近日有配到客戶需要超高頻率天饋防雷器，比如N頭18Ghz天饋防雷器，目前業內極少公司能做，本文轉載自《電瓷避雷器》2022年第3期，原標題同軸電涌保護器設計方法的分析，可以作為天饋線避雷器的設計參考。



1、文章摘要
 
針對雷電電磁脈沖和感應過電壓導致的通信線路終端設備損壞的問題，本文基于同軸線理論與天饋線同軸浪涌保護器設計原理分析，利用高頻結構仿真軟件HFSS針對天饋線同軸浪涌保護器在不同腔體半徑以及有無安裝氣體放電管等情況進行仿真分析，得出其回波損耗S11曲線、插入損耗S21曲線以及時域反射分析TDR（time domain reflectometry）數據。

通過分析仿真數據，本文制作出適合尺寸的天饋線同軸浪涌保護器并對其進行了測試。根據仿真結果可以得出，當腔體半徑與內置銅芯的半徑比為2.3時，腔體的特性阻抗維持在50Ω左右，放置氣體放電管后對特性阻抗有較大的擾動；隨著腔體半徑的增加，反射系數也隨之減小，但諧振頻率基本都集中在2.5GHz左右，放置氣體放電管后S11曲線在諧振點附近有明顯的變化；

隨著模型長度的增大，諧振頻率隨之減小；氣體放電管的電容與尺寸都隨著值的增大信號衰減增加，但是尺寸較電容對衰減的影響更大更加明顯；實測與仿真基本符合，根據實測沖擊試驗看出天饋線同軸浪涌保護器隨沖擊電壓的增大響應時間隨之減小，通流和殘壓隨之增大，可見制作的天饋線同軸浪涌保護器可以達到泄放浪涌，保護負載電路的作用。研究結果對天饋線同軸浪涌保護器的設計制作有一定的指導意義。

2、主要內容
 
電磁脈沖（EMP），有時也稱為瞬態電磁干擾，具有頻率范圍寬、能量大等特點, 并且具有很強的干擾及破壞作用,可以對電子設備造成嚴重的損傷,因此人們越來越重視雷電電磁脈沖對電子信息設備構成的威脅及其防護問題。

電子通信系統常會受到EMP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，所以需要有電涌保護器對其進行保護，迅速去除沖擊脈沖，將電流﹑電壓降到安全范圍內。

通信系統中通常采用同軸線進行信號的傳輸，因此，有必要對天饋線同軸浪涌保護器進行的設計方法的研究。國內外學者在同軸連接器、電磁脈沖抑制和仿真方面做了大量的工作。

Gunston,M.A總結了基于物理尺寸計算傳輸線特性阻抗的方法。翟毅等人分析了1/4波長型雷電抑制器的工作原理，分析了不同繞線線芯的半徑和繞線線芯到同軸線外導體表面間距對雷電抑制器工作帶寬的影響。真瑩采用三維仿真設計了氣體放電管結構和1/4波長結構的兩種快插式電涌保護器，得到了較好的結果。

張過有等人經過實驗驗證,信號類電涌保護器的分布電容超出一定值后會對信號傳輸產生干擾,信號類浪涌保護器應保證擁有足夠低的分布電容。李祥超等人分析了暫態抑制二極管(transient voltage suppressor,TVS)的分布電容對信號傳輸的影響，并且對同軸線中雷電波傳輸暫態特性進行了分析,還分析了接收機耦合雷電電磁波的電壓及能量分布規律, 提出了利用各種保護器件來抑制接收機耦合雷電電磁波能量的抑制方法。

JaeCheol通過時域有限差分(FDTD)方法模擬了氣體放電管電涌保護器的瞬態響應。這些對研究都對同軸浪涌保護器的設計方法具有重要的指導意義。目前，尚沒有學者將同軸浪涌保護器件剖析開，單獨分析其影響因素，再結合起來研究其綜合性能。特別是氣體放電管與同軸連接器結合用于信號線路的電涌防護方面，很少有學者涉及。

本文利用HFSS對天饋線同軸浪涌保護器進行仿真，得到如下結果：腔體結構對天饋線同軸浪涌保護器的特性阻抗的影響較大，實際應用中應選擇半徑適中特性阻抗波動較小的尺寸；S11曲線隨著腔體半徑的增加，反射系數也隨之減小，諧振頻率基本都集中在2.45GHz左右；氣體放電管的電容與尺寸都隨著值的增大信號衰減增加，但是尺寸較電容對衰減的影響更大更加明顯。實測與仿真基本相符，根據沖擊試驗可以得出制作的天饋線同軸浪涌保護器可以達到泄放浪涌，保護負載電路的作用。
 
1理論分析
1.1同軸線理論分析
1.2天饋線同軸浪涌保護器設計原理
2模型建立
3仿真及試驗數據分析
3.1腔體尺寸的影響分析
3.2氣體放電管對信號的影響分析
3.3 天饋線同軸浪涌保護器實物分析

3、結論
 
通過HFSS仿真分析不同介質寬度、長度及氣體放電管對天饋線同軸浪涌保護器TDR、反射特性和傳輸特性的影響。針對得出的結果，選取合適的尺寸，制作天饋線同軸浪涌保護器，并對其測量反射傳輸特性及沖擊特性，得出結論：
 
1、仿真分析。

①根據TDR分析，可以看出腔體半徑與內置銅芯的半徑比為2.3時，腔體結構的特征阻抗維持在50Ω左右。比較不同腔體半徑的TDR曲線，未放置氣體放電管時，隨著腔體半徑的增大在0~50 ps范圍內的波動也越劇烈。安裝氣體放電管后，模型的阻抗有明顯的增加，阻抗波動較劇烈的時間段向后推遲到了150~200 ps，并且波動程度較未放置時越發劇烈。0~50 ps段與未放置氣體放電管時阻抗的變化趨勢相同，但是在150~200 ps段可以看出隨著腔體半徑增大阻抗的變化幅度減小。

S11曲線隨著腔體半徑的增加，反射系數也隨之減小，但諧振頻率基本都集中在2. 5 GHz左右。安裝氣體放電管后，在諧振點周圍的反射系數出現了明顯的不同，其反射系數不再隨著介質寬度的增加而減?。婚L度對諧振頻率的影響非常明顯，諧振頻率隨著模型長度的增大而減小。模型長度對反射系數的影響與頻率相關。
 
②比較氣體放電管不同電容與不同尺寸下的S21曲線可以看出，電容與尺寸的增大衰減也相應增大，但是電容量的影響很小，尺寸對信號的衰減影響更加明顯。
 
2、實物分析。
 
①S11諧振點在2.5 GHz左右，與仿真結果相符。

②S21:插入損耗隨著頻率的增加而不斷增大，在4 GHz的頻率內對信號傳輸不會造成影響。③沖擊特性：隨著沖擊電壓的升高，氣體放電管的響應時間大大減小，最終響應時間小于0.1 μs，且氣體放電管擊穿電壓小的響應時間更快更敏感；隨著沖擊電壓的增大，天饋線同軸浪涌保護器的通流和殘壓也隨之平穩增大，90 V擊穿電壓的氣體放電管電壓逐漸穩定在230 V左右，230 V擊穿電壓的氣體放電管電壓逐漸穩定在700 V左右，表明天饋線同軸涌保護器可以達到泄放浪涌，保護負載電路的作用。

作者簡介李祥超(1969—),男，副教授,主要從事電涌保護器研發與測試。