李祥超 周中山 陳則煌 陳璞陽

棒形天線耦合雷電電磁波及抑制方法

李祥超 周中山 陳則煌 陳璞陽

（南京信息工程大學(xué)中國氣象局氣溶膠云降水重點開放實驗室，江蘇南京210044）

針對棒形天線耦合雷電電磁波信號的問題，利用實驗和理論相結(jié)合的方法，建立了棒形天線接收雷電電磁波信號的等效電路，分析了雷電電磁波信號的頻譜及能量分布規(guī)律，提出了利用暫態(tài)抑制二極管器件（Transient Voltage Suppressor，TVS）抑制棒形天線耦合雷電電磁波能量的重復(fù)方法.實驗表明：在饋電端并聯(lián)TVS管后，從棒形天線S11曲線得出的天線中心頻率及帶寬略變?。火侂姸瞬⒙?lián)TVS管可有效地抑制棒形天線耦合雷電電磁波電壓的幅值，在饋電端并聯(lián)兩種不同型號的TVS管，棒形天線耦合雷電電磁波電壓的幅值可分別被抑制到6.8V至7V以內(nèi).實驗結(jié)果和理論分析結(jié)論基本吻合.研究結(jié)果對棒形天線耦合雷電電磁波能量的抑制方法具有一定的指導(dǎo)意義.

棒形天線；耦合；雷電電磁波；暫態(tài)抑制二極管；S11曲線

引 言

雷電電磁脈沖具有頻率范圍寬、能量大等特點，并且具有很強的干擾及破壞作用，可以對電子設(shè)備造成嚴(yán)重的損傷，使電子設(shè)備不能正常工作，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)成的威脅及其防護問題.在大規(guī)模集成電路應(yīng)用中，器件的工作電壓越來越低，對靜電放電和雷電產(chǎn)生的電磁脈沖愈加敏感［1－2］.瞬態(tài)抑制二極管（Transient Voltage Suppressor，TVS）是廣泛使用的半導(dǎo)體保護器件.理想的保護器件必須具有響應(yīng)快速、電壓降低，浪涌電流吸收能力強的特性.當(dāng)TVS管兩端經(jīng)受高能量的沖擊時，它能以極高的速度（幾十ps數(shù)量級）使其阻抗驟然降低，同時吸收能量將電能轉(zhuǎn)換為熱能，并將其兩端的電壓箝位在一個預(yù)定的數(shù)值上，從而保護電路的元件免受瞬態(tài)高能量的沖擊而損壞［3－4］.

天線是無線電通信、廣播、導(dǎo)航、雷達(dá)、測控、微波遙感、射電天文及電子對抗等各種無線電系統(tǒng)必不可少的設(shè)備之一［5］.雷電電磁脈沖具有較寬的頻率分布，當(dāng)發(fā)生雷擊時，閃電通道產(chǎn)生的雷電電磁脈沖同樣被天線所接收.由于雷電電磁脈沖的能量較大，天線耦合的雷電電磁脈沖信號導(dǎo)致天線放大電路器件的損壞［6］.目前，Jianqiang WANG通過對機載設(shè)備遭受直擊雷時，短波天線耦合的雷電電磁波能量對機內(nèi)設(shè)備的破壞進(jìn)行了研究［7］；D.Darwanto針對天線耦合雷電電磁波現(xiàn)象，根據(jù)集膚效應(yīng)原理，提出了一種新的電纜接地方法［8］；Furukawa S研究了在天線與后續(xù)設(shè)備間安裝電涌保護器的方法，以防止后續(xù)設(shè)備遭受雷電過電壓的損害［9］.但是這些已見文獻(xiàn)中都沒有研究棒形天線耦合雷電電磁脈沖能量的抑制問題.筆者根據(jù)棒形天線耦合雷電電磁波的原理，結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，探討了利用TVS管抑制天線耦合雷電電磁脈沖的方法.

1 雷電波的理論分析

1.1雷電電磁波頻譜分析

根據(jù)國內(nèi)外大量學(xué)者長期的雷電流波形實測統(tǒng)計和分析［10］，典型的對地雷擊雷電流波形通常用如圖1所示的典型描述.雷電流隨時間以近似指數(shù)函數(shù)規(guī)律上升至峰值，然后又以近似指數(shù)函數(shù)規(guī)律下降，被稱為雙指數(shù)函數(shù)曲線，并可以用代數(shù)式（1）表示.

式中：I0為雷電流峰值；α為波前衰減系數(shù)；β為波尾衰減系數(shù)；i為雷電流瞬時值.

圖1 理想化的雷電流波形

雙指數(shù)函數(shù)曲線峰值的左邊部分稱為波前，從峰值至電流下降到峰值的一半的E點這部分稱為波尾.雷電流波形的波前很陡，通常只有零點幾μs到十幾μs，并包含豐富的諧波電流.

式（1）經(jīng)傅里葉變換可得

式中：ω為角頻率，令實部M＝α／α2＋ω2－β／β2＋ω2，虛部N＝ω／β2＋ω2－ω／α2＋ω2，令I(lǐng)（ω）為雷電流峰值比率的頻率分布為

根據(jù)式（4）可計算雷電流峰值比率的頻率分布.

雷電流峰值比率積累的頻率分布，是在雷電流峰值比率的頻率分布的基礎(chǔ)上，把各頻率的雷電流峰值比率從零到指定頻率的積分.

將式（3）對ω積分得：

I0（jω）／I0為雷電流峰值比率積累的頻率分布.

在同一負(fù)載上（設(shè)負(fù)載為純電阻），功率P只與通過它的電壓的平方成正比，令W（ω）為雷電流頻譜的能量積累分布，則有

將式（2）及U＝I0／R代入式（6）并積分，得

為了討論方便，把整個雷電波總能量規(guī)定為W0，其計算仍用式（7），只是積分域定義為從0到∞，即

故能量比率積累的頻率分布為

通過計算可求得雷電波的能量比率積累的頻率分布.以8／20μs雷電波為例，由式（9）得雷電波能量比率積累的頻率分布如圖2所示，即雷電電磁波在低頻部分增值快，頻率越高，增值越慢，在高頻部分也有相當(dāng)比重的雷電波的能量.

圖2 雷電波能量比率積累的頻率分布

1.2接收天線等效電路

接收天線一般位于發(fā)射天線的遠(yuǎn)區(qū)，發(fā)射天線在遠(yuǎn)區(qū)輻射橫電磁球面波［11－13］，在小范圍內(nèi)，可視作均為平面波，因而認(rèn)為接收天線處于均勻平面波場中.接收天線起電壓源的作用，可用一等效電壓發(fā)生器代替.等效發(fā)生器由電壓源和內(nèi)阻組成，電壓源的電壓值等于開路電壓U，內(nèi)阻是當(dāng)電壓源短路，對應(yīng)于無來波電場時，由外電路看進(jìn)去的阻抗.這個阻抗稱為接收天線的阻抗，并用Zin＝Rin＋j Xin表示.接收天線的等效電路如圖3（a）所示，圖中ZL是負(fù)載阻抗.天線輸出端電流為

圖3（b）為在天線的饋電端并聯(lián)TVS管的等效電路，圖3（c）為當(dāng)TVS管未動作時的等效電路，電容C為TVS管的分布電容.圖3（d）為當(dāng)TVS管動作時的等效電路，電阻R為TVS管動作時的等效電阻，R為非線性電阻.

圖3 接收天線的等效電路

2 實驗結(jié)果與分析

2.1實驗?zāi)Ｐ偷慕?/p>

實驗采用沖擊電流發(fā)生器（Impulse Current Generator，ICG）模擬雷電流.如圖4（a）將8／20μs模擬雷電波施加在高為1.2m直徑為20mm的金屬棒兩端，金屬棒在此起到模擬雷電通道并發(fā)射雷電電磁波的作用.在金屬棒的兩端施加從5kA到50kA的雷電沖擊電流，步長為1kA.在距金屬棒7 m的位置，如圖4（b）所示，用Tektronix TDS 2022B型示波器采集存儲棒形天線耦合到的電壓波形，ICG的測量系統(tǒng)同時采集存儲模擬雷電流的波形，用于雷電流的幅值及頻譜的分析.最后將采集到的棒形天線饋電端的電壓波信號與棒形天線饋電端并聯(lián)TVS管時的信號分別進(jìn)行處理，計算出棒形天線耦合雷電電磁波電壓幅值及能量.試驗前先用E5071C型網(wǎng)絡(luò)分析儀測量棒形天線的S11曲線和測量棒形天線饋電端并聯(lián)TVS管后的S11曲線.

圖4 棒形天線耦合雷電電磁波實驗布置

2.2棒形天線S11參數(shù)測量

采用E5071C網(wǎng)絡(luò)分析儀測量棒形天線及其饋電端分別并聯(lián)兩種型號TVS管情況下的S11參數(shù)，型號1的TVS管的啟動電壓為2.8V，型號2的TVS管的啟動電壓為6.8V，如表1為棒形天線的S11參數(shù)表，測得棒形天線的中心頻率為1.746 GHz，帶寬為317.7MHz.棒形天線饋電端并聯(lián)分布電容為2 270pF型號2的TVS管時，測得棒形天線的中心頻率為1.73GHz，帶寬為208.4MHz.當(dāng)棒形天線饋電端并聯(lián)分布電容為14pF，型號1的TVS管時，測得棒形天線的中心頻率為1.741 GHz，帶寬為195.7MHz.從表1可得，棒形天線饋電端并聯(lián)TVS管后，當(dāng)TVS的分布電容為2 270 pF時，棒形天線的中心頻率減小了15MHz，寬帶減小了109.3MHz，當(dāng)TVS的分布電容為14pF時，棒形天線的中心頻率減小了5.08MHz，寬帶減小了122MHz.

表1 棒形天線S11參數(shù)表

2.3棒形天線耦合模擬雷電電磁波的特性

實驗采用8／20μs模擬雷電流.ICG產(chǎn)生的8／20μs模擬雷電流流經(jīng)1.2m長金屬棒發(fā)射雷電電磁波，在距其7m的位置分別采用頻率為1.746 GHz的棒形天線、以及棒形天線饋電端分別并聯(lián)兩種型號的TVS管的情況下進(jìn)行耦合模擬雷電電磁波測試.棒形天線耦合模擬雷電電磁波信號的典型電壓波形如圖5所示，其中，1為中心頻率為1.746 GHz的棒形天線，饋電端無TVS管在20kA雷電流沖擊下的耦合模擬雷電電磁波信號波形，2為棒形天線饋電端并聯(lián)型號2的TVS管時，在20kA雷電流沖擊下的耦合模擬雷電電磁波信號波形，3為棒形天線饋電端并聯(lián)型號1的TVS時，在20kA雷電流沖擊下的耦合模擬雷電電磁波信號波形.從圖5可知，棒形天線饋電端并聯(lián)TVS管后，耦合到的電壓幅值被TVS管限制到啟動電壓的2.5倍以內(nèi).

圖5 耦合模擬雷電電磁波信號典型波形

圖6（a）為棒形天線在雷電電磁波背景下耦合到的電壓波幅值分布圖，模擬雷電流的范圍為5kA到50kA，從其趨勢可見，隨著沖擊電流的增大，棒形天線耦合雷電電磁波的電壓幅值整體呈增大趨勢，但其并不是呈線性關(guān)系.有的雷電流幅值大反而接收到的電壓幅值小，主要原因是由于ICG各次試驗時輸出的雷電流有陡度變化，引起雷電流的頻譜變化.例如：如圖7（a）所示，根據(jù)實測雷電流的波形進(jìn)行頻譜分析，雷電流的頻譜中心頻率在1.746 GHz附近，當(dāng)雷電流為15kA時的幅值卻比20kA時的幅值大.圖6（b）中縱坐標(biāo)表示棒形天線耦合雷電電磁波信號電壓的平方對時間的積分，棒形天線耦合雷電電磁波能量的變化趨勢.從圖6（b）及圖8（b）可知，隨著沖擊電流的增大，棒形天線耦合的雷電電磁波能量與實測雷電流能量的變化趨勢相同，即隨著沖擊電流的增大，棒形天線耦合的雷電電磁波能量與實測雷電流能量整體呈增大趨勢，但在其過程中能量大小存在上下波動的情況.其原因是由于雷電流在不同陡度的情況，頻譜發(fā)生了變化，接收天線的參數(shù)沒有變化.

圖6 棒形天線耦合雷電電磁波

圖7 發(fā)射端雷電流頻譜圖

2.4TVS管抑制棒形天線耦合雷電電磁波的特性

棒形天線饋電端并聯(lián)TVS管后接收模擬雷電電磁波信號輸出的電壓波形的數(shù)據(jù)整理后如圖8、圖9所示，圖8（b）、圖9（b）的縱坐標(biāo)表示棒形天線耦合雷電電磁波電壓的平方對時間的積分，從圖8、圖9可見：在棒形天線饋電端并聯(lián)TVS管后，隨著沖擊電流的增大，棒形天線耦合的雷電電磁波能量及電壓幅值呈鋸齒型增大.在相同雷電流沖擊下，棒形天線饋電端并聯(lián)TVS管時耦合雷電電磁波能量比棒形天線耦合雷電電磁波能量低兩個數(shù)量級.如圖8（a）所示，當(dāng)饋電端并聯(lián)型號1的TVS管時，棒形天線耦合的雷電電磁波電壓幅值限制在TVS的箝位電壓的2.5倍以下，即棒形天線耦合的雷電電磁波電壓幅值低于7V.如圖9（a）所示，當(dāng)棒形天線饋電端并聯(lián)型號2的TVS時，棒形天線耦合的雷電電磁波電壓幅值限制在TVS的箝位電壓值以下，即棒形天線耦合的雷電電磁波電壓幅值低于6.8V.棒形天線饋電端不并聯(lián)TVS管，如圖6（a）所示，棒形天線耦合的雷電電磁波電壓幅值在5V至25V的范圍內(nèi)，可見棒形天線饋電端并聯(lián)TVS管，可有效地抑制棒形天線耦合的雷電電磁波電壓幅值.

圖8 棒形天線饋電端并聯(lián)型號1的TVS管時耦合雷電電磁波

綜上所述，棒形天線耦合雷電電磁波電壓幅值及能量的大小對天線放大器電路造成一定的危害，通過TVS管對棒形天線進(jìn)行保護，可以有效地抑制棒形天線耦合雷電電磁波電壓峰值及能量.在實際應(yīng)用中，考慮到棒形天線饋電端并聯(lián)TVS管后，其中心頻率、帶寬等參數(shù)也會發(fā)生相應(yīng)的變化，故在設(shè)計天線時，需將TVS管分布參數(shù)考慮在內(nèi)，將TVS管與天線設(shè)計為一整體.

圖9 棒形天線饋電端并聯(lián)型號2的TVS時耦合雷電電磁波

3 結(jié) 論

筆者提出了一種抑制棒形天線耦合雷電電磁波電壓幅值及能量的方法，通過分析雷電電磁波的頻譜及能量分布，棒形天線耦合雷電電磁波的電壓幅值及能量，分析了棒形天線饋電端并聯(lián)TVS管S11曲線，通過實驗得出如下結(jié)論：

1）棒形天線的饋電端未并聯(lián)TVS管時，棒形天線耦合的雷電電磁波電壓幅值在5V至25V范圍內(nèi)，當(dāng)其饋電端分別并聯(lián)兩種型號的TVS管后，棒形天線耦合雷電電磁波電壓幅值限制在7V及6.8V范圍內(nèi).

2）棒形天線的饋電端在并聯(lián)TVS管時，可將棒形天線耦合的雷電電磁波能量抑制在比其饋電端不并聯(lián)TVS時低兩個數(shù)量級以上.

3）被測棒形天線饋電端并聯(lián)分布電容為2 270 pF的TVS管后，棒形天線的中心頻率減小了15 MHz，寬帶減小了109.3MHz；當(dāng)并聯(lián)分布電容為14pF的TVS時，棒形天線的中心頻率減小了5.08 MHz，寬帶減小了122MHz.故在設(shè)計具有防雷功能的棒形天線時，需考慮TVS的分布電容，將帶有TVS管的棒形天線作為一個整體天線進(jìn)行設(shè)計.

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作者簡介

李祥超（1969－），男，江蘇人，高級實驗師，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事天線設(shè)計與雷電過電壓保護器的研究開發(fā).

周中山（1990－），男，江蘇人，碩士研究生，主要從事天線設(shè)計與雷電過電壓保護器的研究開發(fā).

陳則煌（1989－），男，江蘇人，碩士研究生，主要從事電涌保護器研制與調(diào)試.

第十三屆全國電波傳播學(xué)術(shù)年會暨呂保維院士百年華誕紀(jì)念會征文通知（第一輪）

經(jīng)中國電子學(xué)會電波傳播分會研究決定，將于2015年9月16日（周三）至19日（周六）在北京懷柔雁棲湖畔召開“第十三屆全國電波傳播學(xué)術(shù)年會暨呂保維院士百年華誕紀(jì)念會”（13th Chinese National Symposium on Radio Propagation（CNSRP’2015）＆Centennial Commemoration of Academician B.W.Lü）。此次會議由中國電子學(xué)會電波傳播分會主辦，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所和中國電子科技集團第二十二研究所承辦?，F(xiàn)將有關(guān)事宜通知如下：

一、征文范圍

本次年會誠征有關(guān)電波傳播及其應(yīng)用相關(guān)領(lǐng)域最新研究進(jìn)展的學(xué)術(shù)論文（中英文均可）。征文方向主要包括（但不限于）以下主題：

1.波理論與數(shù)值分析（包括計算電磁學(xué)、瞬態(tài)電磁場和非線性效應(yīng)等）；

2.復(fù)雜環(huán)境與特殊媒質(zhì)中電波傳播（包括叢林、地下、水下傳播及應(yīng)用等）；

3.對流層電波（含光波）傳播與無線電氣象；

4.電離層電波傳播與空間等離子體物理；

5.無線電波（含光）遙感理論和新技術(shù)；

6.無線通信（含移動通信、室內(nèi)通信、MIMO）中的電波傳播；

7.SAR、雷達(dá)、遙感、電磁探測中的電波傳播問題；

8.無線電偵測與定位的電波理論及新技術(shù)；

9.天線理論與測量技術(shù)；

10.電磁兼容、噪聲干擾、無線電頻譜管理（含認(rèn)知頻譜共享）與檢測；

11.電波環(huán)境及其傳播的測量新技術(shù)；

12.電波傳播在其它領(lǐng)域（如射電天文、地震預(yù)報、生物效應(yīng)、核磁共振）中的應(yīng)用；

13.人工擾動電波環(huán)境的理論和監(jiān)測技術(shù)；

14.電波傳播與大數(shù)據(jù)獲取、傳輸、處理有關(guān)的理論及技術(shù)。

今年恰逢我國電波傳播研究的開拓者、奠基人呂保維院士百年誕辰，為紀(jì)念呂保維院士為我國電波事業(yè)孜孜奮斗一生及作出的卓越貢獻(xiàn)，為秉承呂保維院士治學(xué)、深究、育人的高尚情操，會議安排紀(jì)念呂保維院士的特別議程，并歡迎各種形式的紀(jì)念文稿。

二、征文要求

1.來稿必須是未曾在國內(nèi)外公開發(fā)表過的文章，無弄虛作假，無一稿多投，不得涉及國家秘密。

2.論文一般4－6頁，以正式論文的形式（包括題目、作者姓名、作者單位、摘要、關(guān)鍵詞、正文、參考文獻(xiàn)）書寫應(yīng)征論文。中文論文請包括英文題目、作者、作者單位、摘要和關(guān)鍵詞；英文論文請附上中文題目、作者、作者單位、摘要和關(guān)鍵詞。論文摘要應(yīng)包括目的、方法、結(jié)果、結(jié)論四部分。

三、論文提交重要時間

●提交論文截止日期：2015年7月10日

●通知論文接收日期：2015年8月8日

●提交論文修改稿日期：2015年8月20日

四、會議論文評獎與發(fā)表

1、年會將對參會論文進(jìn)行優(yōu)秀論文評選，并頒發(fā)優(yōu)秀論文證書。

2、優(yōu)秀論文按專業(yè)內(nèi)容分別推薦到《雷達(dá)學(xué)報》、《電子與信息學(xué)報》和《電波科學(xué)學(xué)報》正刊發(fā)表。

3、其它會議論文以《電波科學(xué)學(xué)報》增刊形式出版發(fā)表。

五、論文提交

會議論文可用兩種方式提交：

1、發(fā)送郵件至：radars＠m(xù)ail.ie.ac.cn，請注明郵件主題為“2015電波傳播學(xué)術(shù)年會”，投稿聯(lián)系人：賈守新，電話：010－58887062

2、采用網(wǎng)絡(luò)平臺投稿，請留意中科院電子所網(wǎng)站http：／／www.ie.cas.cn／的相關(guān)通知。

六、會議聯(lián)系人

1、會務(wù)聯(lián)系人

賈守新

電話：010－58887062

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第十三屆全國電波傳播學(xué)術(shù)年會籌委會

2015年1月10日

On lightning electromagnetic wave coupled by stick antenna and its suppression method

LI Xiangchao ZHOU Zhongshan CHEN Zehuang CHEN Puyang
（Key Laboratory for Aerosol－Cloud－Precipitation of China Meteorological Administration，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing Jiangsu 210044，China）

Based on analyzing the problem of the lightning electromagnetic signals coupled by stick antenna，the experiment and the theory are combined to find the equivalent circuit used to illustrate the antenna receiving electromagnetic signal.After the analysis of the spectrum of lightning electromagnetic wave signal and the distribution of the energy，a new method using transient voltage suppressor（TVS）to suppress the electromagnetic coupled by the stick antenna is proposed.In the experiment，the center frequency and the bandwidth change slightly observed from the S11curve of the stick antenna when the TVS is in parallel with the feed port.The TVS can restrain the voltage effectively and the peak voltage coupled by stick antenna can be kept to 6.8～7Vwhen two different models of TVS are in parallel with the feed port respectively.The results are coincidence with the theory，and are of certain guiding significance on the energy of lightning electromagnetic signals coupled by stick antenna.

stick antenna；coupling；lightning electromagnetic wave；TVS；S11curve

TM862

A

1005－0388（2015）02－0357－08

李祥超，周中山，陳則煌，等.棒形天線耦合雷電電磁波及抑制方法［J］.電波科學(xué)學(xué)報，2015，30（2）：357－364.

10.13443／j.cjors.2014050601

LI Xiangchao，ZHOU Zhongshan，CHEN Zehuang，et al.On lightning electromagnetic wave coupled by stick antenna and its suppression method［J］.Chinese Journal of Radio Science，2015，30（2）：357－364.（in Chinese）.doi：10.13443／j.cjors.2014050601

2014－05－06

國家自然科學(xué)基金項目（批準(zhǔn)號：41075025）

聯(lián)系人：李祥超E－mail：lxcfanglei＠163.com