朱明星，賈良彥，吳仲超，胡 昊，陳 靖，劉冬毅

（國(guó)網(wǎng)蚌埠供電公司，安徽蚌埠233000）

閃電通道雷電電磁波的輻射耦合機(jī)理及試驗(yàn)分析

朱明星，賈良彥，吳仲超，胡 昊，陳 靖，劉冬毅

（國(guó)網(wǎng)蚌埠供電公司，安徽蚌埠233000）

針對(duì)雷電電磁波引起電子信息設(shè)備損壞造成經(jīng)濟(jì)損失的問題，利用理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，建立了天線接收雷電電磁波信號(hào)的等效電路模型，對(duì)雷電波近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)進(jìn)行輻射耦合。對(duì)比分析各線天線和寬帶天線耦合雷電波的電壓峰峰值及能量，得出雷電流主要分布在低頻部分，且隨著頻率的升高而遞減，需特別注意防止低頻率雷電波侵入的結(jié)論，這對(duì)于防雷工程設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。同時(shí)提出了寬帶天線能更準(zhǔn)確擬合雷電電流和雷電電磁脈沖大小以及變化趨勢(shì)的寬帶天線能量法，對(duì)今后雷電監(jiān)測(cè)定位和預(yù)報(bào)系統(tǒng)的改進(jìn)以及雷電防護(hù)的研究具有參考價(jià)值。

雷電電磁波；輻射；天線；耦合

0 引言

雷電是帶電云層內(nèi)部、云層與云層間或云層與大地間發(fā)生的放電現(xiàn)象，常伴隨著強(qiáng)烈的閃光和巨大聲響，造成的危害可分為直擊雷和雷擊電磁脈沖（LEMP）兩種[1]。其中雷擊電磁脈沖雖不如直擊雷破壞力大，但它頻率范圍寬、能量大、災(zāi)害范圍廣。當(dāng)發(fā)生雷擊時(shí)，閃電通道產(chǎn)生的雷擊電磁脈沖被天線和電子信息設(shè)備所接收，耦合的雷擊電磁脈沖導(dǎo)致天線放大電路器件和電子設(shè)備損壞，使得電子設(shè)備、設(shè)施不能正常工作，這給我們的日常生活和工作帶來了諸多不便，也對(duì)生產(chǎn)生活帶來了嚴(yán)重的后續(xù)影響[2-3]。因此人們?cè)絹碓街匾暲讚綦姶琶}沖對(duì)電子信息設(shè)備所構(gòu)成的威脅及其防護(hù)問題。而掌握雷電電磁波的輻射耦合機(jī)理則是解決問題的關(guān)鍵。

一直以來，人們對(duì)于雷電進(jìn)行了大量的研究。例如把測(cè)量的設(shè)備裝在高塔上，記錄自然雷電擊中高塔時(shí)的雷電流波形[4]；發(fā)射引雷火箭，記錄地面上預(yù)設(shè)雷擊點(diǎn)通過的雷電流[5]；在不考慮地面電導(dǎo)率的情況下，學(xué)者對(duì)雷電回?fù)綦姶艌?chǎng)進(jìn)行了理論研究及模擬實(shí)驗(yàn)[6]；或者在考慮地面電導(dǎo)率的情況下，用一種新型的天線理論對(duì)雷擊電磁脈沖進(jìn)行研究[7]；另有學(xué)者提出一種電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的有效方法，該方法是在以前提出的有損但均質(zhì)土壤表面場(chǎng)的估算模型作出合適改動(dòng)后而提出的，被用來估算輻射場(chǎng)在土壤分層中的影響[8]。同時(shí)，學(xué)術(shù)界也相繼提出了雷電放電通道的多種計(jì)算模型，主要包括氣動(dòng)模型、電磁場(chǎng)模型、R-L-C傳輸線模型和工程模型[9-12]。隨著不斷的研究，人們對(duì)各種雷電模型進(jìn)行了修正和完善。在工程雷電模型中，除雷擊通道底部電流外，其他的參數(shù)都相對(duì)簡(jiǎn)單，比較方便計(jì)算回?fù)綦姶艌?chǎng)，且大部分工程雷電模型都通過實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，基本上符合工程要求，所以在雷電電磁場(chǎng)的分析中被廣泛應(yīng)用。

筆者運(yùn)用雷電波頻譜理論、天線理論和雷電工程模型，對(duì)頻率為0.85 GHz、1.76 GHz和2.54 GHz線天線以及65 MHz～1 GHz寬帶天線進(jìn)行同源雷電電磁波遠(yuǎn)場(chǎng)耦合，另對(duì)0.85 GHz、1.76 GHz和2.54 GHz線天線進(jìn)行同源雷電電磁波近場(chǎng)耦合，對(duì)比分析各天線耦合雷電波的結(jié)果，探究雷電電磁波的輻射耦合機(jī)理。

1 雷電回?fù)暨^程的天線模型

把大地看作良好導(dǎo)電平面（σ→∞），在不考慮云內(nèi)電荷影響的情況下，認(rèn)為回?fù)敉ǖ乐車际菬o窮的空間。把回?fù)敉ǖ篮?jiǎn)化為垂直于地面的直線通道，而回?fù)暨^程可以看做是回?fù)綦娏餮卦撏ǖ老蛏蟼鞑サ倪^程。邊界條件通過添加通道在地面下的鏡像來滿足，這就是雷電回?fù)暨^程的天線模型[13-15]。

要求雷電回?fù)敉ǖ览锢纂娏魉a(chǎn)生的電磁場(chǎng)，需對(duì)z′在回?fù)敉ǖ兰捌溏R像進(jìn)行積分?；?fù)敉ǖ赖娜我庖欢卧谌我鈺r(shí)刻下不是都有電流的。電流從通道底部向上傳播存在一個(gè)過程，這樣P點(diǎn)的觀測(cè)者在t時(shí)刻看到的高度就有一個(gè)時(shí)間上的延遲，如圖1所示。

圖1 觀測(cè)者在t時(shí)刻看到的通道中電流的高度Fig.1 The height of the current in the channel seen by the observer at time t

以上討論的是雷電流從回?fù)敉ǖ老蛏蟼鞑サ那闆r。因?yàn)殓R像偶極子到觀測(cè)點(diǎn)的距離與實(shí)際偶極子的距離不同，觀測(cè)點(diǎn)看到的鏡像電流高度也不相同，則滿足實(shí)際上的解可以由式中取z的相反數(shù)求出。在遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)將趨近于，地面上兩者相等，令兩者等于h?？赏茖?dǎo)出P點(diǎn)雷電回?fù)羲酱艌?chǎng)B?、垂直電場(chǎng)Ez和水平電場(chǎng)Er：

如果P點(diǎn)在地面上，即z=0，則則地面上水平電場(chǎng)Er=0，垂直電場(chǎng)Ez和水平磁場(chǎng)B?為

2 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

筆者主要研究不同中心頻率的天線信號(hào)對(duì)近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)雷電波電磁信號(hào)耦合效果的差異性。李祥超等[16]采用高1.2 m、直徑為20 mm的金屬棒模擬了8/20 μs雷電流信號(hào)，研究了棒形天線對(duì)電磁波耦合效應(yīng)，得到了較好的結(jié)果。因此，本文用沖擊電流發(fā)生器（ICG）來模擬實(shí)驗(yàn)所需的雷電沖擊電流。將模擬的8/20 μs雷電電磁波加在高1.2 m、直徑為20 mm的金屬棒兩端，則金屬棒相當(dāng)于雷電回?fù)敉ǖ?，它將發(fā)射8/20 μs模擬雷電電磁波。實(shí)驗(yàn)所設(shè)置的雷電沖擊電流的沖擊范圍為5～35 kA，步長(zhǎng)為2 kA。在距離金屬棒8 m的位置，分別用1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)線天線以及65 MHz～1 GHz的寬帶天線進(jìn)行雷電電磁波遠(yuǎn)場(chǎng)輻射耦合實(shí)驗(yàn)。另有距離金屬棒1 m處，分別用1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)線天線做雷電電磁波近場(chǎng)輻射耦合對(duì)比實(shí)驗(yàn)。兩次天線耦合實(shí)驗(yàn)均用Tektronix TDS 2022B型示波器來采集存儲(chǔ)天線耦合到的雷電波電壓波形。將各線天線和寬帶天線的電壓波信號(hào)進(jìn)行處理，計(jì)算各天線耦合雷電電磁波的電壓峰峰值及其能量，并畫圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析。試驗(yàn)前，先用E5071C型網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)線天線的信號(hào)波形曲線，得到圖2。由圖2可得，1號(hào)線天線的中心頻率為0.85 GHz，帶寬為247.5 MHz。2號(hào)線天線的中心頻率為1.76 GHz，帶寬為107.7 MHz。3號(hào)線天線的中心頻率為2.54 GHz，帶寬為1.37 GHz。

沖擊電流發(fā)生器（ICG）產(chǎn)生的8/20 μs模擬雷電流流過1.2 m長(zhǎng)的金屬棒并發(fā)射雷電電磁波，在距其8 m的位置分別用1號(hào)0.85 GHz、2號(hào)1.76 GHz和3號(hào)2.54 GHz的線天線以及65 MHz～1 GHz的寬帶天線進(jìn)行雷電波遠(yuǎn)場(chǎng)輻射耦合實(shí)驗(yàn)。

各線天線和寬帶天線耦合雷電電磁波遠(yuǎn)場(chǎng)的典型電壓波形見圖3。圖3中，1（黑色）是65 MHz～1 GHz的寬帶天線在21kA雷電流沖擊下耦合雷電波遠(yuǎn)場(chǎng)的電壓波形，2（紅色）、3（藍(lán)色）、4（粉色）分別是中心頻率為2.54 GHz、1.76 GHz和0.85 GHz的線天線在21 kA雷電流沖擊下耦合雷電波遠(yuǎn)場(chǎng)的電壓波形。由圖3可知，線天線頻率越高，所耦合到的雷電波電壓幅值則越小。而寬帶天線由于其頻率范圍廣，所耦合到的雷電波電壓幅值最大。

圖4為各線天線和寬帶天線在雷電電磁波遠(yuǎn)場(chǎng)耦合到的電壓峰峰值分布圖，該圖的橫坐標(biāo)是模擬的雷電沖擊電流，它的沖擊范圍為5～35 kA。由圖4可知，隨著模擬沖擊電流的逐漸增大，各線天線和寬帶天線耦合雷電電磁波遠(yuǎn)場(chǎng)的電壓峰峰值曲線趨勢(shì)也增大，但卻并不是線性增大。在雷電流幅值逐漸增大的情況下，各線天線和寬帶天線接收到的電壓峰峰值有大有小，并且呈波浪狀上下浮動(dòng)，主要原因是因?yàn)闆_擊電流發(fā)生器在各次實(shí)驗(yàn)中輸出的雷電流陡度發(fā)生了變化，從而使得雷電流頻譜也發(fā)生了變化。

圖2 線天線信號(hào)波形曲線Fig.2 Line antenna signal waveform curve

圖3 天線耦合雷電波遠(yuǎn)場(chǎng)的電壓波形Fig.3 The voltage waveform of the far-field of the antennacoupled lightning wave

圖5為各線天線和寬帶天線在雷電電磁波遠(yuǎn)場(chǎng)耦合到的能量分布圖。該圖的橫坐標(biāo)是模擬的雷電沖擊電流，它的沖擊范圍為5～35 kA，縱坐標(biāo)是天線耦合雷電電磁波遠(yuǎn)場(chǎng)的電壓的平方對(duì)時(shí)間的積分，即表示的是天線耦合雷電電磁波遠(yuǎn)場(chǎng)的能量變化趨勢(shì)。從圖5可知，隨著沖擊雷電流的逐漸增大，各線天線和寬帶天線耦合的雷電電磁波遠(yuǎn)場(chǎng)能量曲線趨勢(shì)也增大，且在其增大的過程中能量曲線呈波浪狀上下浮動(dòng)。其原因是由于雷電流陡度發(fā)生了變化，引起了雷電流頻譜變化。而在不同頻率的天線之間，線天線的頻率越高，天線耦合雷電電磁波遠(yuǎn)場(chǎng)能量的能力越弱。相較之線天線，寬帶天線更能體現(xiàn)場(chǎng)的能量。

圖4 天線耦合雷電波遠(yuǎn)場(chǎng)電壓峰峰值分布圖Fig.4 Peak-to-peak distribution of far-field voltage of antenna-coupled lightning wave

圖5 天線耦合雷電波遠(yuǎn)場(chǎng)能量分布圖Fig.5 Distribution of far-field energy of antenna-coupled lightning wave

圖6 天線耦合雷電波近場(chǎng)電壓波形Fig.6 The near-field voltage waveform of the antenna-coupled lightning wave

3 結(jié)論

應(yīng)用65 MHz～1 GHz寬帶天線與中心頻率分別為0.85 GHz、1.76 GHz和2.54 GHz的線天線對(duì)同源雷電電磁波遠(yuǎn)場(chǎng)進(jìn)行耦合，另用中心頻率分別為0.85 GHz、1.76 GHz和2.54 GHz的線天線對(duì)同源雷電電磁波近場(chǎng)進(jìn)行耦合，對(duì)比分析各天線耦合沖擊雷電電磁波的電壓峰峰值及能量分布，得出以下結(jié)論：

2）線天線頻率越高，所耦合到的雷電波電壓幅值越小，其耦合雷電電磁波能量的能力也越弱。這驗(yàn)證了雷電流主要分布在低頻部分，隨著頻率的增大而遞減的科學(xué)理論。

3）隨著模擬沖擊電流的逐漸增大，線天線耦合雷電電磁波的電壓峰峰值和能量均整體增大。

4）寬帶天線由于其頻率范圍廣，所耦合到的雷電波電壓幅值較線天線大。隨著模擬沖擊電流的逐漸增大，寬帶天線耦合雷電電磁波的電壓峰峰值和能量均整體增大，但并不是線性增大。相較之線天線，寬帶天線更能體現(xiàn)場(chǎng)的能量。

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Coupling Mechanism and Experimental Analysis of Electromagnetic Radiation in Lightning Channel

ZHU Mingxing，JIA Liangyan，WU Zhongchao，HU Hao，CHEN Jing，LIU Dongyi
（State Grid Bengbu Power Supply Company，Bengbu 233000，China）

For the damage of electronic information equipment resulting in economic losses caused by lightning，by using the method of combination of theory and experiment，an equivalent circuit model that antennas receive signals of lightning electromagnetic waves is established to do radiation and cou?pling experiments in the lightning near-field and far-field.Comparing the peak to peak voltage and en?ergy from each antenna and broadband antenna，a conclusion that we should specially attention to prevent lightning invasion waves of the low frequency for lightning current is mainly distributed in low frequency and it decreases with the frequency increasing is drawn，which has guiding significance for the design of lightning protection engineering.At the same time，a broadband antenna energy method that broadband antenna can fit the size and trend of lightning current and lightning electromagnetic pulse more accurately is also proposed，which has important reference value to the improvement of lightning location and predic?tion system and the research on lightning protection in the future.

lightning electromagnetic waves；radiation；antenna；coupling

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.031

2017-05-19

朱明星（1985—），男，工程師，研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)調(diào)控或電網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析。