信號(hào)電涌保護(hù)器對(duì)信號(hào)傳輸影響的分析

李祥超，陳良英，張 靜，薛 奇

（南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210044）

信號(hào)電涌保護(hù)器對(duì)信號(hào)傳輸影響的分析

李祥超，陳良英，張 靜，薛 奇

（南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210044）

信號(hào)電涌保護(hù)器(surge protective device,SPD)對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，主要表現(xiàn)在暫態(tài)抑制二極管(transient voltage suppressor,TVS)的分布電容上，通過對(duì)平衡信號(hào)SPD和非平衡信號(hào)SPD電路的原理分析，將信號(hào)SPD等效為兩端口網(wǎng)絡(luò)，利用兩端口網(wǎng)絡(luò)的T參數(shù)模型，采用理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，試驗(yàn)結(jié)果得出：當(dāng)TVS的分布電容值一定時(shí)，退耦電阻的阻值對(duì)幅頻特性曲線-3 dB和-6 dB處的頻率影響較??；退耦電阻的阻值一定時(shí)，隨TVS分布電容值的增加，-3 dB和-6 dB處的頻率均呈下降趨勢(shì)。從信號(hào)傳輸?shù)慕嵌确治觯l率越高，衰減越大，TVS的分布電容值在500～3 500 pF范圍內(nèi)，平衡傳輸時(shí)的幅頻特性曲線-3 dB的頻率范圍為2～20 MHz，-6 dB的頻率范圍為5～25 MHz，非平衡傳輸時(shí)的幅頻特性曲線-3 dB的頻率范圍為5～17 MHz，-6 dB的頻率范圍為6～20 MHz。這在防雷應(yīng)用中有一定的參考價(jià)值。

信號(hào)SPD；幅頻特性；退耦電阻；分布電容

0 引言

當(dāng)今社會(huì)快速發(fā)展，電子信息設(shè)備和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，由于構(gòu)成這類弱電設(shè)備的內(nèi)部微電子器件、計(jì)算機(jī)芯片等極其敏感，工作電壓和耐沖擊電壓水平低，極易受到各種電磁干擾的影響，其中雷電電磁脈沖、操作過電壓等都是主要的干擾源[1-4]。設(shè)計(jì)合適的電涌保護(hù)器(surge protective device，SPD)對(duì)連接這些設(shè)備的接口進(jìn)行保護(hù)，盡量減小因遭受雷電沖擊過電壓的干擾和損壞造成的損失，已成為接口設(shè)備可靠性工作中急需解決的問題[5-8]。對(duì)于電子信息設(shè)備和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)而言，設(shè)計(jì)合理的信號(hào)SPD非常關(guān)鍵，如果信號(hào)SPD設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)造成信號(hào)傳輸速率下降、誤碼率增加、傳輸距離縮短等問題，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致信號(hào)中斷[9-10]。設(shè)計(jì)、安裝信號(hào)SPD時(shí)，除充分考慮防雷產(chǎn)品與設(shè)備的匹配問題外，還應(yīng)保證信號(hào)穩(wěn)定傳輸。

目前已有許多學(xué)者對(duì)信號(hào)SPD影響信號(hào)傳輸這方面做了大量的理論和試驗(yàn)研究工作。王林、趙懷林等人針對(duì)PLC、DCS、ESD、FGS等系統(tǒng)的RS485通訊端口，設(shè)計(jì)了一款具有抗電涌沖擊能力強(qiáng)、電壓保護(hù)水平低、插入損耗小等特點(diǎn)的電涌保護(hù)器[11]；杜志航、楊仲江等在《RJ45接口浪涌保護(hù)器的設(shè)計(jì)》一文中提出了百兆網(wǎng)絡(luò)SPD的設(shè)計(jì)方法，指出了整流橋與暫態(tài)抑制二極管（transient voltage suppressor,TVS）組合中存在的問題，并且對(duì)TVS的參數(shù)選擇給出了指導(dǎo)性意見[12]。以上作者對(duì)信號(hào)SPD的傳輸影響作了大量的研究工作，但是，對(duì)退耦電阻和SPD的分布電容方面的研究較少。

筆者就以上問題，對(duì)退耦電阻的取值和分布電容的大小進(jìn)行測(cè)試，分析退耦電阻和TVS的分布電容對(duì)幅頻特性曲線-3 dB和-6 dB處頻率的影響。

1 理論分析

根據(jù)信號(hào)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)及標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議，信號(hào)傳輸方式可分為平衡傳輸方式和非平衡傳輸方式，平衡傳輸方式包括RJ-45網(wǎng)絡(luò)信號(hào)接口和RS-485接口，非平衡傳輸方式包括BNC接口和RS-232接口。網(wǎng)絡(luò)信號(hào)接口RJ-45分100Base-TX網(wǎng)和1000 Mbaud以太網(wǎng)，100Base-TX網(wǎng)的傳輸速率為125 Mbit/s，最高為155 Mbit/s，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的電壓只有2 V，采用雙絞線電纜，其中一對(duì)用于發(fā)送數(shù)據(jù)，另一對(duì)用于接收數(shù)據(jù)。每對(duì)的發(fā)送和接收信號(hào)是極化的，一條線傳輸正（+）信號(hào)，而另一條線傳輸負(fù)（-）信號(hào)。

RS-485是一種平衡差分驅(qū)動(dòng)、半雙工的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)，它具有傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、較高數(shù)據(jù)傳輸速率和便于構(gòu)成分布式測(cè)控網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點(diǎn)，主要用于數(shù)字設(shè)備多點(diǎn)互聯(lián)時(shí)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)信號(hào)交換系統(tǒng)。該交換系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)信號(hào)發(fā)生器，通過一條平衡互連電纜連接一個(gè)或多個(gè)接收器和端接電阻。RS-485接口最大傳輸速率為10 Mbit/s，它是一種平衡傳輸方式的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，RS-485數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用一對(duì)雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義為B。通常情況下，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器A、B之間的正電平為+2～+6 V，是一個(gè)邏輯狀態(tài)，負(fù)電平為-2～-6 V，是另一個(gè)邏輯狀態(tài)。另一個(gè)信號(hào)為C，在RS-485中還有一“使能”端?！笆鼓堋倍擞糜诳刂瓢l(fā)送驅(qū)動(dòng)器欲傳輸線的切斷與連接。當(dāng)“使能”端起作用時(shí)，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器處于高阻狀態(tài)，稱作“第三態(tài)”，即它是有別于邏輯“1”與“0”的第三態(tài)[13]。

BNC（視頻信號(hào)）接口是10Base2的接頭，即同軸細(xì)纜接頭?？梢愿艚^視頻輸入信號(hào)，使信號(hào)相互間干擾減少，且信號(hào)帶寬要比普通15針的D型接口大，可達(dá)到更佳的信號(hào)響應(yīng)效果。視頻信號(hào)的特點(diǎn)決定其傳輸必須采取寬頻帶、低損耗的傳輸信道，其帶寬是0～6 MHZ。在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，同軸電纜是傳輸視頻圖像最常用的媒介。

RS-232標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特，傳輸速率較低，在異步傳輸時(shí)，波特率≤20 kbps，其特性阻抗為3～7 kΩ。其發(fā)送數(shù)據(jù)是通過TxD終端將串行數(shù)據(jù)發(fā)送到MODEM；接收數(shù)據(jù)是通過RxD線終端接收從MODEM發(fā)來的串行數(shù)據(jù)。信號(hào)有效（接通，ON狀態(tài)，正電壓）=+3～+15 V；信號(hào)無效（斷開，OFF狀態(tài)，負(fù)電壓)=-3～-15 V，因此，實(shí)際工作時(shí)，應(yīng)保證電平在±(3～15)V之間。RS-232接口的傳輸線采用屏蔽雙絞線。在近距離通信時(shí)，不采用調(diào)制解調(diào)器MODEM，通信雙方可以直接連接，這種情況下，只需要使用少數(shù)幾根信號(hào)線。最簡(jiǎn)單的情況只需使用3根線（TxD、RxD、SG）便可實(shí)現(xiàn)全雙工異步串行通信，故在設(shè)計(jì)RS-232接口SPD時(shí)，只需對(duì)這3根信號(hào)線進(jìn)行防浪涌設(shè)計(jì)。

以平衡傳輸方式為例，信號(hào)SPD的設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，非平衡信號(hào)SPD的電路原理圖為圖2。它是由第一級(jí)氣體放電管(gas discharge tube,GDT)、退耦電阻、第二級(jí)TVS組成的兩級(jí)保護(hù)電路。由于雷電的靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)在信號(hào)線路上感應(yīng)出雷電過電壓，其幅值一般在幾十到幾百伏。在信號(hào)SPD的第一級(jí)利用GDT對(duì)瞬態(tài)過電壓的能量進(jìn)行泄放，第二級(jí)使用TVS將電壓箝位在一個(gè)較低的水平，以保護(hù)電子設(shè)備的信號(hào)端。在第一級(jí)與第二級(jí)之間加裝退耦電阻來實(shí)現(xiàn)兩極間的能量配合[14]，使GDT在瞬態(tài)過電壓波到達(dá)TVS之前導(dǎo)通泄流，以保證TVS不被擊穿。在保證SPD保護(hù)效果的前提下，應(yīng)盡量減小因加入退耦電阻而對(duì)信號(hào)線路正常通信造成的影響。退耦電阻值既不能過大也不能偏小。若過大，會(huì)影響信號(hào)電路的正常運(yùn)行，對(duì)信號(hào)的傳輸造成較大的衰減；若偏小，會(huì)使第一級(jí)的氣體放電管放電特性得不到改善，同時(shí)也不能有效地限制其后面TVS中的暫態(tài)電流。在不影響信號(hào)傳輸?shù)那疤嵯?，退耦電阻的阻值越大越好，因?yàn)樵龃箅娮杩梢蕴岣邭怏w放電管與TVS的匹配效率。TVS的分布電容值較大，而信號(hào)線路中分布電容值越大，越不利于信號(hào)的正常傳輸。

圖1 平衡信號(hào)SPD的原理圖Fig.1 Schematic diagram of the balanced signal SPD

圖2 非平衡信號(hào)SPD的原理圖Fig.2 Schematic diagram of the unbalanced signal SPD

當(dāng)沒有雷電波作用時(shí)，可將圖1等效為圖3，圖3可視為一個(gè)兩端口網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。

圖3 等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit

圖4 兩端口網(wǎng)絡(luò)Fig.4 Two-port network

在圖4中，方框表示網(wǎng)絡(luò)，它與電源連接的一對(duì)端子稱為網(wǎng)絡(luò)的輸入端，與負(fù)載連接的一對(duì)端子稱為網(wǎng)絡(luò)的輸出端，習(xí)慣上用1-1端表示輸入端，2-2端表示輸出端。輸入端的電壓值和電流量表明電源向網(wǎng)絡(luò)輸送信號(hào)的情況，輸出端的電壓值和電流量說明負(fù)載接收信號(hào)的情況。因此輸入端和輸出端的電壓及電流的量值比較能反映網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)的效果[15]。

聯(lián)系兩端口網(wǎng)絡(luò)輸入端和輸出端的電壓、電流的關(guān)系式，稱為兩端口網(wǎng)絡(luò)的基本方程式。兩端口網(wǎng)絡(luò)的基本方程式的一般表示形式為

式中：U1、I1為兩端口網(wǎng)絡(luò)正向傳輸時(shí)輸入端的電壓和電流；U2、I2為兩端口網(wǎng)絡(luò)正向傳輸時(shí)輸出端的電壓和電流。式（1）和式（2）分別為兩端口網(wǎng)絡(luò)正向傳輸時(shí)輸入端和輸出端的電壓、電流的關(guān)系式（它們之間滿足AD-BC=1），系數(shù)A、B、C和D稱為兩端口網(wǎng)絡(luò)的T參數(shù)。不同結(jié)構(gòu)的兩端口網(wǎng)絡(luò)，具有不同的T參數(shù)。

兩端口網(wǎng)絡(luò)T參數(shù)的簡(jiǎn)單求法，即開路、短路法。這也是一種常用來實(shí)際測(cè)量網(wǎng)絡(luò)T參數(shù)的方法。

當(dāng)輸出端開路（I2=0）時(shí)，式（1）可寫為

當(dāng)輸出端短路（U2=0）時(shí)，式（1）可寫為

以下面的平衡網(wǎng)絡(luò)和非平衡網(wǎng)絡(luò)為例來求網(wǎng)絡(luò)的T參數(shù)，如圖5和圖6所示。

圖5 平衡網(wǎng)絡(luò)Fig.5 Balanced network

圖6 非平衡網(wǎng)絡(luò)Fig.6 Unbalanced network

并且，4個(gè)系數(shù)之間滿足關(guān)系式：

插入損耗指在傳輸系統(tǒng)的某處由于元件或器件的插入而發(fā)生的負(fù)載功率的損耗，它表示該元件或器件插入前負(fù)載上所接收到的功率與插入后同一負(fù)載上所接收到的功率以分貝為單位的比值。其定義為

式中：P1為輸入到輸出端口的功率，單位為mW；P2為從輸出端口接收到的功率，單位為mW。將式（6）的功率之比轉(zhuǎn)換為電壓之比，其定義為

式中：U1為輸入端口的電壓，V；U2為輸出端口的電壓，V。由式（1）、式（2）、式（3）可得出，平衡傳輸方式的輸出與輸入電壓之比為

由式（1）、式（2）、式（4）可得出，非平衡傳輸方式的輸出與輸入電壓之比為

2 試驗(yàn)方案及數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗(yàn)方案

電阻在接入電路之前先使用LCR-816高精密測(cè)試儀測(cè)試其實(shí)際電阻，試驗(yàn)中所用退耦電阻R的阻值依次為2.2 Ω、2.7 Ω、3.0 Ω、5.1 Ω、6.2 Ω、7.5 Ω、10 Ω。同時(shí)，用LCR-816高精密測(cè)試儀測(cè)試氣體放電管和TVS的分布電容值，選用合適的器件。由于氣體放電管的分布電容值比較小，只有1 pF～5 pF，試驗(yàn)時(shí)選用電容值為3.7 pF的氣體放電管。而TVS的分布電容值比較高，試驗(yàn)時(shí)選用了一系列的TVS，其分布電容值分別為32 pF、121 pF、253 pF、488 pF、720 pF、972 pF、1952 pF、2310 pF、3380 pF。

試驗(yàn)采用Agilent E4422B信號(hào)源和Agilent 54832D混合信號(hào)示波器測(cè)量被測(cè)網(wǎng)絡(luò)在-3 dB和-6 dB處的頻率。Agilent E4422B信號(hào)源的頻率為250 kHz～4.0 GHz，示波器的參數(shù)為 1 GHz、4 GSa/s。試驗(yàn)的接線原理圖如圖7所示，被測(cè)網(wǎng)絡(luò)為圖1所示的平衡信號(hào)SPD和圖2所示的非平衡信號(hào)SPD，信號(hào)源的RF OUTPUT 50Ω端口接信號(hào)SPD第一級(jí)處的端口，將示波器的CH1通道和CH2通道分別接到信號(hào)SPD的第一級(jí)和第二級(jí)處的端口。用信號(hào)源產(chǎn)生正弦波，用示波器顯示被測(cè)網(wǎng)絡(luò)兩端的電壓波形，CH1通道為信號(hào)源提供給被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的電壓波形，CH2通道為經(jīng)過被測(cè)網(wǎng)絡(luò)之后的輸出電壓波形。試驗(yàn)時(shí)，采用點(diǎn)頻法，將信號(hào)源的RF ON/OFF按鈕調(diào)為ON狀態(tài)，功率設(shè)置為10 dBm，調(diào)節(jié)頻率，用U1表示輸入電壓，U2表示輸出電壓，從示波器讀取U1和U2的值。

圖7 接線原理圖Fig.7 Wiring schematic diagram

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1 平衡傳輸方式的數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)所得的典型幅頻特性曲線如圖8所示：縱坐標(biāo)表示插入損耗，由式（7）計(jì)算得出，橫坐標(biāo)表示頻率。圖8（a）、8（c）表示TVS的分布電容值為32 pF時(shí)，退耦電阻值為2.2 Ω和10 Ω的幅頻特性曲線，對(duì)比圖8（a）、8（c）兩圖，可以得出-3 dB處的頻率都接近80 MHz，-6 dB處的頻率都接近90 MHz；圖8（b）、8（d）表示TVS的分布電容值為3 380 pF時(shí)，退耦電阻值為2.2 Ω和10 Ω的幅頻特性曲線，對(duì)比圖8（b）、8（d）兩圖，可以得出退耦電阻為2.2 Ω時(shí)，-3dB處的頻率約為5MHz，-6dB處的頻率約為7MHz；退耦電阻為10 Ω時(shí)，-3 dB處的頻率約為2 MHz，-6 dB處的頻率約為4 MHz。由此說明，分布電容一定時(shí)，不同退耦電阻值所對(duì)應(yīng)的-3 dB和-6 dB處的頻率相差很小，這表明退耦電阻的阻值對(duì)本試驗(yàn)的影響較小，即對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懖淮?。?dāng)退耦電阻值為10 Ω時(shí)，TVS的分布電容值為32 pF和3 380 pF的幅頻特性曲線如圖8（c）、8（d），隨TVS分布電容值的增大，-3 dB和-6 dB帶寬減小。

圖8 典型的幅頻特性曲線Fig.8 The typical amplitude-frequency characteristic curves

退耦電阻的阻值一定時(shí)，頻率隨TVS分布電容值的變化曲線如圖9所示。圖9（a）、9（b）為幅頻特性曲線-3 dB處的頻率隨TVS分布電容值的變化曲線，圖9（c）、9（d）為幅頻特性曲線-6 dB處的頻率隨TVS分布電容值的變化曲線，圖9（e）、9（f）為幅頻特性曲線-3 dB與-6 dB處的頻率隨TVS分布電容值變化的對(duì)比曲線。由圖可以看出：當(dāng)退耦電阻的阻值一定時(shí)，隨TVS分布電容值的增加，-3 dB與-6 dB處的頻率都不斷減??；當(dāng)分布電容值小于500 pF時(shí)，頻率減小的速度更快，之后緩慢減小，最后趨于穩(wěn)定。由圖9（a）、9（c）可以看出，當(dāng)3種電阻的阻值間隔較小時(shí)，曲線近似重合，表明退耦電阻的阻值對(duì)-3 dB和-6 dB處的頻率影響較小。

圖9 頻率隨TVS分布電容值的變化曲線Fig.9 The variations of frequency with the TVS distributed capacitance

TVS的分布電容值一定時(shí)，幅頻特性曲線-3 dB和-6 dB處的頻率隨退耦電阻的變化曲線如圖10所示。圖10（a）、10（b）為-3 dB處的頻率隨退耦電阻的變化曲線，圖10（c）、10（d）為-6 dB處的頻率隨退耦電阻的變化曲線，由圖10（a）、10（b）可以看出：當(dāng)TVS的分布電容值一定時(shí)，隨退耦電阻阻值的增加，-3 dB處的頻率呈降低的趨勢(shì)，但降低的幅度很小；當(dāng)TVS的分布電容值為32 pF時(shí)，頻率大約為80 MHz；當(dāng)TVS的分布電容值為3 380 pF時(shí)，頻率大約為5 MHz。TVS的分布電容值越大，-3 dB處的頻率越小。圖10（c）、10（d）中-6 dB處的頻率隨退耦電阻的變化趨勢(shì)與-3 dB處的頻率隨退耦電阻的變化趨勢(shì)相似。由此表明-3 dB與-6 dB處的頻率與TVS的分布電容值有關(guān)，而與退耦電阻的阻值關(guān)系較小。

圖10 頻率隨退耦電阻的變化曲線Fig.10 The variations of frequency with the decoupling resistance

-3 dB處的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1：當(dāng)TVS的分布電容值一定時(shí)，隨退耦電阻的阻值不斷增大，-3dB處的頻率有降低的趨勢(shì)，但降低的陡度比較??；當(dāng)退耦電阻的阻值一定時(shí)，隨TVS分布電容值的增加，-3 dB處的頻率不斷減小。當(dāng)TVS的分布電容值較小時(shí)，即32～488 pF時(shí)，頻率值相對(duì)較大，且隨分布電容值的增大，頻率較低的陡度較大，之后緩慢降低，到2 000 pF以上時(shí)，頻率只有幾兆赫茲。在本次實(shí)驗(yàn)中，從信號(hào)衰減的角度分析，頻率越高，衰減越大，所以TVS的分布電容值取500～3 500 pF最佳，而退耦電阻的阻值范圍為2.2～10 Ω。-6 dB處的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示：頻率隨退耦電阻和TVS分布電容值變化的規(guī)律與-3dB處的相同。

2.2.2 非平衡傳輸時(shí)的數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)所得的典型幅頻特性曲線如圖11所示：縱坐標(biāo)表示插入損耗，由式（7）計(jì)算得出，橫坐標(biāo)表示頻率。圖11表示退耦電阻為10 Ω時(shí)，TVS的分布電容分別為32 pF和3 380 pF時(shí)的幅頻特性曲線，從圖11中可看出：TVS的分布電容為32 pF時(shí)，-3 dB處的帶寬約為70 MHz，-6 dB處的帶寬約為80 MHz；TVS的分布電容為3 380 pF時(shí)，-3 dB和-6 dB處的帶寬均為5 MHz左右。各參數(shù)的變化規(guī)律與平衡傳輸時(shí)的相似，兩者的區(qū)別體現(xiàn)在：平衡傳輸在-3dB和-6dB處的頻率比非平衡傳輸?shù)拇蟆?/p>

表1 電路在-3 dB處的頻率Table 1 The frequency of the circuit at-3 dB

表2 電路在-6 dB處的頻率Table 2 The frequency of the circuit at-6 dB

圖11 典型的幅頻特性曲線Fig.11 The typical amplitude-frequency characteristic curves

退耦電阻的阻值一定時(shí)，頻率隨TVS分布電容值的變化曲線如圖12所示。圖12（a）為-3 dB處頻率隨分布電容的變化，圖12（b）為-6 dB處頻率隨分布電容的變化，圖形的變化趨勢(shì)與平衡傳輸?shù)南嗨?。?dāng)TVS的分布電容較小時(shí)，非平衡傳輸?shù)念l率比平衡傳輸?shù)念l率小10 MHz左右。

圖12 頻率隨TVS分布電容值的變化曲線Fig.12 The variations of frequency with the TVS distributed capacitance

TVS的分布電容值一定時(shí)，幅頻特性曲線-3 dB和-6 dB處的頻率隨退耦電阻的變化曲線如圖13所示。圖13（a）為-3 dB處的頻率隨退耦電阻的變化曲線，圖13（b）為-6 dB處的頻率隨退耦電阻的變化曲線。由圖可得出：當(dāng)TVS的分布電容一定時(shí)，頻率幾乎不隨退耦電阻的阻值大小變化，但總的變化趨勢(shì)仍與平衡傳輸?shù)谋容^相似。

-3 dB處的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示，-6 dB處的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示：當(dāng)TVS的分布電容值一定時(shí)，隨退耦電阻的阻值不斷增大，-3 dB和-6 dB處的頻率幾乎不變；當(dāng)退耦電阻的阻值一定時(shí)，隨TVS分布電容值的增加，-3 dB和-6 dB處的頻率不斷減小，其變化規(guī)律與平衡傳輸?shù)南嗨啤?/p>

圖13 頻率隨退耦電阻的變化曲線Fig.13 The variations of frequency with the decoupling resistance

表3 電路在-3 dB處的頻率Table 3 The frequency of the circuit at-3 dB

表4 電路在-6dB處的頻率Table 4 The frequency of the circuit at-6 dB

3 結(jié)論

分析平衡信號(hào)SPD對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憰r(shí)，首先要分析平衡信號(hào)SPD和兩端口網(wǎng)絡(luò)的工作原理和性能參數(shù)。選用合適的SPD，既能抑制過電壓、釋放雷電能量，保證設(shè)備正常運(yùn)行，又不影響信號(hào)的傳輸。本次試驗(yàn)得到的結(jié)論如下：

1）TVS分布電容值一定時(shí)，隨退耦電阻阻值的增加，幅頻特性曲線-3dB和-6dB處的頻率變化較??；當(dāng)退耦電阻的阻值一定時(shí)，幅頻特性曲線-3 dB和-6 dB處的頻率都隨TVS分布電容值的增大而不斷減小。

2）當(dāng)TVS分布電容值為32～488 pF時(shí)，幅頻特性曲線-3 dB和-6 dB處的頻率相對(duì)較高，且隨分布電容值的增大，頻率降低的陡度較大，之后緩慢降低，最后趨于穩(wěn)定；從整體上看，平衡傳輸時(shí)的頻率比非平衡傳輸時(shí)大；當(dāng)TVS分布電容較小時(shí)，平衡傳輸時(shí)的頻率比非平衡傳輸時(shí)大約10 MHz，相差較大，當(dāng)TVS分布電容較大時(shí)，只相差1～2 MHz。

3）從信號(hào)衰減的角度分析，頻率越高，衰減越大，TVS的分布電容值在500 pF～3 500 pF，平衡傳輸時(shí)的幅頻特性曲線-3 dB的頻率范圍為2～20 MHz，-6 dB的頻率范圍為5～25 MHz，非平衡傳輸時(shí)的幅頻特性曲線-3 dB的頻率范圍為5～17 MHz，-6 dB的頻率范圍為6～20 MHz。在不影響信號(hào)傳輸?shù)那疤嵯?，退耦電阻的取值范圍一般?.2～10 Ω。

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Analysis on the Impact of Signal Surge Protective Device on Signal Transmission

LI Xiangchao,CHEN Liangying,ZHANG Jing,XUE Qi
（Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,Nanjing University of Information Scienceamp;Technology， Nanjing 210044， China）

Signal surge protective device(SPD)affecting signal transmission mainly manifests as the distributed capacitance of transient voltage suppressor(TVS).By analyzing the principle of balanced signal SPD and unbalanced signal SPD circuit,the signal SPD is equivalent to two-port network.Based on the T parameter model of two-port network and using the method of combining the theory and experiment,the experiment conclusions are as follows:when the value of the distributed capacitance of TVS is constant,decoupling resistance has little influence on the frequencies which are at-3 dB and-6 dB of the amplitude frequency characteristic curve respectively;if the value of decoupling resistance is certain,with the increase of TVS,the frequency decreases at-3 dB and-6 dB;considering from the point of signal transmission,the higher the frequency is,the greater the attenuation is.The values of the distributed capacitance of the TV sare from 500 pF to 3 500 pF,in the amplitude frequency characteristic curve,the frequency range of balanced transmission varies from 2 MHz to 20 MHz at-3 dB and 5 MHz to 25 MHz at-6 dB,while the unbalanced transmission varies from 5 MHz to 17 MHz at-3 dB and 6 MHz to 20 MHz at-6 dB.These have great reference value in the application of lightning protection.

signal SPD；amplitude frequency characteristics；decoupling resistance；distributed capacitance

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.002

2016-05-05

李祥超（1969—），男，副教授，主要從事電涌保護(hù)器研發(fā)與測(cè)試。

國家自然科學(xué)基金（編號(hào)：2081031201065）。