1/4λ短路傳輸線對于雷電波能量抑制性能的分析

王 歡

（山丹縣氣象局，甘肅 張掖 734100）

在工程施工過程中，如何保護建筑不受雷電的影響和危害，一直以來都備受關注與重視，為此我國相關部門專門制定了《建筑物防雷設計規范》（GB 50057—2010），指導和規范工程施工中如何防雷。這對于保障建筑的安全性來說至關重要[1]。為此，我們應當將其作為一個長期的關鍵課題，積極加強研究、探討與實踐。1/4 λ短路線，其對于輸入的抗阻，達到了無窮大的水平，具有非常強的雷電波能量抑制性能，本研究對其進行了實驗，證明在實踐中1/4 λ短路線值得推廣和應用。

1 1/4 λ短路線工作原理及雷電波的影響

當前已有的研究成果明確顯示，1/4 λ短路線對于輸入的抗阻達到了無窮大的水平，大部分能量在10 kHz以下。所以對于雷電波而言，1/4 λ短路線就等同于是短路[2]。將1/4 λ短路線型SPD，接入到傳輸線路中，不會對傳輸信號造成影響，可將雷電的能量安全地泄放入地，達到理想的防雷效果[3]。

雷擊點上的雷電波是一種單極性的沖擊波，平均值通常取2.5 μs，實驗值取8 μs，波頭極限值則為0.5 μs。如果是取4倍波頭值，為雷電波的近似脈沖周期，以2.5 μs為例，則雷電波周期T’=2.5×4=10 μs，雷電波波長λ=vT’=λ=vT’=2.79×108×10×10-6=2 790 m。

式中：v為波在同軸線中的速度。由此可見雷電波具有較大的波長，因此對于雷電波來說，1/4 λ短路線輸入阻抗非常小，同時呈電感性。這樣的情況和雷電流對地短路非常相似。所以，從上面所闡述的原理來看，按此原理設計避雷器能有效地抑制雷電波及類似的雜波干擾。

2 1/4 λ避雷器

1/4 λ避雷器可廣泛應用于多種相對固定頻率的無線電設備中，從800 MHz～2.4 GHz。其在防雷方面的功能和作用非常突出，能夠達到8/20 μs波30 kA以上的沖擊耐流，并且其對信號的影響非常小，不會造成過大的信號插入損耗。同時在相關的研究中發現，其對于不同頻率的干擾，也可以起到抑制作用，以上這些特點，都得益于其特殊的結構及原理。雷電波的頻譜具有非常寬的范圍，同時主要的能量都處在10 kHz以下，所以1/4 λ短路線就等同于是短路，不會因為雷電波對設備造成破壞。不同頻率的干擾信號，短路棒不等于1/4 λ，所以會造成較高的損耗，這就能夠降低相應的干擾[4]。

3 試驗分析

3.1 8/20 μs實驗平臺沖擊測試

按照傳輸理論情況來看，在微波通訊線路中，1/4 λ短路線型SPD需要進行并聯安裝。其采用的均為標準射頻接口，SPD呈T型結構，其1/4 λ 短路線，有一部分長為400 mm、直徑的銅導線為2 mm。信號接地端GND和信號鏈接線纜，分別連接在短路線的兩端。在測試過程當中，選用1.8 GHz頻段和2.1 GHz頻段，這兩個頻段的使用率是較高的。然后使用8/20 μs實驗平臺來進行雷電流電壓模擬，開展沖擊實驗。

試驗中以0.2 kV開始，每0.2 kV沖擊一次直到7.0 kV，取沖擊電壓為2.0 kV、6.0 kV兩組典型的沖擊電壓值進行分析。圖1和圖2為2.1 GHz頻段下的殘壓通流示意圖，圖3和圖4為1.8 GHz頻段下的殘壓通流示意圖。

圖1 2.1 GHz頻段2.0 kV沖擊電壓下殘壓

圖2 2.1 GHz頻段2.0 kV沖擊電壓下通流

圖3 1.8 GHz頻段2.0 kV沖擊電壓下殘壓

圖4 1.8 GHz頻段2.0 kV沖擊電壓下通流

規定中信號SPD的限制電壓應小于1 kV，由測量結果分析，符合該規范要求，在中心頻率點，處在諧振狀態的1/4 λ短路線，其輸出電壓峰-峰值，與信號源輸出值接近，能夠抑制雷電波，對線路提供保護[5]。

將1.8 GHz和2.1 GHz頻段下沖擊結果所得殘壓通流取其絕對值，然后找出最大值得到其殘壓通流峰值，見表1—表2，繪制出圖5—圖8。

表2 2.1 GHz頻段下殘壓通流峰值

圖5 1.8 GHz頻段殘壓變化示意圖

圖6 1.8 GHz頻段通流變化示意圖

圖7 2.1 GHz頻段殘壓變化示意圖

圖8 2.1 GHz頻段通流變化示意圖

表1 1.8 GHz頻段下殘壓通流峰值

由圖5—圖8可以看出，兩個頻段下，其殘壓通流都隨著0.2～7.0 kV的沖擊電壓的升高而增大，成線性增長趨勢，所以得出結果符合殘壓特性。

3.2 傳輸特性測試

由于在傳輸系統中插入一個SPD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部分的功率與SPD插入后傳遞到同一部分的功率之比。也就是插入損耗，通常用db表示。

試驗中，用網絡測試儀對模擬1/4 λ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S21參數，列用軟件繪制出圖形，圖9和圖10分別為1.8 GHz和2.1 GHz的S21參數示意圖。

圖9 1.8 GHzS21參數示意圖

圖10 1.8 GHzS21參數示意圖

因為要保證通訊線路能夠進行有效的信號傳輸，應當確保線路中的插入損耗不超過-10 db。從上圖所反映的數據情況可以得出，在1.7 GHz頻段和1.9 GHz頻段中，損耗均不超過-10 db，因而1.8 GHz頻段中，其損耗同樣會低于這個數值。即證實了1/4 λ短路線型SPD在傳輸線路中的接入，并不會影響到信號的傳輸。

同理，應當確保插入損耗不超過-10 db，在1.9 GHz頻段和2.3 GHz頻段中，損耗均不超過-10 db，因而2.1 GHz頻段中，其損耗同樣會低于這個數值，可以保證正常的通訊。

3.3 試驗小結

（1）1/4 λ短路線，以銅導線為材料，能夠安全地承受較高的雷電流，也就是說SPD通流大。

（2）對波長為1/4 λ的微波信號，其一方面具有非常低的插入損耗；另一方面是衰減非常低，因此信號質量較高。

（3）在整體的設計方面，其結構簡單，而且都采用的是標準結構，具有非常強的適用性。

（4）采用1/4λ短路線型SPD，能夠保護微波線，抑制過電壓。

4 結語

本研究通過1/4 λ短路線對于雷電波的影響分析，可以了解1/4 λ短路線對雷電波有較好的抑制作用，也反映出1/4 λ避雷器對于防雷的意義和價值，值得在相關的工作實踐中進行推廣應用。