劉光輝，石黃霞，史瑞靜

（新疆工程學(xué)院，烏魯木齊 830091）

不同頻段的短路線SPD對(duì)雷電波的抑制作用分析

劉光輝，石黃霞，史瑞靜

（新疆工程學(xué)院，烏魯木齊 830091）

針對(duì)1/4短路線對(duì)于雷電波能量的抑制性能，利用8/20 μs實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)不同頻段下1/4波長(zhǎng)SPD進(jìn)行沖擊測(cè)試，研究其對(duì)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(zhǎng)SPD的電壓值均呈先增大然后迅速變小的變化趨勢(shì)；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(zhǎng)短路線型SPD對(duì)信號(hào)傳輸不產(chǎn)生影響，可以確保通訊線路中信號(hào)的有效傳輸。

傳輸線；雷電波；1/4波長(zhǎng)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(duì)于電子電氣設(shè)備的危害也已經(jīng)越來(lái)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(yīng)該怎樣對(duì)雷電波進(jìn)行抑制是十分重要的。雷電波是一種脈沖電磁波，能夠通過(guò)各種管道和導(dǎo)線進(jìn)行入侵，它極易對(duì)設(shè)備和人身安全構(gòu)成威脅。目前，通過(guò)在安裝一定的電涌保護(hù)器來(lái)對(duì)雷電流進(jìn)行抑制，電涌保護(hù)器主要是通過(guò)以并聯(lián)或串聯(lián)在被保護(hù)電子設(shè)備兩端，利用其中的非線性元件泄放過(guò)電流和限制過(guò)電壓對(duì)被保護(hù)電子設(shè)備進(jìn)行保護(hù)[6－9]。

有很多學(xué)者對(duì)雷電波的傳播以及能量抑制方法進(jìn)行了研究，李祥超等[10]根據(jù)理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)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(duì)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(hù)器的設(shè)計(jì)方法，研究表明了該設(shè)計(jì)出的電涌保護(hù)器具有插入損耗小以及電壓保護(hù)水平低等特點(diǎn)。申萌等[12]利用實(shí)際的沖擊電壓發(fā)生器，設(shè)計(jì)出了由電容以及電阻并聯(lián)構(gòu)成的雷電波抑制回路，研究表明，當(dāng)電容增大時(shí)，雷電波的波頭時(shí)間呈遞減的變化趨勢(shì)，而電阻值的變化對(duì)雷電波的波前時(shí)間影響較小。還有其他學(xué)者[13－16]采用不同的方法對(duì)雷電波的抑制作用進(jìn)行了研究。

筆者利用實(shí)際的8/20 μs沖擊平臺(tái)，對(duì)不同頻段下1/4波長(zhǎng)短路線型SPD進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，研究了在不同頻段下1/4波長(zhǎng)短路線型SPD的過(guò)電壓以及插入損耗之間的差異性。

1 短路傳輸線對(duì)于雷電波能量抑制性能的分析

當(dāng)出現(xiàn)雷電時(shí)，閃電就會(huì)在傳輸線上產(chǎn)生過(guò)電壓波，是通過(guò)每根傳輸線與大地這個(gè)可以看做為無(wú)限大平板導(dǎo)體構(gòu)成的傳輸線傳播的，這也是雙根導(dǎo)體型傳輸線的一種形式，它們之間除了有靜電感應(yīng)，也有電磁感應(yīng)，感應(yīng)的電荷相等且符號(hào)相反，因此，取傳輸線的無(wú)限小的一段dx并且我們假設(shè)線上有一簡(jiǎn)諧波（頻率為f），跨接線上的電壓為V電流為I，見(jiàn)圖1。

圖1 雙根導(dǎo)線傳輸線Fig.1 Double-conductor transmission line

dx一段長(zhǎng)度的電壓dV則為

當(dāng)dx兩端間的電流的增量dI從I1流到I2時(shí)，則為

式（1）中Z1的為單位長(zhǎng)度的串聯(lián)阻抗，其表達(dá)式為

式（2）中Y1的為單位長(zhǎng)度的并聯(lián)導(dǎo)納，其表達(dá)式為

把（1）、（2）對(duì) x 求導(dǎo)之后化簡(jiǎn)為

此方程實(shí)際上就是雙根傳輸線的電壓、電流變化方程，也稱作波動(dòng)方程，它的通解為

2 試驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)沖擊測(cè)試

根據(jù)傳輸顯得傳輸理論，模擬1/4波長(zhǎng)短路線型SPD，1/4波長(zhǎng)短路線型SPD應(yīng)當(dāng)并聯(lián)安裝在微波通訊線路中。微波通訊線路都選取標(biāo)準(zhǔn)射頻接口，SPD選取 T字型結(jié)構(gòu)，SPD內(nèi)部的1/4波長(zhǎng)短路線部分選取線直徑為2 mm，長(zhǎng)度為40 mm的銅質(zhì)導(dǎo)線，將短路線兩端分別與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的信號(hào)鏈接線纜和信號(hào)接地端GND可靠連接，這里取用1.8 GHz和2.1 GHz兩個(gè)2G通訊中的常用頻段進(jìn)行測(cè)試，采用8/20 μs實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬雷電流電壓進(jìn)行沖擊測(cè)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(guò)分析得出該裝置是否能起到其應(yīng)有的抑制雷電波的目的。8/20 μs實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬雷電流電壓進(jìn)行沖擊測(cè)試原理圖見(jiàn)圖2。

圖2 8/20 μs實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬雷電流電壓進(jìn)行沖擊測(cè)試原理圖Fig.2 Schematic of 8/20 μs experimental platform of the lightning current and voltage impulse

2.2 結(jié)果分析

利用 8/20 μs實(shí)際沖擊平臺(tái)，對(duì) 1.8 GHz、2.1 GHz兩種頻段下1/4波長(zhǎng)短路線型SPD進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，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(shí)刻電壓開(kāi)始觸發(fā)變化，10 μs時(shí)電壓為0，之后到22 μs電壓逐漸增大，22 μs電壓達(dá)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(shí)刻電壓開(kāi)始觸發(fā)變化，22 μs時(shí)電壓為0V，之后到36 μs電壓逐漸增大，36 μs電壓達(dá)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(shí)刻電流開(kāi)始觸發(fā)變化，10 μs時(shí)電流為0，之后到27 μs電流逐漸增大，27 μs電流達(dá)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(shí)電流開(kāi)始觸發(fā)變化，22 μs 時(shí)電流為0 A，之后到36 μs電流逐漸增大，36 μs電流達(dá)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(shì)Fig.3 Voltage trends in two bands

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

若在傳輸系統(tǒng)中插入一個(gè)SPD之后會(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(yàn)中用網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀對(duì)模擬1/4波長(zhǎng)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)頻段下的插入損耗值，圖5為1.8 GHz和2.1 GHz的插入損耗變化趨勢(shì)。圖5（a）可以看出，當(dāng)頻率在1.7 GHz到1.9 GHz頻段時(shí)，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(zhǎng)短路線型SPD對(duì)信號(hào)傳輸不產(chǎn)生影響，可以確保通訊線路中信號(hào)的有效傳輸。若通訊傳輸線中的插入損耗低于10 db時(shí)信號(hào)才能有效傳輸，從圖5（b）可以看出，當(dāng)頻率在1.9 GHz到2.3 GHz頻段時(shí)，插入損耗均在－10 db以下，所以2.1 GHz頻段也會(huì)在－10 db以下，也確保了信號(hào)的有效傳輸。

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

3 結(jié)論

筆者利用實(shí)際的沖擊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)兩種不同頻段下的（1/4）λ短路線電涌保護(hù)器進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，研究其對(duì)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(hù)器的電壓值均呈先增大然后迅速變小的變化趨勢(shì)。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(zhǎng)短路線型SPD對(duì)信號(hào)傳輸不產(chǎn)生影響，可以確保通訊線路中信號(hào)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(shí)別及算法。