1/4波長(zhǎng)避雷器短路結(jié)構(gòu)關(guān)鍵因子的研究

朱凱，劉永坤，董文彪，周祎，徐學(xué)孜，呂岑佳

江蘇亨鑫科技有限公司，江蘇 宜興 214222

0 引言

本文所研究的射頻通信傳輸系統(tǒng)用同軸避雷器，通過(guò)把雷電等環(huán)境因素產(chǎn)生的感應(yīng)電流導(dǎo)入接地金屬防雷。而雷電波的頻譜分量大體集中在0～20KHz[1]，與傳統(tǒng)電源防雷過(guò)電壓保護(hù)不同，射頻系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)接地功能的同時(shí)，必需保證系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用信號(hào)頻段的正常傳輸，1/4波長(zhǎng)避雷器可承受感應(yīng)雷擊條件下（電流波型8/20us）60KA感應(yīng)電流及100V的剩余脈沖電壓。

通信行業(yè)已知常見(jiàn)的避雷器類(lèi)型有：氣體放電管避雷器、1/4波長(zhǎng)避雷器和阿基米德螺旋線(xiàn)避雷器。其中氣體放電管避雷器壽命短、耐壓上限低，阿基米德螺旋線(xiàn)加工難度大、安裝方向有嚴(yán)格限制，因此這兩種結(jié)構(gòu)的使用有限。1/4波長(zhǎng)避雷器因其金屬支撐結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、導(dǎo)流能力較強(qiáng)、免維護(hù)等原因，有更大的研究?jī)r(jià)值。

1/4波長(zhǎng)避雷器（簡(jiǎn)稱(chēng)1/4λ）產(chǎn)品核心為其短路結(jié)構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)避雷功能以及影響電氣性能的重要模塊，本文重點(diǎn)對(duì)金屬柱、異型金屬、螺旋電感線(xiàn)、阿基米德螺旋金屬片等不同的短路支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，分析結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)鍵影響因素和其作用特點(diǎn)。

1 1/4波長(zhǎng)原理

1.1 1/4波長(zhǎng)避雷器基本結(jié)構(gòu)

1/4波長(zhǎng)避雷器基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，其作用等同于帶通濾波器[2]，帶寬中心與1/4波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的中心頻率f0直接關(guān)聯(lián)，帶寬對(duì)應(yīng)實(shí)際使用頻段。

在同軸傳輸線(xiàn)的基礎(chǔ)上，在內(nèi)外導(dǎo)體間增加長(zhǎng)度的支撐金屬進(jìn)行短接，見(jiàn)圖1（a）阻抗示意。雷擊電流通過(guò)同軸線(xiàn)內(nèi)導(dǎo)體，沿短路針導(dǎo)進(jìn)同軸線(xiàn)外導(dǎo)體，再經(jīng)由與外導(dǎo)體連接的接地線(xiàn)或金屬安裝板實(shí)現(xiàn)接地防雷作用，見(jiàn)圖1（c）電流流向。

1/4波長(zhǎng)與頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系公式（1）、（2），因短路線(xiàn)長(zhǎng)度l在產(chǎn)品上相對(duì)固定，因此一款避雷器僅對(duì)特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)通。

C—光速；fH—最高使用頻率；fL—最低使用頻率；f0—使用頻率中心頻點(diǎn)。

1.2 1/4波長(zhǎng)短路線(xiàn)原理

根據(jù)微波傳輸線(xiàn)中的短路線(xiàn)原理[3]，在忽略傳輸線(xiàn)損耗時(shí)，輸入阻抗為公式（3）：

Zin—輸入阻抗；ZC—傳輸線(xiàn)阻抗；ZL—負(fù)載（短路端）阻抗；j—虛數(shù)符號(hào)；β—每單位長(zhǎng)度的相位移常數(shù)；l—短路線(xiàn)長(zhǎng)度；

圖1 1/4λ避雷器

電壓和電流存在π/2的相位差，即電壓與電流在每個(gè)瞬時(shí)大小都呈現(xiàn)相反的狀態(tài)，因此使用頻段信號(hào)的功率傳輸為0。

綜上，當(dāng)短路線(xiàn)長(zhǎng)度為對(duì)應(yīng)頻率f0的1/4波長(zhǎng)時(shí)（），輸入阻抗Zin無(wú)限大。對(duì)于f0信號(hào)呈現(xiàn)開(kāi)路無(wú)法向短路端傳輸，而是沿同軸線(xiàn)向前正常傳輸信號(hào)，對(duì)于非f0信號(hào)則呈現(xiàn)短路特性以傳輸雷擊電流，因此可實(shí)現(xiàn)避雷器功能。

2 短路結(jié)構(gòu)方案比對(duì)

根據(jù)1/4波長(zhǎng)原理，短路針結(jié)構(gòu)以及與傳輸線(xiàn)的連接過(guò)渡部分，可看作線(xiàn)性傳輸中的非匹配點(diǎn)，對(duì)產(chǎn)品性能起到?jīng)Q定性作用。此結(jié)構(gòu)需要注意性能匹配，以在有效頻段內(nèi)獲得更小的反射系數(shù)。

基于此，我們對(duì)幾種可行的結(jié)構(gòu)方案：金屬柱、電感結(jié)構(gòu)等方式，改變短路部分的電容/電感特性，從而獲得更寬的頻段范圍和駐波性能。除圓柱結(jié)構(gòu)外，其余短路結(jié)構(gòu)的電氣模型都較為復(fù)雜，因此利用仿真進(jìn)行研究。

2.1 金屬柱

2.1.1 圓柱

金屬圓柱相對(duì)簡(jiǎn)單，可直接參考同軸線(xiàn)內(nèi)導(dǎo)體金屬支撐理論[4]進(jìn)行計(jì)算，圖2結(jié)構(gòu)中：同軸線(xiàn)阻抗Z1=Z2，短路結(jié)構(gòu)阻抗Z3，頻率覆蓋比K見(jiàn)公式（5）。

圖2 金屬柱短路結(jié)構(gòu)

圖3中特性阻抗Z0服從移動(dòng)通信系統(tǒng)取50Ω，按電壓駐波比ρ=1.2的標(biāo)準(zhǔn)，以點(diǎn)線(xiàn)法繪制出圖3曲線(xiàn)。當(dāng)K值越大，短路結(jié)構(gòu)阻抗Z3也越大，相對(duì)而言同軸線(xiàn)阻抗Z1=Z2的變化并不明顯。

圖3 頻率覆蓋比與阻抗關(guān)系曲線(xiàn)

兩組不同覆蓋頻段數(shù)據(jù)（表1）：①若覆蓋2G、3G、4G網(wǎng)絡(luò)常用的698-2700MHz頻段：=44.1mm，K=3.9，Z1=Z2=39.6Ω，Z3=90.3Ω。②若需包含聯(lián)通電信5G頻段698-3700MHz：=34.1mm，K=5.3，Z1=Z2=41.9Ω，Z3=178.3Ω。

表1 金屬柱仿真

VSWR曲線(xiàn)從中心頻點(diǎn)f0向兩端逐漸升高，與2.1理論狀態(tài)相符。同時(shí)仿真中心頻率較理論值向右偏，若覆蓋頻寬fH-fL數(shù)值不變，f0越高則K值越小，同時(shí)中心頻點(diǎn)的右偏程度也越小，即頻率越高則越容易覆蓋更寬的頻段。

不難發(fā)現(xiàn)圓柱結(jié)構(gòu)雖簡(jiǎn)單有效，但在實(shí)際應(yīng)用中受到兩處限制：①短路段及匹配同軸段的物理長(zhǎng)度較大，實(shí)際安裝及材料成本均不理想；②在K值較大時(shí)，段路結(jié)構(gòu)阻抗Z3值也非常大，容易造成內(nèi)導(dǎo)體太細(xì)難以加工，并影響雷擊電流的傳輸。下面我們對(duì)短路結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形，以求壓縮短路結(jié)構(gòu)高度并加大短路針直徑。

2.1.2 圓柱折彎

通過(guò)彎折金屬柱可以一定程度上降低短路結(jié)構(gòu)高度。表2模型覆蓋頻段698～3700MHz的最優(yōu)頻點(diǎn)由3.3GHz右移至3.9GHz，等效于短路線(xiàn)長(zhǎng)度l又減小了，仍未真正實(shí)現(xiàn)短路結(jié)構(gòu)尺寸的壓縮，因此折彎意義不大。

表2 金屬柱直角彎折仿真

2.1.3 多根金屬柱

為了降低短路結(jié)構(gòu)高度，考慮使用超過(guò)1根的金屬柱，對(duì)照表3模型覆蓋頻段698～3700MHz。加1根金屬柱后最優(yōu)頻點(diǎn)3.3GHz左移至3.0GHz，再繼續(xù)增加金屬柱數(shù)量則未繼續(xù)出現(xiàn)偏移情況，同時(shí)調(diào)整金屬柱直徑和間距也無(wú)變化。因此通過(guò)增加金屬柱數(shù)量方案，效果并不理想。

表3 多根金屬柱仿真

2.1.4 Z字形金屬柱

重新考慮壓縮短路結(jié)構(gòu)方案，重新對(duì)金屬柱進(jìn)行折疊。在金屬柱左右兩側(cè)交叉進(jìn)行摳槽，可以獲得Z字形結(jié)構(gòu)（表4）。相對(duì)于圓形金屬柱，中心頻點(diǎn)的下降非常明顯，并且將短路針中間掏空后還有進(jìn)一步的優(yōu)化。因此短路針堆疊的改進(jìn)方向，對(duì)于壓縮短路結(jié)構(gòu)是有效的。

表4 Z字形金屬柱仿真

2.2 電感線(xiàn)

由于金屬柱結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度太大、短路針太細(xì)的弊病很難消除，參考Z字形金屬柱，如果將電感線(xiàn)應(yīng)用在短路結(jié)構(gòu)中，可以對(duì)短路針進(jìn)行最有效壓縮。

單層中空螺旋線(xiàn)是最經(jīng)典的電感模型，因此根據(jù)電感的感抗X（L）特性（公式6）的關(guān)鍵要素，我們可用于評(píng)估短路結(jié)構(gòu)的影響因子。

f—頻率；L—電感量。

其中電感量計(jì)算公式（7），芯柱為空氣不做參考，可以得到3個(gè)影響參數(shù)。

μ—芯柱磁導(dǎo)率（此處為空氣）；N—線(xiàn)圈匝數(shù)；H—線(xiàn)圈高度；S—線(xiàn)圈截面積。

而在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，電感線(xiàn)會(huì)并聯(lián)出現(xiàn)寄生電容EPC（圖4），不能純粹當(dāng)作電感來(lái)處理。同時(shí)短路腔體內(nèi)部也因：螺旋線(xiàn)在短路段中的不同高度、實(shí)際電感量的變化、阻抗過(guò)渡的不同，呈現(xiàn)出復(fù)雜的頻率特性。

圖4 電感等效電路

2.2.1 圓柱形單層螺旋線(xiàn)

對(duì)金屬圓柱打中心孔并車(chē)制螺旋開(kāi)槽，就得到了經(jīng)典的圓柱形單層螺旋線(xiàn)結(jié)構(gòu)，下面對(duì)圖5短路針模型進(jìn)行仿真。

圖5 圓柱形螺旋短路針體模型

（1）阻抗過(guò)渡影響。根據(jù)3.1.1計(jì)算數(shù)據(jù)，短路部分阻抗應(yīng)大于標(biāo)準(zhǔn)阻抗Z0，我們參考阻抗變換[3]中多節(jié)1/4波長(zhǎng)變換器結(jié)構(gòu)，將短路段外導(dǎo)體由一段改為多段，過(guò)渡段高度參考1/4波長(zhǎng)與對(duì)應(yīng)的螺旋線(xiàn)長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)，同時(shí)阻抗逐級(jí)變大。詳細(xì)參數(shù)可根據(jù)實(shí)際可行的尺寸，采用有限元法通過(guò)軟件進(jìn)行求解。

從表5仿真數(shù)據(jù)看，每增加一級(jí)過(guò)渡，VSWR曲線(xiàn)整體向下移動(dòng)。因此若要優(yōu)化性能，可采用增加過(guò)渡的方法。另外也可以將圓柱形螺旋線(xiàn)改為梯形螺旋線(xiàn)，同樣可以達(dá)到阻抗過(guò)渡目的。

表5 不同阻抗過(guò)渡仿真

（2）位置影響。模型中螺旋線(xiàn)與短路針的相對(duì)位置（表6），實(shí)際并不影響1/4波長(zhǎng)的等效長(zhǎng)度，因此對(duì)中心頻點(diǎn)影響不大，但因?yàn)镠（螺旋起始點(diǎn)高度）不同對(duì)電容電感的影響，因而需利用軟件尋求最優(yōu)解。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)將螺旋線(xiàn)與外導(dǎo)體過(guò)渡臺(tái)階進(jìn)行配合，以獲得更好的過(guò)渡匹配效果。

表6 不同高度過(guò)渡仿真

（3）電感量影響。由公式（7）可知：匝數(shù)、截面積、高度對(duì)電感量的影響，但在實(shí)際模型中截面積等參數(shù)并不直觀(guān)，因此先轉(zhuǎn)化為：d（內(nèi)孔徑）、N（匝數(shù)）、W（槽寬）、V（節(jié)距）。

將圓柱螺旋線(xiàn)模型通過(guò)軟件求解到較優(yōu)的電感量參數(shù)后，可以得到3個(gè)駐波的低點(diǎn)，從低頻向高頻依次編號(hào)點(diǎn)1、點(diǎn)2、點(diǎn)3。那么點(diǎn)1至點(diǎn)3之間的頻段可用作使用頻段，通過(guò)調(diào)節(jié)3個(gè)點(diǎn)的頻率可以獲得想要的性能。

為研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)三個(gè)頻點(diǎn)的影響關(guān)系，采用單一變量法仿真得到表7數(shù)據(jù)。

表7 不同電感量過(guò)渡仿真

①匝數(shù)N、內(nèi)孔徑d、槽寬W：隨著數(shù)值的變大，覆蓋頻率向低頻移動(dòng)，低頻指標(biāo)變差的同時(shí)高頻指標(biāo)變優(yōu)。

②節(jié)距V：隨著數(shù)值變大，覆蓋頻率向高頻移動(dòng)，低頻指標(biāo)變優(yōu)的同時(shí)高頻指標(biāo)變差。

再把4個(gè)模型參數(shù)帶入公式7，得到電感量關(guān)系式8：

其中匝數(shù)N、節(jié)距V與電感量L成正比，內(nèi)孔徑d、槽寬W與電感量L成反比，結(jié)合上述仿真結(jié)果，可以初步判定：電感量L越大，覆蓋頻率是向高頻移動(dòng)的。這里需要解釋一下匝數(shù)N，雖然按該結(jié)論，匝數(shù)N增大帶來(lái)電感量L增大及覆蓋頻率向高頻移動(dòng)，但同時(shí)也應(yīng)考慮匝數(shù)加大后變相也增加了1/4波長(zhǎng)等效長(zhǎng)度，且該作用更強(qiáng)，因此反而出現(xiàn)了使用頻段向低頻移動(dòng)情況。

2.2.2 平面形螺旋線(xiàn)

將圓柱形螺線(xiàn)現(xiàn)變形為平面等距螺旋，又稱(chēng)為阿基米德螺旋，基本結(jié)構(gòu)與蚊香相似。查閱平面螺旋線(xiàn)電感量公式[5]，公式較為復(fù)雜，我們可以與圖6中的關(guān)鍵影響因子比較后簡(jiǎn)化使用：電感量與匝數(shù)N、厚度B、節(jié)距V成正比，并與槽寬W成反比。

圖6 平面形螺旋短路針體模型

（1）結(jié)構(gòu)搭建。表8為仿真數(shù)據(jù)，首先直接在同軸線(xiàn)上并入螺旋金屬片，駐波曲線(xiàn)在主頻段存在多個(gè)峰值。

表8 阿基米德螺旋仿真

為了壓低此處峰值，可以考慮利用電容通高頻阻低頻的特性，通過(guò)調(diào)節(jié)電容特性，駐波峰值有明顯降低，但在使用頻段內(nèi)駐波指標(biāo)仍不理想。

最后我們借鑒圓柱螺旋線(xiàn)結(jié)構(gòu)中，短路結(jié)構(gòu)沿同軸線(xiàn)徑向向外，阻抗逐步變化升高的過(guò)渡結(jié)構(gòu)，在外導(dǎo)體上增加臺(tái)階進(jìn)行阻抗匹配，且考慮到阿基米德螺旋線(xiàn)半徑是360°逐步增大，因此外導(dǎo)體1/4波長(zhǎng)過(guò)渡進(jìn)而可以演變?yōu)樾逼隆?/p>

2.3 雙短路線(xiàn)結(jié)構(gòu)

以上的短路線(xiàn)均為單一的1/4波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，受限于短路線(xiàn)自身等效長(zhǎng)度限制，中心頻點(diǎn)僅能同時(shí)存在某個(gè)既定數(shù)值，因此也大大限制了避雷器有效覆蓋寬度。因此考慮將兩個(gè)短路結(jié)構(gòu)的中心頻率f1與f2非常接近的短路結(jié)構(gòu)，串聯(lián)在一同軸線(xiàn)上，通過(guò)兩段不同的短路線(xiàn)形成的帶通結(jié)構(gòu)，對(duì)頻段進(jìn)行一定的拓寬（圖7）。

圖7 雙端路線(xiàn)電氣圖

該方案可采用兩只頻段接近的1/4波長(zhǎng)避雷器連接在一起測(cè)試，即可驗(yàn)證，但對(duì)中心頻率的限制也是非常明顯的，同時(shí)也增加了使用成本和產(chǎn)品體積。

3 結(jié)語(yǔ)

本文從同軸線(xiàn)避雷器的1/4波長(zhǎng)原理展開(kāi)研究，明確了短路結(jié)構(gòu)對(duì)產(chǎn)品有效覆蓋頻段、電氣性能的重要作用以及本身限制。之后基于短路線(xiàn)的作用及可行結(jié)構(gòu)，展開(kāi)對(duì)結(jié)構(gòu)要素與性能指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性研究，短路針結(jié)構(gòu)以金屬柱方案開(kāi)始，進(jìn)一步對(duì)其折疊與彎曲，從而推導(dǎo)出電感螺旋線(xiàn)結(jié)構(gòu)的合理性。

文章重點(diǎn)研究的短路結(jié)構(gòu)，由相關(guān)電感電容和阻抗過(guò)渡知識(shí)的推導(dǎo)，結(jié)合三維模型仿真驗(yàn)證，最終識(shí)別并歸納出避雷器結(jié)構(gòu)對(duì)性能影響的關(guān)鍵因子：短路結(jié)構(gòu)等效1/4波長(zhǎng)長(zhǎng)度、阻抗過(guò)渡、螺旋線(xiàn)等尺寸因子、螺旋線(xiàn)的變形和電感等作用因素，為通信線(xiàn)路中避雷器的設(shè)計(jì)提供參考。