劉光輝，石黃霞，史瑞靜

（新疆工程學院，烏魯木齊 830091）

不同頻段的短路線SPD對雷電波的抑制作用分析

劉光輝，石黃霞，史瑞靜

（新疆工程學院，烏魯木齊 830091）

針對1/4短路線對于雷電波能量的抑制性能，利用8/20 μs實驗平臺，對不同頻段下1/4波長SPD進行沖擊測試，研究其對雷電波的抑制作用。研究表明：隨著沖擊電流的增大，1.8 GHZ和2.1 GHz頻段下1/4波長SPD的電壓值均呈先增大然后迅速變小的變化趨勢；1.8 GHZ和2.1 GHz頻段的插入損耗值均在－10 db以下，表明了傳輸線路中接入1/4波長短路線型SPD對信號傳輸不產生影響，可以確保通訊線路中信號的有效傳輸。

傳輸線；雷電波；1/4波長短路線；插入損耗

0 引言

隨著近代高科技的發(fā)展，雷電波對于電子電氣設備的危害也已經越來越引起人們重視[1－5]。因此，分析雷電波在傳輸線上的傳播特性和傳輸線應該怎樣對雷電波進行抑制是十分重要的。雷電波是一種脈沖電磁波，能夠通過各種管道和導線進行入侵，它極易對設備和人身安全構成威脅。目前，通過在安裝一定的電涌保護器來對雷電流進行抑制，電涌保護器主要是通過以并聯(lián)或串聯(lián)在被保護電子設備兩端，利用其中的非線性元件泄放過電流和限制過電壓對被保護電子設備進行保護[6－9]。

有很多學者對雷電波的傳播以及能量抑制方法進行了研究，李祥超等[10]根據(jù)理論和實驗相結合的方法，建立了棒形天線接收雷電波傳輸?shù)牡刃щ娐?，研究了棒形天線對雷電波的抑制作用。王林等[11]闡述了RS485通訊端口抑制電涌保護器的設計方法，研究表明了該設計出的電涌保護器具有插入損耗小以及電壓保護水平低等特點。申萌等[12]利用實際的沖擊電壓發(fā)生器，設計出了由電容以及電阻并聯(lián)構成的雷電波抑制回路，研究表明，當電容增大時，雷電波的波頭時間呈遞減的變化趨勢，而電阻值的變化對雷電波的波前時間影響較小。還有其他學者[13－16]采用不同的方法對雷電波的抑制作用進行了研究。

筆者利用實際的8/20 μs沖擊平臺，對不同頻段下1/4波長短路線型SPD進行沖擊實驗，研究了在不同頻段下1/4波長短路線型SPD的過電壓以及插入損耗之間的差異性。

1 短路傳輸線對于雷電波能量抑制性能的分析

當出現(xiàn)雷電時，閃電就會在傳輸線上產生過電壓波，是通過每根傳輸線與大地這個可以看做為無限大平板導體構成的傳輸線傳播的，這也是雙根導體型傳輸線的一種形式，它們之間除了有靜電感應，也有電磁感應，感應的電荷相等且符號相反，因此，取傳輸線的無限小的一段dx并且我們假設線上有一簡諧波（頻率為f），跨接線上的電壓為V電流為I，見圖1。

圖1 雙根導線傳輸線Fig.1 Double-conductor transmission line

dx一段長度的電壓dV則為

當dx兩端間的電流的增量dI從I1流到I2時，則為

式（1）中Z1的為單位長度的串聯(lián)阻抗，其表達式為

式（2）中Y1的為單位長度的并聯(lián)導納，其表達式為

把（1）、（2）對 x 求導之后化簡為

此方程實際上就是雙根傳輸線的電壓、電流變化方程，也稱作波動方程，它的通解為

2 試驗分析

2.1 實驗平臺沖擊測試

根據(jù)傳輸顯得傳輸理論，模擬1/4波長短路線型SPD，1/4波長短路線型SPD應當并聯(lián)安裝在微波通訊線路中。微波通訊線路都選取標準射頻接口，SPD選取 T字型結構，SPD內部的1/4波長短路線部分選取線直徑為2 mm，長度為40 mm的銅質導線，將短路線兩端分別與實驗平臺上的信號鏈接線纜和信號接地端GND可靠連接，這里取用1.8 GHz和2.1 GHz兩個2G通訊中的常用頻段進行測試，采用8/20 μs實驗平臺模擬雷電流電壓進行沖擊測試，隨著沖擊電壓的增大，觀察其殘壓和通流特性，以及沖擊電壓不斷增大后其殘壓是否降低到一定水平，之后通過分析得出該裝置是否能起到其應有的抑制雷電波的目的。8/20 μs實驗平臺模擬雷電流電壓進行沖擊測試原理圖見圖2。

圖2 8/20 μs實驗平臺模擬雷電流電壓進行沖擊測試原理圖Fig.2 Schematic of 8/20 μs experimental platform of the lightning current and voltage impulse

2.2 結果分析

利用 8/20 μs實際沖擊平臺，對 1.8 GHz、2.1 GHz兩種頻段下1/4波長短路線型SPD進行沖擊實驗，這里取沖擊電壓為2.0 kV為典型的沖擊電壓值。圖3（a）中可以看出，10 μs時刻電壓開始觸發(fā)變化，10 μs時電壓為0，之后到22 μs電壓逐漸增大，22 μs電壓達到最大值為 13 V，22 μs到 43 μs電壓逐漸減小，43 μs之后逐漸趨于平穩(wěn)。圖3（b）中可以看出，22 μs時刻電壓開始觸發(fā)變化，22 μs時電壓為0V，之后到36 μs電壓逐漸增大，36 μs電壓達到最大值為 10 V，36 μs到 58 μs電壓逐漸減小，58 μs之后逐漸趨于平穩(wěn)。

圖4（a）中可以看出，10 μs時刻電流開始觸發(fā)變化，10 μs時電流為0，之后到27 μs電流逐漸增大，27 μs電流達到最大值為 900 A，27 μs到 43 μs電流逐漸減小，43 μs后電流逐漸趨于平穩(wěn)。圖4（b）中可以看出，22 μs 時電流開始觸發(fā)變化，22 μs 時電流為0 A，之后到36 μs電流逐漸增大，36 μs電流達到最大值為900 A，36 μs到58 μs電流逐漸減小，58 μs后電流逐漸趨于平穩(wěn)。

圖3 兩種頻段下電壓變化趨勢Fig.3 Voltage trends in two bands

圖4 兩種頻段下電流變化趨勢Fig.4 Current trends in two bands

若在傳輸系統(tǒng)中插入一個SPD之后會引起信號的損耗，該損耗為SPD插入前傳遞到后面的系統(tǒng)部分中的功率與SPD插入后傳遞到同一部分中的功率之比。也就是插入損耗，通常用db表示。試驗中用網(wǎng)絡測試儀對模擬1/4波長短路線型SPD進行測試，測試得出1.8 GHz和2.1 GHz兩個頻段下的插入損耗值，圖5為1.8 GHz和2.1 GHz的插入損耗變化趨勢。圖5（a）可以看出，當頻率在1.7 GHz到1.9 GHz頻段時，插入損耗均在－10 db以下，所以1.8 GHz頻段的插入損耗值在－10 db以下，表明了傳輸線路中接入1/4波長短路線型SPD對信號傳輸不產生影響，可以確保通訊線路中信號的有效傳輸。若通訊傳輸線中的插入損耗低于10 db時信號才能有效傳輸，從圖5（b）可以看出，當頻率在1.9 GHz到2.3 GHz頻段時，插入損耗均在－10 db以下，所以2.1 GHz頻段也會在－10 db以下，也確保了信號的有效傳輸。

圖5 不同頻段下插入損耗變化結果Fig.5 Variation of insertion loss under different frequency bands

3 結論

筆者利用實際的沖擊實驗平臺，對兩種不同頻段下的（1/4）λ短路線電涌保護器進行沖擊實驗，研究其對雷電波的抑制能力，主要得出了：隨著沖擊電流的增大，兩種頻段下電涌保護器的電壓值均呈先增大然后迅速變小的變化趨勢。1.8 GHz和2.1 GHz頻段的插入損耗值均在－10 db以下，表明了傳輸線路中接入1/4波長短路線型SPD對信號傳輸不產生影響，可以確保通訊線路中信號的有效傳輸。

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Analysis of the Suppression Effect of Short-Circuit Line SPD in Different Frequency Bands on Lightning Wave

LIU Guanghui，SHI Huangxia，SHI Ruijing
（Xinjiang Institute of Engineering，Urumqi 830091，China）

In order to study the suppression performance of short－circuit line on the energy of lightning wave，the 8/20 μs experimental platform is used to test the 1/4 wavelength SPD in different frequency bands，and the suppression effect on the lightning wave is studied.The results show that with the increase of impulse current，the voltage values of 1/4 wavelength SPD in 1.8 GHz and 2.1 GHz frequency bands are increasing first and then decreasing quickly.The insertion loss of the 1.8 GHz and 2.1 GHz frequency bands both below －10db，that means the transmission line access to 1/4 wavelength short－circuit type SPD does not affect the signal transmission，to ensure the effective transmission of signals in the communication line.

transmission line；lightning wave；1/4 wavelength short－circuit line；insertion loss

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.03.027

2016－11－23

劉光輝（1980—），男，碩士，講師，研究方向：電氣工程，智能控制，模式識別及算法。