設(shè)計于λ/4的天饋SPD防雷分析

莊躍龍

摘 要： 通信基站中收發(fā)信機(jī)通過天饋線路與天線相連接，處于室外的天線和天饋線路容易遭受雷電入侵，危害收發(fā)信機(jī)及其他基站設(shè)備，為此必須在收發(fā)信機(jī)和天饋線路之間加裝天饋防雷器（SPD）。通過傳輸線理論分析λ/4線的特性，介紹λ/4天饋SPD的原理和結(jié)構(gòu)，闡述天饋SPD的使用安裝注意事項。

關(guān)鍵詞： 天饋；防雷；λ/4；SPD

Abstract： In a communication base station， the transceiver connects with antenna through antenna feeder line. Outdoor antenna and antenna feeder line are vulnerable to lightning invasion， which is harmful to the transceiver and other base station equipment. Therefore， an antenna lightning protection device （SPD） need to be installed between the transceiver and the antenna feeder line. This paper analyses the characteristic of λ/4 line using transmission line theory， introduces the principle and structure of λ/4 Antenna feed SPD， and explain the precautions when installing and using Antenna feed SPD.

Keywords： antenna feed； lightening protection； λ/4； SPD

一、通信基站天饋系統(tǒng)及其雷電入侵

通信基站的天饋系統(tǒng)包括天線、支架、室外跳線、饋線、室外走線架、接地裝置、防雷器（SPD）等，如圖1所示。其中，SPD安裝與饋線與基站主設(shè)備（收發(fā)信機(jī)）之間。

根據(jù)LPZ防雷區(qū)的規(guī)定[1]，可以對基站進(jìn)行如圖2的防雷區(qū)劃分。在建筑物屋頂接閃器覆蓋室外饋線的條件下，天饋系統(tǒng)處于LPZ0B區(qū)，即不會遭受直接雷擊的區(qū)域，那么主要防護(hù)的是感應(yīng)雷的破壞。感應(yīng)雷的峰值電流較小，一般在15kA以內(nèi)，但也足以摧毀基站設(shè)備。考慮到雷電電磁場衰減等因素，饋線的防雷能力一般要求到10kA。

二、常用天饋SPD

常用的天饋SPD有開關(guān)型天饋SPD和λ/4天饋SPD。

開關(guān)型天饋SPD原理和結(jié)構(gòu)外形如圖3所示。壓敏器件連接在饋線到接地端，正常時呈現(xiàn)高阻抗，對于信號通道幾乎沒有影響。雷電波入侵時壓敏器件瞬變?yōu)榈妥杩?，把雷電流旁路到接地點，起到防護(hù)后面的基站設(shè)備不至于遭受過電壓和過電流的作用。

開關(guān)型天饋SPD常用的壓敏器件有放電間隙、氣體放電管、閘流晶體管等。此類SPD可應(yīng)用于頻率范圍較寬的場合，例如0-2.4 GHz。但響應(yīng)時間、放電電流等是制約因素。

λ/4天饋SPD因其獨特的原理和結(jié)構(gòu)，能泄放時間短、電流大的雷電波，還能起到濾除雜波的作用，因此在高頻段有很好應(yīng)用效果。

三、λ/4的傳輸線

根據(jù)傳輸線理論，終端短路時，沿線電壓、電流分布表達(dá)式為[2]：

式中z′為距離終端的位置。

則沿線電壓電流的振幅值、輸入阻抗、等效電路等分布如圖4所示。

可見，終端短路時，在距離終端λ/4處，電壓振幅最大，電流為0，阻抗為無窮大，等效于LC并聯(lián)諧振。

因此，在饋線某處與地并接λ/4的傳輸線，則該傳輸線對波長為λ的信號開路，不影響傳輸；對其他波長的信號由于嚴(yán)重失諧而短路，起到濾波作用；對雷電波則為一根短路線，把雷電流短路到地，保護(hù)后方設(shè)備免遭雷電侵入。

以移動通信1.9GHz頻點為例，其波長為0.15789m，λ/4長度約為39.5mm。

四、λ/4天饋SPD

根據(jù)上述終端短路λ/4傳輸線特性而設(shè)計的天饋SPD如圖5所示，在饋線芯線與地端之間引入長度為λ/4的金屬棒。因為是終端短路，所以金屬棒在饋線端對λ波長的信號是開路的，不影響信號饋送；而雷電波頻譜集中于較低頻段，則該金屬棒對雷電波就是一條短路線，將雷電流短路到地。由于采用金屬棒，所以能泄放較大的雷電電流，一般能達(dá)到30kA以上。實際結(jié)構(gòu)中，該金屬棒到地端的長度可微調(diào)，以便準(zhǔn)確調(diào)校。

金屬棒雖然對波長為λ的信號呈開路狀態(tài)，但λ波長信號是載波，攜帶基帶信息，所以饋線中的信號不是單頻的，而是有一定帶寬的已調(diào)波。因此，金屬棒對已調(diào)波還是會有一些損耗，以及產(chǎn)生一些駐波，反應(yīng)為SPD的插入損耗和駐波比等參數(shù)。

不同頻點的載波對應(yīng)不同長度的金屬棒，因此λ/4天饋SPD是種窄帶器件，不同工作頻段需選用相應(yīng)的型號。從圖4可知，在離終端距離為λ/4的奇數(shù)倍處，電壓振幅值也最大，電流振幅值也為0，與λ/4特性相同。所以λ/4天饋SPD的工作頻率有個最低頻段，此外還能工作于最低頻段的奇數(shù)倍。

λ/4天饋SPD與開關(guān)型天饋SPD相比除了無響應(yīng)延遲這個明顯優(yōu)點外，在工作頻段、放電電流等方面也有明顯的不同，表1是某制造商兩種產(chǎn)品不同型號的參數(shù)對比。

五、λ/4天饋SPD使用安裝注意事項

1.天饋SPD只能防護(hù)通過饋線闖入的雷電波，無法防護(hù)雷擊大地時地電位反擊引起的過電壓。地電位反擊的防護(hù)依賴于建筑物整體的接地網(wǎng)設(shè)計，整體建筑物形成一個等電位體是防雷的有效措施。

2.由于雷電流瞬間幅值大，過長的線路會形成過高的電壓差，因此，天饋SPD安裝時應(yīng)該盡量靠近收發(fā)信機(jī)等基站設(shè)備，安裝引線要盡量短。

3.天饋SPD外殼接地端提供雷電電流的泄放通道，該通道必須可靠，接地電阻小。因此，外殼接地端不能簡單連接到走線架、電源接地等接地點，而應(yīng)該連接到專用防雷接地體，并且接地導(dǎo)線要有足夠大的截面積。雷電流泄放不夠通暢，不僅SPD殘壓高，而可能損害收發(fā)信機(jī)，還可能因為SPD外殼電位升高，而對站點所有設(shè)備造成反擊。

4.λ/4天饋SPD的設(shè)計放電電流比開關(guān)型天饋SPD大很多，因此接地線的截面積必須比后者大很大，在更換SPD類型時必須根據(jù)最大負(fù)荷要求重新核算接地線截面積。

參考文獻(xiàn)

[1] 信息產(chǎn)業(yè)部. YD/T5098-2001，《通信局（站）雷電過電壓保護(hù)工程設(shè)計規(guī)范》[S].2001

[2] 盛振華.《電磁場微波技術(shù)與天線》[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2004.