天饋(線)防雷器【天饋保護器】
當前在中長波段的天饋線上,基本上仍采用針形或齒形等放電間隙來做避雷器件,如圖4. 65所示。這類器件之所以使用至今,主要是由于它的極間電容很小,不會影響中長波發射機的工作。當天饋線上出現雷電過電壓時,由于針尖或齒尖附近電場集中,發生電擊穿,這樣便將巨大的雷電能量泄放到大地中,而射頻信號的能量較小,在針尖、齒尖之間不會發生跳弧,可以繼續導通,因而保證了天饋線正常工作。不過,放電間隙打火后,尖部被燒掉或氧化,擊穿電壓升高,可能對下一次雷擊喪失保護作用。
為此,使用這類防雷器時,應注意維護,特別是在雷雨季節,要勤檢查,打磨尖部,除去氧化層,調整間隙距離等。為了改善放電間隙的可靠性,也可以采用非金屬的石墨電極來代替金屬電極,具體的見9.2.2節所述。
對于短波波段的天饋線,現在使用的防雷器主要有以下三類:
① 1/4波長天饋防雷器:這是利用射頻信號頻譜與雷電流能最頻譜之間的差異,在天饋線上并接1/4波長的短路支線來泄放雷電流的防雷器,如圖4.66所示。支線與天饋線的交點A,對于射頻信號說來呈開路狀態,這樣就保證了天饋線上射頻信號正常傳輸。如果按照8/20μs波形、20kA雷電流峰值來計算,進入收發設備的殘余能量Eg應為:
式中: U (t)為殘余輸出電壓;
RL為設備輸人阻抗。
由此可以得到殘余能量僅為72μJ,這比目前大多數微型收發送機的10mJ承受能力無疑是低得多。不過,該防雷器的工作頻率受到1/4波長短路支線的限制,頻帶很窄,-般只有中心頻率fo的20% ~ 30%,所以通常只應用于移動通信基站和民航機場全向信標臺的天饋線上。
②氣體放電管天饋防雷器:這是利用射頻信號與雷電流在強度上的差異,在同軸電纜內外導體之間并接氣體放電管,如圖4.67所示,借助雷電流自身的高壓擊穿短路來泄放雷電流的。與1/4波長防雷器不同,此時射頻信號也完全被阻斷,而按照上述同樣的雷電流來計算,通到設備的殘余能量為6.5mJ,比1/4波長防雷器的要高得多。不過,該防雷器的工作頻
帶很寬,頻率下限直至直流,氣體放電管所承受的最大電壓為:
式中: Pm為通過天饋線的最大平均功率(W);
Z0為天饋線系統的特性阻抗;
Udc-b.為同軸電纜芯線的直流偏壓(V);
ξ為天饋線系統的電壓反射系數。
若氣體放電管選取得好,該防雷器的插入損耗可降低到0.1 ~0.8dB,駐波比(SWR)處于1.1~1.5范圍。不過,氣體放電管響應速度慢,多次動作后性能下降,因此有的防雷器又把電感與氧化鋅壓敏電阻串聯起來作為保護支路并接到同軸電纜上,電感起高頻扼流圈作用,阻止射頻信號入地而壓敏電阻則在低頻雷電過電壓作用下導通,泄放雷電流。這樣響應速度雖然快了,但壓敏電阻多次動作后性能也會降低,而且電容又比氣體放電管的大,限制了工作頻率上限,而串聯電感又限制了帶寬,故實際應用非常有限。
③濾波型天饋防雷器:這是利用微波傳輸原理制成的,如圖4.68所示。圖中1~2為微帶或同軸傳輸線,C1和C2為高壓隔直電容,它們將傳輸線分成兩段,只允許射頻信號通過而阻止直流和雷電等值頻率的能量通過。L1和L2為集中或分布參數構成的電感,它們決定了防雷器的工作頻率。C3和C4為傳輸線的分布電容,該保護電路實際上形成-個高通濾波器。
通過計算機優化選擇元件參數,該防雷器工作頻率可以達到8CHz,插入損耗降到0. 1 ~0.4dB,駐波比達到1.1~1.25。但是,在微秒級巨大雷電流沖擊下,該防雷器要達到性能穩定較為困難。同時,濾波也可能把-一些有用高頻信號濾掉,并且因工作頻率處在寬廣的雷電頻譜內,也會有一定的雷電能量侵人到設備中去,故實際應用并不太多。
隨著天饋線上傳輸信號的頻率升高,相應波長越來越短,天饋線系統會明顯地呈現出分布電路特性,此時如果還要將集中參數的天饋防雷器接人的話,則其電容必將影響原來信號傳輸時的阻抗匹配,特別是在10MHz~ 1GH2以上范圍內,信號將會發生嚴重畸變。因此迄今為止,對于短波波段以上的天饋線上的雷電過電壓,缺乏較為理想的防護器件。
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