1_4波长避雷器短路结构关键因子的研究_朱凯.pdf

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、1/4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。1.21/4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，Z3=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3.0GHz，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，重新对金属柱进行折叠。在金属柱左右两侧交叉进行抠槽，可以获得Z字形结构（表4）。相对于圆形金属柱，中心频点的下降非常明显，并且将短路针中间掏空后还有进一步的优化。因此短路针堆叠的改进方向，对于压缩短路结构是有效的。2.2电感线由于金属柱结构长度太大、短路针太细的弊病很难消除，参考Z字形金属柱，如果将电感线应用在短路结构中，可以对短路针进行最有效压缩。单层中空螺旋线是最经典的电感模型，因此根据电感的感抗X（L）特性（公式6）的关键要素，我们可用于评估短路结构的影响因子。（6）f频率；L电感量。其中电感量计算公式（7），芯柱为空气不做参考，可以得到3个影响参数。（7）芯柱磁导率（此处为空气）；N线圈匝数；H线圈高度；S线圈截面积。表 4Z 字形金属柱仿真结构分类模型VSWR 性能最优频点Z 字形短路针-实心最优点：f=2.55GHzZ 字形短路针-掏空最优点：f=2.45GHz图 5圆柱形螺旋短路针体模型 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|47电子元器件与材料表 5不同阻抗过渡仿真过渡结构模型VSWR 性能固定频点及峰值频点VSWR 指标无过渡定点：1.055 1.7GHz峰值：16.0793.5GHz一段过渡定点：1.049 1.7GHz峰值：7.4123.4GHz两段过渡定点：1.002 1.7GHz峰值：6.5083.4GHz表 6不同高度过渡仿真螺旋位置模型VSWR 性能固定频点及峰值频点VSWR 指标靠近同轴线定点：1.0551.7GHz峰值：16.083.5GHz居中定点：1.231.7GHz峰值：6.093.7GHz顶端定点：1.4751.7GHz峰值：183.53.7GHzdianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术48|而在实际应用时，电感线会并联出现寄生电容EPC（图4），不能纯粹当作电感来处理。同时短路腔体内部也因：螺旋线在短路段中的不同高度、实际电感量的变化、阻抗过渡的不同，呈现出复杂的频率特性。图 4电感等效电路2.2.1圆柱形单层螺旋线对金属圆柱打中心孔并车制螺旋开槽，就得到了经典的圆柱形单层螺旋线结构，下面对图5短路针模型进行仿真。（1）阻抗过渡影响。根据3.1.1计算数据，短路部分阻抗应大于标准阻抗Z0，我们参考阻抗变换3中多节1/4波长变换器结构，将短路段外导体由一段改为多段，过渡段高度参考1/4波长与对应的螺旋线长度的调节，同时阻抗逐级变大。详细参数可根据实际可行的尺寸，采用有限元法通过软件进行求解。从表5仿真数据看，每增加一级过渡，VSWR曲线整体向下移动。因此若要优化性能，可采用增加过渡的方法。另外也可以将圆柱形螺旋线改为梯形螺旋线，同样可以达到阻抗过渡目的。（2）位置影响。模型中螺旋线与短路针的相对位置（表6），实际并不影响1/4波长的等效长度，因此对中心频点影响不大，但因为H（螺旋起始点高度）不同对电容电感的影响，因而需利用软件寻求最优解。实际应用时，应将螺旋线与外导体过渡台阶进行配合，以获得更好的过渡匹配效果。（3）电感量影响。由公式（7）可知：匝数、截面积、高度对电感量的影响，但在实际模型中截面积等参数并不直观，因此先转化为：d（内孔径）、N（匝数）、W（槽宽）、V（节距）。将圆柱螺旋线模型通过软件求解到较优的电感量参数后，可以得到3个驻波的低点，从低频向高频依次编号点1、点2、点3。那么点1至点3之间的频段可用作使用频段，通过调节3个点的频率可以获得想要的性能。为研究结构参数对三个频点的影响关系，采用单一变量法仿真得到表7数据。匝数N、内孔径d、槽宽W：随着数值的变大，覆盖频率向低频移动，低频指标变差的同时高频指标变优。节距V：随着数值变大，覆盖频率向高频表 7不同电感量过渡仿真（a）匝数 N（b）内孔径 d（c）槽宽 W（d）节距 V 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|49电子元器件与材料移动，低频指标变优的同时高频指标变差。再把4个模型参数带入公式7，得到电感量关系式8：（8）其中匝数N、节距V与电感量L成正比，内孔径d、槽宽W与电感量L成反比，结合上述仿真结果，可以初步判定：电感量L越大，覆盖频率是向高频移动的。这里需要解释一下匝数N，虽然按该结论，匝数N增大带来电感量L增大及覆盖频率向高频移动，但同时也应考虑匝数加大后变相也增加了1/4波长等效长度，且该作用更强，因此反而出现了使用频段向低频移动情况。2.2.2平面形螺旋线将圆柱形螺线现变形为平面等距螺旋，又称为阿基米德螺旋，基本结构与蚊香相似。查阅平面螺旋线电感量公式5，公式较为复杂，我们表 8阿基米德螺旋仿真结构分类模型VSWR 性能阿基米德螺旋线增加电容结构外导体过渡图 6平面形螺旋短路针体模型dianzi yuanqijian yu xinxijishu