天线直击雷防护一体式设计

作者：康国耀，胡伟文，陈正举

（深圳市中航比特通讯技术股份有限公司）

摘要：

为提高机动装备的直击雷防护能力，探究天线与一种非引雷原理的直击雷防护装备一体化设计理念。通过天线和直击雷防护设备的适当选型并进行一体化结构模拟设计，分析二者一体化设计前后天线信号传输工作状态和异常接闪时对天线信号传输的影响，通过对比前后天线传输的数据变化来探讨二者共存的可能性；并通过对天线传输特性仿真分析及模拟雷击试验结果来验证该二合一产品设计的电气性能满足天线传输要求。该设计理念在保证天线通信正常的前提下可同时增强天线设备的直击雷防护能力，为后期机动通信装备的直击雷防护提供一种新的解决方案。二者的结构强度保证特别是在有抗风要求的条件时，还需在实际设计及应用过程中进行进一步的可行性论证及试验验证。

0　引言

雷电灾害是 “联合国国际减灾十年”公布的影响人类活动的严重灾害之一，也被称为 “电子时代的一大公害”，并已成为严重影响人民生命财产安全的重要气象灾害之一［1］。对于雷电的防护，几百年来人们发明了富兰克林避雷针［2］为代表的被动防御 “引雷入地”。被动防雷方式一直沿用至今。“引雷入地”传统接闪器被动防护，但仍将会对设施和人员安全造成严重的危害，国内、外这样的案例不胜枚举。

传统的直击雷防护以接闪器引雷入地，保证接地电阻在合格要求范围内 （一般要求接地电阻10 Ω［3 －4］，机房，油库等重要设备的接地电阻要求4 Ω甚至是1 Ω）。若接地电阻偏大，会造成局部雷电流泄放的地电位抬升，造成地电位反击以及电磁脉冲感应等二次灾害。传统雷电防护在固定站点可以较易实现，但对于机动装备来说，肩负作战指挥、物资运输及勤务支援等重任［5］，往往没有固定建筑物作为依托形成多层次的防雷体系，而是直接暴露于山顶或其他空旷地带，极易遭受雷击；另外因其临时机动特性，小电阻地网的实现难度大，机动装备防雷是长期困扰部队作战和野外作业的难题。因此对机动式雷达站应根据其结构和使用条件，建立适合其特点的防雷体系［6］。

在科技高速发展的今天，应改变消极的、被动的、以避雷针为代表的防雷体制为主动预防，使小范围雷电灾害无法发生，达到主动预防，提前消除雷电产生的条件，降低雷电发生的概率。

本文选择一种非引雷等离子体防雷原理［7 －8］的直接雷防护装置，通过两级极化电极的共同作用电离空气，削弱局部雷电场强强度，抑制被保护区域内直击雷发生，降低雷电事故发生，将其和天线进行一体化设计，防雷设备安装在天线上部，两者中间用绝缘体隔开。天线中空设计，以便防雷引下线穿过，防雷设备底部预留接地端子与引下线连接，引下线为外层绝缘的屏蔽铜芯电缆。整个装备随车同时、同步、机动转移，为机动装备的安全运行和快速机动转移提供可靠保障。

1　一体化设计思路

使用一种水平全向甚高频免调谐鞭天线，工作频率为30～88 MHｚ，天线增益不低于1. 8 dB，特性阻抗为50 Ω。该天线全长3 M，由上下两部分组成，下部分为同轴结构，下鞭体为同轴外导体，上鞭体在中心馈电点与同轴内导体相连接；下部分有匹配网络调节天线阻抗，使得天线在工作频段内驻波比 （≤4. 5）满足指标要求［8］。

直击雷现象是自然界发生的一种超长间隙放电现象，根据气象条件记录，首次直击雷产生前约一小时本地电场强度向单方向升高（电场监测图如图1 所示）［9］。本设计中直击雷防护设备采用非引雷原理的自感应电离式防雷装置，设备如图2 所示，防雷保护角≥70°。

防雷设备的工作原理为防雷装置架设在本区域的至高点，当空气电场强度达到一定程度时，第一级电离电极之间采用压控元件控制极间电势差，第一级电离电极产生电晕电流，并将电压传导至内置升压装置，升压装置将第二级电离电极电压升高，同时第二级电离电极电离空气；在雷云大气电场环境下金属电晕放电现象生成等离子体首先缓慢地消耗大气电场总能量，等离子体又具有极强的空间扩散能力向外部扩展，空间游离电荷的中和效应可将本地区域内其他金属尖端产生的上、下行先导中和，从而抑制了上、下行先导在本地交汇，削弱直击雷形成条件，直击雷会落雷在保护区域外或进行云闪中和，实现直击雷防护目的，有效降低了雷电次生灾害发生概率和频率。压控单元瞬时导通并完成电荷转移平衡，电位恢复后又呈高阻状态，继续自感应电离，该电离过程直至雷云电场强度降低到电离现象不再发生为止［10］。

直击雷保护范围的确定采用防雷保护角折线法则，取决于防雷装置的防雷保护角θ，以及防雷装置的架设高度H，H 包括设备举升高度及防雷装置自身高度之和，如果架设现场能借助于地势高度差，则有助于增大防雷保护范围。防雷设计应遵循式 （1）来确定防雷保护范围的半径和高度包络线。

R0 ＝ tanθ × H （1）

式中：θ 为防雷装置的防雷保护角；R0 防雷保护范围的半径；H 为防雷设备的架设高度。

另外因其非接闪特性，在进行雷电防护的同时，降低了因引雷入地所产生的地电位扰动，同时降低了接闪过程中对于装备的电磁辐射和传导干扰的强度。接地电阻由10 Ω 可放宽至30 Ω甚至100 Ω，土壤电阻率在200 Ω·M 条件下使用2～3 根1M 接地极临时敷设，然后通过接地线的串联（搭接时不小于M8 铜螺母）即可满足接地电阻相关要求［11］。当荒漠地区土壤电阻率较高无法降低接地电阻时，可以采用增加接地极或在接地极附件浇盐水的方式降低接地电阻，使机动车辆的接地良好［12］。

本一体化设计是将防雷设备安装在天线上部，其中防雷设备高度为0. 39 M，接闪雷电通流量200 kA，保护角不小于70°，质量不大于3 kg。防雷设备与上节鞭体间用橡胶绝缘体隔开，鞭天线为中空设计，引下线 （屏蔽同轴电缆［13］）穿过橡胶绝缘体与鞭天线连接到大地 （异常雷电情况下接闪泄放通道）［14］。天线与防雷设备的一体化设计如图3 所示。

2　天线电性能仿真分析

天线与防雷设备的一体化设计是为满足整车通信不断与雷电防护两不误的要求，缩短布防时间，但防雷设备可能会对天线的电性能造成一定影响。为确保安装防雷设备后天线依然能够正常工作，下面将通过仿真的方式来分析防雷设备对天线性能的影响情况：

如图4 所示，防雷设备安装后对天线的回波损耗和驻波比的影响较小，一体化设计后仍能够使驻波比在工作频带内小于4，满足天线工作要求。另外此天线为水平全向辐射，天线上辐射体与防雷设备之间有橡胶绝缘体隔离，因此防雷设备对天线影响较小。橡胶绝缘体中心有引下线槽孔，这可能引起上节鞭体与防雷设备微弱的电磁耦合，这导致天线的电长度有所增加，从而使得工作频带有所降低，由上图可看出工作频带稍向左移动，频率有微小降低。但影响较小仍满足天线要求。

图5 与图6 分别是天线在安装防雷设备前后分别在工作频带 （30～ 88 MHｚ）的远场辐射方向图。对比可看出辐射方向图形状几乎没有变化，增益有少许波动，但仍在天线工作要求范围内。

对比分析天线直击雷防护一体化设计中安装防雷设备前后天线的电性能发现：安装防雷设备后天线的电长度有少许增加，驻波比波形图向低频方向稍微移动，天线远场辐射方向图仍为水平全向型，方向图形状基本无变化，增益有较小波动，但仍满足天线指标要求。

3　雷击效应分析

天线直击雷防护一体化设计中安装防雷设备前后的雷击效应如图7 所示。本文中防雷设备虽采用非引雷机理，但当雷电异常强大时也会发生接闪。防雷设备本身200 kA 的通流容量足以保证设备接闪后正常工作，但在接闪过程中对天线的影响需进行分析评估［15］。

当雷电分别击中安装防雷设备前后的天线时，通过仿真分析天线的电磁响应来确定。仿真条件如下：

（1）未安装防雷设备的天线，雷电将从天线顶端击入，天线基座接地点击出；对安装防雷设备的天线，雷电将从防雷装置顶端击入，通过引下线并从引下线接地点击出。

（2）依据国家标准GB50057—2010 《建筑物防雷设计规范》，天线基座与防雷设备引下线的接地阻抗应≤10 Ω。

根据国家标准GBT 21714. 1—2015 《雷电防护第1部分：总则》中规定对不同的LPL，其时间电流波形可采用表1 所给出的参数［16］。

表1　短时间雷击电流波形参数表

本文采用首次正极性短时间雷击Ⅰ级200 kA 电流波形，电流波形如图8 所示。

当雷电分别击中一体化设计前后的天线时，各天线的同轴馈线端口电流波形如图9 所示。

图９　一体化设计前后天线同轴馈线端口电流波形

对比图9 （a）和 （b），未安装防雷设备前，电流将直接进入天线上鞭体，通过上鞭体在中心馈电点与同轴内导体的连接点，流向同轴馈线端口，因此电流较大，且波形与雷电电流波形相似；安装防雷设备后，雷电电流进入防雷设备，通过引下线引入大地，因此同轴馈线端口电流较小，且波形较乱，是引下线泄漏电磁场的感应电流。

图10　一体化设计前后天线接地电流波形

图10 为一体化设计前后天线接地电流波形，可以看出，安装防雷设备后引下线接地电流大于未安装防雷设备前基座接地电流。对比分析天线直击雷防护一体化设计中安装防雷设备前后天线的接闪特性：未安装防雷设备的天线外导体有较大电流通过基座接地线引入大地，也有一大部分电流从天线上节鞭体流向同轴内导体，从而使得同轴馈线端口电流较大；而安装防雷设备的天线馈线端口电流明显较小，大部分电流通过引下线接入地中。

4　结束语

车辆的雷电防护设计已成为未来车辆集成设计的重要内容，也是提升车辆在恶劣气象条件下保障能力的重要手段。本文对非引雷原理的直击雷防护装置和天线一体化探究，通过模拟仿真分析，结果显示防雷设备对天线有显著的雷电防护作用，且对天线的信号基本无影响，二者合体的技术原理可行，为后期整车特别是加高天线通信车雷电防护设计工程提供参考。另外该防雷装置采用无源主动防雷工作模式，无需工作电源，满足与装备实现一体化集成设计的同时，又可应用于机动便携式直击雷防护，随车转运携行，到达目的地搬至地面独立架设，以满足机动装备快速布防、架撤、机动转移的需要，能够全天候为作战训练提供可靠的雷电防护；另外依据雷电防护要求，在进行整车直击雷防护的同时，还需通过内部雷电防护 （合理布线、屏蔽和等电位连接等）及在车辆电源及信号端口增加电涌保护器进行过电压防护，实现对整车的全方位防护，保证设备和人员安全。

来源：《机电工程技术》2024 年1 月

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