同轴电涌保护器设计方法的分析

同轴电涌保护器设计方法的分析

原文发表在《电瓷避雷器》2022年第3期。

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DOI：10.16188/j.isa.1003-8337.2022.3.001

文章摘要

针对雷电电磁脉冲和感应过电压导致的通信线路终端设备损坏的问题，本文基于同轴线理论与同轴电涌保护器设计原理分析，利用高频结构仿真软件HFSS针对同轴电涌保护器在不同腔体半径以及有无安装气体放电管等情况进行仿真分析，得出其回波损耗S11曲线、插入损耗S21曲线以及时域反射分析TDR（time domain reflectometry）数据。通过分析仿真数据，本文制作出适合尺寸的同轴电涌保护器并对其进行了测试。根据仿真结果可以得出，当腔体半径与内置铜芯的半径比为2.3时，腔体的特性阻抗维持在50 Ω左右，放置气体放电管后对特性阻抗有较大的扰动；随着腔体半径的增加，反射系数也随之减小，但谐振频率基本都集中在2.5 GHz左右，放置气体放电管后S11曲线在谐振点附近有明显的变化；随着模型长度的增大，谐振频率随之减小；气体放电管的电容与尺寸都随着值的增大信号衰减增加，但是尺寸较电容对衰减的影响更大更加明显；实测与仿真基本符合，根据实测冲击试验看出同轴电涌保护器随冲击电压的增大响应时间随之减小，通流和残压随之增大，可见制作的同轴电涌保护器可以达到泄放浪涌，保护负载电路的作用。研究结果对同轴电涌保护器的设计制作有一定的指导意义。

主要内容

电磁脉冲（EMP），有时也称为瞬态电磁干扰，具有频率范围宽、能量大等特点, 并且具有很强的干扰及破坏作用,可以对电子设备造成严重的损伤,因此人们越来越重视雷电电磁脉冲对电子信息设备构成的威胁及其防护问题。电子通信系统常会受到EMP干扰，如雷电产生的高功率电冲击波和感应电流电压。这种瞬时过电压( 或过电流) 称为浪涌电压( 或浪涌电流) ，会损坏电子设备，所以需要有电涌保护器对其进行保护，迅速去除冲击脉冲，将电流﹑电压降到安全范围内。通信系统中通常采用同轴线进行信号的传输，因此，有必要对同轴电涌保护器进行的设计方法的研究。

国内外学者在同轴连接器、电磁脉冲抑制和仿真方面做了大量的工作。Gunston , M. A总结了基于物理尺寸计算传输线特性阻抗的方法。翟毅等人分析了1 /4 波长型雷电抑制器的工作原理，分析了不同绕线线芯的半径和绕线线芯到同轴线外导体表面间距对雷电抑制器工作带宽的影响。真莹采用三维仿真设计了气体放电管结构和1/4波长结构的两种快插式电涌保护器，得到了较好的结果。张过有等人经过实验验证,信号类电涌保护器的分布电容超出一定值后会对信号传输产生干扰,信号类浪涌保护器应保证拥有足够低的分布电容。李祥超等人分析了暂态抑制二极管(transient voltage suppressor,TVS)的分布电容对信号传输的影响，并且对同轴线中雷电波传输暂态特性进行了分析,还分析了接收机耦合雷电电磁波的电压及能量分布规律, 提出了利用各种保护器件来抑制接收机耦合雷电电磁波能量的抑制方法。Jae Cheol通过时域有限差分(FDTD)方法模拟了气体放电管电涌保护器的瞬态响应。这些对研究都对同轴浪涌保护器的设计方法具有重要的指导意义。

目前，尚没有学者将同轴浪涌保护器件剖析开，单独分析其影响因素，再结合起来研究其综合性能。特别是气体放电管与同轴连接器结合用于信号线路的电涌防护方面，很少有学者涉及。本文利用HFSS对同轴电涌保护器进行仿真，得到如下结果：腔体结构对同轴电涌保护器的特性阻抗的影响较大，实际应用中应选择半径适中特性阻抗波动较小的尺寸；S11曲线随着腔体半径的增加，反射系数也随之减小，谐振频率基本都集中在2.45 GHz左右；气体放电管的电容与尺寸都随着值的增大信号衰减增加，但是尺寸较电容对衰减的影响更大更加明显。实测与仿真基本相符，根据冲击试验可以得出制作的同轴电涌保护器可以达到泄放浪涌，保护负载电路的作用。

1理论分析

1.1 同轴线理论分析

1.2同轴电涌保护器设计原理

2模型建立

3仿真及试验数据分析

3.1 腔体尺寸的影响分析

3.2 气体放电管对信号的影响分析

3.3 同轴电涌保护器实物分析

结论

通过HFSS仿真分析不同介质宽度、长度及气体放电管对同轴电涌保护器TDR、反射特性和传输特性的影响。针对得出的结果，选取合适的尺寸，制作同轴电涌保护器，并对其测量反射传输特性及冲击特性，得出结论：

1)仿真分析。①根据TDR分析，可以看出腔体半径与内置铜芯的半径比为2.3时，腔体结构的特征阻抗维持在50Ω左右。比较不同腔体半径的TDR曲线，未放置气体放电管时，随着腔体半径的增大在0~50 ps范围内的波动也越剧烈。安装气体放电管后，模型的阻抗有明显的增加，阻抗波动较剧烈的时间段向后推迟到了150~200 ps，并且波动程度较未放置时越发剧烈。0~50 ps段与未放置气体放电管时阻抗的变化趋势相同，但是在150~200 ps段可以看出随着腔体半径增大阻抗的变化幅度减小。S11曲线随着腔体半径的增加，反射系数也随之减小，但谐振频率基本都集中在2. 5 GHz左右。安装气体放电管后，在谐振点周围的反射系数出现了明显的不同，其反射系数不再随着介质宽度的增加而减小；长度对谐振频率的影响非常明显，谐振频率随着模型长度的增大而减小。模型长度对反射系数的影响与频率相关。

②比较气体放电管不同电容与不同尺寸下的S21曲线可以看出，电容与尺寸的增大衰减也相应增大，但是电容量的影响很小，尺寸对信号的衰减影响更加明显。

2)实物分析。①S11谐振点在2.5 GHz左右，与仿真结果相符。②S21:插入损耗随着频率的增加而不断增大，在4 GHz的频率内对信号传输不会造成影响。③冲击特性：随着冲击电压的升高，气体放电管的响应时间大大减小，最终响应时间小于0.1 μs，且气体放电管击穿电压小的响应时间更快更敏感；随着冲击电压的增大，同轴电涌保护器的通流和残压也随之平稳增大，90 V击穿电压的气体放电管电压逐渐稳定在230 V左右，230 V击穿电压的气体放电管电压逐渐稳定在700 V左右，表明同轴电涌保护器可以达到泄放浪涌，保护负载电路的作用。

作者简介

李祥超(1969—),男，副教授,主要从事电涌保护器研发与测试。

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