设计于λ/4的天馈SPD防雷分析

庄跃龙

摘 要： 通信基站中收发信机通过天馈线路与天线相连接，处于室外的天线和天馈线路容易遭受雷电入侵，危害收发信机及其他基站设备，为此必须在收发信机和天馈线路之间加装天馈防雷器（SPD）。通过传输线理论分析λ/4线的特性，介绍λ/4天馈SPD的原理和结构，阐述天馈SPD的使用安装注意事项。

关键词： 天馈；防雷；λ/4；SPD

Abstract： In a communication base station， the transceiver connects with antenna through antenna feeder line. Outdoor antenna and antenna feeder line are vulnerable to lightning invasion， which is harmful to the transceiver and other base station equipment. Therefore， an antenna lightning protection device （SPD） need to be installed between the transceiver and the antenna feeder line. This paper analyses the characteristic of λ/4 line using transmission line theory， introduces the principle and structure of λ/4 Antenna feed SPD， and explain the precautions when installing and using Antenna feed SPD.

Keywords： antenna feed； lightening protection； λ/4； SPD

一、通信基站天馈系统及其雷电入侵

通信基站的天馈系统包括天线、支架、室外跳线、馈线、室外走线架、接地装置、防雷器（SPD）等，如图1所示。其中，SPD安装与馈线与基站主设备（收发信机）之间。

根据LPZ防雷区的规定[1]，可以对基站进行如图2的防雷区划分。在建筑物屋顶接闪器覆盖室外馈线的条件下，天馈系统处于LPZ0B区，即不会遭受直接雷击的区域，那么主要防护的是感应雷的破坏。感应雷的峰值电流较小，一般在15kA以内，但也足以摧毁基站设备。考虑到雷电电磁场衰减等因素，馈线的防雷能力一般要求到10kA。

二、常用天馈SPD

常用的天馈SPD有开关型天馈SPD和λ/4天馈SPD。

开关型天馈SPD原理和结构外形如图3所示。压敏器件连接在馈线到接地端，正常时呈现高阻抗，对于信号通道几乎没有影响。雷电波入侵时压敏器件瞬变为低阻抗，把雷电流旁路到接地点，起到防护后面的基站设备不至于遭受过电压和过电流的作用。

开关型天馈SPD常用的压敏器件有放电间隙、气体放电管、闸流晶体管等。此类SPD可应用于频率范围较宽的场合，例如0-2.4 GHz。但响应时间、放电电流等是制約因素。

λ/4天馈SPD因其独特的原理和结构，能泄放时间短、电流大的雷电波，还能起到滤除杂波的作用，因此在高频段有很好应用效果。

三、λ/4的传输线

根据传输线理论，终端短路时，沿线电压、电流分布表达式为[2]：

式中z′为距离终端的位置。

则沿线电压电流的振幅值、输入阻抗、等效电路等分布如图4所示。

可见，终端短路时，在距离终端λ/4处，电压振幅最大，电流为0，阻抗为无穷大，等效于LC并联谐振。

因此，在馈线某处与地并接λ/4的传输线，则该传输线对波长为λ的信号开路，不影响传输；对其他波长的信号由于严重失谐而短路，起到滤波作用；对雷电波则为一根短路线，把雷电流短路到地，保护后方设备免遭雷电侵入。

以移动通信1.9GHz频点为例，其波长为0.15789m，λ/4长度约为39.5mm。

四、λ/4天馈SPD

根据上述终端短路λ/4传输线特性而设计的天馈SPD如图5所示，在馈线芯线与地端之间引入长度为λ/4的金属棒。因为是终端短路，所以金属棒在馈线端对λ波长的信号是开路的，不影响信号馈送；而雷电波频谱集中于较低频段，则该金属棒对雷电波就是一条短路线，将雷电流短路到地。由于采用金属棒，所以能泄放较大的雷电电流，一般能达到30kA以上。实际结构中，该金属棒到地端的长度可微调，以便准确调校。

金属棒虽然对波长为λ的信号呈开路状态，但λ波长信号是载波，携带基带信息，所以馈线中的信号不是单频的，而是有一定带宽的已调波。因此，金属棒对已调波还是会有一些损耗，以及产生一些驻波，反应为SPD的插入损耗和驻波比等参数。

不同频点的载波对应不同长度的金属棒，因此λ/4天馈SPD是种窄带器件，不同工作频段需选用相应的型号。从图4可知，在离终端距离为λ/4的奇数倍处，电压振幅值也最大，电流振幅值也为0，与λ/4特性相同。所以λ/4天馈SPD的工作频率有个最低频段，此外还能工作于最低频段的奇数倍。

λ/4天馈SPD与开关型天馈SPD相比除了无响应延迟这个明显优点外，在工作频段、放电电流等方面也有明显的不同，表1是某制造商两种产品不同型号的参数对比。

五、λ/4天馈SPD使用安装注意事项

1.天馈SPD只能防护通过馈线闯入的雷电波，无法防护雷击大地时地电位反击引起的过电压。地电位反击的防护依赖于建筑物整体的接地网设计，整体建筑物形成一个等电位体是防雷的有效措施。

2.由于雷电流瞬间幅值大，过长的线路会形成过高的电压差，因此，天馈SPD安装时应该尽量靠近收发信机等基站设备，安装引线要尽量短。

3.天馈SPD外壳接地端提供雷电电流的泄放通道，该通道必须可靠，接地电阻小。因此，外壳接地端不能简单连接到走线架、电源接地等接地点，而应该连接到专用防雷接地体，并且接地导线要有足够大的截面积。雷电流泄放不够通畅，不仅SPD残压高，而可能损害收发信机，还可能因为SPD外壳电位升高，而对站点所有设备造成反击。

4.λ/4天馈SPD的设计放电电流比开关型天馈SPD大很多，因此接地线的截面积必须比后者大很大，在更换SPD类型时必须根据最大负荷要求重新核算接地线截面积。

参考文献

[1] 信息产业部. YD/T5098-2001，《通信局（站）雷电过电压保护工程设计规范》[S].2001

[2] 盛振华.《电磁场微波技术与天线》[M].西安电子科技大学出版社，2004.