QLI快插式寬帶同軸避雷器的設(shè)計(jì)

真 瑩

(上海雷迪埃電子有限公司，上海市，200072)

1 引言

電子通信系統(tǒng)常會(huì)受到外界瞬時(shí)的高過(guò)電壓的干擾，如雷電產(chǎn)生的高功率電沖擊波和感應(yīng)電流電壓。這種瞬時(shí)過(guò)電壓(或過(guò)電流)稱(chēng)為浪涌電壓(或浪涌電流)，會(huì)損壞電子設(shè)備，所以需要有避雷器對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，迅速去除沖擊脈沖，將電流﹑電壓降到安全范圍內(nèi)。通常用在通信系統(tǒng)中的避雷器有兩種主要形式，GDT氣體放電管和1/4波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。常用連接界面有7/16和N型。而QLI界面是Radiall新推出的專(zhuān)利界面，它具有快插式，界面配合防水的特點(diǎn)。體積比7/16小，所占用的安裝空間小，互調(diào)比N型好，適用于室內(nèi)和室外的場(chǎng)合。

下面介紹筆者所研發(fā)的兩種具有QLI－Male界面的避雷器:GDT氣體放電管和1/4波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，頻率范圍分別為DC－3GHz和0．7－3GHz。

2 避雷器基本工作原理

2．1 GDT避雷器工作原理

氣體放電管被廣泛的應(yīng)用在信號(hào)避雷器上。氣體放電管也叫惰性氣體放電管，主要是內(nèi)部充盈了惰性氣體，放電方式是氣體放電，靠擊穿氣體來(lái)起到一次性瀉放電流的目的。在同軸結(jié)構(gòu)中氣體放電管垂直放在內(nèi)外導(dǎo)體之間。它有一個(gè)閾值導(dǎo)通電壓。在該電壓之下通信系統(tǒng)正常工作;當(dāng)外來(lái)電壓大于閾值電壓時(shí)，氣體放電管被擊穿，管子呈短路狀態(tài)，導(dǎo)通了與接地良導(dǎo)體的連接，雷擊產(chǎn)生的高電流高電壓通過(guò)氣體放電管，被安全的短路到地，使電子設(shè)備上的電壓降到殘余電壓之下，從而保護(hù)了系統(tǒng)的安全。一旦電壓釋放后，設(shè)備上停留的電壓就會(huì)小于閾值電壓，這時(shí)氣體放電管重新恢復(fù)到初始的開(kāi)路狀態(tài)，避雷器又迅速恢復(fù)原狀，保證系統(tǒng)正常工作。氣體放電管的壽命取決于電沖擊強(qiáng)度。避雷器的閾值電壓取決于氣體放電管的閾值電壓，可以根據(jù)需要更換管子。

氣體放電管型避雷器可以饋入系統(tǒng)DC電壓，例如塔放的偏置電壓。它的帶寬較寬，可以從直流開(kāi)始。通流量容量大，絕緣電阻高，漏電流小。但殘壓比1/4波長(zhǎng)型結(jié)構(gòu)高，反應(yīng)時(shí)間慢 (≤100ns)，而且需要定期檢查和更換氣體放電管。

圖1 GDT避雷器工作原理示意圖

2．2 1/4波長(zhǎng)避雷器工作原理

1/4波長(zhǎng)(1/4λ)同軸避雷器是一個(gè)3端口元件。除了輸入和輸出端口外，第三端口是一個(gè)短路口，它由一個(gè)對(duì)應(yīng)中心頻率的1/4λ長(zhǎng)度的同軸短接線構(gòu)成。1/4λ避雷器實(shí)際上就是一個(gè)帶通濾波器，工作在特定的頻帶上。射頻信號(hào)從輸入端口進(jìn)入，通過(guò)該避雷器到達(dá)輸出端口，1/4λ短路線對(duì)于工作頻段的射頻信號(hào)是開(kāi)路的。而雷擊信號(hào)基本上是接近DC小范圍的信號(hào)，大部分能量集中在10KHz以下的頻段，直接通過(guò)1/4λ短路線到地，不在射頻信號(hào)工作的通帶內(nèi)。

1/4λ避雷器通常安裝在電子設(shè)備的輸入端，當(dāng)雷擊及其感應(yīng)信號(hào)到來(lái)時(shí)，即刻通過(guò)1/4λ端短路掉。起到保護(hù)設(shè)備的作用。

因?yàn)槭侨珯C(jī)械結(jié)構(gòu)，它可以重復(fù)的處理沖擊信號(hào)，任何時(shí)候的沖擊信號(hào)都被分流到地，只有很小的殘壓通過(guò)設(shè)備。1/4λ避雷器具有較好的互調(diào)性能和低的殘壓。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不需要定期更換元件。1/4λ同軸避雷器還能大大地抑制不同頻率的干擾。但通常覆蓋的頻帶較窄，所以需要展寬頻帶，覆蓋多個(gè)通信頻段，使得系統(tǒng)能夠復(fù)用。

圖2 1/4波長(zhǎng)避雷器工作原理示意圖

3 設(shè)計(jì)原理

3．1 同軸射頻避雷器設(shè)計(jì)的基本方法

由于設(shè)計(jì)的避雷器為同軸形式，實(shí)際上轉(zhuǎn)化為兩個(gè)部分的設(shè)計(jì):一是QLI輸入輸出同軸端口與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的匹配，二是完成電流電壓釋放功能的內(nèi)部同軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

A．輸入輸出同軸傳輸段的特性阻抗為50ohm。截面特性阻抗經(jīng)典設(shè)計(jì)公式如下:

式中，Z0－理想同軸線的特征阻抗，D－外導(dǎo)體內(nèi)經(jīng)，d－內(nèi)導(dǎo)體外經(jīng)，ε－介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)，這一部分傳輸端的絕緣子選用PTFE，介電常數(shù)約為2．08。

B．雖然從界面開(kāi)始的輸入輸出這一部分傳輸線理論設(shè)計(jì)為50Ω，但為了使腔體﹑中心針和絕緣子相對(duì)固定，引進(jìn)了倒刺，由此出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，造成了阻抗的不連續(xù)性。這種容性阻抗用設(shè)置在中心針上的感性阻抗匹配掉。

C．根據(jù)頻段要求對(duì)避雷器本身功能塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。GDT和1/4λ形式內(nèi)部采用如下不同的結(jié)構(gòu)，用電磁場(chǎng)軟件仿真設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

D．QLI界面輸入輸出傳輸線與腔體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的過(guò)渡設(shè)計(jì)。

無(wú)論內(nèi)部采用GDT或1/4λ形式。都給50Ω?jìng)鬏斁€帶來(lái)了極大的不連續(xù)性。需要進(jìn)行補(bǔ)償和匹配設(shè)計(jì)。對(duì)過(guò)渡的不連續(xù)臺(tái)階處引入的并聯(lián)電容，采用通常的錯(cuò)位設(shè)計(jì)補(bǔ)償。

E．O－ring防水圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

首先，QLI界面本身設(shè)計(jì)有放置O－ring圈的槽。加上硅膠O－ring圈后，在Male和Female接頭相插連接處起到防水的作用。其次不僅界面而且內(nèi)部放電管與外殼，1/4λ短路線與外殼處也有防水O－ring圈。即避雷器的三個(gè)端口都有防水O－ring圈。

3．2 氣體放電管GDT結(jié)構(gòu)避雷器的設(shè)計(jì)

閾值電壓根據(jù)放電管的型號(hào)，有90V、230V、600V。為了管子與中心導(dǎo)體連接可靠，加有彈性壓片。除了QLI輸入輸出端加有O－ring進(jìn)行界面配合防水外，裝放電管的端口，在外殼端口與內(nèi)導(dǎo)體連接處，也設(shè)計(jì)有防水O－ring。放電管本身尺寸較大，所以，這一段同軸腔體直徑加大許多，再加上安裝固定結(jié)構(gòu)，對(duì)同軸腔內(nèi)電磁波干擾很大。這一部分特征阻抗不是50ohm，引入較大的容抗．需要與感抗諧調(diào)，內(nèi)部做成低通濾波器模式，最終過(guò)渡到輸入輸出的50ohm。由于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，建立3D模型，輸入由前述的初始參數(shù)，由CST微波仿真軟件完成。

圖3 GDT放電管型3D模型仿真結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 GDT放電管型VSWR仿真曲線

3．3 1/4波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)避雷器的設(shè)計(jì)

通常1/4λ結(jié)構(gòu)帶寬較窄也就10%左右，而需設(shè)計(jì)的避雷器0．7～3GHz，頻率帶寬約4．28倍頻程。所以，展寬帶寬就成了最重要的任務(wù)。中間部分采用多級(jí)阻抗變換結(jié)構(gòu)，用以展寬帶寬。文獻(xiàn)［2］采用了一種1/16λ阻抗變換節(jié)的方法。用7/16接口仿真。但僅有仿真結(jié)果，未見(jiàn)實(shí)物實(shí)測(cè)曲線。其仿真帶寬為0．66～2．67GHz。參考該文獻(xiàn)的工作原理，設(shè)計(jì)我們QLI接口的避雷器。原理圖如圖5所示。仿真模型如圖6所示，1/4短路線長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)中心頻率，它不是一根等阻抗線，尾端阻抗要小一些。為了確保精度，往往要對(duì)長(zhǎng)度精確調(diào)整。因此，1/4短路金屬棒的短路端設(shè)計(jì)為尾端長(zhǎng)度可調(diào)。設(shè)置有短路的調(diào)節(jié)螺釘來(lái)微調(diào)長(zhǎng)度，以調(diào)整中心頻率。優(yōu)化曲線如圖7所示。除了內(nèi)部結(jié)構(gòu)展寬帶寬和1/4λ線的階梯位置﹑對(duì)應(yīng)直徑和長(zhǎng)度的優(yōu)化外，與QLI界面連接部分也需要優(yōu)化，每個(gè)部分都對(duì)結(jié)果影響較大。為機(jī)械設(shè)計(jì)上的可實(shí)現(xiàn)性，外腔采用了多體設(shè)計(jì)，相應(yīng)連接處均加了防水O－ring圈。

圖5 1/4波長(zhǎng)展寬型傳輸線原理圖

圖6 1/4波長(zhǎng)型3D模型仿真結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 1/4波長(zhǎng)型VSWR仿真曲線(放置了兩個(gè)頻標(biāo))

4 設(shè)計(jì)結(jié)果

4．1 實(shí)物照片

避雷器輸入、輸出端均采用QLI陽(yáng)接頭形式，如圖8和圖9。

圖8 所設(shè)計(jì)的GDT避雷器元件實(shí)物

圖9 所設(shè)計(jì)的1/4波長(zhǎng)避雷器元件實(shí)物

4．2 樣品測(cè)試結(jié)果

實(shí)際制作了樣品。測(cè)試在Anritsu 37269D網(wǎng)絡(luò)分析儀上完成。用7/16校準(zhǔn)件校準(zhǔn)。測(cè)試時(shí)加上一對(duì)QLI－7/16轉(zhuǎn)接器連接到儀器的測(cè)試端口上測(cè)試，未將其校準(zhǔn)掉，所以駐波﹑插損均包括這一對(duì)轉(zhuǎn)接器的影響。其測(cè)試連接如下:

圖10 避雷器的測(cè)試連接

測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，未扣除的附加的一對(duì)QLI－7/16轉(zhuǎn)接器貢獻(xiàn)的插損約0．05～0．1dB。

網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試曲線如下:

圖11 GDT型樣品S參數(shù)測(cè)試結(jié)果

4．3 1/4波長(zhǎng)樣品三階互調(diào)測(cè)試結(jié)果

互調(diào)測(cè)試系統(tǒng)如下:采用了兩臺(tái)SUMMITEK無(wú)源互調(diào)測(cè)試儀在900MHz和1800MHz兩個(gè)頻段分別進(jìn)行了掃頻測(cè)試，功率2x43dBm。

樣品互調(diào)測(cè)試曲線如圖13、14所示:

測(cè)試結(jié)果良好，在兩個(gè)頻段中均能夠達(dá)到PIM3＜－120dBm，對(duì)一般應(yīng)用要求是能夠滿足的。

圖12 1/4型樣品S參數(shù)測(cè)試結(jié)果

表1 性能要求及實(shí)測(cè)值對(duì)比

5 沖擊電流試驗(yàn)

分組實(shí)驗(yàn)的其它4只樣品在Radiall法國(guó)中心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了電流沖擊試驗(yàn):GDT型做了2．5kA和20kA@8/20Wave;1/4波長(zhǎng)型做了2．5kA，20kA 和30kA@8/20uSWave。結(jié)果如表2所示:

6 結(jié)論

設(shè)計(jì)結(jié)果在射頻范圍內(nèi)是可以接收的，GDT在DC－3GHz內(nèi)性能較好;1/4型帶寬達(dá)到了4個(gè)多倍頻程，在0．7－3GHz內(nèi)性能較好，且互調(diào)和殘壓性能尚好。樣品帶寬覆蓋了目前移動(dòng)通信的所有頻段，可應(yīng)用于通訊領(lǐng)域的配套產(chǎn)品。

圖13 1/4波長(zhǎng)樣品900MHz三階互調(diào)

圖14 1/4波長(zhǎng)樣品1800MHz三階互調(diào)

表2 避雷器性能參數(shù)

［1］Radiall QLI界面定義標(biāo)準(zhǔn)．

［2］一種基于阻抗變換原理的超寬帶天饋避雷器的設(shè)計(jì)，廖翱等，2009年全國(guó)毫米波會(huì)議論文集．