QLI快插式寬帶同軸避雷器的設計

2014-07-06 03:24:50真瑩

機電元件 2014年2期

真瑩

(上海雷迪埃電子有限公司，上海市，200072)

1 引言

電子通信系統常會受到外界瞬時的高過電壓的干擾，如雷電產生的高功率電沖擊波和感應電流電壓。這種瞬時過電壓(或過電流)稱為浪涌電壓(或浪涌電流)，會損壞電子設備，所以需要有避雷器對其進行保護，迅速去除沖擊脈沖，將電流﹑電壓降到安全范圍內。通常用在通信系統中的避雷器有兩種主要形式，GDT氣體放電管和1/4波長結構。常用連接界面有7/16和N型。而QLI界面是Radiall新推出的專利界面，它具有快插式，界面配合防水的特點。體積比7/16小，所占用的安裝空間小，互調比N型好，適用于室內和室外的場合。

下面介紹筆者所研發的兩種具有QLI－Male界面的避雷器:GDT氣體放電管和1/4波長結構，頻率范圍分別為DC－3GHz和0．7－3GHz。

2 避雷器基本工作原理

2．1 GDT避雷器工作原理

氣體放電管被廣泛的應用在信號避雷器上。氣體放電管也叫惰性氣體放電管，主要是內部充盈了惰性氣體，放電方式是氣體放電，靠擊穿氣體來起到一次性瀉放電流的目的。在同軸結構中氣體放電管垂直放在內外導體之間。它有一個閾值導通電壓。在該電壓之下通信系統正常工作;當外來電壓大于閾值電壓時，氣體放電管被擊穿，管子呈短路狀態，導通了與接地良導體的連接，雷擊產生的高電流高電壓通過氣體放電管，被安全的短路到地，使電子設備上的電壓降到殘余電壓之下，從而保護了系統的安全。一旦電壓釋放后，設備上停留的電壓就會小于閾值電壓，這時氣體放電管重新恢復到初始的開路狀態，避雷器又迅速恢復原狀，保證系統正常工作。氣體放電管的壽命取決于電沖擊強度。避雷器的閾值電壓取決于氣體放電管的閾值電壓，可以根據需要更換管子。

氣體放電管型避雷器可以饋入系統DC電壓，例如塔放的偏置電壓。它的帶寬較寬，可以從直流開始。通流量容量大，絕緣電阻高，漏電流小。但殘壓比1/4波長型結構高，反應時間慢 (≤100ns)，而且需要定期檢查和更換氣體放電管。

圖1 GDT避雷器工作原理示意圖

2．2 1/4波長避雷器工作原理

1/4波長(1/4λ)同軸避雷器是一個3端口元件。除了輸入和輸出端口外，第三端口是一個短路口，它由一個對應中心頻率的1/4λ長度的同軸短接線構成。1/4λ避雷器實際上就是一個帶通濾波器，工作在特定的頻帶上。射頻信號從輸入端口進入，通過該避雷器到達輸出端口，1/4λ短路線對于工作頻段的射頻信號是開路的。而雷擊信號基本上是接近DC小范圍的信號，大部分能量集中在10KHz以下的頻段，直接通過1/4λ短路線到地，不在射頻信號工作的通帶內。

1/4λ避雷器通常安裝在電子設備的輸入端，當雷擊及其感應信號到來時，即刻通過1/4λ端短路掉。起到保護設備的作用。

因為是全機械結構，它可以重復的處理沖擊信號，任何時候的沖擊信號都被分流到地，只有很小的殘壓通過設備。1/4λ避雷器具有較好的互調性能和低的殘壓。結構穩定，不需要定期更換元件。1/4λ同軸避雷器還能大大地抑制不同頻率的干擾。但通常覆蓋的頻帶較窄，所以需要展寬頻帶，覆蓋多個通信頻段，使得系統能夠復用。

圖2 1/4波長避雷器工作原理示意圖

3 設計原理

3．1 同軸射頻避雷器設計的基本方法

由于設計的避雷器為同軸形式，實際上轉化為兩個部分的設計:一是QLI輸入輸出同軸端口與內部結構的匹配，二是完成電流電壓釋放功能的內部同軸結構的設計。

A．輸入輸出同軸傳輸段的特性阻抗為50ohm。截面特性阻抗經典設計公式如下:

式中，Z0－理想同軸線的特征阻抗，D－外導體內經，d－內導體外經，ε－介質相對介電常數，這一部分傳輸端的絕緣子選用PTFE，介電常數約為2．08。

B．雖然從界面開始的輸入輸出這一部分傳輸線理論設計為50Ω，但為了使腔體﹑中心針和絕緣子相對固定，引進了倒刺，由此出現了結構的不連續性，造成了阻抗的不連續性。這種容性阻抗用設置在中心針上的感性阻抗匹配掉。

C．根據頻段要求對避雷器本身功能塊結構進行設計。GDT和1/4λ形式內部采用如下不同的結構，用電磁場軟件仿真設計和優化。

D．QLI界面輸入輸出傳輸線與腔體內部結構的過渡設計。

無論內部采用GDT或1/4λ形式。都給50Ω傳輸線帶來了極大的不連續性。需要進行補償和匹配設計。對過渡的不連續臺階處引入的并聯電容，采用通常的錯位設計補償。

E．O－ring防水圈結構設計

首先，QLI界面本身設計有放置O－ring圈的槽。加上硅膠O－ring圈后，在Male和Female接頭相插連接處起到防水的作用。其次不僅界面而且內部放電管與外殼，1/4λ短路線與外殼處也有防水O－ring圈。即避雷器的三個端口都有防水O－ring圈。

3．2 氣體放電管GDT結構避雷器的設計

閾值電壓根據放電管的型號，有90V、230V、600V。為了管子與中心導體連接可靠，加有彈性壓片。除了QLI輸入輸出端加有O－ring進行界面配合防水外，裝放電管的端口，在外殼端口與內導體連接處，也設計有防水O－ring。放電管本身尺寸較大，所以，這一段同軸腔體直徑加大許多，再加上安裝固定結構，對同軸腔內電磁波干擾很大。這一部分特征阻抗不是50ohm，引入較大的容抗．需要與感抗諧調，內部做成低通濾波器模式，最終過渡到輸入輸出的50ohm。由于結構較復雜，建立3D模型，輸入由前述的初始參數，由CST微波仿真軟件完成。

圖3 GDT放電管型3D模型仿真結構示意圖

圖4 GDT放電管型VSWR仿真曲線

3．3 1/4波長結構避雷器的設計

通常1/4λ結構帶寬較窄也就10%左右，而需設計的避雷器0．7～3GHz，頻率帶寬約4．28倍頻程。所以，展寬帶寬就成了最重要的任務。中間部分采用多級阻抗變換結構，用以展寬帶寬。文獻［2］采用了一種1/16λ阻抗變換節的方法。用7/16接口仿真。但僅有仿真結果，未見實物實測曲線。其仿真帶寬為0．66～2．67GHz。參考該文獻的工作原理，設計我們QLI接口的避雷器。原理圖如圖5所示。仿真模型如圖6所示，1/4短路線長度對應中心頻率，它不是一根等阻抗線，尾端阻抗要小一些。為了確保精度，往往要對長度精確調整。因此，1/4短路金屬棒的短路端設計為尾端長度可調。設置有短路的調節螺釘來微調長度，以調整中心頻率。優化曲線如圖7所示。除了內部結構展寬帶寬和1/4λ線的階梯位置﹑對應直徑和長度的優化外，與QLI界面連接部分也需要優化，每個部分都對結果影響較大。為機械設計上的可實現性，外腔采用了多體設計，相應連接處均加了防水O－ring圈。