1/4波長避雷器短路結構關鍵因子的研究

朱凱，劉永坤，董文彪，周祎，徐學孜，呂岑佳

江蘇亨鑫科技有限公司，江蘇 宜興 214222

0 引言

本文所研究的射頻通信傳輸系統用同軸避雷器，通過把雷電等環境因素產生的感應電流導入接地金屬防雷。而雷電波的頻譜分量大體集中在0～20KHz[1]，與傳統電源防雷過電壓保護不同，射頻系統在實現接地功能的同時，必需保證系統實際應用信號頻段的正常傳輸，1/4波長避雷器可承受感應雷擊條件下（電流波型8/20us）60KA感應電流及100V的剩余脈沖電壓。

通信行業已知常見的避雷器類型有：氣體放電管避雷器、1/4波長避雷器和阿基米德螺旋線避雷器。其中氣體放電管避雷器壽命短、耐壓上限低，阿基米德螺旋線加工難度大、安裝方向有嚴格限制，因此這兩種結構的使用有限。1/4波長避雷器因其金屬支撐結構穩定、導流能力較強、免維護等原因，有更大的研究價值。

1/4波長避雷器（簡稱1/4λ）產品核心為其短路結構，是實現避雷功能以及影響電氣性能的重要模塊，本文重點對金屬柱、異型金屬、螺旋電感線、阿基米德螺旋金屬片等不同的短路支撐結構進行研究，分析結構與性能的關鍵影響因素和其作用特點。

1 1/4波長原理

1.1 1/4波長避雷器基本結構

1/4波長避雷器基本結構見圖1，其作用等同于帶通濾波器[2]，帶寬中心與1/4波長對應的中心頻率f0直接關聯，帶寬對應實際使用頻段。

在同軸傳輸線的基礎上，在內外導體間增加長度的支撐金屬進行短接，見圖1（a）阻抗示意。雷擊電流通過同軸線內導體，沿短路針導進同軸線外導體，再經由與外導體連接的接地線或金屬安裝板實現接地防雷作用，見圖1（c）電流流向。

1/4波長與頻率對應關系公式（1）、（2），因短路線長度l在產品上相對固定，因此一款避雷器僅對特定頻率范圍內的信號進行導通。

C—光速；fH—最高使用頻率；fL—最低使用頻率；f0—使用頻率中心頻點。

1.2 1/4波長短路線原理

根據微波傳輸線中的短路線原理[3]，在忽略傳輸線損耗時，輸入阻抗為公式（3）：

Zin—輸入阻抗；ZC—傳輸線阻抗；ZL—負載（短路端）阻抗；j—虛數符號；β—每單位長度的相位移常數；l—短路線長度；

圖1 1/4λ避雷器

電壓和電流存在π/2的相位差，即電壓與電流在每個瞬時大小都呈現相反的狀態，因此使用頻段信號的功率傳輸為0。

綜上，當短路線長度為對應頻率f0的1/4波長時（），輸入阻抗Zin無限大。對于f0信號呈現開路無法向短路端傳輸，而是沿同軸線向前正常傳輸信號，對于非f0信號則呈現短路特性以傳輸雷擊電流，因此可實現避雷器功能。

2 短路結構方案比對

根據1/4波長原理，短路針結構以及與傳輸線的連接過渡部分，可看作線性傳輸中的非匹配點，對產品性能起到決定性作用。此結構需要注意性能匹配，以在有效頻段內獲得更小的反射系數。

基于此，我們對幾種可行的結構方案：金屬柱、電感結構等方式，改變短路部分的電容/電感特性，從而獲得更寬的頻段范圍和駐波性能。除圓柱結構外，其余短路結構的電氣模型都較為復雜，因此利用仿真進行研究。

2.1 金屬柱

2.1.1 圓柱

金屬圓柱相對簡單，可直接參考同軸線內導體金屬支撐理論[4]進行計算，圖2結構中：同軸線阻抗Z1=Z2，短路結構阻抗Z3，頻率覆蓋比K見公式（5）。

圖2 金屬柱短路結構

圖3中特性阻抗Z0服從移動通信系統取50Ω，按電壓駐波比ρ=1.2的標準，以點線法繪制出圖3曲線。當K值越大，短路結構阻抗Z3也越大，相對而言同軸線阻抗Z1=Z2的變化并不明顯。

圖3 頻率覆蓋比與阻抗關系曲線

兩組不同覆蓋頻段數據（表1）：①若覆蓋2G、3G、4G網絡常用的698-2700MHz頻段：=44.1mm，K=3.9，Z1=Z2=39.6Ω，Z3=90.3Ω。②若需包含聯通電信5G頻段698-3700MHz：=34.1mm，K=5.3，Z1=Z2=41.9Ω，Z3=178.3Ω。

表1 金屬柱仿真

VSWR曲線從中心頻點f0向兩端逐漸升高，與2.1理論狀態相符。同時仿真中心頻率較理論值向右偏，若覆蓋頻寬fH-fL數值不變，f0越高則K值越小，同時中心頻點的右偏程度也越小，即頻率越高則越容易覆蓋更寬的頻段。

不難發現圓柱結構雖簡單有效，但在實際應用中受到兩處限制：①短路段及匹配同軸段的物理長度較大，實際安裝及材料成本均不理想；②在K值較大時，段路結構阻抗Z3值也非常大，容易造成內導體太細難以加工，并影響雷擊電流的傳輸。下面我們對短路結構進行變形，以求壓縮短路結構高度并加大短路針直徑。

2.1.2 圓柱折彎

通過彎折金屬柱可以一定程度上降低短路結構高度。表2模型覆蓋頻段698～3700MHz的最優頻點由3.3GHz右移至3.9GHz，等效于短路線長度l又減小了，仍未真正實現短路結構尺寸的壓縮，因此折彎意義不大。

表2 金屬柱直角彎折仿真

2.1.3 多根金屬柱

為了降低短路結構高度，考慮使用超過1根的金屬柱，對照表3模型覆蓋頻段698～3700MHz。加1根金屬柱后最優頻點3.3GHz左移至3.0GHz，再繼續增加金屬柱數量則未繼續出現偏移情況，同時調整金屬柱直徑和間距也無變化。因此通過增加金屬柱數量方案，效果并不理想。

表3 多根金屬柱仿真

2.1.4 Z字形金屬柱

重新考慮壓縮短路結構方案，重新對金屬柱進行折疊。在金屬柱左右兩側交叉進行摳槽，可以獲得Z字形結構（表4）。相對于圓形金屬柱，中心頻點的下降非常明顯，并且將短路針中間掏空后還有進一步的優化。因此短路針堆疊的改進方向，對于壓縮短路結構是有效的。

表4 Z字形金屬柱仿真

2.2 電感線

由于金屬柱結構長度太大、短路針太細的弊病很難消除，參考Z字形金屬柱，如果將電感線應用在短路結構中，可以對短路針進行最有效壓縮。

單層中空螺旋線是最經典的電感模型，因此根據電感的感抗X（L）特性（公式6）的關鍵要素，我們可用于評估短路結構的影響因子。

f—頻率；L—電感量。

其中電感量計算公式（7），芯柱為空氣不做參考，可以得到3個影響參數。

μ—芯柱磁導率（此處為空氣）；N—線圈匝數；H—線圈高度；S—線圈截面積。

而在實際應用時，電感線會并聯出現寄生電容EPC（圖4），不能純粹當作電感來處理。同時短路腔體內部也因：螺旋線在短路段中的不同高度、實際電感量的變化、阻抗過渡的不同，呈現出復雜的頻率特性。

圖4 電感等效電路

2.2.1 圓柱形單層螺旋線

對金屬圓柱打中心孔并車制螺旋開槽，就得到了經典的圓柱形單層螺旋線結構，下面對圖5短路針模型進行仿真。

圖5 圓柱形螺旋短路針體模型

（1）阻抗過渡影響。根據3.1.1計算數據，短路部分阻抗應大于標準阻抗Z0，我們參考阻抗變換[3]中多節1/4波長變換器結構，將短路段外導體由一段改為多段，過渡段高度參考1/4波長與對應的螺旋線長度的調節，同時阻抗逐級變大。詳細參數可根據實際可行的尺寸，采用有限元法通過軟件進行求解。

從表5仿真數據看，每增加一級過渡，VSWR曲線整體向下移動。因此若要優化性能，可采用增加過渡的方法。另外也可以將圓柱形螺旋線改為梯形螺旋線，同樣可以達到阻抗過渡目的。

表5 不同阻抗過渡仿真

（2）位置影響。模型中螺旋線與短路針的相對位置（表6），實際并不影響1/4波長的等效長度，因此對中心頻點影響不大，但因為H（螺旋起始點高度）不同對電容電感的影響，因而需利用軟件尋求最優解。實際應用時，應將螺旋線與外導體過渡臺階進行配合，以獲得更好的過渡匹配效果。

表6 不同高度過渡仿真

（3）電感量影響。由公式（7）可知：匝數、截面積、高度對電感量的影響，但在實際模型中截面積等參數并不直觀，因此先轉化為：d（內孔徑）、N（匝數）、W（槽寬）、V（節距）。

將圓柱螺旋線模型通過軟件求解到較優的電感量參數后，可以得到3個駐波的低點，從低頻向高頻依次編號點1、點2、點3。那么點1至點3之間的頻段可用作使用頻段，通過調節3個點的頻率可以獲得想要的性能。

為研究結構參數對三個頻點的影響關系，采用單一變量法仿真得到表7數據。

表7 不同電感量過渡仿真

①匝數N、內孔徑d、槽寬W：隨著數值的變大，覆蓋頻率向低頻移動，低頻指標變差的同時高頻指標變優。

②節距V：隨著數值變大，覆蓋頻率向高頻移動，低頻指標變優的同時高頻指標變差。

再把4個模型參數帶入公式7，得到電感量關系式8：

其中匝數N、節距V與電感量L成正比，內孔徑d、槽寬W與電感量L成反比，結合上述仿真結果，可以初步判定：電感量L越大，覆蓋頻率是向高頻移動的。這里需要解釋一下匝數N，雖然按該結論，匝數N增大帶來電感量L增大及覆蓋頻率向高頻移動，但同時也應考慮匝數加大后變相也增加了1/4波長等效長度，且該作用更強，因此反而出現了使用頻段向低頻移動情況。

2.2.2 平面形螺旋線

將圓柱形螺線現變形為平面等距螺旋，又稱為阿基米德螺旋，基本結構與蚊香相似。查閱平面螺旋線電感量公式[5]，公式較為復雜，我們可以與圖6中的關鍵影響因子比較后簡化使用：電感量與匝數N、厚度B、節距V成正比，并與槽寬W成反比。

圖6 平面形螺旋短路針體模型

（1）結構搭建。表8為仿真數據，首先直接在同軸線上并入螺旋金屬片，駐波曲線在主頻段存在多個峰值。

表8 阿基米德螺旋仿真

為了壓低此處峰值，可以考慮利用電容通高頻阻低頻的特性，通過調節電容特性，駐波峰值有明顯降低，但在使用頻段內駐波指標仍不理想。

最后我們借鑒圓柱螺旋線結構中，短路結構沿同軸線徑向向外，阻抗逐步變化升高的過渡結構，在外導體上增加臺階進行阻抗匹配，且考慮到阿基米德螺旋線半徑是360°逐步增大，因此外導體1/4波長過渡進而可以演變為斜坡。

2.3 雙短路線結構

以上的短路線均為單一的1/4波長結構，受限于短路線自身等效長度限制，中心頻點僅能同時存在某個既定數值，因此也大大限制了避雷器有效覆蓋寬度。因此考慮將兩個短路結構的中心頻率f1與f2非常接近的短路結構，串聯在一同軸線上，通過兩段不同的短路線形成的帶通結構，對頻段進行一定的拓寬（圖7）。

圖7 雙端路線電氣圖

該方案可采用兩只頻段接近的1/4波長避雷器連接在一起測試，即可驗證，但對中心頻率的限制也是非常明顯的，同時也增加了使用成本和產品體積。

3 結語

本文從同軸線避雷器的1/4波長原理展開研究，明確了短路結構對產品有效覆蓋頻段、電氣性能的重要作用以及本身限制。之后基于短路線的作用及可行結構，展開對結構要素與性能指標之間的關聯性研究，短路針結構以金屬柱方案開始，進一步對其折疊與彎曲，從而推導出電感螺旋線結構的合理性。

文章重點研究的短路結構，由相關電感電容和阻抗過渡知識的推導，結合三維模型仿真驗證，最終識別并歸納出避雷器結構對性能影響的關鍵因子：短路結構等效1/4波長長度、阻抗過渡、螺旋線等尺寸因子、螺旋線的變形和電感等作用因素，為通信線路中避雷器的設計提供參考。