近日有配到客戶需要超高頻率天饋防雷器，比如N頭18Ghz天饋防雷器，目前業(yè)內(nèi)極少公司能做，本文轉(zhuǎn)載自《電瓷避雷器》2022年第3期，原標(biāo)題同軸電涌保護(hù)器設(shè)計(jì)方法的分析，可以作為天饋線避雷器的設(shè)計(jì)參考。



1、文章摘要
 
針對雷電電磁脈沖和感應(yīng)過電壓導(dǎo)致的通信線路終端設(shè)備損壞的問題，本文基于同軸線理論與天饋線同軸浪涌保護(hù)器設(shè)計(jì)原理分析，利用高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件HFSS針對天饋線同軸浪涌保護(hù)器在不同腔體半徑以及有無安裝氣體放電管等情況進(jìn)行仿真分析，得出其回波損耗S11曲線、插入損耗S21曲線以及時域反射分析TDR（time domain reflectometry）數(shù)據(jù)。

通過分析仿真數(shù)據(jù)，本文制作出適合尺寸的天饋線同軸浪涌保護(hù)器并對其進(jìn)行了測試。根據(jù)仿真結(jié)果可以得出，當(dāng)腔體半徑與內(nèi)置銅芯的半徑比為2.3時，腔體的特性阻抗維持在50Ω左右，放置氣體放電管后對特性阻抗有較大的擾動；隨著腔體半徑的增加，反射系數(shù)也隨之減小，但諧振頻率基本都集中在2.5GHz左右，放置氣體放電管后S11曲線在諧振點(diǎn)附近有明顯的變化；

隨著模型長度的增大，諧振頻率隨之減小；氣體放電管的電容與尺寸都隨著值的增大信號衰減增加，但是尺寸較電容對衰減的影響更大更加明顯；實(shí)測與仿真基本符合，根據(jù)實(shí)測沖擊試驗(yàn)看出天饋線同軸浪涌保護(hù)器隨沖擊電壓的增大響應(yīng)時間隨之減小，通流和殘壓隨之增大，可見制作的天饋線同軸浪涌保護(hù)器可以達(dá)到泄放浪涌，保護(hù)負(fù)載電路的作用。研究結(jié)果對天饋線同軸浪涌保護(hù)器的設(shè)計(jì)制作有一定的指導(dǎo)意義。

2、主要內(nèi)容
 
電磁脈沖（EMP），有時也稱為瞬態(tài)電磁干擾，具有頻率范圍寬、能量大等特點(diǎn), 并且具有很強(qiáng)的干擾及破壞作用,可以對電子設(shè)備造成嚴(yán)重的損傷,因此人們越來越重視雷電電磁脈沖對電子信息設(shè)備構(gòu)成的威脅及其防護(hù)問題。

電子通信系統(tǒng)常會受到EMP干擾，如雷電產(chǎn)生的高功率電沖擊波和感應(yīng)電流電壓。這種瞬時過電壓(或過電流)稱為浪涌電壓(或浪涌電流)，會損壞電子設(shè)備，所以需要有電涌保護(hù)器對其進(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)。

通信系統(tǒng)中通常采用同軸線進(jìn)行信號的傳輸，因此，有必要對天饋線同軸浪涌保護(hù)器進(jìn)行的設(shè)計(jì)方法的研究。國內(nèi)外學(xué)者在同軸連接器、電磁脈沖抑制和仿真方面做了大量的工作。

Gunston,M.A總結(jié)了基于物理尺寸計(jì)算傳輸線特性阻抗的方法。翟毅等人分析了1/4波長型雷電抑制器的工作原理，分析了不同繞線線芯的半徑和繞線線芯到同軸線外導(dǎo)體表面間距對雷電抑制器工作帶寬的影響。真瑩采用三維仿真設(shè)計(jì)了氣體放電管結(jié)構(gòu)和1/4波長結(jié)構(gòu)的兩種快插式電涌保護(hù)器，得到了較好的結(jié)果。

張過有等人經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,信號類電涌保護(hù)器的分布電容超出一定值后會對信號傳輸產(chǎn)生干擾,信號類浪涌保護(hù)器應(yīng)保證擁有足夠低的分布電容。李祥超等人分析了暫態(tài)抑制二極管(transient voltage suppressor,TVS)的分布電容對信號傳輸?shù)挠绊懀⑶覍νS線中雷電波傳輸暫態(tài)特性進(jìn)行了分析,還分析了接收機(jī)耦合雷電電磁波的電壓及能量分布規(guī)律, 提出了利用各種保護(hù)器件來抑制接收機(jī)耦合雷電電磁波能量的抑制方法。

JaeCheol通過時域有限差分(FDTD)方法模擬了氣體放電管電涌保護(hù)器的瞬態(tài)響應(yīng)。這些對研究都對同軸浪涌保護(hù)器的設(shè)計(jì)方法具有重要的指導(dǎo)意義。目前，尚沒有學(xué)者將同軸浪涌保護(hù)器件剖析開，單獨(dú)分析其影響因素，再結(jié)合起來研究其綜合性能。特別是氣體放電管與同軸連接器結(jié)合用于信號線路的電涌防護(hù)方面，很少有學(xué)者涉及。

本文利用HFSS對天饋線同軸浪涌保護(hù)器進(jìn)行仿真，得到如下結(jié)果：腔體結(jié)構(gòu)對天饋線同軸浪涌保護(hù)器的特性阻抗的影響較大，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)選擇半徑適中特性阻抗波動較小的尺寸；S11曲線隨著腔體半徑的增加，反射系數(shù)也隨之減小，諧振頻率基本都集中在2.45GHz左右；氣體放電管的電容與尺寸都隨著值的增大信號衰減增加，但是尺寸較電容對衰減的影響更大更加明顯。實(shí)測與仿真基本相符，根據(jù)沖擊試驗(yàn)可以得出制作的天饋線同軸浪涌保護(hù)器可以達(dá)到泄放浪涌，保護(hù)負(fù)載電路的作用。
 
1理論分析
1.1同軸線理論分析
1.2天饋線同軸浪涌保護(hù)器設(shè)計(jì)原理
2模型建立
3仿真及試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
3.1腔體尺寸的影響分析
3.2氣體放電管對信號的影響分析
3.3 天饋線同軸浪涌保護(hù)器實(shí)物分析

3、結(jié)論
 
通過HFSS仿真分析不同介質(zhì)寬度、長度及氣體放電管對天饋線同軸浪涌保護(hù)器TDR、反射特性和傳輸特性的影響。針對得出的結(jié)果，選取合適的尺寸，制作天饋線同軸浪涌保護(hù)器，并對其測量反射傳輸特性及沖擊特性，得出結(jié)論：
 
1、仿真分析。

①根據(jù)TDR分析，可以看出腔體半徑與內(nèi)置銅芯的半徑比為2.3時，腔體結(jié)構(gòu)的特征阻抗維持在50Ω左右。比較不同腔體半徑的TDR曲線，未放置氣體放電管時，隨著腔體半徑的增大在0~50 ps范圍內(nèi)的波動也越劇烈。安裝氣體放電管后，模型的阻抗有明顯的增加，阻抗波動較劇烈的時間段向后推遲到了150~200 ps，并且波動程度較未放置時越發(fā)劇烈。0~50 ps段與未放置氣體放電管時阻抗的變化趨勢相同，但是在150~200 ps段可以看出隨著腔體半徑增大阻抗的變化幅度減小。

S11曲線隨著腔體半徑的增加，反射系數(shù)也隨之減小，但諧振頻率基本都集中在2. 5 GHz左右。安裝氣體放電管后，在諧振點(diǎn)周圍的反射系數(shù)出現(xiàn)了明顯的不同，其反射系數(shù)不再隨著介質(zhì)寬度的增加而減小；長度對諧振頻率的影響非常明顯，諧振頻率隨著模型長度的增大而減小。模型長度對反射系數(shù)的影響與頻率相關(guān)。
 
②比較氣體放電管不同電容與不同尺寸下的S21曲線可以看出，電容與尺寸的增大衰減也相應(yīng)增大，但是電容量的影響很小，尺寸對信號的衰減影響更加明顯。
 
2、實(shí)物分析。
 
①S11諧振點(diǎn)在2.5 GHz左右，與仿真結(jié)果相符。

②S21:插入損耗隨著頻率的增加而不斷增大，在4 GHz的頻率內(nèi)對信號傳輸不會造成影響。③沖擊特性：隨著沖擊電壓的升高，氣體放電管的響應(yīng)時間大大減小，最終響應(yīng)時間小于0.1 μs，且氣體放電管擊穿電壓小的響應(yīng)時間更快更敏感；隨著沖擊電壓的增大，天饋線同軸浪涌保護(hù)器的通流和殘壓也隨之平穩(wěn)增大，90 V擊穿電壓的氣體放電管電壓逐漸穩(wěn)定在230 V左右，230 V擊穿電壓的氣體放電管電壓逐漸穩(wěn)定在700 V左右，表明天饋線同軸涌保護(hù)器可以達(dá)到泄放浪涌，保護(hù)負(fù)載電路的作用。

作者簡介李祥超(1969—),男，副教授,主要從事電涌保護(hù)器研發(fā)與測試。