at certain 
  99. frequencies due to it's length, several ground cables should be used 
  100. with each a different length. The lengths should be chosen such that 
  101. a cable that is near a quarter wavelength at a given frequency will be 
  102. paralleled by a cable that is near a half wavelength. In practice,
  103. several cables varying from the shortest possible length to
  104. twice the shortest length should be paralleled so that at least
  105. one will present a low impedance at any frequency. Do not coil
  106. the longer cables, instead fan them at the center point.
  107.  
  108. The method used to route cables down the tower will effect
  109. the degree of lightning protection achieved. If possible use
  110. a plumber's delight type of antenna that is dc grounded to the
  111. tower. Route the coax down the inside of the tower, and ground
  112. the shield of the coax to the tower atHs/_.x6 points. This last
  113. will short out the single turn transformer formed by the tower
  114. and the shield of the cable. Unless this transformer is shorted,
  115. currents flowing in the tower to ground will induce currents in
  116. the shield of the coax.
  117.  
  118. The true ground must be more than a single stake driven into the
  119. earth. If the tower is ground mounted, use the base of the tower
  120. as the center of the ground field, otherwise drive an eight foot
  121. ground rod to form the center point of the ground field. Run radials 
  122. out from the center of the ground field to a buried loop connecting
  123. a series of ground rods separated from each other by no less than
  124. eight feet. A minimum of eight rods should be used. If possible,
  125. the radials should continue outward for one quarter wavelength at
  126. the lowest frequency of operation. If your tower is not ground
  127. mounted, bring it's base ground back to the ground window using
  128. multiple lengths of cable as discussed above. Do not run a ground
  129. cable directly from the isolated tower to the true ground or a
  130. ground loop will surely be created that can allow damaging 
  131. circulating currents to develop.
  132.  
  133. This all sounds like a lot of work and expense, but field experience
  134. has proven that a system like the one described will withstand
  135. direct lightning hits without loss of equipment, air time, or
  136. lives.
  137.  
  138. End of article 22263
  139.  
  140.