1_4波长避雷器短路结构关键因子的研究_朱凯.pdf
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1、dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术42|1/4波长避雷器短路结构关键因子的研究朱凯,刘永坤,董文彪,周祎,徐学孜,吕岑佳江苏亨鑫科技有限公司,江苏宜兴214222摘要:在射频通信传输系统的实际覆盖场景中,常采用同轴线避雷器(防浪涌保护器)防止电流过大损毁主设备。其中1/4波长避雷器因其耐大功率、免维护等优势备受青睐。一般通过1/4波长的金属支撑件连接内外导体,在同轴传输线上形成带通结构,实现雷击电流的接地导通以及有效信号的传输功能。本文基于1/4波长理论,对避雷器核心的短路结构进行对比仿真研究,辨别出影响电气性能的关键因子,经
2、仔细归纳后形成此文,供广大读者参考。关键词:避雷器;1/4波长;短路结构;仿真;关键因子中图分类号:TN625文献标志码:ADOI:10.19772/ki.2096-4455.2022.12.010 0引言本文所研究的射频通信传输系统用同轴避雷器,通过把雷电等环境因素产生的感应电流导入接地金属防雷。而雷电波的频谱分量大体集中在020KHz1,与传统电源防雷过电压保护不同,射频系统在实现接地功能的同时,必需保证系统实际应用信号频段的正常传输,1/4波长避雷器可承受感应雷击条件下(电流波型8/20us)60KA感应电流及100V的剩余脉冲电压。通信行业已知常见的避雷器类型有:气体放电管避雷器、1/
3、4波长避雷器和阿基米德螺旋线避雷器。其中气体放电管避雷器寿命短、耐压上限低,阿基米德螺旋线加工难度大、安装方向有严格限制,因此这两种结构的使用有限。1/4波长避雷器因其金属支撑结构稳定、导流能力较强、免维护等原因,有更大的研究价值。1/4波长避雷器(简称1/4)产品核心为其短路结构,是实现避雷功能以及影响电气性能的重要模块,本文重点对金属柱、异型金属、螺旋电感线、阿基米德螺旋金属片等不同的短路支撑结构进行研究,分析结构与性能的关键影响因素和其作用特点。11/4波长原理1.11/4波长避雷器基本结构1/4波长避雷器基本结构见图1,其作用等同于带通滤波器2,带宽中心与1/4波长对应的中心频率f0直
4、接关联,带宽对应实际使用频段。在同轴传输线的基础上,在内外导体间增加长度的支撑金属进行短接,见图1(a)阻抗示意。雷击电流通过同轴线内导体,沿短路针导进同轴线外导体,再经由与外导体连接的接地线或金属安装板实现接地防雷作用,见图1(c)电流流向。1/4波长与频率对应关系公式(1)、(2),因短路线长度l在产品上相对固定,因此一款避雷器仅对特定频率范围内的信号进行导通。(1)(2)C光速;fH最高使用频率;fL最低使作者简介:朱凯,男,四川自贡,中级工程师,研究方向:射频同轴连接器、半柔电缆及漏缆组件等。电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|43电子元器件与材料用频率;f0使用频率中心频点。1.
5、21/4波长短路线原理根据微波传输线中的短路线原理3,在忽略传输线损耗时,输入阻抗为公式(3):(3)Zin输入阻抗;ZC传输线阻抗;ZL负载(短路端)阻抗;j虚数符号;每单位长度的相位移常数;l短路线长度;当时,。此时内导体连接金属支撑将内外导体进行短路,见图1中(b)等效电路图及(d)短路针长度&阻抗,得到ZL=0(串联谐振),Zin=(并联谐振),即在终端短路时输入端为开路,将ZL=0带入公式(3),得到输入阻抗公式(4):(4)电压和电流存在/2的相位差,即电压与电流在每个瞬时大小都呈现相反的状态,因此使用频段信号的功率传输为0。综上,当短路线长度为对应频率f0的1/4波长时(),输入
6、阻抗Zin无限大。对于f0信号呈现开路无法向短路端传输,而是沿同轴线向前正常传输信号,对于非f0信号则呈现短路特性以传输雷击电流,因此可实现避雷器功能。2短路结构方案比对根据1/4波长原理,短路针结构以及与传输线的连接过渡部分,可看作线性传输中的非匹配点,对产品性能起到决定性作用。此结构需要注意性能匹配,以在有效频段内获得更小的反射系数。基于此,我们对几种可行的结构方案:金属柱、电感结构等方式,改变短路部分的电容/电感特性,从而获得更宽的频段范围和驻波性能。除圆柱结构外,其余短路结构的电气模型都较为复杂,因此利用仿真进行研究。2.1金属柱2.1.1圆柱金属圆柱相对简单,可直接参考同轴线内导体金
7、属支撑理论4进行计算,图2结构中:同轴图 11/4 避雷器dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术44|图 2金属柱短路结构线阻抗Z1=Z2,短路结构阻抗Z3,频率覆盖比K见公式(5)。(5)图 3频率覆盖比与阻抗关系曲线图3中特性阻抗Z0服从移动通信系统取50,按电压驻波比=1.2的标准,以点线法绘制出图3曲线。当K值越大,短路结构阻抗Z3也越大,相对而言同轴线阻抗Z1=Z2的变化并不明显。两组不同覆盖频段数据(表1):若覆盖2G、3G、4G网络常用的698-2700MHz频段:=44.1mm,K=3.9,Z1=Z2=39.6,Z
8、3=90.3。若需包含联通电信5G频段698-3700MHz:=34.1mm,K=5.3,Z1=Z2=41.9,Z3=178.3。VSWR曲线从中心频点f0向两端逐渐升高,与2.1理论状态相符。同时仿真中心频率较理论值向右偏,若覆盖频宽fH-fL数值不变,f0越高则K值越小,同时中心频点的右偏程度也越小,即频率越高则越容易覆盖更宽的频段。不难发现圆柱结构虽简单有效,但在实际应用中受到两处限制:短路段及匹配同轴段的物理长度较大,实际安装及材料成本均不理想;在K值较大时,段路结构阻抗Z3值也非常大,容易造成内导体太细难以加工,并影响雷击电流的传输。下面我们对短路结构进行变形,以求压缩短路结构高度并
9、加大短路针直径。2.1.2圆柱折弯通过弯折金属柱可以一定程度上降低短路结构高度。表2模型覆盖频段6983700MHz的最优频点由3.3GHz右移至3.9GHz,等效于短路线长度l又减小了,仍未真正实现短路结构尺寸的表 1金属柱仿真覆盖频段分类模型VSWR 性能最优频点698-2700MHz最优点:f=1.9GHz698-3700MHz最优点:F=3.3GHz 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|45电子元器件与材料压缩,因此折弯意义不大。2.1.3多根金属柱为了降低短路结构高度,考虑使用超过1根的金属柱,对照表3模型覆盖频段6983700MHz。加1根金属柱后最优频点3.3GHz左移至3.
10、0GHz,再继续增加金属柱数量则未继续出现偏移情况,同时调整金属柱直径和间距也无变化。因此通过增加金属柱数量方案,效果并不理想。表 2金属柱直角弯折仿真覆盖频段分类模型VSWR 性能最优频点698-3700MHz最优点:f=3.9GHz表 3多根金属柱仿真结构分类模型VSWR 性能最优频点双金属柱最优点:f=3.0GHz三金属柱最优点:f=3.0GHz双金属柱-调整直径最优点:f=2.9GHz双金属柱-加宽双柱间距最优点:2.9GHzdianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术46|2.1.4Z字形金属柱重新考虑压缩短路结构方案,重新对
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