1/4λ短路传输线对于雷电波能量抑制性能的分析

王 欢

（山丹县气象局，甘肃 张掖 734100）

在工程施工过程中，如何保护建筑不受雷电的影响和危害，一直以来都备受关注与重视，为此我国相关部门专门制定了《建筑物防雷设计规范》（GB 50057—2010），指导和规范工程施工中如何防雷。这对于保障建筑的安全性来说至关重要[1]。为此，我们应当将其作为一个长期的关键课题，积极加强研究、探讨与实践。1/4 λ短路线，其对于输入的抗阻，达到了无穷大的水平，具有非常强的雷电波能量抑制性能，本研究对其进行了实验，证明在实践中1/4 λ短路线值得推广和应用。

1 1/4 λ短路线工作原理及雷电波的影响

当前已有的研究成果明确显示，1/4 λ短路线对于输入的抗阻达到了无穷大的水平，大部分能量在10 kHz以下。所以对于雷电波而言，1/4 λ短路线就等同于是短路[2]。将1/4 λ短路线型SPD，接入到传输线路中，不会对传输信号造成影响，可将雷电的能量安全地泄放入地，达到理想的防雷效果[3]。

雷击点上的雷电波是一种单极性的冲击波，平均值通常取2.5 μs，实验值取8 μs，波头极限值则为0.5 μs。如果是取4倍波头值，为雷电波的近似脉冲周期，以2.5 μs为例，则雷电波周期T’=2.5×4=10 μs，雷电波波长λ=vT’=λ=vT’=2.79×108×10×10-6=2 790 m。

式中：v为波在同轴线中的速度。由此可见雷电波具有较大的波长，因此对于雷电波来说，1/4 λ短路线输入阻抗非常小，同时呈电感性。这样的情况和雷电流对地短路非常相似。所以，从上面所阐述的原理来看，按此原理设计避雷器能有效地抑制雷电波及类似的杂波干扰。

2 1/4 λ避雷器

1/4 λ避雷器可广泛应用于多种相对固定频率的无线电设备中，从800 MHz～2.4 GHz。其在防雷方面的功能和作用非常突出，能够达到8/20 μs波30 kA以上的冲击耐流，并且其对信号的影响非常小，不会造成过大的信号插入损耗。同时在相关的研究中发现，其对于不同频率的干扰，也可以起到抑制作用，以上这些特点，都得益于其特殊的结构及原理。雷电波的频谱具有非常宽的范围，同时主要的能量都处在10 kHz以下，所以1/4 λ短路线就等同于是短路，不会因为雷电波对设备造成破坏。不同频率的干扰信号，短路棒不等于1/4 λ，所以会造成较高的损耗，这就能够降低相应的干扰[4]。

3 试验分析

3.1 8/20 μs实验平台冲击测试

按照传输理论情况来看，在微波通讯线路中，1/4 λ短路线型SPD需要进行并联安装。其采用的均为标准射频接口，SPD呈T型结构，其1/4 λ 短路线，有一部分长为400 mm、直径的铜导线为2 mm。信号接地端GND和信号链接线缆，分别连接在短路线的两端。在测试过程当中，选用1.8 GHz频段和2.1 GHz频段，这两个频段的使用率是较高的。然后使用8/20 μs实验平台来进行雷电流电压模拟，开展冲击实验。

试验中以0.2 kV开始，每0.2 kV冲击一次直到7.0 kV，取冲击电压为2.0 kV、6.0 kV两组典型的冲击电压值进行分析。图1和图2为2.1 GHz频段下的残压通流示意图，图3和图4为1.8 GHz频段下的残压通流示意图。

图1 2.1 GHz频段2.0 kV冲击电压下残压

图2 2.1 GHz频段2.0 kV冲击电压下通流

图3 1.8 GHz频段2.0 kV冲击电压下残压

图4 1.8 GHz频段2.0 kV冲击电压下通流

规定中信号SPD的限制电压应小于1 kV，由测量结果分析，符合该规范要求，在中心频率点，处在谐振状态的1/4 λ短路线，其输出电压峰-峰值，与信号源输出值接近，能够抑制雷电波，对线路提供保护[5]。

将1.8 GHz和2.1 GHz频段下冲击结果所得残压通流取其绝对值，然后找出最大值得到其残压通流峰值，见表1—表2，绘制出图5—图8。

表2 2.1 GHz频段下残压通流峰值

图5 1.8 GHz频段残压变化示意图

图6 1.8 GHz频段通流变化示意图

图7 2.1 GHz频段残压变化示意图

图8 2.1 GHz频段通流变化示意图

表1 1.8 GHz频段下残压通流峰值

由图5—图8可以看出，两个频段下，其残压通流都随着0.2～7.0 kV的冲击电压的升高而增大，成线性增长趋势，所以得出结果符合残压特性。

3.2 传输特性测试

由于在传输系统中插入一个SPD后会引起信号的损耗，该损耗为SPD插入前传递到后面的系统部分的功率与SPD插入后传递到同一部分的功率之比。也就是插入损耗，通常用db表示。

试验中，用网络测试仪对模拟1/4 λ短路线型SPD进行测试，测试得出1.8 GHz和2.1 GHz两个频段下的S21参数，列用软件绘制出图形，图9和图10分别为1.8 GHz和2.1 GHz的S21参数示意图。

图9 1.8 GHzS21参数示意图

图10 1.8 GHzS21参数示意图

因为要保证通讯线路能够进行有效的信号传输，应当确保线路中的插入损耗不超过-10 db。从上图所反映的数据情况可以得出，在1.7 GHz频段和1.9 GHz频段中，损耗均不超过-10 db，因而1.8 GHz频段中，其损耗同样会低于这个数值。即证实了1/4 λ短路线型SPD在传输线路中的接入，并不会影响到信号的传输。

同理，应当确保插入损耗不超过-10 db，在1.9 GHz频段和2.3 GHz频段中，损耗均不超过-10 db，因而2.1 GHz频段中，其损耗同样会低于这个数值，可以保证正常的通讯。

3.3 试验小结

（1）1/4 λ短路线，以铜导线为材料，能够安全地承受较高的雷电流，也就是说SPD通流大。

（2）对波长为1/4 λ的微波信号，其一方面具有非常低的插入损耗；另一方面是衰减非常低，因此信号质量较高。

（3）在整体的设计方面，其结构简单，而且都采用的是标准结构，具有非常强的适用性。

（4）采用1/4λ短路线型SPD，能够保护微波线，抑制过电压。

4 结语

本研究通过1/4 λ短路线对于雷电波的影响分析，可以了解1/4 λ短路线对雷电波有较好的抑制作用，也反映出1/4 λ避雷器对于防雷的意义和价值，值得在相关的工作实践中进行推广应用。