1/4λ短路傳輸線對(duì)于雷電波能量抑制性能的分析

王 歡

（山丹縣氣象局，甘肅 張掖 734100）

在工程施工過(guò)程中，如何保護(hù)建筑不受雷電的影響和危害，一直以來(lái)都備受關(guān)注與重視，為此我國(guó)相關(guān)部門(mén)專門(mén)制定了《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50057—2010），指導(dǎo)和規(guī)范工程施工中如何防雷。這對(duì)于保障建筑的安全性來(lái)說(shuō)至關(guān)重要[1]。為此，我們應(yīng)當(dāng)將其作為一個(gè)長(zhǎng)期的關(guān)鍵課題，積極加強(qiáng)研究、探討與實(shí)踐。1/4 λ短路線，其對(duì)于輸入的抗阻，達(dá)到了無(wú)窮大的水平，具有非常強(qiáng)的雷電波能量抑制性能，本研究對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，證明在實(shí)踐中1/4 λ短路線值得推廣和應(yīng)用。

1 1/4 λ短路線工作原理及雷電波的影響

當(dāng)前已有的研究成果明確顯示，1/4 λ短路線對(duì)于輸入的抗阻達(dá)到了無(wú)窮大的水平，大部分能量在10 kHz以下。所以對(duì)于雷電波而言，1/4 λ短路線就等同于是短路[2]。將1/4 λ短路線型SPD，接入到傳輸線路中，不會(huì)對(duì)傳輸信號(hào)造成影響，可將雷電的能量安全地泄放入地，達(dá)到理想的防雷效果[3]。

雷擊點(diǎn)上的雷電波是一種單極性的沖擊波，平均值通常取2.5 μs，實(shí)驗(yàn)值取8 μs，波頭極限值則為0.5 μs。如果是取4倍波頭值，為雷電波的近似脈沖周期，以2.5 μs為例，則雷電波周期T’=2.5×4=10 μs，雷電波波長(zhǎng)λ=vT’=λ=vT’=2.79×108×10×10-6=2 790 m。

式中：v為波在同軸線中的速度。由此可見(jiàn)雷電波具有較大的波長(zhǎng)，因此對(duì)于雷電波來(lái)說(shuō)，1/4 λ短路線輸入阻抗非常小，同時(shí)呈電感性。這樣的情況和雷電流對(duì)地短路非常相似。所以，從上面所闡述的原理來(lái)看，按此原理設(shè)計(jì)避雷器能有效地抑制雷電波及類似的雜波干擾。

2 1/4 λ避雷器

1/4 λ避雷器可廣泛應(yīng)用于多種相對(duì)固定頻率的無(wú)線電設(shè)備中，從800 MHz～2.4 GHz。其在防雷方面的功能和作用非常突出，能夠達(dá)到8/20 μs波30 kA以上的沖擊耐流，并且其對(duì)信號(hào)的影響非常小，不會(huì)造成過(guò)大的信號(hào)插入損耗。同時(shí)在相關(guān)的研究中發(fā)現(xiàn)，其對(duì)于不同頻率的干擾，也可以起到抑制作用，以上這些特點(diǎn)，都得益于其特殊的結(jié)構(gòu)及原理。雷電波的頻譜具有非常寬的范圍，同時(shí)主要的能量都處在10 kHz以下，所以1/4 λ短路線就等同于是短路，不會(huì)因?yàn)槔纂姴▽?duì)設(shè)備造成破壞。不同頻率的干擾信號(hào)，短路棒不等于1/4 λ，所以會(huì)造成較高的損耗，這就能夠降低相應(yīng)的干擾[4]。

3 試驗(yàn)分析

3.1 8/20 μs實(shí)驗(yàn)平臺(tái)沖擊測(cè)試

按照傳輸理論情況來(lái)看，在微波通訊線路中，1/4 λ短路線型SPD需要進(jìn)行并聯(lián)安裝。其采用的均為標(biāo)準(zhǔn)射頻接口，SPD呈T型結(jié)構(gòu)，其1/4 λ 短路線，有一部分長(zhǎng)為400 mm、直徑的銅導(dǎo)線為2 mm。信號(hào)接地端GND和信號(hào)鏈接線纜，分別連接在短路線的兩端。在測(cè)試過(guò)程當(dāng)中，選用1.8 GHz頻段和2.1 GHz頻段，這兩個(gè)頻段的使用率是較高的。然后使用8/20 μs實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)進(jìn)行雷電流電壓模擬，開(kāi)展沖擊實(shí)驗(yàn)。

試驗(yàn)中以0.2 kV開(kāi)始，每0.2 kV沖擊一次直到7.0 kV，取沖擊電壓為2.0 kV、6.0 kV兩組典型的沖擊電壓值進(jìn)行分析。圖1和圖2為2.1 GHz頻段下的殘壓通流示意圖，圖3和圖4為1.8 GHz頻段下的殘壓通流示意圖。

圖1 2.1 GHz頻段2.0 kV沖擊電壓下殘壓

圖2 2.1 GHz頻段2.0 kV沖擊電壓下通流

圖3 1.8 GHz頻段2.0 kV沖擊電壓下殘壓

圖4 1.8 GHz頻段2.0 kV沖擊電壓下通流

規(guī)定中信號(hào)SPD的限制電壓應(yīng)小于1 kV，由測(cè)量結(jié)果分析，符合該規(guī)范要求，在中心頻率點(diǎn)，處在諧振狀態(tài)的1/4 λ短路線，其輸出電壓峰-峰值，與信號(hào)源輸出值接近，能夠抑制雷電波，對(duì)線路提供保護(hù)[5]。

將1.8 GHz和2.1 GHz頻段下沖擊結(jié)果所得殘壓通流取其絕對(duì)值，然后找出最大值得到其殘壓通流峰值，見(jiàn)表1—表2，繪制出圖5—圖8。

表2 2.1 GHz頻段下殘壓通流峰值

圖5 1.8 GHz頻段殘壓變化示意圖

圖6 1.8 GHz頻段通流變化示意圖

圖7 2.1 GHz頻段殘壓變化示意圖

圖8 2.1 GHz頻段通流變化示意圖

表1 1.8 GHz頻段下殘壓通流峰值

由圖5—圖8可以看出，兩個(gè)頻段下，其殘壓通流都隨著0.2～7.0 kV的沖擊電壓的升高而增大，成線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，所以得出結(jié)果符合殘壓特性。

3.2 傳輸特性測(cè)試

由于在傳輸系統(tǒng)中插入一個(gè)SPD后會(huì)引起信號(hào)的損耗，該損耗為SPD插入前傳遞到后面的系統(tǒng)部分的功率與SPD插入后傳遞到同一部分的功率之比。也就是插入損耗，通常用db表示。

試驗(yàn)中，用網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀對(duì)模擬1/4 λ短路線型SPD進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試得出1.8 GHz和2.1 GHz兩個(gè)頻段下的S21參數(shù)，列用軟件繪制出圖形，圖9和圖10分別為1.8 GHz和2.1 GHz的S21參數(shù)示意圖。

圖9 1.8 GHzS21參數(shù)示意圖

圖10 1.8 GHzS21參數(shù)示意圖

因?yàn)橐ＷC通訊線路能夠進(jìn)行有效的信號(hào)傳輸，應(yīng)當(dāng)確保線路中的插入損耗不超過(guò)-10 db。從上圖所反映的數(shù)據(jù)情況可以得出，在1.7 GHz頻段和1.9 GHz頻段中，損耗均不超過(guò)-10 db，因而1.8 GHz頻段中，其損耗同樣會(huì)低于這個(gè)數(shù)值。即證實(shí)了1/4 λ短路線型SPD在傳輸線路中的接入，并不會(huì)影響到信號(hào)的傳輸。

同理，應(yīng)當(dāng)確保插入損耗不超過(guò)-10 db，在1.9 GHz頻段和2.3 GHz頻段中，損耗均不超過(guò)-10 db，因而2.1 GHz頻段中，其損耗同樣會(huì)低于這個(gè)數(shù)值，可以保證正常的通訊。

3.3 試驗(yàn)小結(jié)

（1）1/4 λ短路線，以銅導(dǎo)線為材料，能夠安全地承受較高的雷電流，也就是說(shuō)SPD通流大。

（2）對(duì)波長(zhǎng)為1/4 λ的微波信號(hào)，其一方面具有非常低的插入損耗；另一方面是衰減非常低，因此信號(hào)質(zhì)量較高。

（3）在整體的設(shè)計(jì)方面，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且都采用的是標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，具有非常強(qiáng)的適用性。

（4）采用1/4λ短路線型SPD，能夠保護(hù)微波線，抑制過(guò)電壓。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)1/4 λ短路線對(duì)于雷電波的影響分析，可以了解1/4 λ短路線對(duì)雷電波有較好的抑制作用，也反映出1/4 λ避雷器對(duì)于防雷的意義和價(jià)值，值得在相關(guān)的工作實(shí)踐中進(jìn)行推廣應(yīng)用。